CN106042949B - 电源模块总成和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电源模块总成和方法。电源逆变器包括多个电源模块，每个电源模块具有限定空腔的框架和设置在空腔内的功率级。每个框架具有一对接合面。框架布置成堆使得彼此邻近的接合面邻接。多个密封件与电源模块交错，使得每个密封件设置在框架的彼此邻接的接合面之间。

Description

电源模块总成和方法
技术领域
本公开涉及用于自动车辆的电源模块总成。
背景技术
诸如电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和全混合动力电动车辆(FHEV)的车辆包含牵引电池总成作为一个或更多个电机的能量源。牵引电池包括协助管理车辆性能和操作的组件和系统。电源逆变器被电连接在电池和电机之间以将来自电池的直流电转换为与电机兼容的交流电。电源逆变器还可以充当整流器以将来自电机的交流电转换为与电池兼容的直流电。
发明内容
根据一个实施例，一种电源逆变器包括多个电源模块，每个电源模块具有限定空腔的框架和设置在空腔内的功率级。每个框架具有一对接合面。框架被布置成堆使得彼此邻近的接合面邻接。多个密封件与电源模块交错使得每个密封件设置在框架的彼此邻接的接合面之间。
根据另一个实施例，一种电源逆变器包括多个电源模块，电源模块具有框架和设置在框架内的功率级。组装电源逆变器的方法包括：将密封件放置在每个框架的接合面上；将电源模块组装成堆使得彼此邻近的接合面邻接并压紧密封件而形成水密连接。
根据本发明，提供一种组装电源逆变器的方法，所述电源逆变器包括多个电源模块，所述电源模块具有框架和设置在框架内的功率级，所述方法包括：将密封件放置在每个框架的接合面上；将电源模块组装成堆使得彼此邻近的接合面邻接并压紧密封件而形成水密连接。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：将端板安装在所述堆的每一端上；将至少一个受拉构件安装在所述端板之间以将所述堆保持在一起。
根据本发明的一个实施例，每个框架限定孔，每个端板限定孔，所述方法还包括：定位框架使得每个框架中的孔对齐以产生延伸穿过所述堆的孔洞；定位端板使得每个端板中的孔与所述孔洞对齐；穿过所述孔洞插入受拉构件。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：在每个框架的接合面上设置凹入；将密封件放置在凹入中。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：将歧管安装在所述堆中，使得歧管容纳在由功率级和框架限定的空腔内。
根据本发明的一个实施例，密封件是机械密封件。
根据本发明的一个实施例，机械密封件是垫圈或O形环。
根据本发明的一个实施例，密封件是密封剂。
根据本发明的一个实施例，密封剂包括环氧树脂、硅树脂、粘合剂或者室温硫化硅树脂。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：使密封剂固化。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：在每个框架的接合面上设置凹入；将密封剂施加在凹入中。
根据又一个实施例，一种车辆包括电连接到至少一个电机的牵引电池。车辆还包括被构造为由所述至少一个电机驱动的车轮。电源逆变器电连接在所述电池和所述至少一个电机之间。电源逆变器包括多个电源模块，每个电源模块具有限定空腔的框架和设置在空腔内的功率级。每个框架具有一对接合面。框架被布置成堆使得彼此邻近的接合面邻接。多个密封件与电源模块交错使得每个密封件设置在框架的彼此邻接的接合面之间。
根据本发明，提供一种车辆，所述车辆包括：至少一个电机；牵引电池，电连接到所述至少一个电机；车轮，被构造为由所述至少一个电机驱动；电源逆变器，电连接在所述电池和所述至少一个电机之间，所述电源逆变器包括多个电源模块，每个电源模块具有限定空腔的框架以及设置在空腔内的功率级，每个框架具有一对接合面，框架被布置成堆使得彼此邻近的接合面邻接；多个密封件，与电源模块交错，使得每个密封件设置在框架的彼此邻接的接合面之间。
