CN114073173B - 功率转换器组件和功率系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率转换器组件(1)，该功率转换器组件包括：至少两个功率转换器单元；母线；至少两个连接元件，每个连接元件将所述功率转换器单元中的一个电连接至母线，从而将所述至少两个功率转换器单元互连；以及至少一个转换器壳体，所述至少一个转换器壳体封围并且屏蔽所述功率转换器单元中的至少一个。其还包括母线壳体，母线被容纳并且屏蔽在该母线壳体中，其中所述至少两个连接元件与母线壳体电隔离并且与所述至少一个转换器壳体电隔离。本发明还涉及包括所述功率转换器组件的作业机器(100)和功率系统(106)。

Description

功率转换器组件和功率系统

技术领域

本发明涉及一种功率转换器组件和包括功率转换器组件的功率系统。本发明还涉及一种作业机器以及车辆。

根据本发明的功率转换器组件和功率系统特别适用于工业建筑机械或建筑设备领域内的作业机器。虽然本发明将针对轮式装载机进行描述，但是本发明不限于这种特定的作业机器，而是还可以用于其它作业机器，诸如铰接式运输车、挖掘机和反铲装载机，而且还可以用于诸如公共汽车的车辆和卡车。

背景技术

电功率系统广泛用于作业机器和车辆，为驱动牵引马达提供动力，用于推进或进行各种操作。这种电功率系统可以是纯电驱动系统，包括例如电池或燃料电池形式的动力源，或者可以形成混合驱动系统(包括联接到内燃机的发电机)的一部分。在这两种情况下，电功率系统都需要包括多个功率转换器单元用于转换功率，例如，将来自发电机的交流(AC)电力输入转换为直流(DC)电力，该直流电力被存储在电容器组中并且被滤波，然后被转换回到所需频率和电压的AC电力输出，以便驱动牵引马达。

当在作业机器或车辆的电功率系统中集成功率转换器单元时，必须考虑几个方面。例如，可用空间通常是有限的，并且环境条件可能具有挑战性，且功率系统的部件会受到例如湿气、灰尘和化学品的影响。此外，特别是在紧凑型系统中，可能会出现源自电磁干扰(EMI)的问题，并降低电功率系统本身的性能或附近电子系统的性能。

US2018/0166995公开了一种用于电功率系统的逆变器组件。该逆变器组件包括多个可堆叠的壳体，逆变器单元容纳在该多个壳体中，以实现紧凑的逆变器组件。逆变器单元借助于母线互连，提供低阻抗并且减少逆变器组件中的功率损耗。

定义

功率转换器单元在本文中被理解为包括用于将直流(DC)转换为交流(AC)的装置，诸如逆变器；用于将AC转换为DC的装置，诸如整流器；用于DC到DC转换的装置；以及用于AC到AC转换的装置，诸如变压器。在作业机器和车辆中使用的这种装置的示例是，例如牵引逆变器、静态转换器、辅助转换器、能量存储转换器、发电机转换器和静态逆变器。

术语“电磁干扰(EMI)”在本文中被理解为指包括电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)的电磁发射和辐射。这两种类型的干扰都会产生电磁场，这些电磁场能够干扰相邻电气设备的运行。

电流连接(galvanically connecting)两个或多个部分在本文中旨在连接所述部分，使得电流可以即借助于诸如金属对金属触头的物理触头而在所连接的部分之间流动。同样，电流连接旨在进行连接，使得电流可以在所连接的部分之间流动。

母线在本文中被理解为刚性导体，诸如金属条、板或杆。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种功率转换器组件和一种功率系统，该功率转换器组件和功率系统相对于先前的解决方案至少在某些方面得到改进。具体而言，目的是实现相对紧凑的功率转换器组件以便集成到作业机器或车辆的电功率系统中，对于该功率转换器组件，电磁兼容性(EMC)得到保证，并且借助于该功率转换器组件，最终可以使得由于例如电磁干扰(EMI)而产生的问题最小化。还有一个目的是实现具有低DC链路电感的功率转换器组件。另一个目的是实现一种功率转换器组件，在该功率转换器组件中所包括的部件得到有效保护以免受机械损坏以及免受湿气、化学品和灰尘的影响，并且因此该功率转换器组件非常适合用于例如作业机器或车辆中。

