CN114720745A - 电流传感器与母线的集成 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了“电流传感器与母线的集成”。一种电流感测装置包括：母线；介电材料，其内含有磁场传感器；以及铁磁包覆成型件，其封装母线的一部分和介电材料。介电材料抵靠母线设置，使得磁场传感器与母线间隔开，并且铁磁包覆成型件不在母线与磁场传感器之间。
Description
技术领域
本公开涉及可用于电动车辆的电流感测系统。
背景技术
与其他电气装置一样，电动汽车(EV)通常包括电流感测系统。更具体地，电流感测系统通常与逆变器和DC-DC转换器结合使用来测量电流的流动。在其他应用中，由电流感测系统收集的测量值可用于评估和主动影响电池的充电和放电循环，并控制脉宽调制逆变器开关。随着对电动汽车全球化部署兴趣的增加，对紧凑且准确的电流感测系统的需求也有所增加。
发明内容
一种电气系统包括：弯曲的母线，其限定了一对支腿之间的拐角；磁场传感器，其设置在所述拐角的内部中并且与所述支腿间隔开，使得所述磁场传感器在所述支腿之间；介电材料，其封装所述磁场传感器并且与所述支腿直接接触；以及铁磁包覆成型件，其封装所述拐角和所述介电材料。
一种电流感测装置包括：母线；介电材料，其内含有磁场传感器；以及铁磁包覆成型件，其封装所述母线的一部分和所述介电材料。所述介电材料抵靠所述母线设置，使得所述磁场传感器与所述母线间隔开，并且所述铁磁包覆成型件不在所述母线与所述磁场传感器之间。
一种电气系统包括：多个母线；多个外壳；多个磁场传感器，每个磁场传感器邻近所述母线中的一个设置并且由所述外壳中的一个容纳；以及至少一个铁磁包覆成型件，其封装所述母线的一部分和所述外壳。所述外壳使得所述磁场传感器与所述母线电绝缘。
附图说明
图1是包括铁磁包覆成型件、介电材料和磁场传感器的电流感测系统。
图2是电流感测系统的多相设计。
图3是包括铁磁包覆成型件和磁场传感器的电流感测系统，磁场传感器容纳在母线的短端附近的电绝缘壳体内。
图4A和4B是包括多于一个磁场传感器的电流感测系统。
图5是具有卵圆形铁磁包覆成型件的电流感测系统。
图6是位于母线的非直线(弯曲)区段处的电流感测系统。
具体实施方式
所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可采取各种替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任一者示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。
除非上下文另外明确指明，否则如说明书和所附权利要求中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数个指示物。例如，以单数形式提及部件意图包括多个部件。
术语“基本上”或“约”可在本文中用于描述所公开或要求保护的实施例。术语“基本上”或“约”可修改本公开中公开或要求保护的值或相对特性。在此类情况下，“基本上”或“约”可表示其修改的值或相对特性在值或相对特性的±0％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或10％内。
尽管术语第一、第二、第三等可用于描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语可仅用于将一个元件、部件、区域、层和/或区段与另一区域、层和/或区段区分开。除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”及其他数字术语等术语在本文使用时并不意味着顺序或次序。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可被称为第二元件、部件、区域、层或区段。
电流传感器是诸如电动汽车(EV)等电气装置的常见但重要的部件。传统上，通过在诸如母线或电流导线等导体的周围放置具有气隙(裂口)的基本上环形的磁芯(铁磁芯)来测量电流。然后将磁场传感器放置在气隙中。电流通过导体产生由磁场传感器(换能器)感测的信号，信号与流动的电流成比例。霍尔效应和磁阻场元件通常与此类系统中的其他电子部件结合使用。
