CN106972786B - 用于车辆的电力逆变器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于车辆的电力逆变器。一种电力逆变器包括：堆叠的卡的阵列，所述卡中的每个具有开关，所述开关被布置为将来自电池的直流电转换为交流电(AC)。所述卡中的每个还包括：第一端子，附连到所述开关中的一些，并且被构造为将交流电从第一端子传递到第一电机；第二端子，附连到所述开关中的另一些，并且被构造为将交流电从第二端子传递到第二电机。所述电力逆变器的第一基板和第二基板夹住所述开关和第一端子以及第二端子。

Description

用于车辆的电力逆变器
技术领域
本公开涉及用于车辆的电力逆变器(power inverter)。
背景技术
诸如纯电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和全混合动力电动车辆(FHEV)的车辆包含作为能量源用于一个或更多个电机的牵引电池组件。牵引电池包括用于帮助管理车辆性能和操作的部件和系统。电力逆变器电连接在电池与电机之间，以将来自电池的直流电转换为与电机兼容的交流电。电力逆变器还可用作整流器，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，一种电力逆变器包括：堆叠的卡的阵列，所述卡中的每个具有开关，所述开关被布置为将来自电池的直流电转换为交流电(AC)。所述卡中的每个还包括：第一端子，附连到所述开关中的一些，并且被构造为将交流电从第一端子传递到第一电机；第二端子，附连到所述开关中的另一些，并且被构造为将交流电从第二端子传递到第二电机。所述卡中的每个还包括第一基板和第二基板，所述第一基板和第二基板夹住所述开关和第一端子以及第二端子。
根据另一实施例，一种车辆逆变器的电力模块组件包括：堆叠的卡的阵列，所述卡中的每个具有多个开关，所述多个开关被布置为将来自电池的直流电转换为交流电(AC)。所述卡中的每个还包括：第一基板和第二基板，夹住所述多个开关，并限定第一端子和第二端子，所述第一端子被构造为将交流电从所述第一端子传递到第一电机，所述第二端子被构造为将交流电从所述第二端子传递到第二电机。
根据本发明的一个实施例，所述第一基板还包括外面板、内面板和设置在外面板与内面板之间的介电层，其中，所述内面板限定第一端子和第二端子中的至少一个。
根据本发明的一个实施例，所述电力模块还包括散热片，所述散热片与所述阵列交错使得所述散热片设置在相邻的卡之间。
根据本发明的一个实施例，第一端子附连到所述多个开关中的一些，并且第二端子附连到所述多个开关中的另一些。
根据本发明的一个实施例，所述多个开关是至少六个开关，并且第一端子附连到所述多个开关中的至少四个，第二端子附连到所述多个开关中的至少两个。
根据另一实施例，一种车辆逆变器系统的电力模块组件包括：堆叠的卡的阵列，所述卡中的每个具有多个开关，所述多个开关被布置为将来自电池的直流电转换为交流电(AC)。所述卡中的每个还包括：第一端子，附连到所述多个开关中的一些，并且被构造为将交流电从第一端子传递到第一电机；第二端子，附连到所述多个开关中的另一些，并且被构造为将交流电从第二端子传递到第二电机。每个所述卡中的每个还包括：第一基板和第二基板，夹住所述多个开关和第一端子以及第二端子。
根据本发明的一个实施例，所述卡中的每个还限定主侧部，并且所述卡被堆叠成阵列，使得所述卡中的每个的外主侧部中的一个面向相邻的卡的外主侧部中的对应的一个。
根据本发明的一个实施例，所述电力模块还包括散热片，所述散热片与所述阵列交错使得所述散热片设置在相邻的卡之间。
根据本发明的一个实施例，所述散热片中的每个限定冷却剂通道，所述冷却剂通道被构造为使冷却剂通过所述冷却剂通道进行循环。
根据本发明的一个实施例，至少一对相邻的卡被堆叠使得所述至少一对相邻的卡的主侧部彼此接触。
根据本发明的一个实施例，第一基板和第二基板中的每个还包括外面板以及设置在所述外面板与所述多个开关以及第一端子和第二端子之间的介电层。
根据本发明的一个实施例，第一基板和第二基板中的至少一个还包括抵靠所述介电层而设置的内面板，并且限定第一端子和第二端子中的至少一个。
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力逆变器的示意图。
图3是车辆电力逆变器的示意图。
图4是车辆电力逆变器的卡的截面图。
图5是图4的卡的分解图。
图6是卡的内部部分的立视图。
图7是图6的卡的另一内部部分的立视图。
图8是电力模块组件的透视图。
图9是另一电力模块组件的俯视图。
图10是另一电力模块组件的前视图。