根据本发明的一个实施例，每个密封件包括垫圈、密封剂或者粘合剂。
附图说明
图1是示例性混合动力车辆的示意图。
图2是可变电压转换器和电源逆变器的示意图。
图3是根据本公开的一个实施例的电源模块总成的透视图。
图4是沿切割线4-4截取的图3中示出的电源模块总成的横截面的侧视图。
图5是图3中示出的电源模块总成的模块中的一个的透视图。
图6是沿切割线6-6截取的图5的模块的横截面的侧视图。
图7是图3中示出的电源模块总成的歧管的俯视图。
图8是根据本公开的另一实施例的模块的前视图。
图9是根据本公开的另一实施例的电源模块总成的透视图。
图10是根据本公开的又一实施例的电源模块总成的透视图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅为示例，其它实施例可以采取各种和替代的形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应该被解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一附图示出并描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征进行组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合与变型可被期望用于特定应用或实施方式。
PHEV的示例在图1中示出，并总体上被称为车辆16。车辆16包括传动装置12，并在内燃发动机20的协助下通过至少一个电机18被推进。电机18可以是交流(AC)电动马达，在图1中被示为“马达”18。电机18接收电力并提供扭矩用于车辆推进。电机18还用作发电机，用于通过再生制动将机械动力转换成电力。
传动装置12可以是动力分配式配置。传动装置12包括第一电机18和第二电机24。第二电机24可以是交流电动马达，在图1中被示为“发电机”24。如同第一电机18，第二电机24接收电力并提供输出扭矩。第二电机24还用作发电机，用于将机械动力转换成电力并优化通过传动装置12的动力流。在其它实施例中，传动装置不具有动力分配式配置。
传动装置12包括行星齿轮单元26，其包括太阳齿轮28、行星齿轮架30和环形齿轮32。太阳齿轮28被连接到第二电机24的输出轴用于接收发电机扭矩。行星齿轮架30连接到发动机20的输出轴用于接收发动机扭矩。行星齿轮单元26将发电机扭矩和发动机扭矩组合并围绕环形齿轮32提供组合的输出扭矩。行星齿轮单元26用作无级变速器，而没有任何固定的传动比或“阶梯”传动比。
传动装置12还可包括单向离合器(O.W.C.)和发电机制动器33。O.W.C.连接到发动机20的输出轴，只允许输出轴沿一个方向旋转。O.W.C.防止传动装置12反向驱动发动机20。发电机制动器33连接到第二电机24的输出轴。发电机制动器33可以被激活以“制动”第二电机24的输出轴和太阳齿轮28或防止第二电机24的输出轴和太阳齿轮28旋转。或者，O.W.C.和发电机制动器33可以被去除并以用于发动机20和第二电机24的控制策略代替。
传动装置12包括具有中间齿轮的中间轴，所述中间齿轮包括第一齿轮34、第二齿轮36和第三齿轮38。行星输出齿轮40连接到环形齿轮32。行星输出齿轮40与第一齿轮34啮合，用于在行星齿轮单元26和中间轴之间传递扭矩。输出齿轮42连接到第一电机18的输出轴。输出齿轮42与第二齿轮36啮合，用于在第一电机18和中间轴之间传递扭矩。传动装置输出齿轮44连接到传动轴46。传动轴46通过差速器50连接到一对驱动轮48。传动装置输出齿轮44与第三齿轮38啮合，用于在传动装置12和驱动轮48之间传递扭矩。传动装置还包括用于冷却传动装置流体的热交换器或自动传动装置流体冷却器49。
