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CN116247943A - 车辆功率转换器、车辆驱动系统及车辆 - Google Patents

车辆功率转换器、车辆驱动系统及车辆 Download PDF

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CN116247943A CN202310275203.0A CN202310275203A CN116247943A CN 116247943 A CN116247943 A CN 116247943A CN 202310275203 A CN202310275203 A CN 202310275203A CN 116247943 A CN116247943 A CN 116247943A
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朱慧
李道会
张帆
齐放
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Abstract

本发明涉及一种车辆功率转换器，包括变压器、原边功率模块和副边功率模块。原边功率模块包括第一多个半桥支路，其中，主路端子接收车辆电池的电压输入，一部分半桥支路的中间端子连接到车辆电机，一部分半桥支路的中间端子连接到变压器的原边绕组。副边功率模块包括第二多个半桥支路，其中，每个半桥支路的中间端子连接到变压器的副边绕组而主路端子作为输出。

Description

车辆功率转换器、车辆驱动系统及车辆
技术领域
本发明涉及车辆领域，特别是涉及车辆功率转换器、车辆驱动系统及车辆。
背景技术
随着电动汽车行业的发展，电机及低压驱动系统的功率密度要求越来越高，但由于增多的诸如半导体器件(例如开关、母线)、散热器、控制器等器件带来了占用体积和重量的上升。期望电机及低压驱动系统具有高功率密度以带来占用体积减小、重量减少的优势，以有效降低物料成本、提升空间利用率，并进而达到提升里程数的目的。
发明内容
鉴于上述问题，本发明旨在提供一种车辆功率转换器、车辆驱动系统及车辆。
本发明的一方面的车辆功率转换器，包括变压器、原边功率模块和副边功率模块。原边功率模块包括第一多个半桥支路，其中，主路端子接收车辆电池的电压输入，一部分半桥支路的中间端子连接到车辆电机，一部分半桥支路的中间端子连接到变压器的原边绕组。副边功率模块包括第二多个半桥支路，其中，每个半桥支路的中间端子连接到变压器的副边绕组而主路端子作为输出。
可选地，半桥支路由分别位于上臂和下臂的一个或多个半导体开关器件构成。
可选地，半导体开关器件包括以下中的任一项：绝缘栅双极型晶体管IGBT开关、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关、二极管开关、肖特基SBD开关、高电子迁移率晶体管HEMT开关。
可选地，副边功率模块还包括第三多个半桥支路，在第三多个半桥支路中：主路端子接收车辆电池的电压输入，中间端子连接到车辆电机。
可选地，原边功率模块和副边功率模块集成在同一封装中。
可选地，封装采用叠层母排的形式。
可选地，车辆功率转换器还包括散热器，原边功率模块和副边功率模块共用散热器。
可选地，车辆功率转换器还包括稳压电容器和电磁兼容性EMC滤波器，原边功率模块的第一多个半桥支路的每个半桥支路共用稳压电容器和EMC滤波器。
可选地，上述车辆电机为三相电机。
本发明的另一方面的车辆驱动系统，包括控制器和前述任一实施例的车辆功率转换器。控制器提供针对车辆功率转换器的各个半桥支路的上臂和下臂的控制信号。
可选地，车辆功率转换器还包括温度测量模块，温度测量模块测量各个功率模块的温度值并将指示温度值的温度测量信号传送到控制器。
本发明的又一方面的车辆，包括前述任一项实施例的车辆驱动系统。
如上所述，根据本发明的车辆功率转换器、车辆驱动系统及车辆，通过对用于电机驱动的转换模块和用于高压低压直流的转换模块的部分线路和器件进行共用，有效地减小了两个转换模块的占用空间和重量，并实现了更高效的统一控制。
附图说明
图1是根据本发明的一个或多个实施例的车辆功率转换器的模块示意图。
图2是根据本发明的一个或多个实施例的车辆功率转换器的各功率模块电路结构示意图。
图3是对应图2的实施例的车辆驱动系统的示意图。
图4是根据本发明的一个或多个实施例的车辆功率转换器的各功率模块电路结构示意图。
