DE102018215801A1

DE102018215801A1 - Elektronikmodul, Leistungselektronik und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018215801A1
Application number: DE102018215801.0A
Authority: DE
Inventors: Marco Igel; Tobias Schlosser; Manuel Raimann; Pengshuai Wang; Ziyu Wang; Junsheng Wei; Michael Kohr; Gerhard Müller; Anton Bichelmeier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul (1), umfassend einen magnetischen Kern (2) und mindestens zwei Stromleiter (3, 4), wobei die mindestens zwei Stromleiter (3, 4) durch eine Öffnung (2'9 des magnetischen Kerns (2) geführt sind, wobei mittels eines Stromflusses entlang der mindestens zwei Stromleiter (3, 4) ein magnetisches Feld erzeugbar ist und wobei zumindest der magnetische Kern (2) innerhalb eines Gehäuses (5) des Elektronikmoduls (1) angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Elektronikmodul (1) zeichnet sich dadurch aus, dass das Elektronikmodul (1) weiterhin einen Stromsensor (6) zum Erfassen einer Stromstärke des Stromflusses entlang der mindestens zwei Stromleiter (3, 4) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine entsprechende Leistungselektronik und ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
Im Stand der Technik sind sog. EMV-Filter („Elektromagnetische Verträglichkeit-Filter“) bekannt, die insbesondere auch in automobilen Anwendungen zur Einhaltung der jeweiligen EMV-Vorschriften Verwendung finden. Diese EMV-Filter sind dazu vorgesehen, hochfrequente elektromagnetische Störungen zu dämpfen, die z.B. beim Betrieb eines Wechselrichters entstehen und sich in elektrischen Leitern ausbreiten. Sie werden in der Regel aus EMV-Drosseln und Kondensatoren aufgebaut. Die EMV-Drosseln bestehen dabei üblicherweise aus einem oder mehreren elektrischen Leitern, z.B. in Form eines Drahtes oder einer Stromschiene, welche durch einen magnetischen Kern, z.B. in Form eines Ringes, geführt sind. Aufgrund der üblicherweise hohen Ströme und der daraus resultierenden Wärmeentwicklung müssen die Stromleiter oft mit einem vergleichsweise großen Querschnitt ausgebildet sein. Als Kernmaterialien kommen in der Regel weichmagnetische Werkstoffe, z.B. Ferrite oder geeignete nanokristalline Werkstoffe, zur Anwendung. Dabei haben Letztere eine deutlich höhere Filterwirkung. Die Kondensatoren können der Drossel vor- oder nachgeschaltet sein. Sie werden elektrisch entweder zwischen den elektrischen Leitern der EMV-Drossel (sog. X-Kondensator) oder zwischen jeweils einem elektrischen Leiter der Drossel und einem elektrischen Bezugspotenzial (sog. Y-Kondensator) angeordnet. Mechanisch werden sie oftmals in den Elektrokomponententräger integriert.
In diesem Zusammenhang beschreibt die WO 2017/211951 A1 eine aktive Störunterdrückungseinrichtung zur Reduzierung einer Störgröße auf einer elektrischen Leitung eines teilweise oder vollständig elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Die Störgröße ist dabei ein Störstrom, der von einer Leistungselektronik erzeugt wird. Mittels eines Stromsensors kann der Strom in der elektrischen Leitung gemessen werden und mittels eines Frequenzfilters können bestimmte Frequenzbereiche des Störstroms gefiltert werden.
Aus der WO 2010/079074 A1 ist ein Verfahren für die Steuerung einer Stromversorgungseinrichtung für mindestens eine elektrische Maschine mit mindestens einer Speichereinrichtung für elektrische Energie und mit einem mindestens eine Drossel umfassenden Wechselrichter für ein Elektrofahrzeug bekannt.
Die DE 10 2004 039 230 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements, bei dem zwei einzelne Teile eines Stromleiters unabhängig voneinander durch ein Innenloch eines Magnetkerns geschoben werden und dann zueinander so ausgerichtet werden, dass sie miteinander überlappende Bereiche aufweisen. Anschließend werden die zwei Teile an den überlappenden Bereichen fest miteinander verbunden.