车辆16包括用于存储电能的能量存储装置，诸如牵引电池52。电池52是能够输出电力来运转第一电机18和第二电机24的高电压电池。当第一电机18和第二电机24运转为发电机时，电池52还接收来自它们的电力。电池52是由若干电池模块(未示出)组成的电池组，其中每个电池模块包含多个电池单元(未示出)。车辆16的其它实施例可设想不同类型的能量存储装置，诸如补充或代替电池52的电容器和燃料电池(未示出)。高电压总线将电池52电连接到第一电机18和第二电机24。
车辆包括用于控制电池52的电池能量控制模块(BECM)54。BECM 54接收指示车辆状况和电池状况的输入，诸如电池温度、电压和电流。BECM 54计算并估计电池参数，诸如电池荷电状态和电池功率容量。BECM 54将指示电池荷电状态(BSOC)和电池功率容量(Pcap)的输出(BSOC、Pcap)提供到其它车辆系统和控制器。
车辆16包括DC-DC转换器或可变电压转换器(VVC)10和逆变器56。VVC 10和逆变器56电连接在牵引电池52和第一电机18之间以及电池52和第二电机24之间。VVC 10“增压”或使由电池52提供的电力的电压电位增加。根据一个或更多个实施例，VVC 10还“降压”或使提供给电池52的电力的电压电位减小。逆变器56将主电池52(通过VVC 10)提供的直流(DC)电转换为用于操作电机18、24的AC电。逆变器56还将由电机18、24提供的AC电整流成直流电用以给牵引电池52充电。传动装置12的其它实施例包括多个逆变器(未示出)，诸如每个电机18、24与一个逆变器相关联。VVC 10包括电感器组件14。
传动装置12包括传动装置控制模块(TCM)58，用于控制电机18、电机24、VVC 10和逆变器56。TCM 58被配置为监测电机18、24的位置、速度和功率消耗等。TCM 58还监测VVC10和逆变器56内各个位置处的电参数(例如，电压和电流)。TCM 58将对应于该信息的输出信号提供到其它车辆系统。
车辆16包括与其它车辆系统和控制器通信以协调它们的功能的车辆系统控制器(VSC)60。虽然被示为单个控制器，但是VSC 60可包括可用于根据整体车辆控制逻辑或软件控制多个车辆系统的多个控制器。
车辆控制器(包括VSC 60和TCM 58)通常包括任意数量的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，闪存、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)和软件代码以彼此协作来执行一系列操作。控制器还包括预定数据或基于计算和试验数据并存储在存储器内的“查找表”。VSC 60使用共同的总线协议(例如，CAN和LIN)经由一个或更多个有线或无线的车辆连接与其它车辆系统和控制器(例如，BECM 54和TCM 58)通信。VSC 60接收表示传动装置12的当前位置(例如，驻车、倒车、空挡或前进)的输入(PRND)。VSC 60还接收表示加速踏板位置的输入(APP)。VSC60将表示期望的车轮扭矩、期望的发动机转速和发电机制动命令的输出提供到TCM 58，并将接触器控制提供到BECM 54。
车辆16包括用于控制发动机20的发动机控制模块(ECM)64。VSC 60将输出(期望的发动机扭矩)提供到ECM 64，所述输出基于多个输入信号(包括APP)，并对应于驾驶员对车辆推进的请求。
如果车辆16是PHEV，则电池52可以经由充电端口66周期性地从外部电源或电网接收AC能量。车辆16还包括车载充电器68，它从充电端口66接收AC能量。充电器68是AC/DC转换器，它将所接收的AC能量转换成适合给电池52充电的DC能量。进而，在再充电期间，充电器68将DC能量提供给电池52。虽然在PHEV 16的背景下进行示出和描述，但是应理解，逆变器56可在其它类型的电动车辆(诸如HEV或BEV)上实施。
