CN112311270A - 电力转换单元 - Google Patents

Abstract

电力转换单元(300)具有将直流电力转换为交流电力的电力转换部。电力转换单元具有：连接到电池的P母线(303)和N母线(304)；连接到马达的U相母线(561)～W相母线(563)；以及将从在相母线中流动的交流电流发出的磁场转换成电信号的电流传感器(650)。相母线和电流传感器在z方向上相对。P母线、N母线、U相母线～W相母线分别沿y方向延伸。U相母线～W相母线与P母线和N母线在x方向上排列。

Description

电力转换单元

技术领域

本说明书所记载的公开涉及具有电流传感器的电力转换单元。

背景技术

如日本专利号：专利第5531213号(P5531213)所示，已知基于从被测量电流发出的磁场来对被测量电流进行检测的电流传感器。

发明内容

从在设置有电流传感器的第一电流线中流动的被测量电流产生第一磁场。与此同样地，从在与上述第一电流线不同的第二电流线中流动的电流还产生第二磁场。在该第二磁场透过电流传感器时，电流的检测精度有可能因此会降低。

本说明书所记载的公开的目的是提供对电流的检测精度的降低进行抑制的电力转换单元。

本公开的一个方面具有：

第一直流连接部(303)，上述第一直流连接部(303)连接到直流电源(200)的正极和负极中的一方；

第二直流连接部(304)，上述第二直流连接部(304)连接到直流电源的正极和负极中的另一方；

电力转换部(531～533、550)，上述电力转换部(531～533、550)将从第一直流连接部或第二直流连接部输入的直流电源的直流电力转换为交流电力；

交流通电部(561～563)，上述交流通电部(561～563)将电力转换部和马达(400)连接，并且将交流电力供给至马达；以及

电流传感器(650)，上述电流传感器(650)与交流通电部分开地相对配置，并且将从在交流通电部中流动的交流电流发出的磁场转换成电信号，

在第一方向上按上述交流通电部、上述第一直流连接部和上述第二直流连接部的顺序排列，在与上述交流通电部的平行于上述第一方向的面正交的第二方向上，上述交流通电部和电流传感器相对，在与上述第一方向和上述第二方向正交的第三方向上，上述交流通电部、上述第一直流连接部和上述第二直流连接部分别延伸设置。

藉此，直流电流在第三方向上彼此反向流动的第一直流连接部(303)和第二直流连接部(304)在第一方向上排列。因此，由流过这两个直流连接部(303、304)的直流电流所产生的磁场在第一方向上的两个直流连接部(303、304)之间增强。

然而，在这两个直流连接部(303、304)处产生的磁场在第一方向上的两个直流连接部(303、304)之间以外减弱。交流通电部(561～563)和电流传感器(650)位于该磁场减弱的位置。因此，能抑制由于从直流连接部(303、304)发出的磁场导致的电流传感器(650)的交流电流的检测精度的降低。

附图说明

图1是表示车载系统的电路图。

图2是用于对电力转换单元进行说明的示意图。

具体实施方式

以下，基于附图对实施方式进行说明。

(第一实施方式)

＜车载系统＞

首先，基于图1对设置有电力转换单元300的车载系统100进行说明。该车载系统100构成电动汽车用的系统。车载系统100包括电池200、电力转换单元300和马达400。

另外，车载系统100具有未图示的多个ECU。这些多个ECU经由母线配线相互发送、接收信号。多个ECU协作以对电动汽车进行控制。通过多个ECU的控制，进行与电池200的SOC对应的马达400的动力运行和再生的控制。SOC是充电状态(state of charge)的简称。ECU是电子控制单元(electronic control unit)的简称。

电池200具有多个二次电池。这些多个二次电池构成串联连接的电池堆。该电池堆的SOC相当于电池200的SOC。作为二次电池，能够采用锂离子二次电池、镍氢二次电池以及有机自由基电池等。电池200相当于直流电源。

电力转换单元300所包括的电力转换装置500进行电池200与马达400之间的电力转换。电力转换装置500将电池200的直流电力转换为交流电力。电力转换装置500将通过马达400的发电(再生)而生成的交流电力转换为直流电力。

马达400连结到未图示的电动汽车的车轴。马达400的旋转能量经由车轴传递到电动汽车的车轮。相反地，行驶轮的旋转能量经由车轴传递到马达400。

马达400通过由电力转换装置500从直流电力转换而成的交流电力进行动力运行。由此，推进力被施加于行驶轮。另外，马达400通过从行驶轮传递的旋转能量而再生。由该再生产生的交流电力通过电力转换装置500转换为直流电力。该直流电力被供给至电池200。另外，直流电力还通过电力转换装置500被供给至装设于电动汽车的各种电负载。

