CN105794326B - 印刷电路板动力电池 - Google Patents

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Abstract

一种印刷电路板动力电池(100)具有印刷电路板(110)，所述印刷电路板(110)包括布置在所述印刷电路板内的DC总线。该印刷电路板动力电池包括连接到该DC总线的多个电容器(106)、布置于该印刷电路板上的三相AC输入(102)以及布置于该印刷电路板上的单相AC输出(104)。该印刷电路板动力电池还包括连接到该DC总线、该三相AC输入以及该单相AC输出的电力模块，其中该电力模块经由该三相AC输入接收三相AC输入电力，并作为响应经由该单相AC输出而输出单相AC电力。

Description

印刷电路板动力电池
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年6月26日在美国专利商标局提交的61/839,430号临时申请的权益，通过引用的方式将其内容在其整体上合并到本文中。
背景技术
1.技术领域
本发明的方面涉及用于多电池电源的***以及方法，并且更具体地，涉及在印刷电路板上构建和封装单相位输出动力电池的***和方法，该印刷电路板可以用于模块化的中级电压电机驱动中。
2.相关技术描述
当前，可用的多电池电源包括利用由铝或铜制成的汇流条构建DC总线并将DC总线连接到动力电池中的半导体电力模块的动力电池。当前，用于变速电机驱动中的可用的动力电池包括仅包含用于控制动力电池的电路的印刷电路板(PCB)。
除PCB以外，动力电池包括必须按照费时的过程组装的多个分离部分。这些分离部分在当前可用动力电池内的物理放置导致了相对大的DC总线电感；这导致半导体器件上的增加的应力，并因此导致设备额度功率的较低利用率。因此，需要对当前设计的改进，并期望降低DC总线电感等级，并降低完整的动力电池组装的人力和成本。
发明内容
根据一个实施例，具有印刷电路板的印刷电路板动力电池包括布置在印刷电路板内的DC总线。印刷电路板动力电池包括连接到DC总线的多个电容器、布置于印刷电路板上的三相AC输入以及布置于印刷电路板上的单相AC输出。印刷电路板动力电池还包括连接到DC总线、三相AC输入以及单相AC输出的电力模块，其中电力模块经由三相AC输入接收三相AC输入电力，并作为响应经由单相AC输出而输出单相AC电力。
根据一个实施例，印刷电路板动力电池包括印刷电路板，所述印刷电路板包括布置在印刷电路板内的DC总线。印刷电路板动力电池还包括连接到DC 总线的多个电容器、多个高瓦数电阻器、和布置在印刷电路板上的三相AC输入，其中多个高瓦数电阻器的每一个连接到多个电容器的一个。印刷电路板动力电池进一步包括布置在印刷电路板上的单相AC输出，连接到DC总线、三相AC输入和单相AC输出的电力模块，以及被配置为对电力模块生成的热进行散发的散热片，其中，电力模块经由三相AC输入接收三相AC输入电力，并作为响应经由单相AC输出而输出单相AC电力。
通过本发明的技术实现了附加的特征和优点。本文详细描述了本发明的其他实施例和方面，并且认为所述其他实施例和方面是要求保护的本发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特征，参照说明书和附图。
附图说明
特别指出了认为是本发明的主题，并在说明书结尾处的权利要求书中清楚地要求保护该主题。根据结合附图进行的以下详细描述，本发明的前面的和其他特征和优点是清楚的，其中：
图1A是之前已知的多电池电源的框图；
图1B是另一个之前已知的多电池电源的框图；
图2是根据本发明的示例性实施例的印刷电路板动力电池的顶部透视图；
图3是根据本发明的示例性实施例的图2的印刷电路板动力电池的第一侧视图；
图4是根据本发明的示例性实施例的图2-3的印刷电路板动力电池的第二侧视图；
图5是根据本发明的示例性实施例的动力电池的电路图；
图6是根据本发明的示例性实施例的动力电池的电路图；
图7和图8是根据本发明的示例性实施例的动力电池的一部分的电路图。
具体实施方式
简要描述的，本发明的方面涉及可以用于多电池电源(例如，中级电压电机驱动)中的印刷电路板动力电池。本发明的方面还涉及在印刷电路板上构建和封装三相输入、单相输出的动力电池的***和方法。