图11是图10的电力模块组件的仰视图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为示例，其它实施例可采取多种替代形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员以多种形式利用本公开的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
在图1中描述了PHEV的示例，并且该PHEV总体上称为车辆16。车辆16可包括传动装置12，并且车辆16选择性地借助于内燃发动机20由至少一个电机18推进。电机18可以是在图1中被描绘为“马达”18的交流(AC)电动马达。电机18接收电力并提供推进车辆的扭矩。电机18还用作发电机，以通过再生制动将机械能转换为电能。
传动装置12可以是动力分流式构造(power-split configuration)。传动装置12包括第一电机18和第二电机24。在图1中第二电机24可以是被描绘为“发电机”24的AC电动马达。与第一电机18类似，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，以将机械能转换为电能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流式构造。
传动装置12可包括行星齿轮单元26，行星齿轮单元26包括中心齿轮28、行星架30和环形齿轮32。中心齿轮28连接到第二电机24的输出轴，以接收发电机扭矩。行星架30连接到发动机20的输出轴，以接收发动机扭矩。行星齿轮单元26将发电机扭矩与发动机扭矩组合，并提供环形齿轮32上的组合输出扭矩。行星齿轮单元26用作无级变速器，而不具有任何固定传动比或“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，以仅允许输出轴沿着一个方向旋转。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可被启用而进行“制动”或者防止第二电机24的输出轴和中心齿轮28的旋转。可选地，O.W.C和发电机制动器33可被去除并由针对发动机20和第二电机24的控制策略来代替。
传动装置12还可包括具有中间齿轮的副轴，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，以在行星齿轮单元26与副轴之间传递扭矩。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，以在第一电机18与副轴之间传递扭矩。变速器输出齿轮44连接到驱动轴46。驱动轴46通过差速器50连接到一对驱动轮48。变速器输出齿轮44与第三齿轮38啮合，以在传动装置12与驱动轮48之间传递扭矩。
车辆16包括能量储存装置，诸如用于储存电能的牵引电池52。电池52是能够输出电力以操作第一电机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作为发电机运转时，电池52还从第一电机18和第二电机24接收电力。电池52是由多个电池模块(未示出)组成的电池组，其中，每个电池模块包括多个电池单元(未示出)。车辆16的其它实施例预期不同类型的能量储存装置，诸如，可补充或取代电池52的电容器和燃料单元(未示出)。高电压总线将电池52电连接至第一电机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(诸如，电池温度、电压和电流)的输入。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向其它车辆系统和控制器提供指示电池荷电状态(BSOC)和电池功率容量(Pcap)的输出(BSOC，Pcap)。
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与第一电机18之间以及牵引电池52与第二电机24之间。VVC 10“提升”或增大由电池52提供的电力的电压电位(voltage potential)。根据一个或更多个实施例，VVC 10还“拉低”或减小由电池52提供的电力的电压电位。逆变器56将(通过VVC 10)由电池52供应的DC电力转换为用于操作电机18和24的AC电力。逆变器56还将由电机18和24提供的AC电力整流为DC，以对牵引电池52进行充电。传动装置12的其它实施例包括多个逆变器(未示出)，诸如，与电机18和24中的每个都关联的一个逆变器。VVC 10包括电感器组件14。
