相关申请的交叉引用
本申请要求在2015年9月11日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请第62/217,248号的权益,其内容通过引用整体并入本文。
本发明的各方面主要涉及带隔离的印刷电路板(pcb)动力电池和中压多电池电源。在整个说明书中,术语“驱动器”、“驱动系统”和“电源”可以互换使用。
背景技术:
被配置为控制第一交流(ac)系统和第二ac系统之间的能量流动的电源被用于各种商业和工业应用中。各种电源将能量从第一频率及电压转换成第二频率及电压。例如,电源通常用于ac电机控制和操作系统中。实现这样的电源的一种方式是本文也称为驱动系统的驱动器,例如模块化的中压驱动器,其包含一个或多个动力电池,每个动力电池包含具有中间直流(dc)链路的多个固态转换器。在hammond的美国第5,625,545号专利中论述了结合这种动力电池的一个示例性系统,该专利的公开内容通过引用整体并入本文。
模块化的中压驱动器通常通过在每一相上增加几个串联连接的低电压动力电池来构建,以便实现驱动耦合到模块化中压驱动器的电机所需的期望输出中压。根据例如电动机的类型,驱动输出电压可以在1kv到11kv之间的任何范围内。即使各个动力电池可以包括较低的电压,驱动器的输出中压也可以明显较高。由于各种导电部件与动力电池和驱动系统的部件之间所需的最小间距,输出电压显著高于各个动力电池的电压的情况给中压驱动器的构造造成了很大的问题。通常,驱动系统壳体为金属的,并且每个动力电池壳体的至少部分也是金属的。因此,当动力电池安装在驱动系统机柜中时,需要额外的工作来保持各个动力电池之间以及动力电池与系统机柜之间的适当隔离。这种适当隔离通常要求需要添加到驱动系统的绝缘非导电材料,这价格昂贵,并且进一步增加了驱动器的劳动力成本。因此,本领域需要改进的动力电池和包括动力电池的改进的驱动系统。
技术实现要素:
简而言之,本发明的各方面涉及带隔离的印刷电路板(pcb)动力电池和模块化中压多电池电源。
本发明的第一方面提供了一种用于布置在多电池电源中的pcb动力电池,该动力电池包括:外壳组件,该外壳组件包括多分段外壳;以及定位在外壳组件内的pcb组件;其中,外壳组件和pcb组件被配置为提供支持多电池电源的输出电压的、动力电池的一体化电压隔离。
本发明的第二方面提供了一种多电池电源,用于从源头接收电力并在输出端将电力输送到负载,电源包括多个pcb动力电池,每个动力电池包括外壳组件,外壳组件包括多分段外壳;以及定位在外壳组件内的pcb组件;其中,外壳组件和pcb组件被配置为提供支持多电池电源的输出电压的、动力电池的一体化电压隔离。
附图说明
图1示出已知的模块化多电池电源的框图。
图2示出另一种已知的模块化多电池电源的框图。
图3示出根据本发明的示例性实施例的带隔离的印刷电路板动力电池的透视图。
图4示出根据本发明的示例性实施例的带隔离的印刷电路板动力电池的分解透视图。
图5示出根据本发明的示例性实施例的中压多电池电源的透视图。
图6和图7示出根据本发明的示例性实施例的印刷电路板动力电池的示例性电路图。
图8和图9示出根据本发明的示例性实施例的印刷电路板动力电池的另外的示例性电路图。
具体实施方式
为了便于理解本发明的实施例、原理和特征,在下文中参考在说明性实施例中的实施方式来解释它们。具体地,它们在适用于电动机器的印刷电路板(pcb)动力电池和中压多电池电源的情况下进行描述,特别是用于交流(ac)电动机的情况下。然而,本发明的实施例不限于在所描述的装置或方法中使用。
如本文所使用的,“中电压”为大于约690v且小于约69kv的电压,并且“低电压”为小于约690v的电压。本领域普通技术人员应理解,其他电压电平可以被规定为“中电压”和“低电压”。例如,在一些实施例中,“中电压”可以为在约3kv和约69kv之间的电压,并且“低电压”可以为低于约3kv的电压。
下文中描述的组成各种实施例的部件和材料旨在为说明性的而不是限制性的。将执行与本文描述的材料相同或相似的功能的许多合适的部件和材料旨在被包含在本发明的实施例的范围内。
