電流控制結構、電機控制器以及電動汽車的製作方法
2023-05-03 03:21:01 2
本發明創造涉及電動汽車技術領域，具體說是一種針對汽車級電控制需求而設計的電流控制結構，使用該架構的電機控制器以及使用該電機控制器的電動汽車。
背景技術：
電動汽車是以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。相對於傳統汽車，電動汽車在節約能源、降低汙染、減少排放、低噪音等方面都擁有較大優勢，因此電動汽車是未來汽車工業發展的重要方向。
電機控制器是將車載電源的輸出電流轉化為適合驅動電機使用的電氣控制裝置，優秀的電機控制器可以有效提升能源利用率、保障電機使用壽命。
作為車體內裝置，電機控制器也面臨著空間效率的問題，通常情況下，汽車機艙的空間是有限的，特別是在其水平方向上，需要在符合散熱要求的前提下，利用有限的面積布置所需的器件裝置，因此，如何能縮小電機控制器，特別是縮小電機控制器在水平方向上的大小成為了電機控制器設計的要點之一。
引述技術方案1，中國專利，一種電動車輛開關磁阻電機控制器內部布置結構（公開號：CN105207540A）公開了一種電動車輛開關磁阻電機控制器內部布置結構，包括高壓部件、低壓部件和散熱器底座，高壓部件包括IGBT模塊、薄膜電容、高壓銅排和預充電接觸器，高壓銅排包括銅排正極、銅排U正、銅排U負、銅排V正、銅排V負、銅排W正、銅排W負和銅排負極，低壓部件包括低壓主控制板和低壓接插件，所述的低壓接插件與低壓主控制板相連接，高壓部件布置在散熱器底座上，低壓部件布置在高壓部件上方。
引述技術方案2，中國專利，一種電動汽車的電機控制器（公開號：CN205430835U）公開了一種電動汽車的電機控制器，包括：箱體，包括底板和側板，所述側板固定在所述底板的四周並形成一個內凹的腔體，所述底板上設置有一體的散熱結構，在所述側板上開有預留孔；箱蓋，用於封閉所述箱體的開口一端；驅動部件，安裝在所述箱體內，與外部設備交互的連接口安裝在所述側板上的預留孔中。
除了針對引述技術方案1和引述方案2等類似專利進行研究，我們也探訪一些市場的電機控制器產品，目前常見的電機控制器內部布置方案中，電容和IGBT模塊都是並排放置，有的電容底部連接有散熱結構，有的沒有散熱結構，這樣的設計存在如下問題：
電容和IGBT模塊都要在電機控制器的水平方向上佔取一定空間，從而導致電機控制器在水平方向上只能靠不斷的壓縮部件和部件、部件和外殼之間的空間來縮小其水平面積，因此，在實際生產中，一些電機控制器為了解決空間問題，往往會犧牲一些性能（比如散熱、功率等等）。
相對於上述電機控制器內部布置架構，本領域技術人員也做了一些改進。
引述技術方案3，中國專利，電容連接結構以及電動車控制器（公開號：CN205320371U）公開了一種電容連接結構，包括層疊設置且相互電性連接的功率板和控制板以及設置於功率板上的電容組件；控制板上設有供電容組件穿過的導通口，功率板包括第一表面及第二表面；電容組件包括焊接於第一表面上的電路板以及多個焊接於電路板上並沿導通口穿過控制板的電容器。
引述方案3有異於常規設置，但它本身也帶來了其它問題：
1、電容組件設置在功率板上在裝配方面存在較大困難，由功率板來固定電容組件，存在穩定性和安全性問題，；
2、層疊設置的功率板和控制板過於接近，會有較大的電磁幹擾；
3、需要專門設計的印製電路板底板，成本高；
4、從水平方向上來看，仍然需要一個電路板加電容的面積，實際上並不能解決佔地大的問題。
發明創造內容
本發明創造旨在針對現有技術中存在的不足，設計一款結構緊湊，體積較小，連接結構合理、裝配工序簡便的電流控制結構、使用該結構的電機控制器以及使用該電機控制器的電動汽車。
一種電流控制結構，包括電容、驅動板和IGBT模塊和控制板；所述的控制板包括印製電路板和設置在印製電路板上的電子元件，用於控制電容和驅動板，控制板分別和電容、驅動板信號連接；所述的驅動板包括印製電路板和設置在印製電路板上的電子元件，用於控制IGBT模塊，驅動板設置在IGBT模塊背向散熱面的一側，並和IGBT模塊信號連接；所述的電容設置在驅動板背向IGBT模塊的一側，並分別和外部電流輸入端以及IGBT模塊相連接；所述的IGBT模塊為單面散熱封裝模塊，且和對外電流輸出端相連接。
