低电感母线 【技术领域】
本发明总体上涉及机动车功率变换器系统，且更具体地涉及用于机动车功率变换器系统的低电感母线。
背景技术
电动和混合动力电动车辆通常使用高压源(如，蓄电池组或燃料电池)，其输送直流(DC)以驱动车辆马达、电牵引系统和其它车辆系统。这些系统通常包括功率变换器来将来自于功率源的DC输入转换为与电动马达和其它电气部件相容的3相交流(AC)输出。这种变换器通常包括由母线系统互连的功率模块和电容器模块，母线系统将电流在整个变换器中分配。这种母线系统通常包括用多个紧固件总体上结合在一起的一个或更多设计复杂的电极。这些相对复杂的母线可能显著地增加总体部件数和材料和组装的成本。
此外已经观察到，一些常规变换器在流经功率模块的电流突然变化时(例如在变换器被断开时)招致电压尖峰。这些电压尖峰的幅值与母线的电感相关。更具体地，电感(L)、电流(i)、电压(V)和时间(t)之间的关系在方程(1)中描述：V＝L*(di/dt)(1)该方程表明，电压尖峰对于具有高固有电感的系统而言被加剧。即，如果电感高，即使电流的相对小的变化也可能产生相对大的电压尖峰。由于其各个输入和输出节点之间的相对长的电流路径，母线可能对变换器系统的总体电感有显著的贡献。
因此，期望提供一种低电感母线系统，以在功率模块被断开时减少电压尖峰。此外，也期望提供一种具有较少部件和最小化材料成本的用于在功率变换器内分配电流的母线系统。此外，本发明的其它期望特点和特征从随后的详细说明和所附权利要求书结合附图以及前述技术领域和背景技术将显而易见。
发明内容
根据各个实施例，提供一种用于变换器模块的母线组件。所述变换器模块具有：功率模块，所述功率模块包括第一功率模块节点和第二功率模块节点；电容器模块，所述电容器模块包括至少一个电容器的阵列，所述电容器模块中的每个电容器具有第一电容器节点和第二电容器节点；和蓄电池，所述蓄电池包括第一蓄电池节点和第二蓄电池节点。所述母线组件包括基底母线和分支母线。所述基底母线具有电联接到所述第一蓄电池节点的第一基底节点和电联接到所述第二蓄电池节点的第二基底节点。所述分支母线具有第一分支节点和第二分支节点，其中，所述第一分支节点从所述第一基底节点延伸到所述第一功率模块节点，且在所述第一基底节点和所述第一功率模块节点之间的第一点处电连接到所述第一电容器模块节点，且其中，所述第二分支节点从所述第二基底节点延伸到所述第二功率模块节点，且在所述第二基底节点和所述第二功率模块节点之间的第二点处电连接到所述第二电容器模块节点。
【附图说明】
本发明在下文将结合以下附图描述，其中，相同的附图标记表示相同的元件，且
图1是示例性机动车的示意图，示出了一个实施例与机动车的各个子部件整体形成的方式；
图2是示出了具有母线组件的示例性功率变换器的示意图；
图3示意性地示出了示例性母线组件；
图4示意性地示出了另一个示例性母线组件；和
图5以截面图示意性地示出了另一个示例性母线组件。
【具体实施方式】
下面的描述涉及被“连接”或“联接”在一起的元件或节点或特征。如本文所使用的，除非另外明确地声明，“连接”指的是一个元件/节点/特征以机械的、逻辑的、电气的或者其它合适的方式被直接结合到(或者直接地连通)另一个元件、节点或特征。类似地，除非另外明确地声明，“联接”指的是一个元件/节点/特征以机械的、逻辑的、电气的或者其它合适的方式被直接地或间接地结合(或者直接地或间接地连通)另一个元件/节点/特征。短语“示例性的”以“示例”而不是“模型”的意思被使用。此外，尽管示意图描绘了元件的示例性布置，在本发明的实际实施例中也可以出现附加的中间元件、装置、特征或部件。此外，短语“整体地形成”或“整体地连接”指的是第一元件/节点/特征以连续的方式从第二元件/节点/特征延伸或过渡，而不是作为两个单独的和可区别的元件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的车辆10，如机动车。车辆10包括底盘12、车身14、四个车轮16以及电控系统(或电子控制单元(ECU))18。车身14布置在底盘12上并大致包围机动车10的其他部件。车身14及底盘12可共同形成车架。车轮16在车身14的各个角落附近分别可转动地联接至底盘12。
