CN113994583A - 电机和电气组件的电子控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子系统(104)，包括：用于将DC电流转换成AC电流的电子功率模块(110)，电子控制模块，其被配置为生成用于所述电子功率模块的控制信号，所述电子控制模块包括：第一电子子组件(700)，包括至少一个第一迹线(710)和至少一个电子控制元件，所述至少一个电子控制元件电连接到所述至少一个第一迹线(710)，以及第二电子子组件(900)，与第一电子子组件(700)分离，并且包括用于生成控制信号的电子控制装置(920)和/或用于测量电子功率模块(110)的操作参数的电子测量装置(910、440)，第二电子子组件(900)，通过第一控制引脚(140)连接到第一电子子组件(700)。本发明还涉及一种包括该电子系统和旋转电机的电气组件。

Description

电机和电气组件的电子控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于电机的电子控制系统以及包括这种电子系统和电机的电气组件。

背景技术

以已知的方式，一种用于电机的电子控制系统包括：

电子功率模块，用于将DC电流转换成AC电流，该电子功率模块包括：

第一母线和第二母线，用于向电子功率模块提供DC电流，

第三母线，用于为旋转电机的相绕组供电，

控制引脚，接收用于控制电子功率模块的控制信号，以及

电子控制模块，与电子功率模块分离，并被配置为产生控制信号。

为了对电子功率模块提供令人满意的控制，评估该电子功率模块的电子功率元件(例如开关臂的可控开关)的温度很重要。法国专利申请第1855045号提出了使用温度传感器来测量该温度，该温度传感器例如是承载在电子控制模块的电子电路卡上的热敏电阻，电子功率元件的热量通过连接到其中一条母线或连接到控制引脚的电导体传导到温度传感器。在这种类型的温度测量装置中，温度传感器距离需要知道其温度的电子功率元件一定距离。因此，由于电子功率元件和温度传感器之间的热损失，温度测量的精度降低。

已经提出，温度传感器可以定位在电子功率模块中，靠近电子功率元件。然而，制造电子功率模块的方法可能使得难以、甚至不可能将温度传感器结合到电子功率模块中。当电子功率模块采用TML(转移模制引线框)技术生产时尤其如此，在TML技术中，电绝缘体包覆模制在母线、控制引脚和电子功率元件上。电绝缘体例如是环氧类型的热固性树脂。

已知使用独立于电子功率模块的互连器，用于将电子功率模块的第三母线连接到旋转电机的相绕组。法国专利申请FR3068564 A1描述了这种互连器。互连器包括将第三母线与旋转电机的相绕组电连接的导电部分，以及磁芯。磁芯包围导电部分。芯具有凹槽，霍尔效应传感器可以放置在该凹槽中。依赖于磁场的电压由导电部分中流动的电流产生。互连器还可以包括包覆成型在导电部分和磁芯上的外壳。通过使用这种互连器，可以简化电子功率模块及其制造过程。这是因为，特别是在通过TML方法生产的电子功率模块的情况下，很难在第三母线上包覆模制外壳，该第三母线已经被弯曲以接收待集成到包覆模制中的磁芯。然而，这种互连器的使用具有体积大的缺点，因此减少了电子控制系统中冷却空气的流动空间。在专利申请FR3068564 A1中，磁芯的轴线平行于电子功率模块的大致取向平面。因此，互连器具有厚的部分，其厚度至少等于磁芯的外径。这些厚的零件减少了电子控制系统中冷却空气的流动空间。

已知将控制引脚直接连接到电子控制模块，如专利申请FR3068541 A1中所述。因此，控制引脚与电子控制模块的连接位置受到电子功率模块上控制引脚位置的限制。因此，控制引脚连接的位置可以在电子控制模块的中心区域，这存在减少了用于定位电子控制模块的电子控制元件的可用空间的缺点。