虽然有效，但是主要因为它们的磁芯大，传统的电流传感器可能既昂贵又笨重。而且，除了它们的潜在成本和繁重的占用空间之外，这些系统还可能对母线的布线产生负面影响。此外，磁芯缺陷(诸如滞后或饱和)可能会显著影响此类系统的准确性。为了解决上述潜在的成本、大小和误差问题中的一个或多个，提出了一种替代的电流传感器系统结构。在一个示例中，提出了一种集成到具有铁磁浸渍环氧树脂芯的母线中(附近)的电流传感器系统。电流传感器的紧密集成和包装减少了设计限制和/或重量/体积损失。
本公开涉及一种包括电流感测系统的电气系统(电流感测装置)。电流感测系统可包括用铁磁材料浸渍的聚合物、介电材料和磁场传感器。在一些实施例中，用铁磁材料浸渍(掺杂)的聚合物可以是热固性的。本公开中的热固性聚合物是指不可逆地硬化并且在固化之后保持其固态的聚合物。在一些实施例中，本公开的用铁磁材料浸渍的聚合物可以是环氧树脂、硅树脂、聚氨酯、酚醛树脂或它们的任何组合。类似地，在一些实施例中，用于浸渍聚合物的铁磁材料可以是铁、镍、钴或它们的任何组合。此外，铁磁材料浸渍可以是均匀的或不均匀的。应当理解，其他实施例不限于上文公开的特定实施例/材料。相反，聚合物和铁磁材料以及其他部件的选择取决于特定的应用和条件。
出于本公开的目的，介电材料指的是那些导电性能差但在遇电时容易极化的材料。实际上，介电材料可以是固态的、液态的或气态的。出于本公开的目的，可根据应用和条件使用具有强度足够的任何介电材料。在一些实施例中，所使用的介电材料可以是固态的。在其他实施例中，所使用的介电材料可以是液态的。在另外其他实施例中，所使用的介电材料可以是气态的。可使用的介电材料的非限制性示例是基于聚合物的介电材料、瓷、陶瓷、玻璃、干燥空气或蒸馏水。在一些实施例中，介电材料是介电热固性聚合物。在一个实施例中，介电材料可以是未浸渍的环氧树脂包覆成型件。出于本公开的目的，可使用任何兼容的磁场传感器。在一些实施例中，磁场传感器可具有霍尔效应或磁阻元件。
参考图1，提出了电流感测系统10。电流感测系统10可包括铁磁包覆成型件12、介电非铁磁包覆成型件14和磁场传感器(换能器或基于磁性的传感器)16。磁场传感器16还可包括磁场检测器(诸如点场检测器(PFD))18、基板(诸如印刷电路板(PCB))20和连接器22。更具体地，图1示出了容纳在(或封装在)铁磁包覆成型件12和介电非铁磁包覆成型件14内的母线24的部分。在一些实施例中，可使用介电非铁磁包覆成型件14将铁磁包覆成型件12与母线24隔离，使得只有介电非铁磁包覆成型件与母线24接触。在一些实施例中，与母线24分隔开的铁磁包覆成型件12可具有用于介电非铁磁包覆成型件和/或磁场传感器16的凹腔。在一些实施例中，磁场传感器16可容纳(悬置)在介电非铁磁包覆成型件14内。
与母线24隔离的铁磁包覆成型件12可集中经由电流流过母线24而产生的磁场。在一些实施例中，经由电流流动而产生的磁场可激活磁场传感器16。在一些实施例中，磁通集中铁磁包覆成型件12可增加磁场传感器的准确度、线性度和灵敏度。另外，由于根据本公开，磁通集中是通过浸渍的聚合物的包覆成型而不是单独的铁磁芯来实现的，如在传统电流感测系统中那样，因此某些实施例允许降低包装要求并增加设计灵活性。此外，通过将电流传感器系统10与母线24集成，母线24的布线受限较少以与大量收集电流传感器的放置兼容。
参考图2，提出了电流感测系统40。电流感测系统40可包括至少一个铁磁包覆成型件42、至少一个介电非铁磁包覆成型件44和至少一个磁场传感器(换能器或基于磁性的传感器)46。更具体地，图2示出了电流感测系统40的示例性三相设计。应当理解，本公开不限于此类三相系统。相反，实施例可具有任意数量的母线和/或导线。在一些实施例中，至少一个母线(此处为48、50和52)可容纳在至少一个铁磁包覆成型件(此处为42)和/或至少一个介电非铁磁包覆成型件(此处为44)内。
