CN108110959A - 电动汽车车用电机和电机控制器集成系统 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车电机与电机控制器集成系统，包括一台永磁同步电机及一台控制器，永磁同步电机与电机控制器集成封装在一个圆柱形的金属壳体内，二者之间由一块圆形液冷铝板隔离。本发明将永磁同步电机和电机控制器集成为一体，可以有效地提高电机驱动系统的体积功率密度和重量功率密度；电机与电机控制器冷却管路直接在系统内部连接，使该集成系统具有较好的散热能力；对外没有交流连线以及转子位置传感器和温度传感器的连接线，使该集成系统具有较好的电磁兼容性。

Description

电动汽车车用电机和电机控制器集成系统

技术领域

一种电动汽车车用电机和电机控制器集成系统，属于电动汽车驱动技术领域。

背景技术

电动汽车因其节能与环保的优点，成为当前汽车技术和汽车工业可持续发展的研究重点。永磁同步电机具有功率密度高、运行效率高等优点，广泛地应用于电动汽车驱动系统中。由永磁同步电机和电机控制器组成的电机驱动系统直接决定了电动汽车动力性、经济性和平顺性，是电动汽车的重要组成部分。

目前对于电动汽车来说各个部分包括电机驱动系统来说轻量化和小型化是电动汽车提升续航里程和节省空间的重要途径之一。数据显示，电动汽车质量每下降10％，电能消耗将减少3％-5％。目前电动汽车电机驱动系统中永磁同步电机和控制器一般是相互独立的，采用独立的外壳进行防护和安装，通过导线或者铜排实现电机三相输入端与电机控制器三相输出端之间的高压电气连接，永磁同步电机内的转子位置传感器和温度传感器通过低压线束与电机控制器相连接，且永磁同步电机和电机控制器的液冷系统是独立设计或者冷却管道串联连接的。这样的系统在相同功率条件下总体积和总质量较高，且制造成本和安装成本也较高，不利于电机驱动系统的高功率密度化和节能化要求。

本发明通过对电机驱动系统进行合理化设计,将永磁同步电机和电机控制器集成为一体，使系统的体积功率密度和重量功率密度都得到了较大的提高，并保证了永磁同步电机和电机控制器具有较好的电磁兼容性和散热性能，具有很好的创新性。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动汽车车用电机和电机控制器集成系统，可应用于电动汽车，可以有效减小电动汽车电机驱动系统体积、质量和制造成本，以实现电动汽车电机驱动系统的结构紧凑化、高功率密度和节能化。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

集成系统由一个电机控制器与一台车用永磁同步电机组成，所述永磁电机和电机控制器集成封装在同一金属壳体内，统一进行安装和防护，壳体为中间具有空腔的圆柱体结构；电机控制器固定于圆形液冷铝板上，所述电机与电机控制器的高压电气的连接、转子位置传感器和温度传感器信号线与电机控制器的连接以及冷却管路的连接都在金属壳体内完成。

进一步地，电机控制器采用三相桥式逆变电路，将电动汽车上的高压直流电源如燃料电池、发电机、蓄电池组或者超级电容组等，输出的直流电能转换为永磁同步电机所需的交流电能。控制器由由功率主电路、电容模块和控制板三部分组成。其中逆变器每一相桥臂由多只并联的IGBT或功率Mosfet电力电子功率器件构成，三相桥臂上的功率器件按等边三角形分布，每一相上下桥臂功率器件并排构成等边三角形一条边，共同焊接在一块铝基印刷电路板上。电容模块由多只贴片电容并联而成，位于所述三桥桥臂组成的等边三角形的中心区域，与功率器件焊接在同一块铝基印刷电路板上，所述贴片电容正负极分别与连接电池正负极的直流功率端子通过铝基印刷电路板实现高压电气连接。控制板位于铝基板上方，主要由DSP芯片及其辅助电路构成，根据整车动力需求为主电路的电力电子器件驱动信号。控制板和功率主电路的接插件相对布置，采用排线实现其电气连接和信号连接。

进一步地，系统的冷却方式采用统一整体化的设计。电机控制器安装在电机圆形液冷铝板上，圆形液冷铝板的液体进口延伸到圆柱形金属壳体外部作为系统的冷却液进口，圆形液冷铝板的液体进口与圆柱形金属壳体侧面的液体流道的入口相连接，圆柱形金属壳体侧面的液体流道的出口延伸到圆柱形金属壳体外部作为系统的冷却液出口，共同构成冷却液循环流动管路。冷却液自圆形液冷铝板液体流道的入口流入，经圆形液冷铝板液体流道后流入圆柱形金属壳体冷却流道，最后由电机外壳冷却液出口流出回道外部冷却系统，实现冷却液循环使用。