车辆10可以是多种不同类型机动车中的任一种，例如，轿车、旅行车、货车、或运动型多用途车(SUV)，并可以是两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)、或全轮驱动(AWD)。车辆10也可以具备多种不同类型的发动机(或致动器)(例如，汽油或柴油燃料燃烧发动机、“灵活燃料车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油与乙醇的混合物)、气态混合物(例如，氢和/或天然气)燃料发动机、或者燃料电池、燃烧/电动马达混合动力发动机、以及电动马达)中任一种或其组合。
在图1所示的示意性实施例中，车辆10是混合动力车辆，并还可包括致动器组件(或动力系统)20、蓄电池22、蓄电池电荷状态(SOC)系统24、功率变换器26、以及散热器28。致动器组件20适当地包括内燃机30和电动马达/发电机(或马达)系统(或组件)32。蓄电池22电连接到功率变换器26，且在一个实施例中是包括任何数量的电池的锂离子(Li离子)蓄电池，如通常理解的那样。
总体而言，功率变换器包括母线组件，所述母线组件包括至少一个母线，以便为电流在电子部件(如，DC源、电容器模块和/或功率模块组件)之间流动提供导电路径。这种母线通常具有叠层结构或类似结构，包括由不导电中间层彼此电绝缘的正和负导电外层或“节点”。母线组件可以根据期望配置以紧凑地装配在电容器和功率模块之间且缩短这些部件之间的电流路径，以使得总体系统电感最小化。
图2是示例性功率变换器组件26的示意图。功率变换器组件26适当地包括电容器模块40、母线组件27、和功率模块组件38，功率模块组件38包括任何数量的分立功率模块。如图2所示，功率模块组件38配置有6个功率模块101‑106，以轮廓形式示出了功率模块101以更清楚地显示变换器组件26的其它部件。电容器模块40适当地包括任何数量的分立电容器，且可以任何方式排列。如图2所示，例如，电容器模块40包括以三行41、42和43以及四列45、46、47和48排列的12个双极电容器，电容器定向为相同的极性在任何列内面向相同的方向且在任何行内交替。如图2所示的母线组件27包括电联接到电容器模块40的每个分立电容器的第一母线44和连接到DC源94和功率变换器组件26的每个功率模块的第二母线50。两个母线电联接在一起以便为电流在DC源94、功率变换器26和/或电容器模块40之间流动提供路径。
参考图2，第一母线44包括具有叠层的双节点结构的基底母线58，基底母线58具有由不导电绝缘层电隔开的正节点69和负节点66，如下文更详细地描述的那样，且沿第一行电容器模块41的顶部水平地和平行地设置。基底母线58与第一延伸部54和第二延伸部55(在图3的截面图中示出)整体地连接且电连续，第一延伸部54和第二延伸部55各竖直地延伸，且一起骑跨电容器模块40中的第一列45和第二列46。基底母线58也可连接到第三延伸部56和第四延伸部57(未示出)，第三延伸部56和第四延伸部57类似地骑跨第三列47和第四列48。延伸部54‑57中的每个都具有与基底母线58相同的叠层、双节点结构，且从其电连续地延伸正节点和负节点。虽然第一母线44在图2中显示为具有四个延伸部，但是取决于电容器模块40中的列数，替代实施例可以根据需要设置有附加的延伸部。延伸部节点使用钎料或类似物以任何常规方式分别通过正和负指形物组60和61电联接到相同的电容器节点。