<电力转换装置>

接着，对电力转换装置500进行说明。电力转换设备500包括逆变器。逆变器将电池200的直流电力转换为交流电力。该交流电力被供给至马达400。另外，逆变器还将由马达400产生的交流电力转换为直流电力。该直流电力被供给至电池200。

如图1所示，电力转换装置500包括P母线303和N母线304。电池200连接到P母线303和N母线304。P母线303连接到电池200的正极。N母线304连接到电池200的负极。P母线303和N母线304相当于第一直流连接部和第二直流连接部。

另外，电力转换装置500包括U相母线561、V相母线562和W相母线563。马达400连接到这些U相母线561、V相母线562和W相母线563。在图1中，各种母线的连接部位以白色圆圈表示。连接部位例如通过螺栓或焊接等来电连接。U相母线561～W相母线563相当于交流通电部。

电力转换装置500具有平滑电容器550、U相开关模块531～W相开关模块533。平滑电容器550具有两个电极。P母线303连接到这两个电极中的一个。N母线304连接到两个电极中的另一个。平滑电容器550和U相开关模块531～W相开关模块533是电力转换部的构成要素，并且该电力转换部将从P母线303或N母线304输入的直流电源的直流电力转换为交流电力。

U相开关模块531～W相开关模块533分别具有高侧开关541和低侧开关542。另外，U相开关模块531～W相开关模块533分别具有高侧二极管541a和低侧二极管542a。这些半导体元件由密封树脂包覆保护。

在本实施方式中，作为高侧开关541和低侧开关542，采用n通道型的IGBT。如图1所示，高侧开关541的发射极和低侧开关542的集电极连接。由此，高侧开关541和低侧开关542串联连接。

另外，高侧二极管541a的阴极电极连接到高侧开关541的集电极。高侧二极管541a的阳极电极连接到高侧开关541的发射极。由此，高侧二极管541a反向并联连接到高侧开关541。

同样地，低侧二极管542a的阴极电极连接到低侧开关542的集电极。低侧二极管542a的阳极电极连接到低侧开关542的发射极。由此，低侧二极管542a反向并联连接到低侧开关542。

如上所述，高侧开关541和低侧开关542通过密封树脂包覆保护。分别连接到高侧开关541的集电极、高侧开关541与低侧开关542之间的中点以及低侧开关542的发射极的端子从密封树脂露出。另外，连接到高侧开关541和低侧开关542中的每一个的栅极的端子的前端从密封树脂露出。在下文中，将连接到高侧开关541的集电极的端子表示为集电极端子540a，将连接到高侧开关541与低侧开关542之间的中点的端子表示为中点端子540c，将连接到低侧开关542的发射极的端子表示为发射极端子540b，并且将连接到高侧开关541和低侧开关542中的每一个的栅极的端子表示为栅极端子540d。

该集电极端子540a连接到P母线303。发射极端子540b连接到N母线304。由此，高侧开关541和低侧开关542从P母线303朝向N母线304依次串联连接。

U相开关模块531的中点端子540c经由U相母线561连接到马达400的U相定子线圈。V相开关模块532的中点端子540c经由V相母线562连接到V相定子线圈。W相开关模块533的中点端子540c经由W相母线563连接到W相定子线圈。

然后，包括在U相开关模块531～W相开关模块533中的高侧开关541和低侧开关542各自的栅极端子540d连接到栅极驱动器(未图示)。

ECU生成控制信号，并且将该控制信号输出到栅极驱动器。栅极驱动器使控制信号增幅，并且将该控制信号输出到栅极端子540d。由此，高侧开关541和低侧开关542通过ECU进行开闭控制。ECU生成作为控制信号的脉冲信号。ECU对该脉冲信号的导通占空比和频率进行调节。该导通占空比和频率通过后述的电流传感器650的输出和未图示的旋转角度传感器的输出等来确定。

在马达400动力运行的情况下，通过来自ECU的控制信号的输出，对三相开关模块所包括的高侧开关541和低侧开关542中的每一个进行PWM控制。由此，电力转换装置500生成三相交流。在马达400发电(再生)的情况下，ECU例如停止控制信号的输出。由此，通过发电生成的交流电力穿过三相的开关模块所包括的二极管。其结果是，交流电力被转换为直流电力。

另外，不特别地限定U相开关模块531～W相开关模块533各自所包括的开关元件的种类，例如也能够采用MOSFET。此外，这些开关模块中包括的开关、二极管等半导体元件能够通过Si等的半导体以及SiC等的宽带隙半导体来制造。不特别地限定半导体元件的构成材料。