Die bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass das weichmagnetische Kernmaterial der Drossel, insbesondere wenn es sich um nanokristallines Material handelt, vergleichsweise zerbrechlich und druckempfindlich ist. Deshalb wird der Kern üblicherweise in ein Kunststoffgehäuse eingebettet. Zur mechanischen Anbindung z.B. an das Gehäuse des Wechselrichters oder an eine Trägerplatte ist dann ein weiteres Kunststoffgehäuse notwendig. Hierbei entstehen Schnittstellen, welche Herstellungskosten erzeugen. Zudem ist bei einer Windungszahl von nur „1“ ein vergleichsweise großer Kern notwendig, um eine ausreichende Filterwirkung zu erreichen. Auch dies ist mit vergleichsweise hohen Herstellungskosten verbunden. Durch Erhöhung der Windungszahl kann die Größe des Kerns zwar deutlich reduziert werden. Da bei Hochstromanwendungen, z.B. in E-Fahrzeugen, aufgrund der Wärmeentwicklung in der Regel jedoch Stromleiter mit einem großen Querschnitt verwendet werden müssen, lassen sich mehrere Windungen allerdings nur durch eine aufwendige Verformung der Stromleiter herstellen. Sofern Stromleiter mit einem geringeren Querschnitt verwendet werden sollen, müssen die Windungen gekühlt werden. In beiden Fällen entstehen ebenfalls hohe Kosten und oftmals ist dies technisch auch nicht möglich. Des Weiteren erhöhen sich sowohl die Kosten als auch der Bauraumbedarf durch die üblicherweise getrennt vom Filter angeordnete Stromsensor-Einheit, welche zwangsläufig zur Strommessung benötigt wird, und die zur elektrischen Anbindung der Stromsensor-Einheit benötigten zusätzlichen Stromleiter.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Elektronikmodul vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Elektronikmodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul, umfassend einen magnetischen Kern und mindestens zwei Stromleiter, wobei die mindestens zwei Stromleiter durch eine Öffnung des magnetischen Kerns geführt sind, wobei mittels eines Stromflusses entlang der mindestens zwei Stromleiter ein magnetisches Feld erzeugbar ist und wobei zumindest der magnetische Kern innerhalb eines Gehäuses des Elektronikmoduls angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Elektronikmodul zeichnet sich dadurch aus, dass das Elektronikmodul weiterhin einen Stromsensor zum Erfassen einer Stromstärke des Stromflusses entlang der mindestens zwei Stromleiter umfasst.
Aus der baulichen Integration des Stromsensors in das erfindungsgemäße Elektronikmodul ergibt sich zunächst der Vorteil, dass üblicherweise vorgesehene zusätzliche Stromleiter zur Einbindung des Stromsensors entfallen können. Dies spart Kosten und Bauraum gleichermaßen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Stromsensor innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Alternativ bevorzugt ist der Stromsensor an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet.
Die mindestens zwei Stromleiter stellen in Verbindung mit dem magnetischen Kern einen sog. Elektromagnetische-Verträglichkeit-Filter (EMV-Filter) dar. Die Erfindung erweitert somit einen bekannten EMV-Filter um einen baulich integrierten Stromsensor zur Messung einer Stromstärke in den mindestens zwei Stromleitern.
Das Gehäuse ist bevorzugt einteilig, zweiteilig oder auch mehrteilig ausgebildet und derart an den Kern, die mindestens zwei Stromleiter und den Stromsensor angeformt, dass auf üblicherweise vorgesehene Positionierungsstifte verzichtet werden kann.
Besonders bevorzugt weist das Gehäuse sog. Schnapphaken auf, die eine einfache Montage sowohl der einzelnen Gehäuseteile untereinander ermöglichen als auch eine einfache Montage des Kerns bzw. der Stromleiter am Gehäuse ermöglichen.
Zudem weist das Gehäuse bevorzugt Befestigungslaschen oder Befestigungsöffnungen auf, durch welche das Gehäuse, z.B. mittels Schrauben oder anderer geeigneter Befestigungsmittel, an einer weiteren Vorrichtung befestigt werden kann. Beispielsweise kann das Elektronikmodul auf diese Weise über das Gehäuse mit einer Leistungselektronik oder einem Wechselrichter verbunden werden.
Die Stromleiter sind dabei vorteilhaft derart im bzw. am Gehäuse angeordnet, dass sie eine möglichst einfache Stromleiterform ermöglichen und gleichzeitig raumsparend verlaufen. Dadurch kann der Innendurchmesser des Kerns vergleichsweise klein ausgebildet sein.
Die Form des Kerns ist bevorzugt kreisförmig oder auch elliptisch ausgeführt und die Anordnung des Kerns im Gehäuse kann sowohl liegend als auch stehend erfolgen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass auf das üblicherweise benötigte, gesonderte Schutzgehäuse des Kerns verzichtet wird. Stattdessen wird der Kern direkt in das Gehäuse gefügt.