如本文所使用的，“中级电压”是大于约690V并小于大约69kV的电压，“低电压”是小于约690V的电压。本领域普通技术人员将理解，可以将其他电压等级指定为“中级电压”和“低电压”。例如，在一些实施例中，“中级电压”可以是介于约1kV与约69kV之间的电压，并且“低电压”可以是小于约1kV的电压。
例如，图1A-1B图示了之前已知的多电池电源10，其从AC源接收三相电力并将该电力递送至负载12(例如，三相AC电机)。如图1A所示，多电池电源10包括变压器14、功率电路16以及控制器18。变压器14包括激励9个次级绕组的初级绕组，并且功率电路16包括分别耦合到变压器14的次级绕组的动力电池26。动力电池26额定为较低电压，并被配置为向负载12提供中级电压输出。具体地，功率电路16的每个输出相位由一组串联连接的动力电池26馈送。动力电池26的输出在第一相位组、第二相位组和第三相位组中串联地耦合。每个相位输出电压是相位组中的动力电池26的输出电压之和。在此方面，功率电路16使用包括额定于较低电压标准的组件的额定电压较低的动力电池 26，将中级电压输出递送至负载12。每个动力电池26耦合(例如，经由光纤通信链路)到控制器18，控制器18可以使用电流反馈和电压反馈控制动力电池的操作。
如图1B所示，多电池电源10包括三相AC电源20、功率电路16和控制器18。三相AC电源20包括两个二极管桥22，每一个二极管桥在AC电压侧连接到功率转换器变压器24的次级绕组，并在DC电压侧串联地电连接。提供了正和负DC电压总线，以用于这些相位组的并联连接。功率电路16包括耦合到动力电池20产生的DC电压总线的动力电池28。动力电池28额定为较低的电压，并被配置为向负载12提供中级电压输出。虽然将负载12图示为处于多电池电源10内，但是负载12并不是多电池电源10的一部分。相反，如图1A 中更清楚示出的，负载12与多电池电源10分离并连接到多电池电源10。具体地，功率电路16的每个输出相位由一组串联连接的动力电池馈送。动力电池28 在第一相位组、第二相位组和第三相位组中串联地耦合。每个相位输出电压是相位组中的动力电池的输出电压之和。在此方面，功率电路16使用包含额定于较低电压标准的组件的额定电压较低的动力电池，将中级电压输出递送至负载 12。每个动力电池耦合(例如经由光纤通信链路)到控制器18，控制器18使用电流反馈和电压反馈控制动力电池的操作。
应当指出的是，在图1A和1B中，每个相位组中的动力电池26、28的数目可以为2与12之间，以提供负载12所需的不同中级电压输出。在图1A的一个实施例中，变压器14的次级绕组的数量与动力电池26的数量相匹配。在图 1B的不同实施例中，二极管桥和变压器次级绕组的数量可以在1到6之间变化，以允许在变压器初级侧进行谐波消除。本领域普通技术人员将意识到，可以根据应用使用其他电池计数和二极管桥计数，并且本文示出和描述的配置意图本质上是示例性的。
现在参考图2-4，图示了根据示例性的实施例的印刷电路板动力电池100的各种视图。在示例性的实施例中，印刷电路板动力电池100包括印刷电路板 (PCB)110，其可以是多层PCB或单层PCB。如图2所最佳示出的，印刷电路板动力电池100还包括三相AC输入102以及单相AC输出104，每一个布置于 PCB 110的第一表面上。在示例性的实施例中，印刷电路板100还包括散热片 108，其布置于PCB 110的与第一表面相对的第二表面上。
在示例性的实施例中，如图4所最佳示出的，通过电力模块114将三相AC 输入102连接到PCB 110以及散热片108。同样地，通过电力模块114将单相 AC输出104连接到PCB110以及散热片108。在各种实施例中，如所示出的，可以将电力模块114、116组合到单个电力模块中，或者电力模块114、116可以实施为个体设备，或者作为串联和/或并联的较小模块的组合。在示例性的实施例中，散热片108被配置为散发电力模块114、116生成的热。散热片108可以是液体冷却的散热片或者是空气冷却的散热片，并可以由任何适当的材料构造。