进一步地，实现控制器交流输出端子与永磁同步电机定子绕组在壳体内直接连接。电机控制器的三相交流功率端子固定于控制器的铝基印刷电路板上，与功率电子器件构成的逆变桥对应输出端相连接。永磁同步电机三相定子绕组输出端穿过圆形液冷铝板与电机控制器三相交流功率端子一对一连接。

综上所述，电动汽车电机与电机控制器集成系统中永磁同步电机和电机控制器之间所有的高压电气的连接、转子位置传感器和温度传感器的信号线与电机控制器的连接以及冷却管路的连接都在金属壳体内实现，可以有效地减小系统的体积以及电磁干扰对信号传输的影响。

本发明将永磁同步电机和电机控制器集成为一体，可以有效地提高电机驱动系统的体积功率密度和重量功率密度；电机与电机控制器冷却管路直接在系统内部连接，使该集成系统具有较好的散热能力；对外没有交流连线以及转子位置传感器和温度传感器的连接线，使该集成系统具有较好的电磁兼容性。

附图说明

图1为电动汽车电机与电机控制器集成系统结构示意图。

图2为电动汽车电机控制器铝基印刷电路板结构示意图。

图3为电动汽车电机与电机控制器集成系统原理示意图。

图4为电动汽车电机控制器U相上桥功率器件模块连接示意图。

图5为电动汽车电机与电机控制器集成系统液体冷却管路连接示意图。

具体实施方式：

参照附图，下面详细叙述本发明的具体实施方式。

图1给出了电动汽车电机与电机控制器集成系统整体结构，系统由一台永磁同步电机1及一台永磁同步电机控制器2组成，永磁同步电机1与电机控制器2集成封装在一个圆柱形金属壳体3内，二者之间由一块圆形液冷铝板4隔离，圆柱形金属壳体3属于永磁同步电机定子的一部分，其四周侧壁以及圆形液冷铝板4内布有冷却液体流道。所述永磁同步电机1与电机控制器2在圆柱形金属壳体3内部实现高压交流电气的连接、转子位置传感器5信号线和温度传感器6信号线的连接以及冷却管路的连接。

永磁同步电机1主要由机械输出轴7、定子铁芯8、定子绕组9、转子10组成，永磁同步电机1将交流电能转换为整车需要的机械能。本发明中电机控制器2的铝基印刷电路板11引出的三相交流功率端子12对应地与电机三相交流定子绕组9引出端一对一连接，可以采用但不限螺栓固定，实现二者的高压电气线连接。三相交流功率端子12固定于控制器的铝基印刷电路板11上，通过铝基印刷电路板11上的铜箔与功率电子器件构成的逆变桥中点即如图3所示的输出端u、v、w一对一连接。

本发明的集成系统圆柱形金属壳体3固定有外供直流功率端子13供与车用直流电源通过高压电缆连接，进一步通过铜排连接到控制器铝基印刷电路板的正负极直流功率端子14/15上，实现车载直流电源的直流电能输入。电机控制器2包括功率主电路16、控制板17和电容模块18三部分。其中功率主电路16和电容模块18焊接在同一块铝基印刷电路板11上，其中铝基印刷电路板11固定在电机圆形液冷铝板4上。控制板17位于铝基板11上方，主要由DSP芯片及其辅助电路构成，所述控制板17接收电流传感器、温度传感器5和转子位置传感器6的信号，根据整车动力需求在控制板17的核心微处理器DSP(不限于DSP)内实现电机控制算法，进一步为功率主电路16的电力电子器件提供驱动信号。控制板17可以但不限于采用支撑柱固定到圆形液冷铝板4的方式支撑和固定。功率主电路16和控制板17的接插件相对布置，采用排线实现二者电气连接和信号连接，所述两个接插件布置时应尽量靠近分布以减小排线的长度同时减少电磁干扰对信号传输的影响。

图2具体地给出了电机控制器铝基印刷电路板11的结构示意图，正负极端子14/15可以但不限于分布于如图所示的功率电子器件构成的三角形桥臂外侧，通过铜排与圆柱形金属壳体3上的对外直流功率端子13相连接。逆变器每一相桥臂由一个IGBT或功率Mosfet电力电子功率器件模块19构成，如图4所示每一个功率器件模块由多只IGBT或功率Mosfet电力电子功率器件并联而成，如图为例的U相上桥模块20由8片功率电子器件并联而成，功率电子器件数量不限需根据电机控制器2的电流需求决定。逆变器三相桥臂上的功率电子器件按等边三角形分布，每一相上下桥臂功率器件并排构成等边三角形一条边，共同焊接在铝基印刷电路板11上，其中外围的边20、22、24代表上桥功率电子器件，内部的边21、23、25代表下桥的功率电子器件。本图给出的功率电子器件排布方式仅为示例，实际排列方式不限于此。器件排布与三相桥臂对应关系对应于图2和图3，图2中u、v、w三相交流功率端子12对应图3中三相桥臂中点u、v、w，图2和图3中每相桥臂上下桥的排布位置可以通过数字序号对应起来。以U相桥臂为例，正极功率端子14通过铝基印刷电路板11上的铜箔连接到U相上桥功率器件20的输入端，进一步将上桥功率器件20的输出极与下桥功率器件21的输入级进行连接，最后下桥功率器件21的输出端通过铝基印刷电路板11上的铜箔连接到负极功率端子15，从而构成逆变器U相桥臂，其他两相桥臂与U相类似。电容模块18由多只贴片电容并联而成，位于所述三桥桥臂组成的等边三角形的中心区域，共同焊接在铝基印刷电路板11上，所述贴片电容正负极分别与连接电池正负极的正负极端子14/15通过铝基印刷电路板11上的铜箔实现高压电气连接。