在一些实施例中，诸如图2中所展示的，可使用一个铁磁包覆成型件42来集中经由电流流过多个母线(此处为母线48、50和52)而产生的磁场。可以经由单个铁磁包覆成型件42来实现磁通集中的这种实施例可大大减少所需的零件数量以及组装复杂性。然而，在其他实施例中，可使用一个或多个铁磁包覆成型件。类似地，在一些实施例中，诸如图2中所展示的，可使用多个介电非铁磁包覆成型件44来将铁磁包覆成型件42与母线48、50和52隔离。然而，在其他实施例中，可在多个母线上使用一个介电非铁磁包覆成型件来将母线与一个或多个铁磁包覆成型件隔离。
在一些实施例中，诸如图2所示，与母线48、50和52分隔开的至少一个铁磁包覆成型件42可具有用于至少一个介电非铁磁包覆成型件44和/或至少一个磁场传感器46的至少一个凹腔。在一些实施例中，至少一个磁场传感器46可容纳在至少一个介电非铁磁包覆成型件44内。在一些实施例中，经由电流流动而产生的磁场可激活至少一个磁场传感器46。在一些实施例中，至少一个磁通集中铁磁包覆成型件42可增加至少一个磁场传感器的准确度、线性度和灵敏度。
另外，由于根据本公开，磁通集中可以是通过浸渍的聚合物的单个包覆成型而不是单独的铁磁芯来实现的，如在传统电流感测系统中那样，因此本公开允许降低包装要求并增加设计灵活性。此外，通过将电流传感器系统40与母线48、50和52集成，母线的布线受限较少以与大量收集电流传感器的放置兼容。
参考图3，提出了电流感测系统60。电流感测系统60可包括铁磁包覆成型件62和磁场传感器(换能器或基于磁性的传感器)64。磁场传感器64还可包括容纳在绝缘包装72内的磁场检测器(诸如点场检测器(PFD))66、基板(诸如印刷电路板(PCB))68和连接器70。在一些实施例中，诸如图3中所示，磁场传感器64的绝缘包装72可提供必要的电隔离，否则将使用介电非铁磁包覆成型件来实现。更具体地，图3示出了容纳在铁磁包覆成型件62内的母线74的一部分。可使用磁场传感器64的绝缘包装72将铁磁包覆成型件62与母线74隔离，使得只有绝缘包装72与母线74接触。在一些实施例中，与母线74分隔开的铁磁包覆成型件62可具有用于磁场传感器64的凹腔。在一些实施例中，容纳在绝缘包装72内的与铁磁包覆成型件62隔离的磁场传感器64可放置在母线74附近，使得经由电流流动而产生的磁场可激活磁场传感器64。
在一些实施例中，磁通集中铁磁包覆成型件62可增加磁场传感器的准确度、线性度和灵敏度。另外，由于根据本公开，磁通集中是通过浸渍的聚合物的包覆成型而不是单独的铁磁芯来实现的，如在传统电流感测系统中那样，并且磁场传感器64的绝缘包装72可将传感器与铁磁包覆成型件62充分隔离，该实施例允许降低包装要求并增加设计灵活性。此外，通过将电流传感器系统60与母线74集成，母线74的布线受限较少以与大量收集电流传感器的放置兼容。
某些实施例提供显著的设计灵活性。例如，在一些实施例中，诸如图3中所示，磁场传感器64可沿着母线74的短侧放置。这种磁场传感器64的放置灵活性可大大简化常见的母线布线问题。类似地，在一些实施例中，附加的磁场传感器可嵌入铁磁包覆成型件中，又与铁磁包覆成型件隔离，以提供冗余，增加容错能力，并且能够诊断有故障的磁场传感器。例如，参考图4A和图4B，电流感测系统80可包括铁磁包覆成型件82、第一磁场传感器84和第二磁场传感器86。在一些实施例中，诸如图4A中所示，电流感测系统80的第一磁场传感器84和第二磁场传感器86可以放置在母线88的相对侧。在其他实施例中，诸如图4B中所示，第一磁场传感器84和第二磁场传感器86可以放置在母线88的同一侧。
在图4A和图4B所示的示例性实施例中，与图3中所示类似，第一磁场传感器84和第二磁场传感器86可具有至少一个绝缘包装，以将所述传感器与铁磁芯82和母线88隔离。然而，在其他实施例中，可以使用一个或多个介电非铁磁包覆成型件(即，介电材料)来实现磁场传感器与铁磁芯的这种隔离，使得只有介电非铁磁材料与母线接触。本公开的另一个可能的优点在于铁磁材料和介电材料两者形状设计的灵活性。简而言之，本公开的铁磁包覆成型件(和介电非铁磁包覆成型件)的形状不限于与传统电流感测系统一样的立方体(如图1至图4和图6所示)或环形。相反，可根据应用和条件使用其他形状。