发明内容

本发明寻求克服所有或一些这些缺点。

本发明涉及一种电子系统，其包括：

电子功率模块，用于将DC电流转换成AC电流，该电子功率模块包括：

第一母线和第二母线，用于向电子功率模块提供DC电流，

第三母线，用于为旋转电机的相绕组供电，

控制引脚，接收用于控制电子功率模块的控制信号，以及

电子控制模块，与电子功率模块分离，并且被配置成生成该控制信号，该电子控制模块包括：

第一电子子组件，包括至少一个第一迹线和至少一个电子控制元件，该至少一个电子控制元件电连接到该至少一个第一迹线，

第二电子子组件，与第一电子子组件分离，并且包括用于生成该控制信号的电子控制装置和/或用于测量电子功率模块的操作参数的电子测量装置，

第二电子子组件通过第一控制引脚连接到第一电子子组件。

通过使用包括这种第二电子子组件的电子控制模块，可以使生成用于电子功率模块的控制信号的电子控制装置更靠近电子功率模块。因此，可以缩短电子控制装置和电子功率模块之间的电连接的长度。这可以显著降低电子系统的成本。例如，在通过TML技术生产的电子功率模块的情况下，可以减小导电金属板的尺寸，例如制造电子功率模块的各种母线的铜板。

例如，通过提供用于第一电子子组件的第一支撑件和用于第二电子子组件的第二支撑件，产生与第二电子子组件分离的第一电子子组件的实施例的示例，第一和第二支撑件彼此相距一定距离。

根据本发明的附加特征，该电子测量装置是电流传感器。

根据本发明的附加特征，电子功率模块在第一平面中延伸，并且第三母线的一端垂直于该第一平面。

根据本发明的附加特征，电流传感器包括具有气隙的磁芯和位于气隙中以测量流经穿过磁芯的导体的电流的霍尔效应传感器，第三母线穿过该磁芯，或者该磁芯能够使旋转电机的相绕组穿过它。

根据本发明的附加特征，电流传感器沿磁芯轴线的高度小于其在垂直于磁芯轴线的平面内的宽度和长度。

通过使用磁芯被第三母线或在垂直于第一平面的方向上取向的相绕组穿过的电流传感器，可以减小在垂直于第一平面的方向上的总尺寸，其中电子功率模块在第一平面中延伸。由于整体尺寸的减小，例如可以为冷却空气流提供更大的空间，特别是在空气冷却电子控制系统的情况下。因此可以为电子控制系统提供更好的冷却。

根据本发明的附加特征，该电子测量装置是温度传感器。

通过在第二电子子组件上安装温度传感器，可以使温度传感器更靠近电子功率模块。因此，可以提高温度测量的精度。这种改进尤其是在温度传感器热连接到电导体时获得，该电导体将电子功率模块电连接到第二电子子组件。电导体的长度可以减小，以限制扩散到周围环境中的热量。

根据本发明的附加特征：

第二电子子组件包括电连接到第一控制引脚的第二迹线，

第一电子子组件包括电子控制电路，

第一控制引脚电连接到电子控制电路。

根据本发明的附加特征：

至少第二控制引脚电连接到第一母线、第二母线、第三母线和控制引脚中的一个，

第二迹线电连接到第二控制引脚。

通过使用第二电子子组件的第二迹线将第一控制引脚电连接到第二控制引脚，第二电子子组件可以充当电子功率模块和第一电子子组件之间的互连器。因此，与第一电子子组件的电连接可以以改进的方式定位。例如，这些电连接可以位于第一电子子组件的外围区域上，以便增加第一电子子组件的电子元件的可用空间。