<电力转换单元的结构>

接着，对电力转换单元300的结构进行说明。在对电力转换单元300进行说明时，以下将处于彼此正交关系的三个方向设为x方向、y方向和z方向。x方向相当于上述交流通电部、上述第一直流连接部和上述第二直流连接部的排列方向即第一方向。z方向是与上述交流通电部的上述第一方向平行的面正交的方向，相当于第二方向。y方向相当于与上述第一方向和上述第二方向正交的第三方向。

如图2所示，电力转换单元300除了到目前为止基于图1说明的电力转换装置500之外，还包括冷却器610、电容器外壳620、端子台630、绝缘台640、电流传感器650和壳体660。

冷却器610在对到目前为止说明的共计三个开关模块进行收纳的同时，具有对这些开关进行冷却的功能。

电容器外壳620具有对平滑电容器550进行收纳的功能。电容器外壳620还具有支承P母线303和N母线304的功能。

端子台630具有将P母线303和N母线304分别与从电池200延伸的电线束连接，并且将P母线303、N母线304和电池200固定于壳体660的功能。另外，端子台630还具有将U相母线561～W相母线563分别与马达400的母线连接，并且将U相母线561～W相母线563和马达400的母线固定于壳体660的功能。

绝缘台640通过与从电容器外壳620延伸的P母线303和N母线304分别接触，从而具有分别支承P母线303和N母线304的功能。绝缘台640相当于与第一直流连接部与第二直流连接部分别接触的接触台。

电流传感器650具有对分别流过U相母线561～W相母线563的交流电流进行检测的功能。此外，电流传感器650还具有将这三个相母线一体地连结的功能。

壳体660由金属材料构成。壳体660例如由铝压铸件来制造。壳体660具有收纳空间，并且冷却器610、电容器外壳620、端子台630、绝缘台640和电流传感器650分别收纳于该收纳空间。这些收纳物和壳体660通过螺栓或弹簧件等固定。

<冷却器>

如图2所示，冷却器610具有供给管611、排出管612和多个中继管613。供给管611和排出管612经由多个中继管613连结。向供给管611供给制冷剂。该制冷剂经由多个中继管613从供给管611流向排出管612。

供给管611和排出管612分别沿x方向延伸。供给管611和排出管612在y方向上彼此分开。多个中继管613分别从供给管611朝向排出管612延伸。供给管611中的、从外部供给制冷剂的供给口611a与排出管612中的、将从中继管613供给的制冷剂排出到外部的排出口612a，在y方向上彼此分开排列。

多个中继管613在x方向上彼此分开排列。在相邻的两个中继管613之间构成有空隙。冷却器610构成有共计三个空隙。这三个空隙分别单独地设置有U相开关模块531～W相开关模块533，并且构成功率模块。

这些三相的开关模块各自的主表面与中继管613接触。通过未图示的弹簧件施加的作用力，多个中继管613沿x方向被压缩，由此间隙的x方向的宽度缩小。由此，开关模块与中继管613的接触面积增大。由于采用上述结构，因此能够将在三相开关模块中分别产生的热量经由中继管613向制冷剂散热。

<电容器外壳>

电容器外壳620由绝缘性的树脂材料构成。平滑电容器550收纳于电容器外壳620。P母线303连接到平滑电容器550所包括的两个电极中的一个。N母线304连接到两个电极中的另一个。

＜P母线和N母线＞

P母线303和N母线304通过对金属制的平板进行冲压加工来制造。P母线303和N母线304分别具有开关侧延长部305和电池侧延长部306。开关侧延长部305是指从电容器550的电极连接到三个开关模块的P母线303和N母线304。另外，电池侧延长部306是指从电容器550的电极连接到未图示的电池的P母线303和N母线304。然后，开关侧延长部305和电池侧延长部306中的每一个的一部分露出到电容器外壳620的外部。

在下文中，将该开关侧延长部305中的露出到电容器外壳620的外部的部位不特别区分地表示为开关侧延长部305。同样地，将电池侧延长部306中的露出到电容器外壳620的外部的部位表示为电池侧延长部306。

P母线303和N母线304中的每一个的开关侧延长部305形成为z方向的厚度薄的平板形状。P母线303和N母线304中的每一个的开关侧延长部305经由未图示的绝缘构件在z方向上层叠配置。

然后，尽管未图示，但是在P母线303和N母线304中的每一个的开关侧延长部305形成有沿z方向贯通的孔(以下称为“贯通孔”)和从该贯通孔的边缘部向z方向立起的连接部。

