CN112461402A - 温度检测系统以及车载充电机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种温度检测系统以及车载充电机，该系统包括：传热元件以及温度传感器；传热元件和温度传感器均位于印刷电路板上；传热元件与温度传感器热连接，传热元件还用于与印刷电路板上的功率器件热连接；传热元件用于将功率器件的温度传递至温度传感器，以使温度传感器检测功率器件的温度；传热元件是电绝缘元件。传热元件与功率器件和温度传感器热连接，将功率器件的温度快速传递至温度传感器，有效降低了功率器件和温度传感器之间的传热热阻，提升了温度传感器对功率器件温度的响应速度，有效地防止了功率器件过温损坏。

Description

温度检测系统以及车载充电机
技术领域
本申请涉及车载充电机技术领域，尤其涉及一种温度检测系统以及车载充电机。
背景技术
随着电动汽车续航能力的不断增加，车载充电机的功率也随之增加，产品的热管理也变得越来越重要。功率器件是车载充电机的核心部件，所以解决功率器件的热管理问题显得尤为重要。功率器件的稳定性直接关系到整个产品的可靠性。因此，在产品运行时，需要对功率器件温度进行监测，在其温度出现异常时，启动相应的保护机制，确保功率器件不因温度过高导致损坏。
现有技术通过在功率器件周边放置温度传感器来检测功率器件的温度。由于功率器件与温度传感器件之间存在电位差异，功率器件与传感器的焊盘之间需要隔开一定的距离。
然而，功率器件与传感器之间通过印刷电路板进行传热，印刷电路板的横向导热能力差，功率器件与传感器之间存在很大的传热热阻，导致温度检测响应速度过慢的问题，产品无法及时启动保护机制，不能有效防止功率器件过温损坏。
发明内容
本申请提供一种温度检测系统以及车载充电机，以解决温度检测响应速度过慢的问题。
第一方面，一种温度检测系统，包括：传热元件以及温度传感器；
传热元件和温度传感器均位于印刷电路板上；
传热元件与温度传感器热连接，传热元件还用于与印刷电路板上的功率器件热连接；
传热元件用于将功率器件的温度传递至温度传感器，以使温度传感器检测功率器件的温度；
传热元件是电绝缘元件。
可选地，功率器件、传热元件以及温度传感器均焊接于印刷电路板上，传热元件的焊盘与功率器件的焊盘热连接，传热元件的焊盘与温度传感器的焊盘热连接。
可选地，传热元件与温度传感器为集成封装结构。
可选地，传热元件为贴片式集成封装结构。
可选地，温度传感器位于传热元件上。
可选地，温度传感器通过焊接方式安装于传热元件的镀层上。
可选地，一个温度传感器与多个传热元件热连接，多个传热元件与一个功率器件热连接。
可选地，印刷电路板上设置多个功率器件，传热元件与温度最高的功率器件热连接。
可选地，传热元件的材料包括氧化铝和/或氮化铝。
可选地，温度检测系统设置在车载充电机上。
第二方面，一种车载充电机，包括功率器件、印刷电路板以及如第一方面及可选方案所涉及的温度检测系统；
其中，温度检测系统和功率器件位于印刷电路板上。
本申请提供一种温度检测系统以及车载充电机，该系统包括：传热元件以及温度传感器；传热元件和温度传感器均位于印刷电路板上；传热元件与温度传感器热连接，传热元件还用于与印刷电路板上的功率器件热连接；传热元件用于将功率器件的温度传递至温度传感器，以使温度传感器检测功率器件的温度；传热元件是电绝缘元件。传热元件与功率器件和温度传感器热连接，将功率器件的温度快速传递至温度传感器，有效降低了功率器件和温度传感器之间的传热热阻，提升了温度传感器对功率器件温度的响应速度，有效地防止了功率器件过温损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中提供的温度检测系统的示意图；
图2为本申请根据一示例性实施例提供的一种温度检测系统的示意图；
图3为本申请根据另一示例性实施例提供的一种温度检测系统的示意图；
图4为本申请根据再一示例性实施例提供的一种温度检测系统的示意图；
图5为本申请根据又一示例性实施例提供的一种温度检测系统的示意图；
图6为本申请根据又一示例性实施例提供的温度检测系统中传热元件的尺寸示意图；
图7为本申请根据一示例性实施例示出的车载充电机的硬件结构示意图。
附图标记说明：
1 印刷电路板
11 功率器件
12 温度传感器
13 传热元件
14 集成封装结构
131 镀层
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本申请的技术原理，并非旨在限制本申请的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