根据本发明的第一方面，至少主要目的通过根据本发明的功率转换器组件来实现。该功率转换器组件包括：

-至少两个功率转换器单元；

-母线；

-至少两个连接元件，每个连接元件将所述功率转换器单元中的一个电流连接到母线，从而将至少两个功率转换器单元互连；和

-至少一个转换器壳体，其中该至少一个转换器壳体封围并且屏蔽所述功率转换器单元中的至少一个。

该功率转换器组件的特征在于，它进一步包括母线壳体，母线被容纳并且屏蔽在该母线壳体中，其中所述至少两个连接元件与母线壳体电流隔离，并且与所述至少一个转换器壳体电流隔离。

通过为母线和功率转换器单元提供单独的壳体，可以实现一种紧凑型功率转换器组件，其符合EMC要求，并且有效地保护功率转换器单元和母线以免受EMI以及免受灰尘、湿气和其它污染物的影响。使用母线代替例如电缆或电线提供低阻抗，并且也降低了功率转换器组件中的直流链路电感。

在所提出的功率转换器组件中，功率转换器单元和母线借助于各自的壳体被屏蔽，即被电磁屏蔽以避免电磁干扰(EMI)，即所述至少一个转换器壳体对功率转换器单元进行电磁屏蔽，而母线壳体对母线进行电磁屏蔽。因此，相应的壳体应该被配置为在相关频率下提供对EMI的有效屏障。壳体可以例如由铝、钢或其它金属材料制成，或者可以由涂覆有导电材料的塑料材料制成，或由导电塑料材料制成。转换器壳体可以是可堆叠的，以便于构建紧凑的功率转换器组件。

连接元件穿过母线壳体和转换器壳体，以便将功率转换器单元连接到母线，但与壳体电流隔离。因此电流可以经由母线在功率转换器单元之间流动，但是电流永远不可能在一方面的功率转换器单元或母线与另一方面的母线壳体或转换器壳体之间流动。优选地，对于每个功率转换器单元，设置两个连接元件，用于将功率转换器单元的DC+和DC-连接中的每一个分别连接到母线的正极电力轨和负极电力轨(positive and negative powerrails)。

连接元件延伸穿过相应壳体中的孔，这些孔被定尺寸为使得防止不良频率的电磁辐射逸出或进入，从而避免干扰与功率转换器组件相邻的电子设备的操作。通常，为了防止由功率转换器单元产生的电磁场发出的电磁波的高频分量在进入时逃逸，需要相对较小的孔尺寸。这种高频分量的逸出可能会干扰与功率转换器组件相邻的电子设备的操作。如何适当地确定孔的尺寸和形状以防止不良EMI分量逸出或进入在本领域中是众所周知的。

母线被配置为经由连接元件连接到功率转换器单元，以在多个功率转换器单元之间建立低电感电连接。母线可以包括正极电力轨和负极电力轨，在正极电力轨和负极电力轨之间可以设置电容层。母线可以例如是铜母线，但是也可以由例如铝或其它导电材料制成。

功率转换器单元可以例如是独立的现成的功率转换器单元，其可以用作逆变器、整流器或变压器。视情况而定，相同的功率转换器单元可以用于不同的目的。功率转换器单元可以是相同的单元，但是它们也可以具有不同的配置。所述至少两个功率转换器单元可以包括被配置为用作逆变器的至少两个功率转换器单元，并且/或者可以包括被配置为用作整流器的至少两个功率转换器单元。功率转换器组件可以包括多于两个转换器单元，诸如三个、四个、五个或更多功率转换器单元。

根据一个实施例，母线壳体与所述至少一个转换器壳体电流连接。通过将母线壳体与转换器壳体电流连接，可以实现改进的EMC，因为壳体因此可以一起用作法拉第笼，而将功率转换器单元和母线与周围环境屏蔽隔离。电流连接在一起的母线壳体和转换器壳体形成防止电磁干扰的屏蔽罩。

根据一个实施例，母线壳体借助于至少一个金属对金属触头与所述至少一个转换器壳体电流连接。从而可以确保电流连接和有效的屏蔽。金属对金属触头优选地分别设置在转换器壳体和母线壳体的相互对置的表面之间。例如，转换器壳体的上表面可以与母线壳体的下表面接触。替代地，可以提供金属连接构件，其与母线壳体和转换器壳体两者接触。这种金属连接构件应该优选地被配置为通过围绕(连接母线和功率转换器单元的)连接元件延伸来屏蔽所述连接元件。