根据本发明的附加特征，第一控制引脚与第二迹线分离，和/或，第二迹线与第二控制引脚分离。

根据本发明的附加特征，第二电子子组件还包括第二迹线和温度传感器之间的热连接。

热连接使得热量能够在第二迹线和温度传感器之间传导。这使得可以评估电连接到第二迹线的元件的温度，例如电子功率模块的元件的温度。

根据本发明的附加特征，第二电子子组件还包括结合第二迹线和电子控制装置和/或电子测量装置的外壳，特别是包覆成型在第二迹线和电子控制装置和/或电子测量装置上的外壳。

根据本发明的附加特征，第二电子子组件包括电路卡，第二迹线布置在该电路卡上，并且该电路卡承载控制装置和/或测量装置。

本发明还涉及一种电气组件，其包括：

如上所述的电子系统，以及

旋转电机。

附图说明

通过阅读本发明的非限制性示例性实施例的以下描述并研究附图，可以更好地理解本发明，其中：

图1示出了包括根据本发明的电子系统的电气组件的电路图，

图2示出了根据本发明第一实施例的电子系统的部分横截面示意图，

图3示出了图2中电子系统的局部示意图，

图4示出了图2中电子系统的另一局部示意图，

图5描绘了根据第二实施例的电子系统的示意性局部剖视图，

图6示出了图5中电子系统的局部示意图，以及

图7示出了图5中电子系统的另一局部示意图。

在所有附图中，相同或执行相同功能的元件具有相同的附图标记。以下实施例是示例。尽管说明书涉及一个或多个实施例，但这不一定意味着每个附图标记涉及相同的实施例，或者各特征仅适用于一个实施例。不同实施例的单独特征也可以组合或互换，以便创建其他实施例。

具体实施方式

图1示出了可以实施本发明的电气组件100。

电动组件100例如用于安装在机动车辆中。

电气组件100首先具有电源102，电源102被设计成输送DC电压U，该DC电压U例如在20V和100V之间，例如为48V。电源102具有例如电池。

电气组件100还包括旋转电机130，旋转电机130包括多个相绕组(未示出)，这些相绕组旨在具有各自的相电压。

电气组件100还包括电子系统104。

在附图所示的各种实施例中，电子系统104是电压转换器104。然而，在未示出的其他实施例中，组件可以执行不同的功能。

电压转换器104连接在电源102和电机130之间，以便执行直流电压U和相电压之间的转换。

电压转换器104首先包括正极电线106和负极电线108，它们用于连接到电源102以接收直流电压U，其中正极电线106接收高电势，负极电线108接收低电势。负极电线例如接收零电势，并且连接到机动车辆的地电位。

电压转换器104还包括至少一个电子功率模块110，该电子功率模块110包括一个或多个相电线122，该相电线122用于分别连接到电机130的一个或多个相，以便提供它们各自的相电压。

在所描述的示例中，电压转换器104包括三个电子功率模块110，每个电子功率模块包括连接到电机130的两相的两相电线122。

更具体地，在所描述的示例中，电机130包括两个三相系统，每个三相系统包括三相，并且用于彼此电相移120°。优选地，电子功率模块110的第一相电线122分别连接到第一三相系统的三相，而电子功率模块110的第二相电线122分别连接到第二三相系统的三相。

对于每个相电线122，每个电子功率模块110包括连接在正极电线106和相电线122之间的第一可控开关112，以及连接在相电线122和负极电线108之间的第二可控开关114。可控开关112、114因此被布置成形成斩波臂，其中相电线122形成中央分接头。

每个可控开关112、114包括第一和第二主端子116、118以及控制端子120，该控制端子120用于根据施加到其上的控制信号选择性地打开和关闭其两个主端子116、118之间的可控开关112、114。可控开关112、114优选地是晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFEET)，其栅极形成控制端子120，漏极和源极分别形成主端子116、118。

在所描述的示例中，可控开关112、114分别具有板的形式，该板例如基本上是矩形的并且具有上表面和下表面。第一主端子116在下表面上延伸，而第二主端子118在上表面上延伸。此外，下表面形成散热面。

对于每个电子功率模块110，电压转换器104还包括滤波电容器124，滤波电容器124具有分别连接到正极电线106和负极电线108的第一端子126和第二端子128。

应当理解的是，正极电线106、负极电线108和相电线122是刚性元件，被设计成承受至少1A的电流。它们优选具有至少1毫米的厚度。

此外，在所描述的示例中，电机130同时具有交流发电机和电动机功能。更具体地，机动车辆还包括具有输出轴的内燃机(未示出)，电机130例如通过皮带或链条或齿轮系(未示出)连接到该输出轴。内燃机用于通过其输出轴驱动机动车辆的车轮。因此，在作为交流发电机运行期间，电机基于输出轴的旋转、向电源102供应电能。然后，电压转换器104作为整流器工作。在作为电动机运行期间，电机驱动输出轴(除驱动内燃机之外，或者代替内燃机)。然后，电压转换器104作为逆变器工作。