其次，需要说明的是，在本申请的描述中，术语“上”、“下”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示装置或构件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“接触”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个构件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
车载充电机是指固定安装在电动汽车上的充电机，具有为电动汽车动力电池，安全、自动充满电的能力，充电机依据电池管理系统(Battery Management System，简称：BMS)提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。车载充电机的输出功率可达几十千瓦至几百千瓦。从本质上来说，车载充电机是一种开关电源(Switching Power Supply)。车载充电机需要从充电桩获取交流电能，并把它转换成高压直流电能，再传送给BMS。车载充电机布置在充电桩与BMS之间。车载充电机采用控制器局域网络(Controller Area Network，简称CAN)总线与BMS进行通信，接收由BMS发送的电池充电状态和充电需求等，同时把实时的充电回路状态信息发送给BMS。
车载充电机半导体功率器件工作在开关状态，开关频率达100K左右。整个工作过程中，热损耗是非常严重的。以输出功率为7.2kW为例，满载工作95％效率时依然会有5％的损耗产生，即360W的功耗，这其中约75％的损耗(即270W)是由半导体功率器件产生的。因此，功率器件是车载充电机的关键热源。过高的功率器件温升，轻则会降低整台充电机的电能变换效率，重则会降低充电机的预期寿命甚至会引发炸杋带来安全事故。功率器件的稳定性直接关系到整个产品的可靠性。因此，在产品运行时，需要对功率器件温度进行监测，在其温度出现异常时，启动相应的保护机制，确保功率器件不因温度过高导致损坏。
图1为现有技术中提供的温度检测系统的示意图。如图1所示，功率器件11与温度传感器12焊接在印刷电路板1上，由于功率器件11与温度传感器件12之间存在电位差异，功率器件11与温度传感器12的焊盘之间需要隔开一定的距离。功率器件11与温度传感器12之间通过印刷电路板1上的铜箔来传热。然而，印刷电路板1的导热系数约为0.3W/mK，横向导热能力差，功率器件11与温度传感器12之间的传热热阻大。这导致温度传感器12对功率器件11的温度检测响应速度过慢，产品无法及时启动保护机制，不能有效防止功率器件过温损坏。
为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种温度检测系统，利用传热元件导热绝缘的特性，通过传热元件将功率器件的温度传递至温度传感器，有效降低了功率器件和温度传感器之间的传热热阻，提升了温度传感器对功率器件温度的响应速度，有效地防止了功率器件过温损坏。
以下介绍几种可实现的温度检测系统，以便本领域技术人员能够更清晰的理解本申请的技术方案和优点。
图2为本申请根据一示例性实施例提供的一种温度检测系统的示意图。如图2所示，本实施例提供的温度检测系统，包括：传热元件13以及温度传感器12；传热元件13和温度传感器12均位于印刷电路板1上；传热元件13与温度传感器13热连接，传热元件13还用于与印刷电路板1上的功率器件11热连接；传热元件13用于将功率器件11的温度传递至温度传感器12，以使温度传感器12检测功率器件11的温度；传热元件13是电绝缘元件。
在车载充电机的印刷电路板1上，功率器件11的一端与传热元件13的一端热连接，传热元件13的另一端与温度传感器件12的一端热连接。在实际应用中，功率器件11与温度传感器件12的距离可以根据功率器件11与温度传感器件12之间的电位差异决定。传热元件13位于功率器件11与温度传感器件12之间，使传热元件13快速地将功率器件11的温度传递至温度传感器12。传热元件13是电绝缘元件，具有导热绝缘的特性。
在实际应用过程中，功率器件在开关过程中会产生损耗，并以热量的形式散发出去，从而导致功率器件温度上升。传热元件接收到功率器件的温度之后，将功率器件的温度快速传递至温度传感器的一端。温度传感器件接收到功率器件的温度，判断功率器件的温度是否超过正常工作温度。如果功率器件的温度超过正常工作温度，则启动相应的保护机制，确保功率器件不因过热导致损坏。