图5是对应图4的实施例的车辆驱动系统的示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
出于简洁和说明性目的，本文主要参考其示范实施例来描述本发明的原理。但是，本领域技术人员将容易地认识到，相同的原理可等效地应用于所有类型的功率转换器、驱动系统并且可以在其中实施这些相同的原理，以及任何此类变化不背离本专利申请的真实精神和范围。
而且，在下文描述中，参考了附图，这些附图图示特定的示范实施例。在不背离本发明的精神和范围的前提下可以对这些实施例进行电、机械、逻辑和结构上的更改。此外，虽然本发明的特征是结合若干实施/实施例的仅其中之一来公开的，但是如针对任何给定或可识别的功能可能是期望和/或有利的，可以将此特征与其他实施/实施例的一个或多个其他特征进行组合。因此，下文描述不应视为在限制意义上的，并且本发明的范围由所附权利要求及其等效物来定义。
诸如“具备”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元(模块)和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元(模块)和步骤的情形。
图1是根据本发明的一个实施例的车辆功率转换器的模块示意图。该车辆功率转换器包括变压器、原边功率模块和副边功率模块。变压器可以提供原边绕组和副边绕组，例如提供一个用于原边输入的绕组和两个用于副边输出的绕组。原边功率模块位于变压器的原边侧，其包括多个半桥支路，主路端子(即多个半桥支路的电路汇合点)接收车辆电池的电压输入，设置其中一些半桥支路的中间端子连接到车辆电机以例如作为电机的转换相输入，并设置另一些半桥支路的中间端子连接到变压器的原边绕组以用于后续DCDC直流转换。副边功率模块也可以包括多个半桥支路，它们的中间端子连接到变压器的副边绕组而主路端子则作为输出。其中，半桥支路包括串联连接的上臂和下臂，而该半桥支路的中间端子则位于其上臂和下臂之间。
如图1中所示意的，原边功率模块连接到车辆电池并完成驱动电压转换，将车辆电池输出的高压直流转换为高压交流，以为车辆电机提供一相或多相(例如三相电机中的一相输入端或两相输入端或三相输入端)高压交流输入。该原边功率模块还结合有直流DCDC转换用的半桥支路，其可以配合变压器及副边功率模块中对应的DCDC转换用的半桥支路，组成DCDC直流转换模块，以将电池输出的高压直流转换为可供车辆低压元器件使用的低压直流(例如，12V或48V直流电压)。因此，副边功率模块中可以设置对应的DCDC转换用的半桥支路，以将经过变压器副边输出的直流电压转换为所需的低压直流。
由此，原边功率模块可以集成有用于DCDC转换的半桥支路和用于DCAC转换的半桥支路，两类半桥支路共用同一母线(例如高压母排)，能够实现功率模块的更高的功率密度。并且，在副边功率模块中也可以对两类半桥支路进行集成，以进一步提高功率密度。可以理解，还可以将原边和副边功率模块进一步集成进单个更大的模块(诸如同一电路板、封装)，以进一步降低物料成本。
除此之外，更高功率密度和共用度可以允许进一步共用其他元器件，诸如滤波器、电容器、电感等等。各个元器件、功率模块之间的连接距离减小，这可以例如进一步减小寄生电容、电感对各元器件模块的影响。集成的模块中还可以采取叠层母排(LaminatedBusbar)的形式(例如对原边功率模块的共用高压母排进行叠层布置)，将正负母排之间的距离设置成尽可能地减小。如此，可以减小磁场间的相互影响，削弱模块电流回路的互感和其他杂散电感，并因此避免温度过高和脱胶等问题。
在一些实施例中，副边功率模块中也可以设置连接到车辆电池的半桥支路。具体而言，副边功率模块可以再结合另一组半桥支路，其主路端子接收车辆电池的电压输入，中间端子连接到车辆电机。如此，同样可以承担如原边功率模块那样的为车辆电机提供一相或多相高压交流输入的功能，配合原边功率模块，为电机提供所有转换器相输入。例如，设置两个副边功率模块(每个都具有实现DCDC转换用的半桥支路和实现高压DCAC转换用的半桥支路)和一个原边功率模块，可以诸如为三相电机各提供一相输入。
可以理解，以上示例不仅限于三相电机，而是各类多相电机的驱动系统都可以使用参照以上设计思路的功率模块，并适应性地对功率模块进行调整和集成以提升功率密度。