参照图2，示出了VVC 10和逆变器56的电气原理图。VVC 10可包括第一开关单元70和第二开关单元72，用于使输入电压(Vbat)增压以提供输出电压(Vdc)。第一开关单元70可包括并联连接到第一二极管76的第一晶体管74，但是第一二极管76和第一晶体管74的极性切换(反向并联)。第二开关单元72可包括反向并联连接到第二二极管80的第二晶体管78。每个晶体管74、78可以是任何类型的可控开关(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。此外，每个晶体管74、78可由TCM 58单独控制。电感器组件14被示出为串联连接在牵引电池52和开关单元70、72之间的输入电感器。当提供电流时，电感器14产生磁通。当流经电感器14的电流变化时，产生时变磁场，并感应出电压。VVC 10的其它实施例包括替代的电路构造(例如，两个以上的开关)。
逆变器56可包括堆叠在总成中的多个半桥82。每个半桥可被封装为功率级(powerstage)。在示出的实施例中，逆变器56包括六个半桥，三个用于马达18，三个用于发电机24。每个半桥82可以包括连接到来自电池的正极DC节点的正极DC引线84和连接到来自电池的负极DC节点的负极DC引线86。每个半桥82还可以包括第一开关单元88和第二开关单元90。第一开关单元88可包括并联连接到第一二极管94的第一晶体管92。第二开关单元90可包括并联连接到第二二极管98的第二晶体管96。第一晶体管92和第二晶体管96可以是IGBT或FET。每个半桥82的第一开关单元88和第二开关单元90将电池的DC电转换成AC引线100处的单相AC输出。每个AC引线100被电连接到马达18或发电机24。在示出的示例中，三个AC引线100被电连接到马达18，其他三个AC引线100被电连接到发电机24。
参照图3至图6，电源逆变器56可包括电源模块总成57、电容器模块(未示出)和栅极驱动板(未示出)。电源模块总成57包括布置成堆的多个电源模块122。电源模块总成57包括限定堆的一端的第一电源模块124和限定堆的另一端的最后的电源模块126。第一端板128被设置为抵靠第一模块124，第二端板130被设置为抵靠最后的模块126。所述端板协作以夹住堆，并且可以提供压缩以帮助将堆保持在一起。端板128、130可通过受拉构件131被压紧以将所述堆保持在一起。
例如，每个电源模块可以包括孔141，每个端板可以包括孔139。电源模块和端板可被对齐，使得孔139和孔141协作以限定延伸穿过总成57的孔洞143。受拉构件131(例如，螺栓)延伸穿过总成57的孔洞143。每个受拉构件131可包括头部133和接纳螺母137的螺纹部135。
每个电源模块122包括框架132，框架132具有相对的主侧(major side)134、136和在主侧之间延伸的副侧(minor side)138。在示出的实施例中，框架132是中空的矩形体，所述矩形体包括左侧140、右侧142、顶部144和底部146，它们全体协作以限定外表面150、内表面148以及前后接合面152。接合面设置在框架132的主侧上。在其它实施例中，框架132可以具有不同的形状。内表面148限定用于容纳功率级或半桥82的外壳。功率级82可包括如图2中示出的半导体装置。
功率级82包括相对的主侧158和多个副侧160。功率级82被容纳在外壳内，使得至少一些副侧160被框架132包围。功率级82包括正极直流电力端子162和负极直流电力端子164，每个端子延伸穿过在右侧142中限定的一个或更多个孔。每个直流端子164可以连接到电容器模块的相应端子。功率级82的交流电力端子166延伸穿过在底部146中限定的孔。交流电力端子166被电连接到电机18、24中的一个或更多个。功率级82的第一信号针168和第二信号针170延伸穿过在左侧140中限定的一个或更多个孔。信号针168、170可以电连接到栅极驱动板。端子和信号针的位置可根据实施例而变化并且不限于示出的配置。第一板172被设置为抵靠功率级82的一个主侧158，第二板174被设置为抵靠功率级82的另一主侧。第一板172和第二板174被布置为使得板外侧176暴露并且至少一些边缘178接合框架132的内表面148。第一板172和第二板174可以是金属、塑料、复合材料或它们的组合。功率级82的半导体装置可以填充有环氧树脂156或其他填料以将功率级与板和其它组件电绝缘。注意：为了清楚，环氧树脂没有用交叉的平行线画出阴影。