参考图5，示出了电流感测系统90。电流感测系统90可包括铁磁包覆成型件92和磁场传感器(换能器或基于磁性的传感器)94。磁场传感器94还可包括绝缘包装96，其容纳磁场传感器的必要电流感测电路系统。更具体地，图5示出了本公开的示例性实施例，其中母线98的一部分可容纳在基本上卵圆形的铁磁包覆成型件92内。在一些实施例中，铁磁包覆成型件92封装母线98的一部分和绝缘包装96(或介电材料)使得绝缘包装96(或介电材料)抵靠母线98设置，并且容纳在绝缘包装96(或介电材料)内的磁场传感器94与母线98间隔开，并且铁磁包覆成型件92不在母线98与磁场传感器94之间。虽然图5展示了基本上卵圆形的铁磁包覆成型件，但是本公开不限于这种形状。相反，应当理解，铁磁包覆成型件和磁场传感器的介电材料(介电非铁磁包覆成型件)或绝缘包装两者可呈现任何必要的形状，以有效地集中电流通过导电介质时产生的磁场并满足设计要求。
参考图6，示出了电流感测系统100。电流感测系统100可包括铁磁包覆成型件102和磁场传感器(换能器或基于磁性的传感器)104。磁场传感器104还可包括绝缘包装106，其容纳磁场传感器的必要电流感测电路系统。在一些实施例中，电流感测系统100还可包括介电非铁磁包覆成型件，其使得磁场传感器104与铁磁包覆成型件102隔绝并防止磁场传感器104与母线108接触，这可以通过没有介电非铁磁包覆成型件的绝缘包装106来实现。图6示出了本公开的示例性实施例，其中电流感测系统100在母线的非直线区段与该母线108的部分集成。在一些实施例中，母线108的非直线区段可以是弯曲的母线，其限定了一对支腿之间的拐角，该拐角具有内部和外部。在其他实施例中，母线108的非直线区段可包括导电地耦合在一起的多个母线。
更具体地，图6示出了本公开的示例性实施例，其中铁磁包覆成型件102与母线108的部分成基本上直角集成。在本发明的其他实施例中，铁磁包覆成型件102可与一个或多个母线成锐角、钝角或优角集成。在一些实施例中，铁磁包覆成型件102可与一个或多个母线集成，其中母线具有支腿，支腿之间限定的角度不大于90度。这种铁磁包覆成型件放置的灵活性是一个可能的优点。传统的电流感测系统通常不具备这种灵活性。例如，如果有可能的话，将传统的环形芯放置在诸如图6所示的弯曲部周围可能很困难。此外，将电流感测系统放置在母线的非直线区段处可能特别重要。这是因为此类非直线区段通常表现出自动磁通增强属性。在一些实施例中，弯曲的母线108电连接电池的电池单元。在其他应用中，电流感测系统100可用于评估和主动影响电池的充电和放电循环，并控制脉宽调制逆变器开关。
在一些实施例中，与图6中所示类似，磁场传感器104可设置在由母线108的支腿限定的拐角的内部，并且与支腿间隔开，使得磁场传感器104在支腿之间。在本公开的一些实施例中，绝缘包装106或介电非铁磁包覆成型件可封装磁场传感器104并且可与母线108的支腿直接接触。此外，在一些实施例中，与图6中所示类似，铁磁包覆成型件102封装绝缘包装106(或介电非铁磁包覆成型件)和由母线108的支腿限定的拐角。
尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。
如先前描述，各个实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言提供优点或优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实施方式期望的实施例不在本公开的范围外，并且对于特定应用可为期望的。
根据本发明，提供了一种电气系统，其包括：弯曲的母线，其限定了一对支腿之间的拐角；磁场传感器，其设置在所述拐角的内部中并且与所述支腿间隔开使得所述磁场传感器在所述支腿之间；介电材料，其封装所述磁场传感器并且与所述支腿直接接触；以及铁磁包覆成型件，其封装所述拐角和所述介电材料。
根据一个实施例，所述介电材料是介电热固性聚合物。
根据一个实施例，所述热固性聚合物是环氧树脂。
根据一个实施例，所述铁磁包覆成型件包括热固性聚合物。
根据一个实施例，所述磁场传感器是霍尔传感器。