根据一个实施例，所述至少两个连接元件中的每一个元件都借助在各连接元件与相应的壳体之间设置的空气间隙而与母线壳体和所述至少一个转换器壳体电流隔离。取决于电压电平，空气间隙可以具有大约几毫米的尺寸，其中更高电压电平需要更大空气间隙。空气间隙在一方面的连接元件与另一方面的壳体之间提供有效的电流隔离。空气间隙应该足够小，以便不损害壳体的电磁屏蔽特性。在这种情况下，连接元件优选地为实心连接杆的形式，从而在功率转换器组件受到振动时也确保空气间隙。代替于空气间隙，可以在连接元件和壳体之间设置电绝缘材料。

根据一个实施例，母线壳体包括不可渗透的外壁，即液体、气体、灰尘等不可渗透的壁。而且所述至少一个转换器壳体可以包括不可渗透的外壁。所述不可渗透的外壁形成有效的屏蔽罩，以便保护母线和/或转换器单元免受例如灰尘、污垢、湿气和化学品的影响。这在例如车辆或作业机器中特别有益，其中功率转换器组件比在更受保护的环境中(诸如在服务器大厅中)更容易暴露于各种污染。当然，可以以例如两个或更多部件来提供壳体，所述两个或更多部件安装在一起以形成不可渗透的外壁。

根据一个实施例，功率转换器组件包括位于母线壳体外部的至少一个电输入和/或输出端子。所述至少一个电输入和/或输出端子可以包括用于发送和/或接收控制信号的至少一个接头。这使得能够直接向各个功率转换器单元输入电力/从各个功率转换器单元输出电力。

根据一个实施例，所述至少一个电输入和/或输出端子中的至少一个被配置为连接到动力源，并且/或者至少一个电输入和/或输出端子中的至少一个被配置为连接到电机。例如，每个功率转换器单元都可以设有用于外部连接到电马达的电输入端子和电输出端子。

根据一个实施例，连接元件为实心连接杆，诸如铜杆或其它金属杆。与使用例如电缆或电线相比，使用实心连接杆可实现更明确的电感。

连接元件也可以是母线的形式，包括被绝缘层分开的正极电力轨和负极电力轨，类似于上述母线。在这种情况下，每个功率转换器单元设置一个连接元件就足够了，而如果使用实心连接杆，则每个功率转换器单元需要两个连接元件(分别为正极和负极连接元件)。

根据一个实施例，功率转换器组件包括至少两个所述转换器壳体，其中所述功率转换器单元中的每一个都被封围和屏蔽在所述转换器壳体中的相应一个壳体中。由此，提供了有效屏蔽，使得可以最小化因功率转换器单元之间的电磁干扰引起的问题。此外，通过设置单独的转换器壳体，每个功率转换器单元设有一个壳体，可以提供一种模块化系统，有利于功率转换器组件的扩展。

根据一个实施例，所述至少一个转换器壳体包括至少两个隔室，每个隔室封围并屏蔽所述功率转换器单元中的一个。例如，转换器壳体可以包括五个隔室，其中在每个隔室中设置所述功率转换器单元中的一个。从而可以提供紧凑的功率转换器组件。隔室可以设计成使得在功率转换器单元之间实现有效的电磁屏蔽。

根据一个实施例，功率转换器组件还包括罩部，至少一个转换器壳体被容纳在该罩部中。功率转换器组件由此易于处理，并且罩部还提供机械保护以及防止各种污染的进一步保护。罩部可以被构造为机架，转换器壳体可易于插入到和堆叠在该机架中。

根据本发明的第二方面，至少主要目的还通过一种功率系统来实现，该功率系统包括至少一个动力源和与所述至少一个动力源相连接的上述功率转换器组件。动力源可以是：AC动力源，诸如连接到例如内燃机或类似物的发电机；或DC动力源，包括例如电池、超级电容器和/或燃料电池。功率系统可以优选地包括连接到功率转换器组件的多于一个动力源，例如发电机和电池组。各种不同的电动系统和装置，诸如电牵引马达、照明系统、音频系统、液压泵或其它辅助系统，可以连接到功率系统并且从功率系统接收AC或DC电力输出。

所提出的功率系统可以例如是用于驱动电马达的电驱动系统，诸如用于驱动液压泵，用于推进机器，用于驱动风扇等。所提出的功率系统可以是仅包括一个或多个电动力源的纯电驱动系统，或者可以是除了包括至少一个电动力源之外还包括内燃机和发电机的混合驱动系统。