Die mindestens zwei Stromleiter sind bevorzugt als metallische Stromleiter ausgebildet. Insbesondere bevorzugt handelt es sich um streifenförmige Stanzteile, die aus einem Blech gestanzt wurden. Sie können einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und je nach benötigter elektrischer Leitfähigkeit eine größere oder kleinere Materialstärke bzw. Querschnittsfläche aufweisen. Ggf. können sie auch mit einer Lackierung versehen werden, um eine gewisse elektrische Isolierung aufzuweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Stromsensor als induktiver Stromsensor ausgebildet ist, der anhand des magnetischen Feldes die Stromstärke erfasst. Daraus ergibt sich der Vorteil einer berührungslosen und wechselwirkungsfreien Strommessung. Der Stromsensor beeinflusst nicht die Stromstärke. Zudem ist ein induktiver Stromsensor vergleichsweise kompakt. Auch zusätzliche Stromleitungen zum Stromsensor werden vorteilhaft nicht benötigt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Stromsensor zu den mindestens zwei Stromleitern einen identischen Abstand aufweist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Linien des Magnetfelds den Stromsensor möglichst gleichmäßig und geradlinig durchdringen, was wiederum zu vergleichsweise präzisen Messergebnissen führt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Stromsensor ein U-förmiges und metallisches Blech umfasst, wobei das Blech einen der mindestens zwei Stromleiter von drei Seiten umfasst. In diesem Fall erfolgt die Messung der Stromstärke nur an einem der mindestens zwei Stromleiter. Indem das Blech den Stromleiter von drei Seiten U-förmig umfasst, werden die magnetischen Feldlinien verstärkt und geradlinig ausgerichtet. Dies verbessert die Messgenauigkeit des Stromsensors weiter. Zudem ermöglicht die U-Form des Blechs eine vergleichsweise einfache Anordnung des Stromsensors um den Stromleiter über die offene Seite des Blechs.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Stromleiter jeweils aus mindestens zwei einzelnen Teilstücken bestehen, wobei die Teilstücke derart winklig miteinander verbunden sind, dass sie jeweils eine Windung durch den Kern darstellen. Die Größe des vergleichsweise teuren Kerns kann nämlich vorteilhaft reduziert werden, indem Windungen der mindestens zwei Stromleiter durch den Kern erzeugt werden. Wie sich herausgestellt hat, lassen sich derartige Windungen vergleichsweise einfach erzeugen, indem zwei oder mehr entsprechend vorgeformte Teilstücke nach ihrem Durchführen durch den Kern miteinander verbunden werden, z.B. mittels Schweißen, insbesondere mittels Laserschweißen. Diese Art der Herstellung von Windungen durch den Kern ist deutlich kostengünstiger als das Durchführen von einstückigen Stromleitern durch den Kern und das anschließende Umbiegen der Stromleiter, wie es im Stand der Technik oftmals üblich ist.
Bevorzugt werden die einzelnen Teilstücke derart miteinander verbunden, dass die Verbindungsstellen einen Winkel von 90° aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Stromleiter jeweils aus einer Vielzahl von Teilstücken bestehen, wobei die Teilstücke derart winklig miteinander verbunden sind, dass sie jeweils eine Vielzahl von Windungen durch den Kern darstellen. Je größer dabei die Anzahl von Teilstücken eines jeden Stromleiters ist, desto größer ist auch die Flexibilität bei der Anordnung der Stromleiter im Kern. Dadurch kann eine größere Anzahl von Windungen durch den Kern je Stromleiter realisiert werden und die Stromleiter können vergleichsweise raumsparender angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Gehäuse die mindestens zwei Stromleiter trägt, wobei die Stromleiter derart angeordnet sind, dass zwischen Verbindungsstellen der Teilstücke und dem Gehäuse ein Luftspalt besteht. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Gehäuse die exakte Position der mindestens zwei Stromleiter und insbesondere schon der einzelnen Teilstücke der mindestens zwei Stromleiter vorgibt und entsprechende Halterungsmöglichkeiten bietet, beispielsweise mittels Schnapphaken, welche die Stromleiter vergleichsweise einfach fixieren, sobald diese in Position gebracht wurden.
Durch das anschließende Verbinden bzw. Verschweißen der einzelnen Teilstücke wird auch das Gehäuse stabilisiert und erhält eine verbesserte Festigkeit, da die Stromleiter tragend mit dem Gehäuse verbunden sind.