电机130位于例如变速箱中或者机动车辆的离合器中，或者替代交流发电机。

图2、图3和图4示出了根据第一实施例的电子系统104。

电子系统104包括：

用于将DC电流转换成AC电流的电子功率模块110，该电子功率模块110包括：

第一母线206和第二母线208，用于向电子功率模块提供DC电流，第三母线522，用于向旋转电机的相绕组810供电，

控制引脚150，接收用于控制电子功率模块110的控制信号。

第一母线206电连接到正极电线106。第二母线208电连接到负极电线108。第三母线522电连接到相电线122。控制引脚150电连接到控制端子120。

电子功率模块110还可以包括包覆成型在第一可控开关112、第二可控开关114、第一母线206、第二母线208、第三母线522和控制引脚150上的外壳550。例如，电子功率模块使用TML技术构建。

电气系统104可以进一步包括散热器502。

使用未示出的附接装置将电子功率模块110附接到散热器502。

电子功率模块110包括散热表面。该散热表面与散热器502的热交换表面热接触。热接触例如使用热膏或热粘合剂实现。

在该第一实施例中，散热器502可以包括管道530。管道530例如连接到冷却回路，传热流体，特别是水基冷却液，可以在该冷却回路中流动。

电气系统104还包括：

电子控制模块，其与电子功率模块分离，并且被配置成生成控制信号，该电子控制模块包括：

第一电子子组件700，包括至少一个第一迹线710和至少一个电子控制元件720，该至少一个电子控制元件电连接到至少一个第一迹线710，以及

第二电子子组件900，其与第一电子子组件700分离，并且包括用于测量电子功率模块的操作参数的电子测量装置。

换句话说，第一电子子组件700包括第一支撑件，第二电子子组件900包括第二支撑件，第一和第二支撑件彼此隔开一定距离。

第二电子子组件900通过第一控制引脚140连接到第一电子子组件。

第二电子子组件900包括第二迹线930。

至少第二控制引脚160电连接到第一母线206、第二母线208、第三母线522和控制引脚150中的一个。

在图2至图7所示的实施例中，使用了多个第二控制引脚160。其中一个第二控制引脚160是控制引脚150。另一个第二控制引脚160例如连接到第一母线206。再一个第二控制引脚160例如连接到第三母线522。

第二控制引脚160可以连接到第二迹线930。

第二迹线930电连接到第一控制引脚140。

在图2至图7的实施例中，第一控制引脚140与第二迹线930分离，第二迹线930与第二控制引脚160分离。

第一电子子组件700可以包括承载电子控制元件720的第一电子电路卡730。

第一电子子组件700的第一支撑件例如是第一电子电路卡730。

第一控制引脚140电连接到电子控制元件720。

第二电子子组件900可以包括第二电子电路卡410。第二迹线930例如是形成在第二电子电路卡410上的金属迹线。

第二电子子组件900的第二支撑件例如是第二电子电路卡410。

在另一个未示出的实施例中，第二电子子组件900包括包覆成型在第二迹线930上的外壳。包覆成型的外壳例如由环氧树脂制成。第二电子子组件900例如是使用TML技术构造的。

在另一个未示出的实施例中，第一控制引脚140与第二迹线930制成一体。

在另一个未示出的实施例中，第二控制引脚160与第二迹线930制成一体。

在另一个未示出的实施例中，第一控制引脚140和第二控制引脚160与第二迹线930制成一体。

第二电子子组件900的电子测量装置例如是电流传感器910。

电流传感器910可以包括磁芯430和霍尔效应传感器440。磁芯430具有气隙，霍尔效应传感器440放置在该气隙中，用于测量流经穿过磁芯430的电导体的电流。

电流传感器910沿着磁芯430的轴线的高度小于其在垂直于磁芯430的轴线的平面中的宽度和长度。

电流传感器910的高度例如至少是其宽度和长度的两倍。

磁芯支撑件432可以包覆成型在磁芯430上。磁芯支撑件432例如通过紧固装置433附接到第二电子电路卡410。紧固装置433例如是磁芯支撑件432的螺钉或突起，热卷曲到第二电子电路卡410上。