本发明还涉及一种包括所提出的功率转换器组件的作业机器以及包括所提出的功率转换器组件的车辆。作业机器或车辆可以例如包括包含所提出的功率转换器组件的混合驱动系统或纯电驱动系统。

这种作业机器和车辆的优点和有利实施例从功率转换器组件的以上描述中显现出来。

在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的其它优点和有利特征。

附图说明

参考附图，以下是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。

在这些附图中：

图1示意性地示出根据本发明的一个实施例的作业机器，

图2示意性地示出根据本发明的一个实施例的功率系统，

图3是根据本发明的一个实施例的功率转换器组件的透视图，

图4是根据一个实施例的功率转换器组件的透视图，

图5是图3中的功率转换器组件的截面图，以及

图6是图3中的功率转换器的另一截面图。

附图是示意性的并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1是以轮式装载机的形式的作业机器100的图示。轮式装载机是可以应用包括根据本发明的功率转换器组件的功率系统的作业机器的示例。轮式装载机具有铲斗101，该铲斗101设置在负载臂102上，该负载臂102用于提升和降低铲斗101。轮式装载机包括用于将铲斗101提升、降低和倾斜的液压系统103，该液压系统103包括由电机105(图1中未示出)即电马达驱动的液压泵104。电马达105由功率系统106提供电力，如图2中示意性地所示。

功率系统106具有呈连接到发动机(未示出)的发电机形式的AC动力源107、呈电池组形式的DC动力源108以及连接到发电机和电池组的功率转换器组件1。功率转换器组件1进一步连接到电马达105，从而驱动液压泵104。在作业机器100的操作期间，发电机107或电池组108中的任一者或两者向功率转换器组件1提供输入电力，功率转换器组件1将所述输入电力转换成具有驱动电马达105需要的要求电压电平和/或频率的输出电力。当然，为了举例说明工作原理，大大简化了所示的功率系统106，并且实际上，功率系统106可以包括更多部件以及各种部件之间更复杂的连接件。而且，可以使用其它类型的AC动力源和DC动力源，诸如超级电容器，并且可以将电马达105配置为驱动除液压泵之外的其它装置，或者可以将电马达105配置为推进作业机器或辅助对作业机器的推进。

图3更详细地示出了根据本发明的一实施例的功率转换器组件1。功率转换器组件1包括五个功率转换器单元2a-2e、母线3和连接元件4a-4e，这些连接元件4a-4e将功率转换器单元2a-2e连接到母线3以便在功率转换器单元2a-2e和母线3之间传导电流。功率转换器组件1还包括五个转换器壳体5a-5e以及封围母线3的母线壳体6，各转换器壳体封围功率转换器单元2a-2e中的相应一个单元。母线壳体6在本文中由两个部分6a、6b形成，这两个部分6a、6b通过诸如螺钉的紧固件接合在一起。两个部分6a、6b都由金属材料制成，从而提供EMI屏蔽以及针对例如液体和其它污染物的保护。

如图4所示，转换器壳体5a-5e和母线壳体6可以被接纳在罩部8中，罩部8包括用于保持转换器壳体5a-5e的机架9。功率转换器组件1还连接到冷却系统15，用于使冷却剂经由冷却连接部10循环通过功率转换器单元2a-2e。

在所示的实施例中，转换器壳体5a-5e和连接元件4a-4e是完全相同的，因此将仅详细描述转换器壳体5a和一组连接元件4a中的仅一个。还参考图5和图6，其中以示意性截面视图示出了功率转换器组件1。

转换器壳体5a具有矩形长方体的基本形状，该长方体具有上侧11，功率转换器单元2a可以经由该上侧11连接到母线3。在所示的实施例中，转换器壳体5a由实心金属壁元件形成，这些金属壁元件已经使用紧固件(诸如螺钉)接合在一起。实心金属壁元件提供EMI屏蔽以及保护免受液体和污染物等。

转换器壳体5a和母线壳体6之间的电流连接借助于设置在转换器壳体5a的上侧11和母线壳体6的下侧12之间的金属连接构件16提供，该连接构件16与相应的壳体5a、6的表面成金属对金属接触。设置螺钉17用于接合壳体5a、6和连接构件16。