图1和图2均示出已知的模块化多电池电源10的框图,该模块化多电池电源10从ac源接收三相电力并将电力输送到负载12,例如三相ac电机。
如图1所示,多电池电源10包含变压器14、电源电路16和控制器18。变压器14包含激励九个次级绕组的初级绕组,并且电源电路16包含分别可操作地耦合到变压器14的次级绕组的多个pcb动力电池26,本文也简称为动力电池26。由于电源10包括九个次级绕组,并且动力电池26可操作地耦合到每个次级绕组,所以电源10包括九个动力电池26。当然,取决于电源10的类型和/或耦合到电源10的负载12的类型,电源10可以包括多于或少于九个的动力电池26和/或多于或少于九个的次级绕组。
动力电池26可以额定用于较低的电压并被配置为向负载12提供中电压输出。具体地,电源电路16的每个输出相位a、b、c由一组串联连接的动力电池26供电。动力电池26的输出在第一相组30、第二相组32和第三相组34中串联耦合。每个相位输出电压为相应相组30、32和34中的动力电池26的输出电压之和。例如,第一相组30包括标记为a1、a2和a3的动力电池26,其中,输出相a的相输出电压为动力电池a1、a2和a3的输出电压之和。输出相b和动力电池b1、b2、b3以及输出相c和动力电池c1、c2、c3也是如此。在这方面,电源电路16使用包括额定为较低电压标准的部件的额定较低电压动力电池26,将中电压输出输送至负载12。每个动力电池26例如经由光纤通信链路耦合到控制器18,该控制器可以使用电流反馈和电压反馈来控制动力电池26的操作。
如图2所示,多电池电源10包含三相ac电源20、电源电路16和控制器18。三相ac电源20包含两个二极管电桥,其分别在ac电压侧连接到电源转换器变压器24的次级绕组,并且在dc电压侧串联电连接。提供正、负dc电压总线以用于这些相组的并联连接。电源电路16包含耦合到由电源20创建的dc电压总线的动力电池28。动力电池28例如为额定较低电压并且被配置为向负载12提供中电压输出。尽管负载12可以被示出为在多电池电源10内,但是负载12不是多电池电源10的一部分。相反,负载12与多电池电源10分离并且连接到多电池电源,如在图1中更清楚地示出。
电源电路16的每个输出相位a、b、c由一组串联连接的动力电池28(也参考输出相位a、b、c标记为a1-a4、b1-b4和c1-c4)馈送。动力电池28在第一相组30、第二相组32和第三相组34中串联耦合。每个相输出电压为先前参考图1所述的相组30、32和34中的动力电池28的输出电压之和。电源电路16使用包括额定为较低电压标准的部件的额定较低电压的动力电池28将中电压输出输送至负载12。每个动力电池28例如经由光纤通信链路耦合到控制器18,控制器18可以使用电流反馈和电压反馈来控制动力电池28的操作。
需注意,在图1和图2中,在每个相组30、32、34中的动力电池26、28的数量可以在2和12之间,以提供负载12所需要的不同中电压输出。如前所述,在图1的实施例中,变压器14的次级绕组的数量与动力电池26的数量匹配。在图2的实施例中,二极管电桥和变压器次级绕组的数量可以从1到6变化,以允许在变压器24的初级侧消除谐波。本领域普通技术人员应理解,取决于应用,可以使用其他电池计数和二极管桥计数,并且本文所示和描述的配置旨在在本质上为示例性的。
图3示出根据本发明的示例性实施例的印刷电路板(pcb)动力电池100的透视图。
如前所述,例如图1所示的已知电源10的电源或驱动系统的已知壳体为金属的并且每个动力电池壳体的至少部分也是金属的。因此,当动力电池安装在驱动系统机柜中时,需要额外的工作来保持各个动力电池之间以及动力电池与系统机柜之间的适当隔离。这种适当的隔离通常要求需要添加到驱动系统的绝缘非导电材料,其价格昂贵,并且进一步增加了驱动器的劳动力成本。
如图3所示,动力电池100包括外壳组件102,其形成动力电池100的外壳并容纳动力电池100的电气和电子部件。外壳组件102为模块化的并且可以包括多部件或分段,本文也称为多分段外壳。当组装动力电池100时,电气/电子部件被放置在外壳组件102内部(也参见图4)。