集电极端子540a插通于P母线303的开关侧延长部305的贯通孔。然后，从该贯通孔的边缘部立起的连接部与集电极端子540a接合。

同样地，发射极端子540b插通于N母线304的开关侧延长部305的贯通孔。然后，从该贯通孔的边缘部立起的连接部与发射极端子540b接合。

P母线303和N母线304中的每一个的电池侧延长部306形成为z方向的厚度薄的平板形状。此外，这两个电池侧延长部306形成为从电容器外壳620沿y方向延伸的形状。这两个电池侧延长部306在x方向上彼此分开排列。

P母线303和N母线304各自的电池侧延长部306的远离电容器外壳620的前端部固定于端子台630。这两个电池侧延长部306中的电容器外壳620与端子台630之间的中央部位以与绝缘台640在z方向上相对的方式接触。

＜相母线＞

U相母线561～W相母线563通过对金属制的平板进行冲压加工来制造。这三个相母线形成为沿y方向延伸的形状。然后，三个相母线在x方向上排列。此外，这三个相母线与P母线303和N母线304中的每一个的电池侧延长部306在x方向上彼此分开。

U相母线561～W相母线563中的每一个的一端连结到中点端子540c。这三个相母线中的每一个的另一端固定于端子台630。然后，在三个相母线中的中点端子(未图示)与端子台630之间的中央部位设置有电流传感器650。

<电流传感器>

电流传感器650具有磁平衡方式的第一磁电转换部651、第二磁电转换部652、第三磁电转换部653以及树脂成形部654。此外，电流传感器650具有未图示的阻断屏蔽件、树脂盖部以及相对屏蔽件。

三个磁电转换部具有磁阻效应元件，上述磁阻效应元件的电阻值根据透过自身的磁场(透过磁场)而变化、即将磁场转换成电信号。磁阻效应元件具有电阻值根据透射磁场的与z方向正交的方向、即x方向或y方向的分量而变化的性质。相反，磁阻效应元件具有电阻值不根据透射磁场的z方向的分量而变化的性质。

U相母线561～W相母线563中的每一个的中央部位嵌件成型于树脂成形部654。第一磁电转换部651以在z方向上相对的方式与U相母线561中的嵌件成形于树脂成形部654的部位抵接。第二磁电转换部652以在z方向上相对的方式与V相母线562中的嵌件成形于树脂成形部654的部位抵接。第三磁电转换部653以在z方向上相对的方式与W相母线563中的嵌件成形于树脂成形部654的部位抵接。

另外，三个阻断屏蔽件嵌件成型于树脂成形部654。三个相对屏蔽件嵌件成型于树脂盖部。树脂盖部以这三个阻断屏蔽件和三个相对屏蔽件在z方向上彼此分开排列的方式，连结于树脂成形部654。

阻断屏蔽件由比树脂成形部654的导磁率高的金属材料构成。相对屏蔽件由比树脂盖部导磁率高的金属材料构成。这两种屏蔽件形成为z方向的厚度薄的平板形状。

一个相母线中的嵌件成形于树脂成形部654的部位和一个磁电转换部位于沿z方向排列的一个阻断屏蔽件与一个相对屏蔽件之间。由此，抑制外部噪声向磁电转换部的输入。从在相母线中的嵌件成形于树脂成形部654的部位中流动的电流发出的磁场(被测量磁场)的分布被限制。由此，抑制了透过磁电转换部的被测量磁场的方向的变动。

包括上述结构的电流传感器650与P母线303和N母线304中的每一个的电池侧延长部306在x方向上彼此分开排列。

<磁场>

如上所述，P母线303连接到电池200的正极。N母线304连接到电池200的负极。因此，通过P母线303的电池侧延长部306从端子台630侧向电容器外壳620侧流过直流电流的情况下，在N母线304的电池侧延长部306处，从电容器外壳620侧向端子台630侧流过直流电流。这样，流过P母线303的电池侧延长部306的直流电流和流过N母线304的电池侧延长部306的直流电流的流动方向形成为，在端子台630与电容器外壳620之间在y方向上反向。而且，流过P母线303的电池侧延长部306的直流电流和流过N母线304的电池侧延长部306的直流电流的通电量是相等的。

在y方向上直流电流彼此反向流动的P母线303的电池侧延长部306和N母线304的电池侧延长部306在x方向上排列。因此，由流过这两个电池侧延长部306的直流电流所产生的磁场在x方向上的两个电池侧延长部306之间增强。