針對上述的電流控制結構，還可以採用如下方案進行進一步優化：
控制板可以設置在電容背向驅動板的一些，即空間布置順序為控制板、電容、驅動板、IGBT模塊；對於這一設置方式，為了避免電磁幹擾，需要在控制板和電容之間設置電磁屏蔽層，電磁屏蔽層可以為金屬網、金屬板或者絕緣紙，電磁屏蔽層的結構可以根據需要進行設計，如配合電容上表面結構，在電磁屏蔽層上為連線留出孔道。
控制板也可以設置在遠離電容的位置，此時，需要在IGBT模塊的散熱面處引入液冷散熱器，例如金屬液冷散熱流道結構，則控制板設置在金屬散熱器背對IGBT模塊的一側，並固定在金屬散熱器上，此時，由於金屬散熱器起到了電磁屏蔽的作用，因此，無需再設計電磁屏蔽層。
對於IGBT模塊和電容之間的連接結構，所述的IGBT模塊上設置有一字型銅排，一字型銅排的一端和IGBT模塊固定連接，一字型銅排的另一端設有螺孔，所述的電容上設置有L型銅排，L型銅排的一端和電容固定連接，L型銅排的另一端設有螺孔並和一字型銅排的螺孔相配合，L型銅排和一字型銅排通過螺栓固定連接。
在上述電流控制結構的基礎上，我們設計了電機控制器。
一種電機控制器，包括外殼、電容、驅動板和IGBT模塊和控制板；所述的控制板包括印製電路板和設置在印製電路板上的電子元件，用於控制電容和驅動板，控制板分別和電容、驅動板信號連接；所述的外殼上有外部電流輸入埠和對外電流輸出埠，外殼內側還設有固定螺孔並分別和電容、IGBT模塊相固定；所述的驅動板包括印製電路板和設置在印製電路板上的電子元件，用於控制IGBT模塊，驅動板固定設置在IGBT模塊背向散熱面的一側，並和IGBT模塊信號連接；所述的電容設置在驅動板背向IGBT模塊的一側，並分別和外殼上的外部電流輸入埠以及IGBT模塊相連接；所述的IGBT模塊為單面散熱封裝模塊，且和外殼上的對外電流輸出埠相連接。
對於電機控制器而言，由於液冷結構和外殼一般是一體的，因此，其液冷結構可以選擇如下方案：外殼的一面設置有液冷結構，液冷結構的殼內部分和IGBT模塊的散熱面相配合，所述的控制板設置在電容背向驅動板的一側，控制板和電容之間設置有電磁屏蔽層。
對於電機控制器而言，其液冷結構也可以選擇如下方案：電機控制器的中部設有封閉式液冷結構，封閉式液冷結構將外殼內部空間分為一大一小兩部分，電容、驅動板和IGBT模塊固定在殼內空間體積較大的部分，封閉式液冷結構面向該部分的一側和IGBT模塊的散熱面相配合，控制板固定在殼內空間體積較小的部分。
此外，電機控制器也適用上述電流控制結構的優化方案。
在上述電機控制其的設計基礎上，我們設計了電動汽車的整車方案。
一種電動汽車，包括：驅動電機，用於驅動車輛運行；車載電源，用於為車輛提供能量來源；汽車控制系統，用於監視、控制整個車輛的正常工作，設有埠和電機控制器信號連接；
所述的電機控制器，用於控制電動機的運行，包括外殼、電容、驅動板、IGBT模塊和電機控制器，其中，IGBT模塊為單面散熱封裝模塊；所述的控制板包括印製電路板和設置在印製電路板上的電子元件，用於控制電容和驅動板，控制板分別和電容、驅動板以及汽車控制系統的對應埠信號連接；所述的外殼上有外部電流輸入埠和對外電流輸出埠，外殼內側還設有固定螺孔並分別和電容、IGBT模塊相固定；所述的驅動板包括印製電路板和設置在印製電路板上的電子元件，用於控制IGBT模塊，驅動板固定設置在IGBT模塊背向散熱面的一側，並和IGBT模塊信號連接；所述的電容設置在驅動板背向IGBT模塊的一側，並分別和外殼上的外部電流輸入埠以及IGBT模塊相連接，外殼上的外部電流輸入埠和車載電源相連接；所述的IGBT模塊和外殼上的對外電流輸出埠相連接，外殼上的對外電流輸出埠和驅動電機向連接。
對於汽車級的電機控制器，出於安全設計，我們還可以在對外電流輸出埠上設置傳感器，對輸出電流的電壓等電學參數進行監控。