传动装置12包括用于控制电机18和24、VVC 10以及逆变器56的传动装置控制模块(TCM)58。TCM 58被配置为监测电机18和24的位置、转速和功率消耗等其他参数。TCM 58还监测VVC 10和逆变器56内的多个位置处的电参数(例如，电压和电流)。TCM 58将与该信息对应的输出信号提供给其它车辆系统。
车辆16包括车辆系统控制器(VSC)60，VSC 60与其它车辆系统和控制器进行通信，以用于协调它们的功能。尽管示出为单个控制器，但是VSC 60可包括多个控制器，所述多个控制器可用于根据整个车辆控制逻辑或软件来控制多个车辆系统。
车辆控制器(包括VSC 60和TCM 58)通常包括彼此协作以执行一系列操作的任意数量的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，闪存、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)以及软件代码。控制器还包括预定数据或“查找表”，所述预定数据或“查找表”是基于计算和测试数据的并被存储在存储器中。VSC 60通过使用通用总线协议(诸如，CAN和LIN)的一个或更多个有线或无线车辆连接而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，驻车挡，倒车挡，空挡或行驶挡)的输入(PRND)。VSC60还接收表示加速踏板位置的输入(APP)。VSC 60向TCM 58提供表示期望的车轮扭矩、期望的发动机转速和发电机制动器命令的输出，并且向BECM 54提供接触器控制。
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向ECM 64提供输出(期望的发动机扭矩)，所述输出是基于包括APP的若干输入信号的并且与驾驶员对车辆推进的请求相对应。
如果车辆16为PHEV，则电池52可经由充电端口66周期性地从外部电源或电网接收AC电能。车辆16还包括从充电端口66接收AC电能的车载充电器68。充电器68是AC/DC转换器，所述AC/DC转换器将接收到的AC电能转换为适合于对电池52进行充电的DC电能。进而，充电器68在再充电期间将DC电能供应给电池52。尽管以PHEV 16的背景示出和描述，但是应该理解的是，逆变器56可在其它类型的电动车辆(诸如，HEV或BEV)上实现。
参照图2，示出了VVC 10和电力逆变器56的电力模块组件57的电路图。VVC 10可包括一个或更多个卡(card)，所述卡至少具有用于提升输入电压(Vbat)以提供输出电压(Vdc)的第一开关单元70和第二开关单元72。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，但是它们的极性对调(反并联(anti-parallel))。在一个实施例中，开关70可以是逆导绝缘栅双极型晶体管(RCIGBT)。第二开关单元72可包括反并联连接到第二二极管80的第二晶体管78。晶体管74和78中的每个都可以是任意类型的可控开关(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。另外，晶体管74和78中的每个都可由TCM 58单独控制。电感器组件14被描绘为串联连接在牵引电池52与开关单元70和72之间的输入电感器。当供应电流时，电感器组件14产生磁通。当流过电感器14的电流变化时，产生随时间变化的磁场并感应出电压。VVC 10的其它实施例包括替代的电路配置。
电力模块组件57可包括堆叠在组件中的多个卡(也称为电力模块)。每个卡可包括具有连接至来自电池的正极DC节点的正极DC引线84以及连接至来自电池的负极DC节点的负极DC引线86的一个或更多个半桥82。半桥82中的每个还可包括第一开关单元88和第二开关单元90。第一开关单元88可包括反并联连接至第一二极管94的第一晶体管92。第二开关单元90可包括反并联连接至第二二极管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。第一开关单元88和第二开关单元90可与开关单元70和72类似。半桥82中的每个的第一开关单元和第二开关单元将电池的DC电力转换为AC引线100处的单相AC输出。AC引线100中的每个电连接至马达18或发电机24。
参照图3，电力逆变器111包括与栅极驱动板114和电容器组116电连接的电力模块112。电力模块112可包括多个卡，每个卡具有一个或更多个半桥。电力逆变器111还可包括电感器118和控制板120。