在示例性的实施例中，印刷电路板动力电池100还包括多个电容器106，每个电容器106被连接到PCB 110。电容器106可以包括但不限于电解质电容器和薄膜电容器。在多种实施例中，多个电容器106的数量、类型以及放置可以根据电容器技术以及印刷电路板动力电池100的期望性能特性而变化。在示例性的实施例中，印刷电路板动力电池100还包括连接到多个电容器106的一个或多个的多个高瓦数电阻器112。在示例性的实施例中，多个电容器106可以被布置于PCB 110的第二表面上，并且多个高瓦数电阻器112可以被布置于PCB110的第一表面上。在其他实施例中，电阻器112可以与电容器106位于PCB 110 的同侧，或者电阻器112可不位于板上。示出的电阻器112的数量和配置在本质上是纯示例性的，并且可以使用任何数量或配置的电阻器112。PCB 110包括将多个电容器106的每一个连接至电力模块114、116的DC总线。在示例性的实施例中，DC总线可以包括布置于PCB 110内和/或PCB 110上的适当的半导体迹线。此外，DC总线可以包括分离附着的半导体，其被附接于PCB以允许高电流流动。
在一个实施例中，印刷电路板动力电池100还可以包括电源120和控制部 122。印刷电路板动力电池100的电源120可以连接到PCB 110中的DC总线。电源120被配置为对从DC总线接收的DC电力进行变换并向控制部122提供低电压的DC电源。
在示例性的实施例中，控制部122可以位于单独的PCB上，并且可以连接到PCB110。在一个实施例中，可以经由PCB 110上的底座进行该连接，由此控制部122安装到PCB110。在示例性的实施例中，控制部122可以与中级电压电机驱动的主控制器通过接口连接。该接口可以是经由光纤电缆，并且其可以接收针对印刷电路板动力电池100的控制命令。在示例性的实施例中，控制部122被配置为通过该接口通信，并可以将有关印刷电路板动力电池100的状况的数据传输至中级电压电机驱动。此外，控制部122可以从中级电压电机驱动接收有关印刷电路板动力电池100的操作的指令。控制部122还可以产生诊断数据，并将该数据传送至中级电压电机驱动的主控制器。
在示例性的实施例中，通过布置在PCB 110中的DC总线，将电力模块114、 116连接至多个电容器106。在示例性的实施例中，电力模块114被设计为从三相AC输入102接收三相AC输入电力，将其转换为所期望的DC电力并经由 PCB 110中的DC总线将该DC电力提供至一个或多个电容器106。在示例性实施例中，电力模块116被设计为经由PCB 110中的DC总线从一个或多个电容器106接收DC电力，并在将其提供至单相AC输出104之前，将DC电力调节到所期望的等级。
在示例性的实施例中，电力模块114包括转换器端模块，例如且非限制性地，该转换器端模块可以是分别用于2象限驱动或4象限驱动的二极管、半导体晶闸管或晶体管。电力模块116包括具有晶体管和可以连接到PCB的晶体管控制引脚的逆变器端模块。在示例性的实施例中，到PCB的连接可以包括但不限制于压合连接、螺旋式接线端连接和/或焊接连接。在一些示例性的实施例中，基于在图1B中所示出且在本文所描述的逆变器端模块的选择，转换器模块可能不是必需的。
图5和6图示了图1A中示出的多电池电源的动力电池26内的电力模块 114、116的示例性电路图。图7和8图示了图1B中示出的多电池电源的动力电池28内的电力模块116的示例性电路图。可以利用仅为了说明目的在本文描述和呈现的印刷电路板来构建这些电路图。本领域普通技术人员将意识到，可以使用各种各样的替代电路和组件来实现期望的技术效果。在电力模块116包括图7和8中所示的电路的情况下，不包括整流器模块114，并因此，没有三相 AC输入被直接接收到电池内。
现在参考图5，示出了根据示例性的实施例的动力电池200的电路图。如图示的，动力电池200包括连接到三相AC输入202的二极管桥214，以及连接到单相AC输出204的H-桥逆变器216。二极管桥214接收三相AC电力并将其转换为DC电力。在示例性的实施例中，动力电池200还包括连接到二极管桥 214和H-桥逆变器216二者的电容器206。在示例性的实施例中，虽然示出电容器206为单个电容器206，但是本领域普通技术人员将意识到，电容器206可以包括串联/并联组合的多个电容器。在示例性的实施例中，二极管桥214包括多个二极管230，并且H-桥逆变器216包括多个二极管232和晶体管234。在示例性的实施例中，所示的二极管桥214的二极管配置还可以使用半导体晶闸管实现。在示例性的实施例中，晶体管234可以是FET、BJT、IGBT等。