在图2至图7的实施例中，电流传感器910可用于测量相绕组810中流动的电流。

在图2至图7的实施例中，相绕组810穿过磁芯430。

在另一个未示出的实施例中，第三母线522穿过磁芯。

电子功率模块110在第一平面中延伸。第三母线522具有垂直于第一平面的端部。第三母线522的垂直端连接到相绕组810，相绕组810具有与第三母线的端部相同的取向。

第三母线522和相绕组810例如通过铜焊/焊接或通过压接(未示出)而电连接和机械连接。

第二电子子组件900具有平行于第一平面的取向。电流传感器910的轴线垂直于第二电子子组件900的取向。

由于电流传感器910的高度小于其长度和其宽度，因此可以获得厚度减小的第二电子子组件900。

第二电子子组件900的电子测量装置也可以是温度传感器450，例如热敏电阻。

第二电子子组件可以进一步包括第二迹线930和温度传感器450之间的热连接。

热连接包括例如导热迹线940，特别是金属迹线，特别是铜迹线。温度传感器450与导热迹线940热接触。热接触例如通过直接接触或者通过热膏或热粘合剂来实现。导热迹线940例如被焊接到第二迹线930，以使得热量能够在第二迹线930和导热迹线940之间传导。在图4的实施例中，第二迹线930和导热迹线940形成为一件。在另一实施例中，第二迹线930和导热迹线940形成单个迹线。

这种温度传感器450使得能够评估电子功率模块110的温度。由电子功率模块110产生的热量经由第二控制引脚160和第二迹线930、通过热传导传递给热连接和温度传感器。

图2至图7所示实施例中的第二电子子组件既包括温度传感器450、又包括电流传感器910。

在图2、图3和图4的实施例中，第二电子子组件900还包括用于生成控制信号的电子控制装置920。如上所述，控制信号被发送给电子功率模块110的可控开关的控制端子120，用于选择性地打开和关闭可控开关112、114。

在未示出的另一实施例中，第二电子子组件900不包括用于测量电子功率模块110的操作参数的电子测量装置，而是包括用于生成控制信号的电子控制装置920。

在未示出的另一实施例中，第二电子子组件900包括用于测量电子功率模块110的操作参数的电子测量装置910、450，但是不包括用于生成控制信号的电子控制装置。

第一电子子组件700的取向平行于第二电子子组件900的取向。

电子系统104可以具有大致圆柱形的形状，其轴线垂直于第一平面。第一电子子组件700和第二电子子组件900可以是盘形的。

第二电子子组件900、第一控制引脚140和第二控制引脚160可以形成电子功率模块110和第一电子子组件700之间的互连模块。与第二控制引脚160的定位相比，互连模块能够减少对第一控制引脚140与第一电子子组件700的电连接的定位的约束。因此，例如，第一控制引脚140与第一电子子组件700的电连接可以位于第一电子子组件700的外部。该位置使得可以减少第一电子子组件700上的布线限制，并增加第一电子子组件700的电子元件的可用空间。

在图2至图4所示的第一实施例中，第一电子子组件700、热交换器502、电子功率模块110和第二电子子组件900相继位于平行平面中。

热交换器在第一电子子组件700和电子功率模块110之间的位置不仅允许如上所述冷却电子功率模块110，而且还允许冷却第一电子子组件700。第一电子子组件700包括散热表面。该散热表面与散热器502的热交换表面热接触。热接触例如使用热膏或热粘合剂实现。

第一盖300可以附接到散热器502，以保护第二电子子组件900，特别是防止水飞溅和其他污染物的进入。

第二盖600可以在第一盖300的相对侧附接到散热器502。

第一盖300、散热器502和第二盖600可以形成复合外壳，以保护第二电子子组件900、电子功率模块110、第一电子子组件700以及比如第一控制引脚140和第二控制引脚160的连接元件。

图5、图6和图7示出了根据第二实施例的电子系统104。

在第二实施例中，散热器502通过与环境空气进行热交换而被冷却。位于散热器502的与电子功率模块110和散热器502之间的热交换表面相对的表面上的散热片540可以通过增加与环境空气进行热交换的表面积来改善冷却。