然而，由这两个电池侧延长部306所产生的磁场在x方向上的两个电池侧延长部306之间以外减弱。U相母线561～W相母线563和电流传感器650位于该磁场减弱的位置。由于从电池侧延长部306产生的磁场减弱，因此，能够对磁场透过电流传感器650所包括的屏蔽件而对磁电转换部带来的影响进行抑制。其结果是，能抑制电流传感器650的交流电流的检测精度的降低。

在P母线303和N母线304中的每一个的电池侧延长部306中，电容器外壳620与端子台630之间的中央部位以与绝缘台640在z方向上相对的方式接触。

藉此，能抑制由于z方向上的振动等而导致的P母线303的电池侧延长部306与N母线304的电池侧延长部306的相对位置的变动。因此，能抑制从这两个电池侧延长部306发出的磁场彼此增强的位置和彼此减弱的位置的变动。其结果是，能抑制从电池侧延长部306发出的磁场通过电流传感器650所包括的磁电转换部。

以上，虽然已经说明了本公开的优选实施方式，但是本公开并不限于上述的实施方式，可以在不脱离本公开的主旨的范围内进行各种变形来实施。

(第一变形例)

在本实施方式中，示出了电流传感器650具有三个磁电转换部，以对分别在三个相母线中流动的交流电流进行检测的示例。然而，在马达400所包括的三相的定子线圈星形连接或三角形连接的情况下，只要能够对在三个相母线中的两个相母线中流动的交流电流进行检测，则能够对在剩余一个相母线中流动的交流电流进行推定。因此，电流传感器650还能够采用具有两个磁电转换部，以对三个相母线中的两个相母线的交流电流进行检测的结构。

然后，在本变形例的情况下，为了避免从P母线303和N母线304发出的磁场的影响，也能够采用在三个相母线中的、从P母线303和N母线304向x方向彼此分开的两个相母线中设置两个磁电转换部的结构。

(第二变形例)

在本实施方式中，如图2所示，示出了P母线303在x方向上比N母线304位于更靠近三个相母线的示例。然而，与此相反，也能够采用N母线304在x方向上比P母线303位于更靠近三个相母线的结构。

(其他变形例)

在本实施方式中，示出了在电力转换装置500中包括逆变器的示例。然而，电力转换装置500也可以包括转换器。

在本实施方式中，示出了电力转换单元300包括在电动汽车用的车载系统100中的示例。然而，作为电力转换单元300的应用，不特别限于上述示例。例如，也能够采用在包括马达和内燃机的混合动力系统中包括电力转换单元300的结构。

在本实施方式中，示出了一个马达400连接到电力转换单元300的示例。然而，也能够采用多个马达400连接到电力转换单元300的结构。在这种情况下，电力转换单元300具有多个用于构成逆变器的三相开关模块。

在本实施方式中，示出了高侧开关541和低侧开关542以及高侧二极管541a和低侧二极管542a通过密封树脂包覆保护，以构成一个开关模块的示例。

然而，也可以与此不同，例如，将高侧开关541和高侧二极管541a树脂密封以构成一个开关模块。还可以将低侧开关542和低侧二极管542a树脂密封以构成一个开关模块。作为开关模块的构成方式，不特别地限定。

虽然基于实施方式对本公开进行了记述，但是应当理解为本公开并不限定于上述实施方式、结构。本公开也包含各种各样的变形例、同等范围内的变形。除此之外，各种各样的组合、方式、进一步包含有仅一个要素、一个以上或一个以下的其它组合、方式也属于本公开的范畴、思想范围。

Claims (2)

1.一种电力转换单元，具有：

第一直流连接部(303)，所述第一直流连接部连接到直流电源(200)的正极和负极中的一方；

第二直流连接部(304)，所述第二直流连接部连接到所述直流电源的所述正极和所述负极中的另一方；

电力转换部(531～533、550)，所述电力转换部将从所述第一直流连接部或所述第二直流连接部输入的所述直流电源的直流电力转换为交流电力；

交流通电部(561～563)，所述交流通电部将所述电力转换部和马达(400)连接，并且将所述交流电力供给至所述马达；以及

电流传感器(650)，所述电流传感器与所述交流通电部分开地相对配置，将从在所述交流通电部中流动的交流电流发出的磁场转换成电信号，

在第一方向上按所述交流通电部、所述第一直流连接部和所述第二直流连接部的顺序排列，在与所述交流通电部的平行于所述第一方向的面正交的第二方向上，所述交流通电部和电流传感器相对，在与所述第一方向和所述第二方向正交的第三方向上，所述交流通电部、所述第一直流连接部和所述第二直流连接部分别延伸设置。

2.如权利要求1所述的电力转换单元，其特征在于，

具有接触台(640)，所述接触台(640)与所述第一直流连接部和所述第二直流连接部分别接触。

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