图2是根据本发明的另一个实施例的车辆功率转换器的各功率模块电路结构示意图，其对应于如图3上部分所示的变压器及两边的原边功率模块和副边功率模块。单个原边功率模块如图2左部分所示，其可以看作由共用高压母排的三个半桥支路构成，每个半桥支路的桥臂由一个或多个半导体开关器件(图示为2个)构成，高压母排从车辆电池接收高压直流输入(例如800VDC直流电压输入)，以增加功率模块的通流能力。在原边功率模块中，可以由6个半导体开关器件Q1-Q6构成，其中，Q1和Q2是DCAC逆变转换所使用的半导体开关器件，其通过控制半导体开关器件的闭合和断开来在中间端子产生高压交流输出(ACOut)到电机；Q3-Q6是DCDC直流转换所使用的半导体开关器件，其通过控制半导体开关器件的闭合和断开来在两个中间端子分别产生高压直流输出(DCOut+和DCOut-)到变压器的原边。在两个副边功率模块的每一个中，可以设置两个单独的全桥电路，由6个半导体开关器件Q7-Q12构成，其中，DCAC逆变转换所使用的半导体开关器件Q7和Q8和电池高压直流输入构成一个全桥电路，通过控制半导体开关器件的闭合和断开来在中间端子产生高压交流输出(ACOut)到电机；DCDC直流转换所使用的半导体开关器件Q9-Q12和经由变压器原边输入(DCOut+和DCOut-)的副边输出(DCIn+和DCIn-)构成另一个全桥电路，通过控制两组半导体开关器件(即两个桥臂)的闭合和断开来在主路端子(即全桥电路的主线)产生低压直流输出(例如12V/48V直流输出)到各类低压元器件。这种集成功率模块并在原边和两个副边功率模块都分别提供三相电机的一相输入的结构，在特别是要求每个模块的高压输入端都有保护措施(例如隔离器件)的情况下可以实现共用。
因此，通过半桥支路的组合以及功率模块的集成，进一步实现了功率密度的上升，并可以有利地结合叠层母排形式来降低互感、寄生电容等的影响。
结合图3，可以进一步说明包括前述图2的车辆功率转换器实施例的车辆驱动系统。在图3中，一个原边功率模块和两个副边功率模块各自接收来自车辆电池的高压直流(例如图上的800VDC+和800VDC-)，并共同提供三相电机的各相输入(ACOut)。原边功率模块和两个副边功率模块分别在变压器的原边侧和副边侧，将电池高压直流转换为低压直流，并通过每个副边功率模块输出。车辆驱动系统还可以包括控制器(图示为系统控制电路)，控制器提供针对各个半桥支路的上下臂的控制信号(逆变器控制信号和DCDC控制信号)，例如针对桥臂的半导体开关器件提供开关控制信号。
在一些示例中，车辆驱动系统还可以包括功率模块驱动电路，其接收控制器的控制信号并向车辆功率转换器的各功率模块提供对应的驱动信号。这可以例如提供更为可控的驱动控制，每个功率模块可以设置有测量单元，测量单元将针对每个功率模块所测量的测量信号(例如针对模块温度所测量的温度信号)传送到功率模块驱动电路，控制器根据来自功率模块驱动电路的驱动反馈信号而决定下一步的控制策略调整。另外，电机上也可以设置转速位置测量单元，以将转速位置测量信息传送到控制器，并作为各功率单元控制调节的依据。总之，使用同一个控制器、功率模块驱动电路、温度测量单元等元器件，电机驱动系统可以封装在单独的壳体中，在设计上可以与电机本体紧密相连，这可以进一步提高功率密度。此外，还可以包括一个统一的散热器，以对集成的功率模块和驱动系统进行统一散热，提升散热效率。
图4是根据本发明的另一个实施例的车辆功率转换器的功率模块电路结构示意图，其对应于如图5上部分所示的变压器(图示为逆变器T1)及两边的原边功率模块和副边功率模块，原边功率模块和副边功率模块被集成进同一模块中。在图4中，左侧部分为逆变器原边侧部分，其提供5个半桥支路(图示为上下臂为半导体开关器件)，Q1-Q6提供DCAC转换(由电池的高压直流转换为例如三相电机的三相输入)用的开关，Q7-Q10以及Q11-Q14提供DCDC转换用的开关(由电池的高压直流转换为低压直流)。如参考前述关于图2和图3描述的，图4和图5所示的实施例可以通过共用高压母排的方式集成，并进一步将所有功率模块集成为一个模块。在一些示例中，共用高压母排的各个半桥支路可以在该高压母排中设置共用的EMC滤波器和稳压电容。如此，更有利于如前文所讨论的诸如散热器、控制器、EMC滤波器、稳压电容等等的共用，进一步提高了功率密度，并具备降低互感、磁场、寄生电容等的影响。
同理，图5的车辆驱动系统还可以包括控制器(图示为系统控制电路)，控制器提供针对各个半桥支路的上下臂的控制信号(逆变器控制信号和DCDC控制信号)，例如针对桥臂的半导体开关器件提供开关控制信号。此外，还可以包括一个统一的散热器，以对集成的功率模块和驱动系统进行统一散热，提升散热效率。