第二母线50也包括具有叠层的双节点结构，且具有由绝缘中间层隔开的正节点52和负节点53。第二母线50可通过导电接线柱连接到基底母线58。在各个实施例中，第一组负接线柱64分别将基底母线58和第二母线50的负节点66和53机械地和电气地联接。负接线柱64与相反极性的各个节点(例如，在该示例中为正节点)电绝缘。类似地，第二组正接线柱68与所有负节点电绝缘，并且分别将基底母线58和第二母线50的正节点69和52机械地和电气地联接在一起。螺纹螺母(未示出)或其它合适紧固件可以与螺纹接线柱64和68结合使用以施加夹紧力，从而增强相关母线的电连续性和机械稳定性。第二母线50包括7个接线片对70‑76，用于为源94和功率模块组件38的分立功率模块提供电连接。第一接线片对70包括第一正接线片78和第一负接线片82，分别与DC源94的相同极86和90电联接。接线片对71‑73和74‑76沿第二母线50的相对侧对称设置，且可以联接到功率模块以提供DC输入信号给功率模块。功率模块组件38可包括任何数量的分立功率模块，且可例如排列成如图所示每组三个的两组101‑103和104‑106，每组在第二母线50的相对侧上对称设置且被联接以提供3相AC输出信号给诸如电动马达120的装置。
当被互连时，第一和第二母线44和50配置成将模块40的分立电容器和功率模块101‑106的正节点与DC源94的正节点86电联接，从而用输入DC电压偏压每个正节点，以提供从这些部件的负节点到源94的负节点90的返回电流路径。例如，在操作期间，电流可通过源94注入第一正接线片78且流经第二母线正节点52、正接线柱组68和第一母线正节点69。电流然后可流入第一延伸部54的正节点，通过正指形物组60进入第二列46中的电容器的正节点，其中，从负电容器节点电容放电，流向第二延伸部55的负节点(未示出)。电流可以继续通过基底母线58的负节点66且经由物理接触并通过负接线柱组64进入第二母线50的负节点53。电流流向接线片对70‑76的负极并进入功率模块101‑106和DC源94的负极90。每组三个功率模块101‑103和104‑106将输入DC信号转换为例如引导给马达120的3相AC输出。
图3是示意性截面图，示出了第一母线44和第二母线50，第一母线44和第二母线50电联接到电容器模块40且紧凑地设置以减小电流路径长度，从而降低电感。第一母线44具有叠层的双节点结构，且包括具有负节点66和正节点69的基底母线58。第一延伸部54和第二延伸部55各整体地连接到基底母线58，从而保持与上文所述相同的电连续的、叠层的和双节点的结构。延伸部54和55分别沿电容器模块40的第一和第二侧49和51竖直地跨越，一起骑跨列45和46(如图2所示)。第一延伸部54具有经由负指形物组61电联接到列45中的每个电容器的负节点的负节点136和电联接到列46(如图2所示)中的每个电容器的正节点的正节点144。类似地，第二延伸部55具有电联接到列46中的每个电容器的负节点(未示出)的负节点148和经由第三指形物组63电联接到列45中的每个电容器的正节点的正节点152。基底母线58以及延伸部54和55的正和负节点由连续的第一绝缘层132彼此隔开(电绝缘)。
仍参考图3，第二母线50也包括双节点的叠层结构，具有联接在第二绝缘层172的任一侧上的正节点52和负节点53。如前文所述，第二母线50被联接成经由第一正接线片78从DC源94的正极86接收第一输入且经由第一负接线片82从DC源94的负极90接收第二输入。负接线柱组64通过第二母线50中的绝缘开口184，且使用合适的紧固件(未示出)分别将基底母线58和第二母线50的负节点66和53机械地和电气地联接。正接线柱组68通过第二母线50中的绝缘开口188，且类似地分别将基底母线58和第二母线50的正节点69和52联接。在操作期间，源94用DC电压信号偏压第一正接线片78，将电流经由正接线柱组68注入第二母线正节点52和基底母线58的正节点69。电流可流入第二延伸部55的正节点152且通过第三指形物组63进入第一列45中的电容器的正节点。电流被电容地放电且流经负指形物组61进入第一延伸部54的负节点136、基底母线58的负节点66且经由负接线柱组64流向第二母线50的负节点53。电流分别经由接线片162、164和82进入功率模块101和104(如图2所示)以及DC源94的负极90。基底母线58和第二母线50以类似的方式将电流分配给其余功率模块102、103、105和106中的每个。