對於汽車級的電機控制器，出於安全設計，我們還可以在外部電流輸入埠上設置互鎖結構，所述的互鎖結構用於監控輸入電流的通斷等情況。
有益效果：
首先，本發明創造採用了部件層疊的方式，在水平方向上實際上只需要IGBT模塊加外殼的面積，（相對於平鋪式而言）明顯縮小了電機控制器的所佔空間，特別是對於像汽車這樣的精密裝備，節約空間就意味著其它部件有了更多的空間，也就意味著更佳的功能。
其次，由於本發明創造調整了電容、IGBT模塊以及各電路板的相對位置，並加裝了電磁屏蔽層這樣的結構，使電機控制器各部件之間的電磁幹擾更少，具有更好的安全特性。
再次，本發明創造的主要部件層疊設置，連接銅排也是簡單的L型和一字型，不存在複雜易錯的結構或裝配點，因此，一方面，本領域技術人員可以很容易的理解，並在基本上不增加成本的情況下使用，便於推廣應用，另一方面，這樣結構減少了裝配強度和裝配難度，在工業生產方面具有顯著效果。
附圖說明
圖1是電流控制結構的立體示意圖。
圖2是電流控制結構的俯視方向示意圖。
圖3是電流控制結構的背視方向示意圖。
圖4是電流控制結構和外殼輸入輸出埠的連接示意圖（俯視圖）。
圖5是電機控制器的整機剖面背視方向示意圖。
圖6是電動汽車整車方案中的連接框圖。
附圖標號：
1、電容；2、IGBT模塊；3、控制板；4、驅動板；5、散熱架；6、對外信息模塊；7、信息接頭；8、輸出銅排；9、固定凸起；10、信息交換插頭；11、信號線；12、輸入銅排；13、固定螺栓；14、引流銅排；15、直流輸入埠；16、交流輸出埠；17、外殼（電機控制器）；18、液冷出入口；19、散熱結構（電機控制器）；20、連接觸頭。
具體實施方式
為了便於說明，以下具體實施例中，以電容面向IGBT模塊一面為下方（即IGBT模塊的散熱面朝向），以電容背對IGBT模塊一面為上方，以電容面向輸入銅排一面為正面，其它方向依次類推。
提前說明：圖1-4中的控制板和驅動板與圖5中的控制板和驅動板有一定區別。原因在於：所述的控制板和驅動板，均為在印製電路板（又名印刷電路板，或PCB板）上加裝相關電子元件後所形成的電子器件，控制板用於控制電容充放電以及控制驅動板工作，驅動板用於控制IGBT模塊（絕緣柵雙極型電晶體）工作；為了更好地表述結構位置關係，在圖1-4中，將印製電路板上的相關電子元件刪除，但圖中形式不代表控制板和驅動板的實際狀態。
提前說明：為了更貼合地描述技術方案，本具體實施例中的一些名稱和發明創造內容有所不同，例如，15、直流輸入埠和16、交流輸出埠，這兩個埠實際上就是外部輸入埠和對外輸出埠的具體限定名稱。
如圖1所示，本具體實施例中描述了一種按照本發明創造的技術方案構建的電流控制結構。
電流控制結構中從下至上依次設置有IGBT模塊2、驅動板4、電容1和控制板3，IGBT模塊2底部為散熱面，散熱面上設有散熱架5，電容和控制板之間設有電磁屏蔽層，電磁屏蔽層可以是金屬網、金屬板和絕緣紙中的一種。
控制板3的左側設置有信息交換插頭10，對應的，驅動板4上也有信息交換插頭10並通過信號線11和控制板3上的信息交換插頭10相連接，控制板3上的信息交換插頭10還通過信號線11和電容1相連接。所述的信息交換插頭用於對信號線和印製電路板（驅動板或控制板）之間的信號交互進行調製解調處理。
控制板3的右側設置有對外信息模塊6，對外信息模塊的上部有信息接頭7，對應的控制板上有連接孔，信息接頭7穿過連接孔並和控制板3上的電路相連接。所述的對外信息模塊用於對外部信號源（例如汽車控制系統）發送來的信號進行解調處理，並傳遞至控制板，同時，對控制板發出的信號進行調製處理，並通過信號線或其它傳遞媒介傳遞至外部信號源。
IGBT模塊2的正面設有輸出銅排8，就本實施例而言，所對應的電機為三相驅動電機，因此，輸出銅排8有三個。
電容1的正面設有輸入銅排12，就本實施例而言，所對應的為汽車級電池組，因此輸入銅排12有兩個。
就本實施例而言，控制板3固定在電容1上，電容1上表面設置有多個固定凸起9，控制板3通過固定凸起9和電容1相固定。在本實施例的改進方案中，為了提高控制板的穩定性，在電機控制器中，會在電機控制器的外殼上設置有固定槽，控制板安裝在固定槽上；也可以在選用金屬板作為電磁屏蔽層時，將電磁屏蔽層固定在電容上，將控制板固定在電磁屏蔽層上。