根据示例性实施例,外壳组件102包括多分段外壳,特别是上外壳分段104和下外壳分段106。上外壳分段104也可以被称为外壳盖。上外壳分段104和下外壳分段106为互补的部件,其在组装时形成外壳组件102。应当注意,取决于例如动力电池100的制造或组装过程,外壳组件102可以包括不止两个分段。
上外壳分段104和下外壳分段106可以包括用于将上分段104和下分段106彼此耦合的元件,以便在两个分段104、106之间提供可靠的连接。例如,下外壳分段106可以包括用于容纳上外壳分段104的一个或多个突起部108的一个或多个开口110。根据图3,突起部108和开口110可以位于外壳组件102的相对侧上。本领域的普通技术人员可以想到用于将上外壳分段104和下外壳分段106彼此固定的许多其他实施例,例如螺栓、螺钉等。
根据示例性实施例,pcb动力电池100包括内置电压隔离,本文也称为一体化电压隔离。这种内置的电压隔离通过将动力电池100配置成包括非导电材料来实现。动力电池100还可以包括动力电池100内的电气和电子部件的特定布置和/或间距。例如,外壳组件102包括非导电材料,并且可以为包括非导电材料的多件(分段)模具。非导电材料可以包括固体塑料材料并且可以例如为玻璃纤维增强塑料材料。在示例性实施例中,上外壳分段104和下外壳分段106各自包括为每个动力电池100提供电压隔离的非导电材料。例如,上外壳分段104和下外壳分段106均由非导电材料制成。上外壳分段104和下外壳分段106可以为单件式部件,例如包括玻璃纤维增强塑料材料的单件式模制部件。
如前所述,pcb动力电池100用于布置在多电池电源中(参见图5)。动力电池100的一体化电压隔离支持多电池电源的输出电压。当多电池电源包括多个动力电池100时,每个动力电池100包括一体化电压隔离,其分别支持多电池电源的输出电压。例如,多电池电源的输出电压可以为至少11kv,其中,然后每个动力电池100的隔离电压为至少11kv,而每个动力电池100的额定电压可以为较低的电压,例如小于3kv。由于每个动力电池100是单独隔离的,因此包括多个动力电池100的电源的构造能够更紧凑,因为动力电池100可以被放置得更靠近在一起并且也可以连接到金属背板上。稍后将参考图5描述这种更紧凑的电源。
根据另一方面,每个动力电池100包括旁路机构142和多个输入熔断器132。输入熔断器132可操作地连接到三相ac输入端130(参见图4),并且旁路机构142可操作地连接到单相ac输出端140(参见图4)。输入熔断器132提供负载电路或源电路的过电流(过大电流)保护。旁路机构142允许旁路故障的动力电池并继续以减小的容量操作多动力电池电源。例如,可以通过比较电池输出电压与命令输出、通过检查或验证电池部件、通过使用诊断例程等来检测动力电池故障。否则,在没有旁路机构的情况下,当多电池电源的给定动力电池在开路模式下失效时,通过该相组中的所有动力电池的电流将变为零,并且进一步操作是不可能的。
旁路机构142和输入熔断器132位于外壳组件102的外部,但是如前所述,可操作地耦合到位于动力电池100的外壳组件102内部的三相ac输入端130和单相ac输出端140(参见图4)。具体地,旁路机构142和输入熔断器132位于动力电池100的正面112处。当动力电池100布置在多电池电源中时,动力电池100的正面112面向操作者或使用者(参见图5)。因此,例如,操作者或使用者容易地使用旁路机构142和输入熔断器132。通常,旁路机构和输入熔断器连接在电源的其他地方,这意味着电力系统会有附加的连接并且劳动力成本会增加。将旁路机构142和输入熔断器132安装在动力电池100的正面112处简化了电源的总体布线并且对系统连接提供了增加的使用方便性。
图4示出根据本发明的示例性实施例的印刷电路板动力电池100的分解透视图。如之前参考图3所述,动力电池100包括上外壳分段104和下外壳分段106,其包括非导电材料。