本实施例提供的温度检测系统，该系统包括传热元件以及温度传感器。传热元件和温度传感器均位于印刷电路板上，功率器件也位于印刷电路板上。传热元件与温度传感器热连接，同时也与功率器件热连接。传热元件将功率器件的温度传递至温度传感器，温度传感器用于检测功率器件的温度。传热元件具有导热绝缘的特性。功率器件和温度传感器存在电位差异，不能直接连接。本系统利用传热元件导热绝缘特性，将传热元件置于功率器件和温度传感器之间，使功率器件的温度快速传递至温度传感器，有效降低了功率器件和温度传感器之间的传热热阻，提升了温度传感器对功率器件温度的响应速度。
图3为本申请根据另一示例性实施例提供的一种温度检测系统的示意图。如图3所示，本实施例提供的温度检测系统，一个温度传感器12与多个传热元件13热连接，多个传热元件13与一个功率器件11热连接。
如图3所示，在功率器件11右侧设置了两个传热元件13，温度传感器12介于两个传热元件13之间，与两个传热元件热连接，进一步提高了温度传感器的检测速度。
在实际应用中，根据具体的需求决定一个功率器件11与多少个传热元件13热连接。传热元件13的数量越多，导热速度越快，温度传感器12对温度的响应速度也会随之增加。
可选地，功率器件11、传热元件13以及温度传感器12均焊接于印刷电路板1上，传热元件13的焊盘与功率器件11的焊盘热连接，传热元件13的焊盘与温度传感器12的焊盘热连接。
在印刷电路板1上，设置功率器件11、温度传感器件12以及传热元件13的焊盘位置。在实际应用中，功率器件11与温度传感器件12的焊盘位置可以根据功率器件11与温度传感器件12之间的电位差异合理设置。功率器件11的焊盘一端与传热元件13的焊盘一端热连接，传热元件13的焊盘另一端与温度传感器件12的焊盘一端热连接。
可选地，印刷电路板上设置多个功率器件，传热元件13与温度最高的功率器件热连接。
具体地，在进行传热元件与温度传感器的焊接之前，对印刷电路板上的多个功率器件进行仿真测试，确定出多个功率器件中温度最高的功率器件。如图3所示，图中的功率器件为通过仿真测试确定出的温度最高的功率器件。将温度最高的功率器件的焊盘与传热元件的焊盘热连接，温度传感器对温度最高的功率器件进行温度检测。在温度最高的功率器件未超过正常工作温度，则认为其他功率器件的温度也处于正常工作温度之内。传热元件与温度最高的功率器件热连接，使印刷电路板上的功率器件、传热元件、温度传感器的布局更加简单有效。
可选地，传热元件的材料包括氧化铝和/或氮化铝。
具体地，传热元件的材料包括但不限于氧化铝和/或氮化铝，可以是氧化铝，或者氮化铝，或者是两者的混合。传热元件的材料具有导热绝缘的特性即可，对于传热元件的制作材料，此处不做具体限定。
例如，氧化铝具有导热绝缘的性能，且其价格较低，来源较广，填充量较大。以氧化铝为材料制成的传热元件，导热系数约为29.3W/mK，其横向导热能力约是印刷电路板的97.7倍。有效降低了功率器件与温度传感器之间的传热热阻，使得温度传感器对功率器件的温度跟随能力增强，机器工作时可有效保护功率器件。
可选地，温度检测系统设置在车载充电机上。
具体地，温度检测系统用于检测车载充电机的功率器件的温度，以使车载充电机的功率器件温度过高时，车载充电机及时启动保护机制，防止功率器件过温损坏。
本实施例提供的温度检测系统，通过设置多个传热元件对功率器件的温度进行传递，进一步提高温度传感器的响应速度。在印刷电路板上合理设置功率器件、传热元件、温度传感器的焊盘位置，在大量生产之前，通过仿真模拟测试，确定出工作过程中温度最高的功率器件，并对该功率器件进行温度检测，使印刷电路板上的功率器件、传热元件、温度传感器的布局更加简单有效，也有效地防止了功率器件过温损坏。
图4为本申请根据再一示例性实施例提供的一种温度检测系统的示意图。如图4所示，本实施例提供的温度检测系统，传热元件13与温度传感器12为集成封装结构14。
具体地，可以在传热元件13上开孔，将温度传感器12放入孔中，集成封装结构14。也可以将温度传感器12放置在传热元件13上，集成封装结构14。具体通过何种形式将传热元件13与温度传感器12进行集成，此处不做具体限制。集成封装结构14为一个整体的零件，在使用时直接将集成封装结构14焊接在印刷电路板1上即可。
可选地，以上所有实施例中传热元件13可为贴片式集成封装结构。
具体地，传热元件13按照现有的表面贴装器件(Surface Mounted Devices，简称：SMD)尺寸进行封装。SMD是表面贴片技术(Surface Mount Technology，简称：SMT)元器件中的一种，具有体积小的优点，适用于线路密集的印刷电路板。
本实施例提供的温度检测系统，将传热元件与温度传感器进行集成，得到集成封装结构，在使用时只需要将集成封装结构进行焊接即可，进一步简化了印刷电路板上各个器件的布局。