如圖2所示，在電容1和IGBT模塊2的背面，均設有引流銅排14，電容1和IGBT模塊2通過引流銅排14的連接實現電連通，電容和IGBT模塊的引流銅排14上設有相對應的螺孔，並通過固定螺栓13固定。
如圖3所示，引流銅排14有兩種，從電容1上伸出的引流銅排14為L型，其中L型的豎直部分和電容1相連接，從IGBT模塊2上伸出的引流銅排14為一字型，L型的平直部分和一字型相配合。同類型技術置換的，可以將L型和一字型銅排的位置對調，不影響其實際連接結果。
對於部分型號的電流控制結構，控制板也可以設置在遠離電容的位置，此時，需要在IGBT模塊的散熱面處引入金屬散熱器，例如金屬液冷散熱流道結構，則控制板設置在金屬散熱器背對IGBT模塊的一側，並固定在金屬散熱器上，此時，由於金屬散熱器起到了電磁屏蔽的作用，因此，無需再設計電磁屏蔽層。
如圖4所示，本實施例中電流控制結構安裝在電機控制器中，因此，在外殼（電機控制器）17上設置有直流輸入埠15和交流輸出埠16，在外殼內，輸入銅排12和直流輸入埠15相連接，二者之間有對應的螺孔螺栓連接固定結構，輸出銅排8和交流輸出埠16相連接，二者之間也有對應的螺孔螺栓連接固定結構。
為了更好地顯示各部分之間的位置關係，我們還引入了圖5，從圖5中可以看出，IGBT模塊2背對散熱架5的一面有多個柱狀的連接觸頭20，對應的驅動板4上有多個連接孔，連接觸頭20穿過連接孔並採用焊接固定，這樣一方面使驅動板4和IGBT模塊2相固定，另一方面，也將驅動板4上的電路和IGBT模塊2相連通。這裡需要特別說明的是，不同廠商、不同型號的IGBT模塊，連接觸頭的形狀、連接觸頭和驅動板的連接方式可能有所不同。
如圖5所示，對於本實施例中的電機控制器，其底部設有散熱結構（電機控制器）19，採用的是液冷（水冷）的方式，液冷出入口18分別設置在電機控制器的左右兩端。
對於部分型號的電機控制器，散熱結構可以放在電機控制器的中間，例如，在外殼內部設有封閉式液冷結構，封閉式液冷結構將殼內空間分為一大一小兩部分，電容、驅動板和IGBT模塊固定在殼內空間體積較大的部分，封閉式液冷結構面向該部分的一側和IGBT模塊的散熱面相配合，控制板固定在殼內空間體積較小的部分。
如圖6所示，在整車方案中，本實施例中各主要部件的連接關係如下：
電源驅動方向，首先，從車載電源中輸出直流電，通過直流輸入埠進入電容，再通過電容進行濾波處理後進入IGBT模塊，並由IGBT模塊轉化為符合要求的三相交流電，三相交流電經交流輸出埠輸出，到達三相驅動電機，驅動電機工作。在這裡，為了和信號控制連接相區別，我們在圖中用比較粗的黑色線體表示對應的連接線路。
信號控制方向，汽車控制系統通過信號線發出控制信號，經對外信息模塊到達控制板，控制板將相關信息進行反饋，並經對外信息模塊返回汽車控制系統；控制板根據汽車控制系統的要求分別控制驅動板和IGBT模塊，驅動板再控制電容，實現輸出所需電流。在這裡，為了和電源驅動電流相區別，我們在圖中用比較細的黑色線體表示對應的連接線路。
此外，對於汽車級的電機控制器，出於安全設計，我們可以在對外電流輸出埠上設置傳感器，對輸出電流的電壓等電學參數進行監控；我們還可以在外部電流輸入埠上設置互鎖結構，所述的互鎖結構用於監控輸入電流的通斷等電學情況。
對於部分型號的電流控制結構和電機控制器，可以考慮將控制板和驅動板的功能集成在同一塊印製電路板上，此時，新的集中控制板上，控制板和驅動板基於整體的設計，在結構上可能不加區分，或者即使在結構上可能存在驅動部分和控制部分分別唯一新的集中控制板的兩塊，但二者之間依然通過印製電路板上的電路相連接。
以上對本發明創造所提供的技術方案進行了詳細介紹，對於本領域的一般技術人員，依據本實施例的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明創造的限制，凡依本發明創造設計思想所做的任何改變都在本發明創造的保護範圍之內。