现在参考图6，示出了根据示例性的实施例的动力电池300的电路图。如图示的，动力电池300包括连接到三相AC输入302的有源前端转换器314以及连接到单相AC输出304的H-桥逆变器316。有源前端转换器314接收三相AC 电力，并将其转换为DC电力。在示例性的实施例中，动力电池300还包括连接到第一部分314和第二部分316二者的电容器306。在示例性的实施例中，虽然将电容器306示出为单个电容器306，但是本领域普通技术人员将意识到，电容器306可以包括串联/并联组合的多个电容器。在示例性的实施例中，有源前端转换器314和H-桥逆变器316包括多个二极管332和晶体管334。在示例性的实施例中，晶体管234可以是FET、BJT、IGBT等。
现在参考图7和8，分别示出了根据示例性的实施例的单半桥转换器450和双半桥转换器400的电路图。在示例性的实施例中，半桥转换器400、450还包括一个或多个电容器406。在示例性的实施例中，每个电容406可以包括串联/并联组合的多个电容器。在示例性的实施例中，双半桥转换器和单半桥转换器包括多个二极管432和晶体管434。在示例性的实施例中，晶体管434可以是FET、BJT、IGBT等。在示例性的实施例中，半桥转换器400、450可以用作图2-4中示出的电力模块116。在期望4象限操作的其他实施例中，图1B的多电池电源将使用类似于功率电路16的转换器级，以替代二极管桥22和电力变压器24。
在示例性的实施例中，归因于要组装的部分数量上的降低，相比于传统动力电池，制造印刷电路板动力电池100的成本和复杂度降低。此外，相比于传统的动力电池，组件数量的降低导致用来测试印刷电路板动力电池100的过程简化。动力电池所有组件的价格在市场是相当恒定的，并且动力电池生产中主要的变化成本是构造和测试动力电池所需的人力。在示例性的实施例中，通过使用PCB而不是传统的汇流条来连接动力电池的电力模块和电容器，可以降低与制造动力电池相关联的人力成本。
除了降低的人力成本外，PCB动力电池构造工艺相比于传统动力电池还更不易于出错。在低功率时，多数电路寄生效应可以在PCB设计期间最小化，使得从一个PCB动力电池到另一个PCB动力电池的性能非常恒定。在现有的动力电池制造中，在组装电路互连时，人为因素始终是一个考量。例如，无意的电路的错误组装可能改变互连总线工作的特性。在一些情形下，改变总线工作的特性可能过度施压于IGBT以及增加IGBT生成的损耗。在示例性的实施例中，归因于相比于传统动力电池在DC总线泄漏电感方面的降低，相比于传统动力电池，印刷电路板动力电池100的可靠性增加。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不意图是本发明的限制。如本文使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一(a、an)”和“该”也意图包括复数形式。还将理解的是，在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定表述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或它们的组的存在或附加。
在下文的权利要求中的所有手段或步骤加功能元件的对应结构、材料、活动和等价物意图包括用于执行所特别要求保护的与其他要求保护的元件相组合的功能的任何结构、材料或活动。本发明的描述已经出于说明和描述的目的而呈现，但并不意图是穷尽性的或限于所公开形式的本发明。对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型将是清楚的。选择和描述实施例，是为了最好地解释本发明的原理和实践应用，以及使得本领域其他普通技术人员能够理解具有各种修改的各种实施例的本发明，如适于预期的特定使用。
后文描述为构成各种实施例的组件和材料意图是说明性的而非限制性的。将执行与本文描述的材料相同或类似功能的许多适当的组件和材料意图涵盖在本发明的实施例的范围内。虽然已经以示例性形式公开了本发明的实施例，但是本领域技术人员将清楚的是，在不脱离本发明以及其等价物的精神和范围(如所附权利要求中所阐述)的情况下，可以在其中做出许多修改、添加和删除。

Claims (17)

1.一种印刷电路板动力电池，包括：
印刷电路板，包括布置于所述印刷电路板内的DC总线；
多个电容器，连接到所述DC总线；
三相AC输入，布置于所述印刷电路板上；
单相AC输出，布置于所述印刷电路板上；
散热片，布置在所述印刷电路板上；