图1,5给出了集成系统冷却方式的设计结构示意图，图5给出了集成冷却流道结构示意图，但冷却流道设计不限于此示例。电机控制器2安装在电机圆形液冷铝板4上，金属壳体3四周侧壁以及圆形液冷铝板4内布有液冷冷却流道。圆形液冷铝板内部的冷却流道采用U性冷却流道设计，圆形液冷铝板的液体进口26延伸到圆柱形金属壳体3外部作为系统的冷却液进口，圆形液冷铝板的液体出口27与圆柱形金属壳体3侧面液体流道的进口27相连接，圆柱形金属壳体侧面的液体流道的出口延伸到圆柱形金属壳体3的外部作为系统的冷却液出口28。冷却液自圆形液冷铝板4液体流道进口26流入，经圆形液冷铝板液体流道后流入圆柱形金属壳体3侧面的液体流道，最后由圆柱形金属壳体3的侧面液体流道出口28流出回道外部冷却系统，实现冷却液循环使用，对所述电动汽车电机和控制器集成系统进行冷却。所述永磁同步电机的定子铁芯8与圆柱形金属壳体3紧密接触，以保证电机定子绕组9产生的热量通过流过圆柱形金属壳体3内液体流道中的冷却液散发，使该集成系统具有较好的散热能力。

Claims (4)

1.一种电动汽车电机和电机控制器集成系统，由一台永磁同步电机及一台控制器组成。其特征在于：永磁同步电机与电机控制器集成封装在一个圆柱形金属壳体内，二者之间由一块圆形液冷铝板隔离，圆柱形金属壳体属于永磁同步电机定子的一部分，其四周侧壁以及圆形液冷铝板内布有冷却液体流道。所述永磁同步电机与电机控制器在圆柱形金属壳体内部实现高压交流电气的连接、转子位置传感器信号线和温度传感器信号线的连接以及冷却管路的连接。

2.根据权利要求书1所述的电动汽车车用电机和电机控制器集成系统，其特征在于控制器为由功率主电路、控制板和电容模块三部分组成。

功率主电路采用三相桥式逆变电路，每一相由多只并联的I GBT或功率Mosfet功率器件构成，三相桥臂上的功率器件按等边三角形分布，每一相上下桥臂功率器件并排构成等边三角形一条边，共同焊接在一块铝基印刷电路板上。电容模块由多只贴片电容并联而成，位于所述三相桥臂组成的等边三角形的中心区域，与功率器件焊接在同一块铝基印刷电路板上，所述贴片电容正负极分别与连接电池正负极的直流功率端子通过铝基印刷电路板实现连接。控制板位于铝基板上方，由DSP芯片及其辅助电路构成，根据整车动力需求为主电路的功率器件驱动信号。采用排线实现控制板和主电路之间的电气连接和信号连接。

3.根据权利要求书1所述的电动汽车车用电机和电机控制器集成系统，其特征在于永磁同步电机和电机控制器采用统一液冷循环系统。

所述电机控制器铝基印刷电路板固定于圆形液冷铝板上，所述圆形液冷铝板内部具有液冷冷却流道。圆形液冷铝板的液体进口延伸到圆柱形金属壳体外部作为系统的冷却液进口，圆形液冷铝板的液体出口与圆柱形金属壳体侧面的液体流道的入口相连接，圆柱形金属壳体侧面的液体流道的出口延伸到圆柱形金属壳体外部作为系统的冷却液出口，共同构成冷却液循环流动管路。

4.根据权利要求书1所述的电动汽车车用电机和电机控制器集成系统，其特征在于电机控制器的三相交流功率端子固定于控制器的铝基印刷电路板上，与功率器件构成的逆变桥交流输出端一对一连接。永磁同步电机三相定子绕组输出端穿过圆形液冷铝板与电机控制器三相交流功率端子一对一连接。