Indem zwischen den Verbindungsstellen der Teilstücke und dem Gehäuse jeweils ein Luftspalt besteht, können die Teilstücke besonders einfach verschweißt werden, da nur ein stark reduzierter Wärmeübertrag in das üblicherweise aus Kunststoff gefertigte Gehäuse erfolgt. Somit können also die einzelnen Teilstücke vorteilhaft erst nach ihrer Anordnung im oder am Gehäuse miteinander verschweißt werden, wobei gleichzeitig eine Beschädigung des Gehäuses vermieden wird. Auch der Schweißvorgang als solcher kann beschleunigt werden, da die Verbindungsstellen durch die reduzierte Wärmeabfuhr vergleichsweise schneller die zum Schweißen benötigte Temperatur erreichen und diese auch bei vergleichsweise geringerer Energiezufuhr halten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Elektronikmodul auch mindestens einen Kondensator umfasst, wobei der mindestens eine Kondensator entweder zwischen den mindestens zwei Stromleitern oder zwischen einer Stromschiene und einem elektrischen Bezugspotenzial angeordnet ist. Je nach ihrer Anordnung werden die Kondensatoren entweder als X-Kondensatoren (Anordnung zwischen den mindestens zwei Stromleitern) oder als Y-Kondensatoren (Anordnung zwischen einer Stromschiene und einem elektrischen Bezugspotenzial) bezeichnet. Die Kondensatoren können Stromspitzen und hochfrequente Stromschwankungen teilweise aufnehmen und somit die Wirkung des EMV-Filters weiter verbessern. Die Kondensatoren sind bevorzugt im Gehäuse oder am Gehäuse angeordnet.
Das Bezugspotential ist bevorzugt ein Neutralleiter, der auf dem elektrischen Potential „Null“ liegt. Z.B. kann das Gehäuse einen derartigen Neutralleiter aufweisen, wobei das Gehäuse in diesem Fall seinerseits mit einem entsprechenden elektrischen „Null“-Potential verbunden sein kann. Eine derartige Verbindung kann z.B. über die mechanische Anbindung des Gehäuses an eine weitere Vorrichtung erfolgen, insbesondere dann, wenn das Gehäuse mittels metallischer Schrauben oder anderer gut leitender Befestigungsmittel mit der weiteren Vorrichtung verbunden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Stromleiter mit einer Wärmesenke in Wärmeleitverbindung stehen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die mindestens zwei Stromleiter im Betrieb des Elektronikmoduls eine verbesserte Kühlwirkung erfahren, wodurch die mindestens zwei Stromleiter wiederum kleiner und raumsparender dimensioniert werden können, ohne dass es zu einer Beschädigung der mindestens zwei Stromleiter bzw. des Elektronikmoduls durch Überhitzung kommt, ein sog. „Durchbrennen“ kann also vermieden werden. Dem unerwünschten Effekt der immer weiter zunehmenden Erhitzung der Stromleiter bei hohen Strömen und des dadurch mit der Temperatur wiederum zunehmenden elektrischen Widerstands der Stromleiter, welcher in Folge wieder zu einer weiteren Erhitzung führt usw., kann somit vorgebeugt werden.
Die Wärmesenke ist bevorzugt als metallische Folie oder als metallisches Blech ausgebildet, wobei die Folie oder das Blech in mechanischer Verbindung mit einem Längenabschnitt der mindestens zwei Stromleitern steht. Je größer der Längenabschnitt ist, desto besser ist entsprechend auch die Wärmeabfuhr von den Stromleitern in die Wärmesenke.
Das Metall der Folie oder des Blechs ist bevorzugt Kupfer oder ein anderes Metall mit einer vergleichsweise großen Wärmekapazität und einer vergleichsweise guten Wärmeleitfähigkeit. Je größer die Wärmekapazität ist, desto mehr Wärme kann die Folie bzw. das Blech aufnehmen. Je besser die Wärmeleitfähigkeit ist, desto besser kann die Folie bzw. das Blech die Wärme aufnehmen und wieder abführen.
Alternativ bevorzugt ist die Wärmesenke aus einem thermisch sehr gut leitenden und elektrisch möglichst nicht leitenden Material ausgebildet, wie z.B. bestimmten Kunststoffen. Auch Diamant weist eine sehr gute thermische Leitfähigkeit bei sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit auf.
Auch die Wärmesenke ist vorteilhaft in das Gehäuse integriert oder an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet. Somit ist das Elektronikmodul baulich insgesamt sehr kompakt ausgebildet, trotz der Vielzahl an Komponenten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmesenke in Wärmeleitverbindung mit einer Fläche des Gehäuses steht. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Wärmesenke ihrerseits die von den mindestens zwei Stromleitern zugeführte Wärme an das Gehäuse abgeben kann. Dies verbessert die Kühlwirkung insgesamt, da auf diese Weise die Wärmekapazität des Gehäuses die Wärmekapazität der Wärmesenke vergrößert.