根据一个实施例，所述磁场传感器是磁阻传感器。
根据一个实施例，所述弯曲的母线电连接电池的电池单元。
根据一个实施例，所述支腿之间限定的角度不大于90度。
根据本发明，提供了一种电流感测装置，其具有母线；介电材料，其内含有磁场传感器；以及铁磁包覆成型件，其封装所述母线的一部分和所述介电材料，其中所述介电材料抵靠所述母线设置，使得所述磁场传感器与所述母线间隔开，并且所述铁磁包覆成型件不在所述母线与所述磁场传感器之间。
根据一个实施例，所述介电材料是热固性聚合物。
根据一个实施例，所述介电材料封装所述母线的一部分。
根据一个实施例，所述介电聚合物内含有第二磁场传感器。
根据一个实施例，所述第二磁场传感器设置在所述母线的与所述磁场传感器相对的一侧。
根据一个实施例，所述第二磁场传感器与所述磁场传感器设置在所述母线的同一侧。
根据一个实施例，所述铁磁包覆成型件的形状是球形或卵圆形的。
根据一个实施例，所述介电热固性聚合物是环氧树脂。
根据一个实施例，所述铁磁包覆成型件包括环氧树脂。
根据一个实施例，提供了一种电气系统，其具有：多个母线；多个外壳；多个磁场传感器，每个磁场传感器邻近所述母线中的一个设置并且由所述外壳中的一个容纳，其中所述外壳被配置为使磁场传感器与所述母线电绝缘；以及至少一个铁磁包覆成型件，其封装所述母线的一部分和所述外壳。
根据一个实施例，配置为使所述磁场传感器与所述母线电绝缘的所述外壳是介电热固性聚合物。
根据一个实施例，所述介电热固性聚合物包括环氧树脂。
Claims (15)
1.一种电气系统，所述电气系统包括：
弯曲的母线，其限定一对支腿之间的拐角；
磁场传感器，其设置在所述拐角的内部中并且与所述支腿间隔开，使得所述磁场传感器在所述支腿之间；
介电材料，其封装所述磁场传感器并与所述支腿直接接触；以及
铁磁包覆成型件，其封装所述拐角和所述介电材料。
2.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述介电材料是介电热固性聚合物。
3.根据权利要求2所述的电气系统，其中所述热固性聚合物是环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述铁磁包覆成型件包括热固性聚合物。
5.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述磁场传感器是霍尔传感器。
6.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述磁场传感器是磁阻传感器。
7.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述弯曲的母线电连接电池的电池单元。
8.一种电流感测装置，所述电流感测装置包括：
母线；
介电材料，其内含有磁场传感器；以及
铁磁包覆成型件，其封装所述母线的一部分和所述介电材料，其中所述介电材料抵靠所述母线设置，使得所述磁场传感器与所述母线间隔开，并且所述铁磁包覆成型件不在所述母线与所述磁场传感器之间。
9.根据权利要求8所述的电流感测装置，其中所述介电材料是热固性聚合物。
10.根据权利要求8所述的电流感测装置，其中所述介电材料封装所述母线的一部分。
11.根据权利要求8所述的电流感测装置，其中所述介电聚合物内含有第二磁场传感器。
12.根据权利要求9所述的电流感测装置，其中所述介电热固性聚合物为环氧树脂。
13.根据权利要求8所述的电流感测装置，其中所述铁磁包覆成型件包括环氧树脂。
14.一种电气系统，所述电气系统包括：
多个母线；
多个外壳；
多个磁场传感器，每个磁场传感器邻近所述母线中的一个设置并且由所述外壳中的一个容纳，其中所述外壳被配置为使所述磁场传感器与所述母线电绝缘；以及
至少一个铁磁包覆成型件，其封装所述母线的一部分和所述外壳。
15.根据权利要求14所述的电气系统，其中配置为使所述磁场传感器与所述母线电绝缘的所述外壳是介电热固性聚合物。
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