母线3具有负极电力轨3'和正极电力轨3”，负极电力轨3'和正极电力轨3”被一起封装在母线壳体6中。如图6中可见，功率转换器单元2a具有负极DC-连接部13和正极DC+连接部14，其中第一连接元件4a'用于将DC-连接部13连接到负极电力轨3'，并且其中第二连接元件4a”用于将DC+连接部连接到正极电力轨3”。连接元件4a'、4a”为金属棒的形式。在一方面的每一个连接元件4a'、4a”与另一方面的壳体5a、6和连接构件16之间提供小的空气间隙，以提供电流隔离。除了在壳体5a、6之间提供电流连接之外，连接构件16还用于屏蔽连接元件4a'、4a”，从而提高功率转换器组件1的电磁兼容性(EMC)。

功率转换器单元2a还包括电输入和输出端子7，用于将功率转换器单元连接到例如动力源或电机，诸如三相电马达。因此，在所示的实施例中，五个三相电马达可以连接到功率转换器单元2a-2e中的相应一个单元。还可以设置用于发送和/或接收控制信号的连接部。

可以在母线壳体6内部设置用于提供联锁回路的滤波信号连接部18。此外，在所示的实施例中，设有屏蔽连接部19，用于将母线3连接到诸如电池的DC动力源。还提供屏蔽连接部20、21、22，诸如600V连接部，用于将例如辅助负载连接到母线3。

功率转换器单元2a-2e在图中仅是示意性地示出，但应理解这些功率转换器单元可以相同也可以不同，并且它们包括各种电子部件，诸如一个或多个晶体管、例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、晶闸管、功率二极管和/或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以及一个或多个电容器。

应当理解，本发明并不局限于上述和附图所示的实施例；相反，技术人员会认识到，在所附权利要求书的范围内可以进行许多改变和修改。

Claims (15)

1.一种功率转换器组件，包括：

-至少两个功率转换器单元；

-母线；

-至少两个连接元件，每个连接元件将所述功率转换器单元中的一个电流连接到所述母线，从而将所述至少两个功率转换器单元互连；和

-至少一个转换器壳体，其中所述至少一个转换器壳体封围并且电磁屏蔽所述功率转换器单元中的至少一个；

其特征在于，

所述功率转换器组件还包括母线壳体，所述母线被包含并且电磁屏蔽在所述母线壳体中，其中所述至少两个连接元件与所述母线壳体电流隔离并且与所述至少一个转换器壳体电流隔离。

2.根据权利要求1所述的功率转换器组件，其中，所述母线壳体被电流连接到所述至少一个转换器壳体。

3.根据权利要求2所述的功率转换器组件，其中，所述母线壳体借助于至少一个金属对金属触头而电流连接到所述至少一个转换器壳体。

4.根据先前权利要求中的任一项所述的功率转换器组件，其中，所述至少两个连接元件中的每一个与所述母线壳体和所述至少一个转换器壳体借助于在每个所述连接元件与相应的转换器壳体和所述母线壳体之间设置的空气间隙而电流隔离。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率转换器组件，其中，所述母线壳体和/或所述至少一个转换器壳体包括不可渗透的外壁。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率转换器组件，其中，所述功率转换器组件包括位于所述母线壳体的外部的至少一个电输入和/或输出端子。

7.根据权利要求6所述的功率转换器组件，其中，所述至少一个电输入和/或输出端子中的至少一个被配置为连接到动力源，并且/或者其中所述至少一个电输入和/或输出端子中的至少一个被配置为连接到电机。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率转换器组件，其中，所述连接元件是实心连接杆。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率转换器组件，包括所述转换器壳体中的至少两个，其中所述功率转换器单元中的每一个被封围并且电磁屏蔽在所述转换器壳体中的相应一个壳体中。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率转换器组件，其中，所述至少一个转换器壳体包括至少两个隔室，每个隔室封围并且电磁屏蔽所述功率转换器单元中的一个。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率转换器组件，还包括罩部，所述至少一个转换器壳体被容纳在所述罩部中。

12.一种功率系统，包括至少一个动力源和连接到所述至少一个动力源的根据先前权利要求中的任一项所述的功率转换器组件。

13.根据权利要求12所述的功率系统，其中，所述功率系统是用于驱动电马达的电驱动系统。

14.一种作业机器，包括根据权利要求1-11中的任一项所述的功率转换器组件。

15.一种车辆，包括根据权利要求1-11中的任一项所述的功率转换器组件。