CN110868094A - 一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器 - Google Patents

一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器 Download PDF

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仙存妮
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器，其用于将燃料电池提供的直流电转换为供高速空压机使用的交流电，包括：逆变单元，连接在可控制动单元与三相电源之间；可控制动单元，连接在直流母线与逆变单元之间；反馈采样单元，与三相电源中的两相连接，包括电流采样模块和温度采样模块，用于采集逆变单元的电流信号和温度信号；控制单元，设置在一控制板上，与反馈采样单元及一上位机连接；驱动单元，连接在逆变单元与控制单元之间；反激单元，包括反激电源和MOS驱动，反激电源用于产生多路电压，MOS驱动用于控制反激电源，反激单元通过连接端子连接至控制板，为控制单元和驱动单元提供电力；电解电容；功率板；屏蔽板；板外电容；水冷单元。

Description

一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器领域，具体而言，涉及一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器。
背景技术
传统逆变器中所采用的主流功率器件为硅材料，经过近60年的演进，硅基器件已经取得了长足的发展，其器件性能已经逐步逼近其材料的理论极限，但在应用于极限条件下时仍会出现开关频率低、效率低、耐受温度低等问题。
由于燃料电池汽车中各部件的要求较高：逆变器的工作电压在200V到700V之间变化，冷却水温度高达85℃，所需开关频率在30kHZ以上等。同时，为了将燃料电池系统应用于乘用车，所需空压机的各种要求更加严格：在达到指定进气压力、进气质量的同时，减小空压机体积，因此需要空压机转速有大幅度提升。由此对逆变器的开关频率也就提出了要求，同时为了给整个空压机减小体积，通过合理优化布局减小逆变器所用体积也是逆变器设计的要求之一。
发明内容
本发明提供一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器，用以将燃料电池提供的直流电转换为供高速空压机使用的交流电。
为达到上述目的，本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器包括：
逆变单元，用于将直流电转化为供电机使用的交流电；
可控制动单元，连接在直流母线与逆变单元之间，于电机出现异常时对逆变单元进行保护；
反馈采样单元，与三相电源中的两相连接，包括电流采样模块和温度采样模块，用于采集逆变单元的电流信号和温度信号；
控制单元，设置在一控制板上，与反馈采样单元及一上位机连接，用于接收上位机指令并发送控制指令以及接收反馈采样单元采集的逆变单元的电流信号和温度信号；
驱动单元，连接在逆变单元与控制单元之间，用于将接收到的控制指令转化为驱动信号；
反激单元，包括反激电源和MOS驱动，反激电源用于产生多路电压，MOS驱动用于控制反激电源，反激单元通过连接端子连接至控制板，为控制单元和驱动单元提供电力；
电解电容，用于滤波并储存电能；
功率板，逆变单元、反激单元、电解电容设置在功率板的背面，电解电容通过针脚焊接在功率板背面；
屏蔽板，设置在控制板与功率板之间，用于隔离信号干扰；
板外电容，内部包括多个并联的电容，与功率板以及直流母线连接，用于消除母线电压波动带来的影响；
水冷单元，设置在功率板背面的下方，包括一水冷板，水冷板上开设有相对的第一开孔和第二开孔，第一开孔设置在靠近逆变单元的一侧以供冷却水流入，第二开孔供冷却水流出，水冷单元用于对燃料电池汽车高速空压机用逆变器整体进行降温，
其中，温度采样模块设置在逆变单元与电解电容之间，电流采样模块设置在温度采样模块一侧，逆变单元连接在可控制动单元与三相电源之间。
在本发明的一实施例中，电流采样模块采集两相相电流。
在本发明的一实施例中，可控制动单元、逆变单元、控制单元和驱动单元中的开关管均采用碳化硅材料制造。
在本发明的一实施例中，可控制动单元包括内置电阻和外接制动电阻，当内置电阻的制动功率不足时，可控制动单元能够扩展变频器的制动功率。
在本发明的一实施例中，燃料电池汽车高速空压机用逆变器还包括一外壳，以供容置上述各个部件。
在本发明的一实施例中，电解电容与水冷单元之间设有散热台，电解电容与散热台接触部分涂有导热硅脂。
本实用发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器由于采用了宽禁带材料的碳化硅半导体作为功率转换器件，与传统逆变器相比，具有以下优点：结构更加紧凑、体积更小、耐热温度更高、高阻断电压、低损耗、开关速度快。综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。同时采用了优化的结构布局方式，使整个逆变器中的杂散电感大大减少，对于系统间各部件的干扰也相应减少。通过对逆变器的优化设计，逆变器所占用的空间体积变小、散热更好，所能提供的开关频率达到30-50kHZ，相应的电机转速达到12万转以上，效率达到95％以上，且转速及空压机气泵进气压力和进气质量均达到既定要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器主要元件的连接示意图；
图2为功率板处的剖视图；
图3为本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器的侧剖图。
附图标记说明：1-逆变单元；2-可控制动单元；3-反馈采样单元；31-电流采样模块；32-温度采样模块；4-控制单元；B-控制板；5-驱动单元；6-反激单元；61-反激电源；62-MOS驱动；P-连接端子；7-电解电容；8-功率板；9-屏蔽板；10-板外电容；11-水冷单元；12-散热台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器主要元件的连接示意图，图2为功率板处的剖视图，图3为本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器的侧剖图，如图1-图3所示，本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器包括：