图5为本申请根据又一示例性实施例提供的一种温度检测系统的示意图。如图5所示，本实施例提供的温度检测系统，温度传感器12位于传热元件13上。
具体地，温度传感器为贴片式结构，传热元件13为贴片式结构，将温度传感器12放置在传热元件13上，形成贴片式集成封装结构。
可选地，温度传感器12通过焊接方式安装于传热元件13的镀层131上。
具体地，传热元件13的两端均设置了镀层131，镀层具有提高传热元件表面硬度、改善摩擦、减少磨损、改良导电、降低接触电阻、增强磁性、防止扩散和渗透或修复已磨损的零件等优点。在镀层上放置温度传感器12，将温度传感器12通过焊接的方式安装于传热元件13的镀层131上，形成贴片式集成封装结构。
图6为本申请根据又一示例性实施例提供的温度检测系统中传热元件的尺寸示意图。如图6所示，传热元件13的长为5.0±0.1mm，宽为2.5±0.1mm，高为1.0±0.1mm。镀层131的长为2.5±0.1mm，宽为0.75±0.25mm。
本实施例提供的温度检测系统，将传热元件与温度传感器均为贴片式结构，将两者进行集成得到贴片式集成封装结构，在使用时只需要将集成封装结构进行焊接即可，进一步简化了印刷电路板上各个器件的布局。
图7为本申请根据一示例性实施例示出的车载充电机的硬件结构示意图。如图7所示，本申请实施例提供一种车载充电机，包括：功率器件、印刷电路板以及如上所有实施例所涉及的温度检测系统。
其中，温度检测系统和功率器件位于印刷电路板上。
车载充电机是指固定安装在电动汽车上，将公共电网的电能变换为车载储能装置所要求的直流电，并给车载储能装置充电的装置。
车载充电机由交流输入接口、功率单元、控制单元、直流输出接口等部分组成。车载充电机具备高速CAN与BMS通信的功能，判断电池连接状态是否正确；获得电池系统参数、及充电前和充电过程中整组和单体电池的实时数据。车载充电机可通过高速CAN与车辆监控系统通信，上传充电机的工作状态、工作参数和故障告警信息，接受启动充电或停止充电控制命令。车载充电机具有完备的安全防护措施，例如，在充电过程中，充电机能保证动力电池的温度、充电电压和电流不超过允许值，并具有单体电池电压限制功能，自动根据BMS的电池信息动态调整充电电流。
应当理解的是，在一些实施例中，上述的热连接均可不为直接连接，功率器件11，传热元件13以及温度传感器12均通过焊盘焊接于印刷电路板上，传热元件13的焊盘与功率器件11的焊盘通过印刷电路板的铜箔连接或者直接连接，传热元件13的焊盘与温度传感器12的焊盘通过印刷电路板的铜箔连接或者直接连接。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种温度检测系统，其特征在于，包括：传热元件以及温度传感器；
所述传热元件和所述温度传感器均位于印刷电路板上；
所述传热元件与所述温度传感器热连接，所述传热元件还用于与所述印刷电路板上的功率器件热连接；
所述传热元件用于将所述功率器件的温度传递至所述温度传感器，以使所述温度传感器检测所述功率器件的温度；
所述传热元件是电绝缘元件。
2.根据权利要求1所述的温度检测系统，其特征在于，所述功率器件、所述传热元件以及所述温度传感器均焊接于印刷电路板上，所述传热元件的焊盘与所述功率器件的焊盘热连接，所述传热元件的焊盘与所述温度传感器的焊盘热连接。
3.根据权利要求1所述的温度检测系统，其特征在于，所述传热元件与所述温度传感器为集成封装结构。
4.根据权利要求1所述的温度检测系统，其特征在于，所述传热元件为贴片式集成封装结构。
5.根据权利要求3所述的温度检测系统，其特征在于，所述温度传感器位于所述传热元件上。
6.根据权利要求5所述的温度检测系统，其特征在于，所述温度传感器通过焊接方式安装于所述传热元件的镀层上。
7.根据权利要求1所述的温度检测系统，其特征在于，一个所述温度传感器与多个所述传热元件热连接，所述多个传热元件与一个所述功率器件热连接。
8.根据权利要求1所述的温度检测系统，其特征在于，所述印刷电路板上设置多个功率器件，所述传热元件与温度最高的功率器件热连接。
9.根据权利要求1所述的温度检测系统，其特征在于，所述传热元件的材料包括氧化铝和/或氮化铝。
10.根据权利要求1所述的温度检测系统，其特征在于，所述温度检测系统设置在车载充电机上。
11.一种车载充电机，其特征在于，包括功率器件、印刷电路板以及如权利要求1至10中任意一项所述的温度检测系统；
其中，所述温度检测系统和所述功率器件位于所述印刷电路板上。
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