可以理解，以上图2或图4仅示出采用半导体开关器件作为上臂和下臂的半桥支路形式，但是上臂和下臂还可以例如是采取多个电力单元级联的拓扑形式(例如模块化多电平换流器结构MMC)。也可以理解，DCDC直流转换也可以是例如双向全桥LLC(CLLC)隔离变压器形式的拓扑结构。
在以上的图2或图4的实施例中，电路中还可以设置电感和电容，这些电感和电容可以分布在驱动系统电路板上，也可以一同封装进功率模块。在一些示例中，电感可以省略，由变压器的漏电感替代。
在利用半导体开关器件作为上臂和下臂的半桥支路实施例中，半导体开关器件可以包括所有类型的半导体功率器件，包括但不限于：绝缘栅双极型晶体管IGBT开关、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关、二极管开关、肖特基SBD开关、高电子迁移率晶体管HEMT开关。优选地，同一功能模块可以利用同一种半导体开关器件，以提供更可控可调的驱动能力，而DCAC的开关和DCDC的开关类型和参数可以不同。半导体器件开关的材料包括但不限于硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、金刚石及其组合。
在另一方面，本发明还可以实施为一种车辆，其包括前述任一实施例的车辆驱动系统，或包括前述任一实施例的车辆功率转换器。该车辆可以实现电机驱动模块和高低压转换模块的高度集成，以节省更多的车载空间和重量，间接地提高了车辆续航里程。
以上主要说明了本发明的车辆功率转换器、车辆驱动系统及车辆。尽管只对其中一些本发明的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (12)

1.一种车辆功率转换器，其特征在于，包括：
变压器，其提供原边绕组和副边绕组；
原边功率模块，其包括第一多个半桥支路，在所述第一多个半桥支路中：
主路端子接收车辆电池的电压输入，
一部分半桥支路的中间端子连接到车辆电机，
另一部分半桥支路的中间端子连接到所述变压器的所述原边绕组；以及
副边功率模块，其包括第二多个半桥支路，在所述第二多个半桥支路的每个半桥支路中：
中间端子连接到所述变压器的所述副边绕组，
主路端子作为输出，
其中，所述半桥支路包括串联连接的上臂和下臂，所述半桥支路的中间端子位于所述半桥支路的所述上臂和所述下臂之间。
2.根据权利要求1所述的车辆功率转换器，其特征在于，所述半桥支路由分别位于所述上臂和所述下臂的一个或多个半导体开关器件构成。
3.根据权利要求2所述的车辆功率转换器，其特征在于，所述半导体开关器件包括以下中的任一项：绝缘栅双极型晶体管IGBT开关、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关、二极管开关、肖特基SBD开关、高电子迁移率晶体管HEMT开关。
4.根据权利要求1所述的车辆功率转换器，其特征在于，所述副边功率模块还包括第三多个半桥支路，在所述第三多个半桥支路中：主路端子接收所述车辆电池的电压输入，中间端子连接到所述车辆电机。
5.根据权利要求1所述的车辆功率转换器，其特征在于，所述原边功率模块和所述副边功率模块集成在同一封装中。
6.根据权利要求5所述的车辆功率转换器，其特征在于，所述封装采用叠层母排的形式。
7.根据权利要求5所述的车辆功率转换器，其特征在于，还包括散热器，所述原边功率模块和所述副边功率模块共用所述散热器。
8.根据权利要求1所述的车辆功率转换器，其特征在于，还包括稳压电容器和电磁兼容性EMC滤波器，所述原边功率模块的所述第一多个半桥支路的每个半桥支路共用所述稳压电容器和所述EMC滤波器。
9.根据权利要求1所述的车辆功率转换器，其特征在于，所述车辆电机为三相电机。
10.一种车辆驱动系统，其特征在于，所述车辆驱动系统包括：
根据权利要求1-9中任一项所述的车辆功率转换器；
控制器，其提供针对所述车辆功率转换器的各个所述半桥支路的所述上臂和所述下臂的控制信号。
11.根据权利要求10所述的车辆驱动系统，其特征在于，所述车辆功率转换器还包括温度测量模块，所述温度测量模块测量各个功率模块的温度值并将指示所述温度值的温度测量信号传送到所述控制器。
12.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求10或11所述的车辆驱动系统。
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