控制部，布置于所述印刷电路板上；以及
电力模块，连接到所述DC总线，其中所述三相AC输入和所述单相AC输出通过所述电力模块连接到所述印刷电路板以及所述散热片，其中所述电力模块经由所述三相AC输入接收三相AC输入电力，并作为响应经由所述单相AC输出而输出单相AC电力，并且其中所述散热片被配置为散发所述电力模块生成的热，并且
其中所述控制部经由光纤电缆与主控制器通过接口连接，并且其中所述控制部从所述主控制器接收有关所述印刷电路板动力电池的操作的指令，并且其中所述控制部产生诊断数据并将该诊断数据传送至所述主控制器。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板动力电池，其中所述电力模块包括连接到所述单相AC输出的H-桥逆变器。
3.根据权利要求1所述的印刷电路板动力电池，其中所述电力模块包括连接到所述三相AC输入的二极管桥和有源前端转换器中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的印刷电路板动力电池，其中所述控制部将有关所述印刷电路板动力电池的状况的数据传输至所述主控制器。
5.根据权利要求1所述的印刷电路板动力电池，进一步包括多个高瓦数电阻器，其中所述多个高瓦数电阻器的每一个连接到所述多个电容器的一个。
6.一种印刷电路板动力电池，包括：
印刷电路板，包括布置于所述印刷电路板内的DC总线；
多个电容器，连接到所述DC总线；
单相AC输出，布置于所述印刷电路板上，所述单相AC输出串联连接到相位组中的其他动力电池的输出，所述印刷电路板动力电池和所述其他动力电池在所述相位组中串联地耦合；以及
电力模块，连接到所述DC总线和所述单相AC输出，其中所述电力模块经由所述单相AC输出接收输入电力，并经由另一单相AC输出而输出单相AC电力。
7.根据权利要求6所述的印刷电路板动力电池，进一步包括被配置为散发所述电力模块生成的热的散热片。
8.根据权利要求6所述的印刷电路板动力电池，其中所述电力模块包括连接至所述单相AC输出的单半桥转换器或者双半桥转换器中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的印刷电路板动力电池，其中所述电力模块被配置为控制所述单相AC输出上的输出电力的极性和电压等级。
10.根据权利要求6所述的印刷电路板动力电池，其中所述电力模块包括连接至三相AC输入的二极管桥和有源前端转换器的至少一个。
11.根据权利要求6所述的印刷电路板动力电池，进一步包括布置于所述印刷电路板上的控制部，其中所述控制部从主控制器接收有关所述印刷电路板动力电池的操作的指令。
12.根据权利要求11所述的印刷电路板动力电池，其中所述控制部将有关所述印刷电路板动力电池的状况的数据传输至所述主控制器。
13.一种用于从源接收电力并在输出端子处将所述电力递送至负载的多电池电源，所述多电池电源包括：
多个印刷电路板动力电池，耦合到所述源并提供第一输出电压，所述多个印刷电路板动力电池中的每一个包括：
印刷电路板，包括布置于所述印刷电路板内的DC总线；
多个电容器，连接到所述DC总线；
AC输入，布置于所述印刷电路板上，所述AC输入耦合到所述源；
单相AC输出，布置于所述印刷电路板上，所述单相AC输出串联连接到相位组中的其他动力电池的输出，所述多个印刷电路板动力电池和所述其他动力电池在所述相位组中串联地耦合；以及
电力模块，连接到所述DC总线、所述AC输入和所述单相AC输出，其中所述电力模块从可选AC输入和所述单相AC输出中的一个接收输入电力，并经由另一单相AC输出而输出所述第一输出电压。
14.根据权利要求13所述的多电池电源，其中所述电力模块包括连接到所述单相AC输出的H-桥逆变器、单半桥转换器以及双半桥转换器中的至少一个。
15.根据权利要求13所述的多电池电源，其中所述电力模块包括连接到三相AC输入的二极管桥和有源前端转换器中的至少一个。
16.根据权利要求13所述的多电池电源，其中所述多个印刷电路板动力电池的每一个包括多个高瓦数电阻器，其中所述多个高瓦数电阻器中的每一个连接到所述多个电容器的一个。
17.根据权利要求13所述的多电池电源，进一步包括控制器，其中所述多个印刷电路板动力电池的每一个包括耦合到主控制器的接口。
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