在第二实施例中，热交换器502、电子功率模块110、第二电子子组件900和第一电子子组件700相继位于平行平面中。

附接到散热器502的盖300可用于保护电子功率模块110、第二电子子组件900、第一电子子组件700以及比如第一控制引脚140和第二控制引脚160的连接元件。

在未示出的变型实施例中，在盖中形成开口，以允许气流在电子功率模块110和第一电子子组件700之间通过。

如上所述的电流传感器910的低高度限制了电流传感器910对空气通道的阻碍。

在未示出的另一变型实施例中，第一电子子组件700由支撑壳体支撑，该支撑壳体例如附接到散热器502。

Claims (12)

1.一种电子系统(104)，包括：

a.电子功率模块(110)，用于将DC电流转换成AC电流，所述电子功率模块(110)包括：

i.第一母线(206)和第二母线(208)，用于向所述电子功率模块(110)提供DC电流,

ii.第三母线(522)，用于向旋转电机(130)的相绕组(810)供电，

iii.控制引脚(150)，接收用于控制所述电子功率模块(110)的控制信号，

b.电子控制模块，与所述电子功率模块(110)分离，并且被配置为生成所述控制信号，所述电子控制模块包括：

i.第一电子子组件(700)，包括至少一个第一迹线(710)和至少一个电子控制元件，所述至少一个电子控制元件电连接到所述至少一个第一迹线(710)，

ii.第二电子子组件(900)，与所述第一电子子组件(700)分离，并且包括用于生成所述控制信号的电子控制装置(920)和/或用于测量所述电子功率模块(110)的操作参数的电子测量装置(910、440)，

所述第二电子子组件(900)通过第一控制引脚(140)连接到所述第一电子子组件(700)。

2.如权利要求1所述的电子系统(104)，其中，所述电子测量装置是电流传感器(910)。

3.如权利要求2所述的电子系统(104)，其中，所述电子功率模块(110)在第一平面中延伸，并且其中，所述第三母线(522)的一端垂直于所述第一平面。

4.如权利要求3所述的电子系统(104)，其中，所述电流传感器(910)包括具有气隙的磁芯(430)和位于所述气隙中以测量流过穿过所述磁芯的导体的电流的霍尔效应传感器(440)，所述第三母线(522)穿过所述磁芯，或者，所述磁芯(430)能够使所述旋转电机(130)的所述相绕组(810)穿过。

5.如权利要求1所述的电子系统(104)，其中，所述电子测量装置是温度传感器(450)。

6.如前述权利要求中任一项所述的电子系统(104)，其中：

a.所述第二电子子组件(900)包括电连接到所述第一控制引脚(140)的第二迹线(930)，

b.所述第一电子子组件(700)包括电子控制电路，

c.所述第一控制引脚(140)电连接到所述电子控制电路。

7.如权利要求6所述的电子系统(104)，其中：

a.至少第二控制引脚(160)电连接到所述第一母线(206)、所述第二母线(208)、所述第三母线(522)和控制引脚(150)中的一个，

b.所述第二迹线(930)电连接到所述第二控制引脚(160)。

8.如权利要求7所述的电子系统(104)，其中，所述第一控制引脚(140)与所述第二迹线(930)分离，并且所述第二迹线(930)与所述第二控制引脚(160)分离。

9.如权利要求6至8中任一项所述的电子系统(104)，结合权利要求5考虑，其中，所述第二电子子组件(900)还包括所述第二迹线(930)和所述温度传感器(450)之间的热连接。

10.如权利要求6至9中任一项所述的电子系统(104)，其中，所述第二电子子组件(900)还包括结合所述第二迹线(930)和所述电子控制装置和/或电子测量装置(810、450)的外壳，特别是包覆成型在所述第二迹线(930)和所述电子控制装置和/或所述电子测量装置(810、450)上的外壳。

11.如前述权利要求中任一项所述的电子系统(104)，其中，所述第二电子子组件(900)包括电子电路卡(410)，所述第二迹线(930)布置在所述电子电路卡上，并且所述电子电路卡承载所述控制装置(920)和/或所述温度传感器(810、450)。

12.一种电气组件(100)，包括：

a.如前述权利要求中任一项所述的电子系统(104)，以及

b.旋转电机(130)。

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