动力电池100容纳动力电池100的不同电气和/或电子部件。例如,pcb组件120被定位在外壳组件102内部。动力电池100的pcb组件120可以包括一个或多个印刷电路板(pcb)。在示例性实施例中,动力电池100包括第一pcb122和第二pcb124。pcb122、124可以为多层pcb或单层pcb。不同的无源和有源部件可以被安装例如焊接在pcb122、124上。
动力电池100包括多个电容器126,每个电容器连接(例如焊接)到第一pcb122。电容器126可以包含但不限于电解电容器和薄膜电容器。在各种实施例中,多个电容器126的数量、类型和布置可以根据电容器技术和动力电池100的期望性能特性而变化。电容器126被安装在第一pcb122的第一表面122a上。动力电池100还包括至少一个散热器128,散热器也设置在第一pcb122的第一表面122a上。需注意,取决于例如期望的pcb配置和/或所使用的电容器技术,电容器126和/或至少一个散热器128可以安装在第一pcb122的任一表面122a、122b上。
如前所述,动力电池100包括三相ac输入端130和单相ac输出端140。三相ac输入端130和单相ac输出端140分别设置在与第一pcb122的第二表面122b相对的、第一pcb122的第一表面122a上。
根据示例性实施例,三相ac输入端130和单相ac输出端140位于动力电池100的正面112处(也参见图3)。如图4中最佳所示,三相ac输入端130和单相ac输出端140通过单独的叠层总线116、118在第一侧面122a处耦合到pcb122。第一叠层总线116包括一个或多个单独的输入总线并将三相ac输入端130耦合到pcb122。第二叠层总线118包括一个或多个单独的输出总线并将单相ac输出端140耦合到pcb122。每个叠层总线116、118被配置为至少部分地消除由各个输入或输出总线产生的磁场,由此消除pcb122上潜在的噪声影响。需注意,取决于例如动力电池100的期望的pcb配置,叠层总线116、118可以安装在第一pcb122的任一表面122a、122b上。
下外壳分段106被配置成使得在组装动力电池100时,动力电池100的部件(例如包含其各自的无源和/或有源器件的pcb122、124)可以被放置在下外壳分段106中。在动力电池100的所有部件被放置到下外壳分段106中之后,上外壳分段104(也被称为外壳盖)被放置在顶部上并经由插入开口110中的突起部108而耦合到下外壳分段104。
需注意,包括pcb122、124的动力电池100可以包括本文没有详细描述的许多其他部件或器件,例如具有中间直流(dc)链路的多个固态转换器。
图5示出根据本发明的示例性实施例的中压多电池电源500的透视图。
电源500被实施为驱动器,例如模块化中压驱动器,其包含如图3和图4中描述的一个或多个动力电池100。多电池电源500包含变压器510和包括多个动力电池100的电源电路520。变压器510包含激励多个三相次级绕组512的三相初级绕组,其中,动力电池100分别可操作地耦合到次级绕组512。一个动力电池100可操作地耦合到一个次级绕组512。在图5的示例性实施例中,电源500包括九个动力电池100和九个次级绕组512。当然,取决于电源500的类型和/或负载的类型,电源500可以包括多于或少于九个的动力电池100和/或多于或少于九个的次级绕组512,该负载为例如耦合到电源500的电动机器。
根据示例性实施例,电源500的电压隔离被并入到单独的动力电池100中,而不是电源500的设计的一部分。因此,如参考图3和4所描述,每个动力电池100包括内置的电压隔离,其中,每个动力电池100的隔离电压可以为至少11kv。这通过非导电材料并且必要时每个动力电池100内的部件的间距来实现。具体地,每个动力电池100的外壳组件102包括非导电材料并且可以为包括非导电材料的多件式模具。具有合适的非导电材料和间距的动力电池100的这种配置提供了每个动力电池100具有支持电源500的整个电压,特别是输出电压的电压隔离能力。