逆变单元1，用于将直流电转化为供电机使用的交流电，主要功能为辅助完成逆变器的三相输出，由于开关损耗需要进行降温处理；
可控制动单元2，连接在直流母线与逆变单元1之间，于电机出现异常时对逆变单元1进行保护；
反馈采样单元3，与三相电源中的两相连接，包括电流采样模块31和温度采样模块32，用于采集逆变单元1的电流信号和温度信号；
控制单元4，设置在一控制板B上，与反馈采样单元3及一上位机(图中未示出)连接，用于接收上位机指令并发送控制指令以及接收反馈采样单元3采集的逆变单元1的电流信号和温度信号；
驱动单元5，连接在逆变单元1与控制单元4之间，用于将接收到的控制指令转化为驱动信号；
反激单元6，包括反激电源61和MOS驱动62，反激电源61用于产生多路电压，MOS驱动62用于控制反激电源61，反激单元6通过连接端子P连接至控制板B，为控制单元4和驱动单元5提供电力；
电解电容7，用于滤波并储存电能；
功率板8，逆变单元1、反激单元6、电解电容7设置在功率板8的背面，以使这几个部件共用同一竖直空间，以提高空间利用率，电解电容7通过针脚焊接在功率板8背面；
屏蔽板9，设置在控制板B与功率板8之间，用于隔离信号干扰；
板外电容10，内部包括多个并联的电容，与功率板8以及直流母线连接，用于消除母线电压波动带来的影响；
水冷单元11，设置在功率板8背面的下方，包括一水冷板，水冷板上开设有相对的第一开孔和第二开孔，第一开孔设置在靠近逆变单元1的一侧以供冷却水流入，第二开孔供冷却水流出，水冷单元11用于对燃料电池汽车高速空压机用逆变器整体进行降温，
其中，因逆变单元1是主要的发热来源，因此，将温度采样模块32设置在逆变单元1与电解电容之间，电流采样模块31设置在温度采样模块32一侧，该处较为空阔，易于安置线缆。
图2中的U、V、W为接电端子，其上焊接有贴片螺母，以方便线缆安装。
本实施例中，在不影响效率和控制效果的前提下，电流采样模块31仅采集两相相电流。
可控制动单2元、逆变单元1、控制单元4和驱动单元5中的开关管均采用碳化硅材料制造，使逆变器达到高开关频率、耐高温、高功率密度、抗电磁辐射等目的。
可控制动单元2包括内置电阻和外接制动电阻，当内置电阻的制动功率不足时，可控制动单元能够扩展变频器的制动功率。
本发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器还包括一外壳，以供容置上述各个部件，对内部各个部件起到保护作用。
电解电容7与水冷单元11之间设有散热台12，以弥补电解电容7高度不足的问题，电解电容7与散热台12接触部分涂有导热硅脂或其他导热介质，便于电解电容7与水冷单元11之间的热传导，另外，本发明中，易发热的MOS驱动62以单独模块的形式安置在水冷单元11上，通过连接端子P与功率板8连接。
本实用发明提供的燃料电池汽车高速空压机用逆变器由于采用了宽禁带材料的碳化硅半导体作为功率转换器件，与传统逆变器相比，具有以下优点：结构更加紧凑、体积更小、耐热温度更高、高阻断电压、低损耗、开关速度快。综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。同时采用了优化的结构布局方式，使整个逆变器中的杂散电感大大减少，对于系统间各部件的干扰也相应减少。通过对逆变器的优化设计，逆变器所占用的空间体积变小、散热更好，所能提供的开关频率达到30-50kHZ，相应的电机转速达到12万转以上，效率达到95％以上，且转速及空压机气泵进气压力和进气质量均达到既定要求。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器，其用于将燃料电池提供的直流电转换为供高速空压机使用的交流电，其特征在于，包括：
逆变单元，用于将直流电转化为供电机使用的交流电；
可控制动单元，连接在直流母线与逆变单元之间，于电机出现异常时对逆变单元进行保护；
反馈采样单元，与三相电源中的两相连接，包括电流采样模块和温度采样模块，用于采集逆变单元的电流信号和温度信号；
控制单元，设置在一控制板上，与反馈采样单元及一上位机连接，用于接收上位机指令并发送控制指令以及接收反馈采样单元采集的逆变单元的电流信号和温度信号；
驱动单元，连接在逆变单元与控制单元之间，用于将接收到的控制指令转化为驱动信号；
反激单元，包括反激电源和MOS驱动，反激电源用于产生多路电压，MOS驱动用于控制反激电源，反激单元通过连接端子连接至控制板，为控制单元和驱动单元提供电力；
电解电容，用于滤波并储存电能；
功率板，逆变单元、反激单元、电解电容设置在功率板的背面，电解电容通过针脚焊接在功率板背面；
屏蔽板，设置在控制板与功率板之间，用于隔离信号干扰；
板外电容，内部包括多个并联的电容，与功率板以及直流母线连接，用于消除母线电压波动带来的影响；
水冷单元，设置在功率板背面的下方，包括一水冷板，水冷板上开设有相对的第一开孔和第二开孔，第一开孔设置在靠近逆变单元的一侧以供冷却水流入，第二开孔供冷却水流出，水冷单元用于对燃料电池汽车高速空压机用逆变器整体进行降温，
其中，温度采样模块设置在逆变单元与电解电容之间，电流采样模块设置在温度采样模块一侧，逆变单元连接在可控制动单元与三相电源之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车高速空压机用逆变器，其特征在于，电流采样模块采集两相相电流。
3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车高速空压机用逆变器，其特征在于，可控制动单元、逆变单元、控制单元和驱动单元中的开关管均采用碳化硅材料制造。
4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车高速空压机用逆变器，其特征在于，可控制动单元包括内置电阻和外接制动电阻，当内置电阻的制动功率不足时，可控制动单元能够扩展变频器的制动功率。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车高速空压机用逆变器，其特征在于，还包括一外壳，以供容置权利要求1中的各个部件。
6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车高速空压机用逆变器，其特征在于，电解电容与水冷单元之间设有散热台，电解电容与散热台接触部分涂有导热硅脂。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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