参照图4和图5，用于电力模块(诸如，电力模块112)的卡130包括夹住多个开关单元136的第一基板132和第二基板134。第一基板132包括外面板138、内面板140和设置在内面板与外面板之间的介电层142。外面板138限定卡的外主侧部，内面板140限定基板的内主侧部，面板和介电层的薄边共同限定卡的副侧部的一部分。例如，面板和介电层通过高温氧化工艺粘合在一起。内面板140和外面板138可以是诸如铜、铝、银或金的金属。在一个实施例中，外面板138是未图案化的铜，内面板140是图案化的铜。术语“图案化”指的是已被蚀刻以限定电路的面板。介电层142可以是陶瓷。示例性的陶瓷包括氧化铝、氮化铝和氮化硅。在一些实施例中，陶瓷可以是掺杂过的。第二基板134还包括外面板144、内面板146和介电层148。内面板和外面板以及介电层的材料可与上面关于第一基板132描述的材料类似。
卡130包括一个或更多个开关单元136(也被称为片或模)，诸如图4示出的实施例中示出的六个开关单元。每个开关单元136包括晶体管150和二极管152。晶体管150可以是但不限于是IGBT或FET。每个开关单元136电连接到内面板140和内面板146中的一个或两者。卡130包括多个垫片(shim)158，所述多个垫片158将开关单元136电连接到内面板中的一个并且起到分隔功能。模塑化合物(mold compound)160对卡130的内部组件进行封装。
卡130还包括多个端子156和信号引脚154。例如，卡130可包括正极DC端子162、负极DC端子164、发电机AC端子166以及马达AC端子168。DC端子162和164与电容器组和牵引电池电连接。AC端子166和168电连接到关联的电机。信号引脚154电连接到栅极驱动板。端子和引脚可通过图案化的内面板来形成，或者可以是附连到开关单元136的单独的部件。
图6和图7示出服务于第一电机和第二电机(例如，马达和发电机)的电力逆变器的另一示例性的卡170。卡170包括第一基板172和第二基板174。第一基板172包括外层(未示出)、内层176和设置在内层与外层之间的介电层178。内层和外层可以是金属面板，并且介电层可以是陶瓷面板。
在一个实施例中，第一基板172通过将外金属面板粘合到陶瓷面板的一侧并且将内金属面板粘合到陶瓷面板的另一侧来进行组装。内金属面板随后可被处理(诸如，通过蚀刻被图案化)将单个面板转变为多个单独的部件。在示出的实施例中，内层176被处理以形成正极DC端子186、负极DC端子188、第一AC触点190和第二AC触点192。多个开关单元180附连到内层176。例如，第一开关单元180A连接到第一AC面板190；第二开关单元180B和第三开关单元180C连接到第二AC面板192；第四开关单元180D、第五开关单元180E和第二开关单元180F连接到正极DC端子186。每个开关单元包括晶体管182和二极管184。应理解的是，卡170可包括多于或少于六个的开关单元，开关可按照与上面描述的方式不同的方式进行布置。
第二基板174包括外层(不可见)和内层194以及介电层196。第二基板174的材料与第一基板172的材料类似。在示出的实施例中，内层194被处理为包括与栅极驱动板和相应的开关单元180电连接的多个信号引脚198。第二基板174包括AC马达端子200、AC发电机端子202和DC触点204。当两个基板被组装时，AC发电机端子202抵靠开关单元180D而设置。AC马达端子200抵靠开关单元180E和180F而设置。DC触点204抵靠180A、180B和180C而设置。在示出的实施例中，马达是比发电机的功率更大的电机。因此，四个开关单元(180B、180C、180E和180F)连接到马达，并且两个开关电路(180A和180D)连接到发电机。
车辆电力逆变器(诸如，电力逆变器111)包括具有布置成阵列(或堆)的多个卡(诸如，卡130或170)的电力模块组件。阵列中卡的数量取决于电机的功率需求和单独的卡的功率容量。电力模块可包括用于冷却卡的热管理系统。图8至图11以及关联的文本公开了电力模块的示例性实施例。
参照图8，电力模块210包括堆叠成1乘4的纵向阵列213的多个卡212，其中，每个卡在纵向上与堆中的至少一个其他卡相邻。卡212可与上面描述的卡类似。卡212包括夹住开关单元和端子的第一基板和第二基板。第一基板和第二基板中的每一个可包括面向开关单元的内主侧部(不可见)、与内主侧部相对的外主侧部214以及副侧部216。端子可从副侧部216延伸。端子可包括AC马达端子218、AC发电机端子220、正极DC端子222和负极DC端子224。