图4是示出了根据另一个示例性实施例的变换器组件190的选择部件的等角投影图，变换器组件190包括电容器模块212和母线组件187。为了简单起见和更好地说明变换器组件190的其它部件，从图4中省去了分立的功率模块。母线组件187设置成通过缩短源、电容器和功率模块的输入和输出节点之间的电流路径来减小总体电感。此外，母线组件187定轮廓为电接入这些部件，而不需要多个分立的母线和连接紧固件，从而使得材料的使用、部件数和组装复杂性最小化。母线组件187包括电连续的双节点叠层结构，由结合到介入的绝缘层并由绝缘层电绝缘的两个导电材料平行片材制成。两个导电层形成母线的正节点和负节点且通常包括铜或铜合金，绝缘层通常包括Mylar(双轴取向的聚乙烯对苯二甲酸乙脂‑boPET)聚酯膜或者Nomex纸。在一个实施例中，母线组件187的导电层(节点)由110ETP铜制成，具有约0.5mm至约3.0mm的厚度，由厚度约为0.1mm至约1.0mm的Mylar膜片隔开。在另一个实施例中，母线节点的厚度约为1.0mm，且由厚度约为0.2mm的Mylar膜隔开。在其它实施例中，铜节点也包括镀锡的薄涂层。
再次参考图4，电容器模块212可包括任何数量的分立电容器，且例如可如图所示设置有具有第一至第四行214‑217和第一至第六列220‑225的平面阵列形式设置的24个分立的双极电容器。模块212中的电容器定向为在每列内相同的极性面向相同的方向且在每行上极性交替。母线组件187包括基底母线204、设置成电联接到DC源的源延伸部205、和横向延伸部206‑211，每个横向延伸部设置成用于电联接到模块212的分立电容器。虽然示出了6个横向延伸部，但是母线组件187可根据需要替代地设置有任何数量的横向延伸部，以适合于电容器模块212的特定配置。基底母线204靠近第一行214的下侧平行设置，且整体地连接到沿第一列220的端部向上延伸的源延伸部205。源延伸部205包括具有正节点202和负节点181的双节点结构，且还可设置有分别以正和负源接线片229和239终止的双节点源突出部228，以便于电联接到DC源节点。例如，正源接线片229可联接成从DC源234的正节点230接收第一输入，负源接线片239可类似地联接成从源234的负节点242接收第二输入。
横向延伸部206‑211各整体地连接到基底母线204且每侧设置有三个延伸部。每个横向延伸部对206/207、208/209和210/211骑跨两个相邻的电容器列且提供电联接给其中的分立电容器。由于除了其沿电容器模块212的位置之外这些横向延伸部对是相同的，因此将仅仅描述第一延伸部206和第二延伸部207。这些延伸部从基底母线204向上竖直延伸，一起骑跨电容器模块212的第一列220和第二列221。第一横向延伸部206具有由第一指形物组191电联接到第一列220中的负电容器节点的负节点274。类似地，第一横向延伸部206具有由第二指形物组192电联接到第二列221中的正电容器节点的正节点278。第二横向延伸部207具有电联接到第二列221中的负电容器节点的负节点282和电联接到第一列220中的正电容器节点的正节点286。第一和第二指形物组191和192使用钎料或类似物以任何常规方式分别将延伸部/电容器节点互连。
第一突出部300与第一横向延伸部206整体地形成且从第一横向延伸部206大致正交地延伸，从电容器模块212向外引导。第一端子304与第一突出部300整体地形成，且定向为大致平行于第一横向延伸部206并大致正交于第一突出部300，朝基底母线204向下延伸。第一突出部300和第一端子304各具有延伸第一横向延伸部206的正和负节点的双节点叠层结构。第一正接线片312和第一负接线片308分别从第一端子304的正和负节点延伸，且各设置成电联接到功率模块的输入节点。类似地，第二突出部316、第二端子320以及第二正接线片324和第二负接线片328(如图5所示)依次从第二横向延伸部207延伸且设置成双节点电联接到另一功率模块。虽然母线组件187的每个部段显示为定向为大致正交于连接部段，但是取决于相关联电容器和/或功率模块的配置、空间考虑等，其它取向也是可能的。