具有链接在一起以产生中电压电力输出的一系列低压动力电池100的电源500可以针对大范围的电压和输出功率进行大小调整。例如,当每个动力电池100包括至少11kv的内置电压隔离时,整个电源电压可以高达11kv。但是电源电压也可以低于11kv,例如为4kv。通常,动力电池100被放置在电池柜中。由于每个动力电池100包括单独的电压隔离,所以电源500的设计被简化,因为不需要针对电源500的不同输出电压来例如调整电池柜。
由于每个单独的动力电池100包括至少11kv的内置电压隔离,所以每个动力电池100可以连接到包括11kv的输出/输入电压的电源500的金属背板上和/或由其支持。当布置电源500的动力电池100时,背板提供支持和结构。动力电池100由动力电池100的背面113处的金属背板支持,背面113与动力电池100的正面112相对(参见图3)。
此外,动力电池100包括容易从正面使用三相ac输入端130和单相ac输出端140。每个动力电池100的旁路机构142和输入熔断器132被安装在外壳组件102的外部,由此提供包括电源电路、控制电路、保护部件和冗余特征的紧凑的一体化电力电子电池块。需注意,电源500可以包括许多其他本文没有详细描述的部件,例如安装特征或冷却组件。
图6和图7示出动力电池的示例性电路图,例如如图1所示的多电池电源10的动力电池26。
图8和图9示出动力电池的另外的示例性电路图,例如如图2所示的多电池电源10的动力电池28。
图6至9的电路图可以用本文描述和呈现的印刷电路板构建。本领域的普通技术人员应理解,可以使用各种各样的替代电路和部件来实现期望的技术效果。在如图8和9所示的电路的情况下,不包括整流器模块,因此没有三相ac输入被动力电池100直接接收。
在示例性实施例中,如本文所述的带隔离的pcb动力电池100可以包含如图6至9的一个或多个图中所示的电路。例如,参考图3,第一pcb122和/或第二pcb124可以包括如图6至9所示的电路。
参考图6,示出根据示例性实施例的动力电池200的电路图。动力电池200包含连接到三相ac输入端202的二极管桥214和连接到单相ac输出端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ac电力。在示例性实施例中,动力电池200还包含连接到二极管桥214和h桥逆变器216二者的电容器206。尽管电容器206被示为单个电容器206,但是本领域普通技术人员应理解,电容器206可以包含多个串联/并联组合的电容器。二极管桥214包含多个二极管230,并且h桥逆变器216包含多个二极管232和晶体管234。在示例性实施例中,所示出的二极管桥214的二极管配置也可以使用晶闸管来实现。晶体管234可以为例如fet、bjt、igbt等。
参考图7,该图示出了根据示例性实施例的动力电池300的电路图。如图所示,动力电池300包含连接到三相ac输入端302的有源前端转换器314和连接到单相ac输出端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。在示例性实施例中,动力电池300还包含连接到第一部分314和第二部分316两者的电容器306。尽管电容器306被示为单个电容器306,但是本领域普通技术人员应理解,电容器306可以包含多个串联/并联组合的电容器。在示例性实施例中,有源前端转换器314和h桥逆变器316包含多个二极管332和晶体管334。晶体管334可以为例如fet、bjt、igbt等。
现在参考图8和图9,该图分别示出根据示例性实施例的单半桥转换器450和双半桥转换器400的电路图。在示例性实施例中,半桥转换器400、450还包含一个或多个电容器406。在示例性实施例中,每个电容器406可以包含多个串联/并联组合的电容器。双半桥转换器400和单半桥转换器450包含多个二极管432和晶体管434。晶体管434可以为例如fet、bjt、igbt等。
尽管以示例性形式公开了本发明的实施例,但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是,在不脱离本发明的精神和范围及其等价物的情况下,可以作出许多修改、添加和删除,如在所附的权利要求中阐述。