框架132的副侧138足够厚以沿堆的纵向方向延伸超过板172、174的板外侧176。框架132的延伸区域和板外侧176协作以限定凹入于电源模块122的主侧的一对凹腔180。每个电源模块122还包括限定在框架132和功率级82之间的开口184。
各个电源模块122被布置成堆，其中，邻近的框架132的前后接合面152彼此邻接。当被堆叠时，相邻的电源模块122的凹腔180协作限定与模块122交错的冷却剂室182。端板128、130和电源模块122也可以协作以限定一些冷却剂室182。例如，第一端板128与第一模块124协作以限定外侧冷却剂室，第二端板130与最后的模块126协作以限定另一外侧冷却剂室。外侧冷却剂室可以具有比内部冷却剂室小的容积，或者端板可具有凹入区域以提供与内部冷却剂室具有相同或相似容积的外侧冷却剂室。或者，可以省略外侧冷却剂室。例如，端板128、130可分别包括容纳在第一模块124和最后的模块126的外侧凹腔内以填充所述凹腔的突起面。每个冷却剂室182可以在五侧是封闭的并且可以具有敞开的顶部。每个冷却剂室182可以包括槽路或其它特征以引导冷却剂在室内循环。
多个密封件183设置在框架132的邻近的接合面152之间以防止冷却剂从冷却剂室182漏出。每个密封件183可在邻近的框架132之间被压紧。框架132可包括限定在接合面152中用于容纳密封件183的一部分的凹入。密封件183可以是机械密封件或者可以是密封剂。例如，机械密封件可以是垫圈(由弹性体或金属制成)或O形环。密封剂可以是环氧树脂、硅树脂(例如，室温硫化硅树脂)或粘合剂。
参照图4、图5和图7，每个模块122中的开口184协作形成沿堆的长度方向延伸的空腔186。每个冷却剂室182的顶部通向空腔186。歧管188容纳在空腔186内并沿堆的长度方向延伸。歧管188可以包括供给室190和返回室192。在示出的实施例中，供给室和返回室并排定位，但是可以设想其它构造。供给室190包括与供给管路连接的端口194，返回室192包括与返回管路连接的端口196。供给管路和返回管路是热管理系统(未示出)的一部分，该热管理系统可以包括泵、散热器、其它管路、阀门和其它组件。歧管188的底表面202设置在每个冷却剂室182的顶部的上方。歧管188的底表面202可以作为冷却剂室182的顶部。供给室190的底表面202可包括多个入口198，所述入口连接供给室190并与每个冷却剂室182流体连通。返回室192的底表面可包括多个出口200，所述出口连接返回室并与每个冷却剂室182流体连通。入口198和出口200可各自包括从歧管188的底表面202向下突出的延伸区域。每个延伸区域可容纳在一个冷却剂室182内。可替代地，歧管188的底表面202可包括容纳在一个冷却剂室182内的突出部。这里，入口198和出口200可位于突出部内。在操作期间，供给室190中的加压冷却剂循环进入每个冷却剂室182中以冷却电源模块122。冷却剂从冷却剂室182离开，经由出口200进入返回室192。每个冷却剂室182内的槽路(如果包括的话)在入口198和出口200之间引导流体。
冷却剂室182被连接到歧管188使得所述室以平行流路径布置。平行流路径布置沿堆的长度方向提供更均匀的温度梯度，这是因为供给室190内的冷却剂的温度相对均匀。串联布置的冷却剂室可具有相对大的温度梯度，其中，堆的出口端处的冷却剂比堆的入口端处的冷却剂热得多。
参照图8，示出了另一电源模块总成220的剖视图。电源模块总成220包括多个电源模块222，电源模块222具有框架224，框架224具有前接合面226和后接合面(不可见)。在示出的实施例中，框架224还包括左侧230、右侧232、顶部234和底部236。上突出部238从顶部234向上延伸并限定空腔240。下突出部242从底部236向下延伸并限定空腔244。