图5以截面图示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的基底母线204、第一和第二横向延伸部206和207、以及第一电容器模块列220。基底母线204包括具有由绝缘层270隔开的基底负节点262和基底正节点266的叠层双节点结构。第一和第二横向延伸部206和207整体地连接到基底母线204且从基底母线204大致竖直地延伸，一起骑跨电容器模块212的第一列220和第二列221(如图4所示)。第一横向延伸部206具有由第一指形物组191电联接到第一列220中的负电容器节点的第一负节点274。类似地，第一横向延伸部206具有由第二指形物组192(如图4所示)电联接到第二列221中的正电容器节点的第一正节点278。第二横向延伸部207具有电联接到第二列221(未示出)中的负电容器节点的第二负节点282和经由第三指形物组193电联接到第一列220中的正电容器节点的第二正节点286。
第一突出部300从第一横向延伸部206的顶边缘延伸，从而与第一横向延伸部206形成L形，且远离电容器模块212水平延伸。第一突出部300具有分别电连接到第一横向延伸部206的第一负节点274和第一正节点278的第一负节点342和第一正节点346。第一端子304从第一突出部300向下延伸，且具有分别与第一突出部负节点342和第一突出部正节点346整体地连接的第一负节点350和第一正节点354。第一端子负节点350和第一端子正节点354分别终止于第一负接线片308和第一正接线片312，每个接线片设置成联接到功率模块。
第二突出部316联接到第二横向延伸部207的顶边缘，从而与第二横向延伸部207形成L形，且具有分别与第二横向延伸部207的相同节点电连续的第二正节点368和第二负节点360。第二突出部316联接到第二端子320，第二端子320分别具有正节点372和负节点376，且竖直向下延伸，分别终止于第二正接线片328和第二负接线片324。第一横向延伸部206、第一突出部300和第一端子304一起形成倒转的不对称U形第一分支母线198，第一分支母线198与由第二横向延伸部207、第二突出部316和第二端子320组合形成的类似倒转的不对称U形第二分支母线199成镜像。基底母线204与分支198和199组合提供具有由单个连续绝缘层270隔开的节点的连续双节点电连续性。此外，每个分支母线的不对称倒转U形分别形成了第一和第二间隙334和338，功率模块(未示出)可设置在其中且便利地连接到附近的接线片。接线片308/312和324/328各设置有用于这种电连接的紧固件开口、夹具等。延伸部208‑211各整体地连接到基底母线204，且以与第一和第二横向延伸部206和207类似的方式设置；均具有被联接形成倒转的不对称U形分支母线的突出部、端子和正/负接线片，以提供到附加的功率模块的双节点电联接。
参考图4和5，在操作期间，母线组件187将从DC源234接收的电流分配给模块212中的每个电容器，且将电容放电的输出信号传输给功率模块(未示出)。从源到电容器输入、以及从电容器输出到功率模块的缩短的电流路径减小了总体系统电感且最小化材料的使用。例如，电流可以通过源234注入第一正源接线片229，其中电流流经源延伸部205和基底母线204的正节点。电流然后在横向延伸部206‑211中的每个之间细分。为了简单起见，将仅仅描述包括横向延伸部206和207的电流路径。电流分别经由指形物组193和192流经每个延伸部，到达第一和第二列220和221中的每个电容器的正节点。电流分别电容地放电到第一和第二横向延伸部206和207的负节点274和282，且最终流经第一和第二突出部300和316以及第一和第二端子304和320的负节点，到达接线片308和324。以一组三个的形式沿电容器模块212的侧面联接的功率模块一起产生引导给AC车辆系统的3相AC输出信号。
虽然已经在上述详细描述中说明了至少一个示意性实施例，但应当理解存在大量的变型。还应当理解的是，示意性实施例仅仅是示例，并不意在以任何方式对本发明的范围、应用或构造构成限制。相反，上述详细描述将向本领域的技术人员提供应用所述实施例的便捷途径。应当理解，可对元件的功能及设置进行各种改变而不脱离所附权利要求及其合法等价物界定的本发明的范围。