卡212可被布置成堆，使得每个卡212的至少一个外主侧部214面向纵向相邻的卡的外主侧部。电力模块210可包括用于对电力模块210进行热调节的多个散热片226。散热片可通过将相对冷的冷却剂循环流过散热片226来使电力模块210冷却，或者，可通过将相对热的冷却剂循环流过散热片226来对电力模块210加热。散热片226可以是附连到通过其承载冷却剂的管道的固体金属片。或者，散热片226可限定冷却剂通过其循环的冷却通道228。冷却剂通道228与入口歧管和出口歧管(未示出)流体连通。散热片可根据冷却需求以多种不同构造与卡交错。在示出的实施例中，卡被成对地布置，一对中的每个卡的一个主侧部抵靠该对中的另一个卡的主侧部而设置。每对卡被两个散热片夹住。在其他实施例中，散热片226可与卡212交错，使得相邻的散热片仅夹住一个卡。在另一实施例中，三个或者更多个卡被夹在相邻的散热片之间。应理解的是，图8的教导不限于示出的1乘4阵列，并且阵列可包括多于或少于四个的卡，一些卡可在纵向和横向上与阵列中的其他卡相邻地堆叠。
参照图9，电力模块230包括堆叠成阵列233的多个卡232。每个卡限定了外主侧部234，并且包括从副侧部235延伸的端子236。卡被布置成阵列，使得相邻的卡的外主侧部234彼此面对。多个散热片238与卡交错，并且抵靠外主侧部234而设置。散热片238与入口歧管240以及出口歧管242连接，入口歧管240和出口歧管242被构造为使冷却剂循环通过散热片238。
参照图10和图11，电力模块250包括被布置成2乘2阵列251的多个卡232。应理解的是，可预期其他卡布置。每个卡包括主侧部254和副侧部256。多个信号引脚258从副侧部的一侧延伸，多个端子260从副侧部的另一侧延伸。卡被布置为使得：针对每个卡，主侧部254之一面向纵向相邻卡的主侧部，副侧部256之一面向横向相邻卡的副侧部。例如，卡232A的主侧部266面向纵向相邻的卡232B，卡232A的副侧部268面向横向相邻的卡232C。电力模块250包括热管理系统，所述热管理系统具有散热片262、入口歧管264和出口歧管270。卡的主侧部254抵靠散热片262而设置，以提供卡的双侧冷却。
尽管上文描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述了权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，可对一个或更多个特征或特性进行折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种电力逆变器，包括：
堆叠的卡的阵列，所述卡中的每个包括：
开关，被布置为将来自电池的直流电转换为交流电；
第一端子，附连到所述开关中的一些开关，并且被构造为将来自所述一些开关的交流电从第一端子传递到第一电机；
第二端子，附连到所述开关中的另一些开关，并且被构造为将来自所述另一些开关的交流电从第二端子传递到第二电机；
第一基板和第二基板，夹住所述开关以及第一端子和第二端子。
2.如权利要求1所述的电力逆变器，其中，所述卡中的每个还限定主侧部，并且所述卡被堆叠成阵列，使得所述卡中的每个的外主侧部中的一个面向相邻的卡的外主侧部中的对应的一个。
3.如权利要求1所述的电力逆变器，还包括散热片，所述散热片与所述阵列交错，使得所述散热片设置在相邻的卡之间。
4.如权利要求3所述的电力逆变器，其中，所述散热片中的每个限定冷却剂通道，所述冷却剂通道被构造为使冷却剂通过所述冷却剂通道进行循环。
5.如权利要求1所述的电力逆变器，其中，至少一对相邻的卡被堆叠为使得所述至少一对相邻的卡的主侧部彼此接触。
6.如权利要求1所述的电力逆变器，其中，第一基板和第二基板中的每个还包括外面板和设置在所述外面板与所述开关以及第一端子和第二端子之间的介电层。
7.如权利要求6所述的电力逆变器，其中，第一基板和第二基板中的至少一个还包括抵靠所述介电层而设置的内面板，并且限定第一端子和第二端子中的至少一个。
8.如权利要求1所述的电力逆变器，还包括电连接到所述卡中的每个的栅极驱动板和电容器组。
9.一种车辆逆变器的电力模块组件，包括：
堆叠的卡的阵列，所述卡中的每个包括：
多个开关，被布置为将来自电池的直流电转换为交流电；
第一基板和第二基板，夹住所述多个开关并限定第一端子和第二端子，所述第一端子被构造为将来自所述多个开关中的一些开关的交流电从所述第一端子传递到第一电机，所述第二端子被构造为将来自所述多个开关中的另一些开关的交流电从所述第二端子传递到第二电机。
10.一种车辆电力系统，包括：
第一电机；
第二电机；
堆叠的卡的阵列，所述卡中的每个包括：
多个开关，被布置为将来自电池的直流电转换为交流电；
第一端子，附连到所述多个开关中的一些开关，并且被构造为将来自所述一些开关的交流电从第一端子传递到第一电机；
第二端子，附连到所述多个开关中的另一些开关，并且被构造为将来自所述另一些开关的交流电从第二端子传递到第二电机；
第一基板和第二基板，夹住所述多个开关和第一端子以及第二端子。
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