功率级246被容纳在框架224内。功率级包括未被框架覆盖的主侧和被框架224的内表面包围的副侧。功率级246包括延伸穿过左侧230的一对正极和负极直流端子248以及延伸穿过左侧230的交流端子252。所述一对正极和负极直流端子248彼此相邻地堆叠，其中只有一个在图8中可见。功率级246的信号针250延伸穿过右侧232。在其它实施例中，端子和信号针可以放置在不同的位置。板251被设置在功率级246的每个主侧上。框架224的尺寸被形成为延伸超过板以形成凹腔。如上所述，相邻的凹腔协作以形成冷却剂室。入口歧管254设置在上空腔240内，出口歧管256设置在下空腔244内。歧管可以比空腔稍小(如图所示)或者可以具有基本相同的尺寸。入口歧管和出口歧管经由入口258和出口260与每个冷却剂室流体连通。在冷却系统的操作期间，流体从入口歧管254流动跨过功率级246，并且经由出口歧管256流出，以冷却功率级246。如示出的，上突出部和下突出部以及上歧管和下歧管集中在框架224的中心线上。但是，在其它实施例中，突出部和歧管可以向中心线的左侧或右侧偏置。类似于电源模块122，密封件(未示出)设置在前接合面226和后接合面之间以防止冷却剂从冷却剂室泄漏。
参照图9，示出了另一电源模块总成270。电源模块总成270包括布置成堆的多个电源模块272。一对端板274夹住所述堆。电源模块272和端板274可通过一对夹持板276被保持在一起。至少两个受拉构件278连接在一对夹持板276之间以压紧电源模块272和端板274。受拉构件278可以是具有头部280和螺纹部282的螺栓。螺母284被接纳在螺纹部282上。多个密封件286设置在邻近的电源模块272之间以防止冷却剂泄漏。密封件286还设置在端板274和邻近的电源模块272之间。如上所述，密封件286可以是机械密封件或者是密封剂。
参照图10，另一电源模块总成290包括布置成堆的多个电源模块292。一对端板294夹住所述堆。密封剂296设置在邻接的电源模块292之间以防止冷却剂从电源模块总成290泄漏。在本实施例中，密封剂296用作粘合剂将电源模块292结合在一起。因为密封剂296将电源模块保持在一起，所以不需要外部夹持机构。密封剂296还用于将端板294结合并密封到相应的电源模块292。在密封剂296固化时，电源模块总成290可以被放置成形或被夹紧。在一些实施例中，总成290可被放置在烘箱中以促进固化。
虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可作出各种改变。如之前所描述的，可组合各个实施例的特征以形成本发明的可能未被明确示出或描述的进一步的实施例。虽然各个实施例可能已被描述为提供优点或在一个或更多个期望的特性方面优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应该认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其他实施例或现有技术实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定应用。

Claims (5)

1.一种电源逆变器，包括：
多个电源模块，每个电源模块包括限定空腔的框架和设置在空腔内的功率级，每个框架具有一对接合面，框架被布置成堆使得彼此邻近的接合面邻接，其中，所述接合面中的每个延伸超过功率级并与功率级协作以在电源模块的相对侧限定凹腔，且其中，电源模块被布置成堆使得彼此邻近的凹腔协作以形成与电源模块交错的冷却剂室；
多个密封件，与所述电源模块交错，使得所述密封件中的每个密封件设置在框架的彼此邻接的接合面之间；
歧管，延伸跨过所述堆并设置在每个框架的空腔内，所述歧管被构造为使冷却剂在空腔内循环以冷却所述电源模块。
2.根据权利要求1所述的电源逆变器，其中，每个密封件是垫圈、密封剂或粘合剂。
3.根据权利要求1所述的电源逆变器，其中，每个框架还包括限定在所述接合面中的至少一个中的凹入，且其中，每个密封件的至少一部分设置在所述凹入中的至少一个内。
4.根据权利要求1所述的电源逆变器，还包括被布置为夹住所述堆的一对端板。
5.根据权利要求4所述的电源逆变器，还包括受拉构件，所述受拉构件连接在所述端板之间并被构造为将所述堆和所述端板保持在一起。
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