Besonders bevorzugt kann die Wärmesenke auch als aktiv kühlbares Peltier-Element ausgebildet sein. Dies bietet eine nochmals verbesserte Kühlwirkung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmesenke, der Kern, die mindestens zwei Stromleiter, der Stromsensor und der mindestens eine Kondensator innerhalb des Gehäuses angeordnet sind oder außerhalb des Gehäuses am Gehäuse angeordnet sind. Daraus ergibt sich der Vorteil eines sehr kompakten und raumsparenden Aufbaus des Elektronikmoduls, in etwa vergleichbar mit dem Aufbau und Raumbedarf von bekannten EMV-Filtern. Im Gegensatz zu diesen stellt das Elektronikmodul jedoch zusätzlich einen Stromsensor zum Erfassen der Stromstärke eines Stromflusses entlang der mindestens zwei Stromleiter sowie eine Kühlfunktion für die mindestens zwei Stromleiter bereit.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Leistungselektronik für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Wechselrichter und ein erfindungsgemäßes Elektronikmodul. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul genannten Vorteile auch für die erfindungsgemäße Leistungselektronik.
Eine derartige Leistungselektronik wird bevorzugt für einen elektrischen Antriebsstrang eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs verwendet. Es handelt sich also um ein sog. Hybrid-Fahrzeug oder ein reines E-Fahrzeug. Zum Betrieb derartiger Fahrzeuge sind leistungsstarke Elektromotoren von Nöten, die vergleichsweise hohe elektrische Ströme benötigen. Durch die hohen Ströme und die schnellen Schaltgeschwindigkeiten der Leistungselektronik, welche den Gleichstrom der Fahrzeugbatterie mittels eines Wechselrichters umrichtet, entstehen üblicherweise starke elektromagnetische Schwingungen, die sich nicht nur innerhalb der Leiterstrukturen des Fahrzeugs ausbreiten, sondern auch abgestrahlt werden können. Gleichzeitig steht in der Regel nur ein eng begrenzter Bauraum bei gleichzeitig hohem Kostendruck zur Verfügung. Die erfindungsgemäße Elektronikanordnung begegnet allen diesen Problemen gleichermaßen wirkungsvoll.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße Leistungselektronik. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich bevorzugt um ein sog. Hybrid-Fahrzeug oder ein reines E-Fahrzeug.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls,
2 beispielhaft und schematisch eine erste mögliche Anordnungsform des Stromsensors bei den Stromleitern,
3 beispielhaft und schematisch eine zweite mögliche Anordnungsform des Stromsensors bei den Stromleitern,
4 beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls,
5 beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls,
6 das Elektronikmodul der 5, wobei das Gehäuse für die Darstellung der 6 entfernt wurde,
7 ebenfalls das Elektronikmodul der 5, wobei 7a eine Ansicht des Elektronikmoduls von unten zeigt und 7b eine Schrägsicht auf das Elektronikmodul ohne Gehäuse zeigt,
8 ebenfalls das Elektronikmodul der 5, wobei 8a eine Ansicht des Elektronikmoduls von unten zeigt und 8b eine Schrägsicht auf das Elektronikmodul ohne Gehäuse zeigt,
9 beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls,
10 das Elektronikmodul der 9, wobei das Gehäuse für die Darstellung der 10 entfernt wurde,
11 beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls und
12 das Elektronikmodul der 11, wobei das Gehäuse für die Darstellung der 12 entfernt wurde.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
1 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls 1. Das Elektronikmodul 1 umfasst einen magnetischen Kern 2 und zwei Stromleiter 3 und 4, wobei die zwei Stromleiter 3 und 4 durch eine Öffnung 2' des Kerns 2 geführt sind. Wie zu sehen ist, sind die zwei Stromleiter 3 und 4 sogar jeweils zweimal durch den Kern 3 geführt, so dass sie jeweils eine Windung durch den Kern 2 bzw. um den Kern 2 darstellen. Da die Herstellung derartiger Windungen technisch aufwändig und entsprechend teuer ist, insbesondere bei beengten Platzverhältnissen wie bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul 1, bestehen die zwei Stromleiter 3 und 4 jeweils aus mindestens zwei einzelnen Teilstücken (nicht dargestellt in 1), die derart winklig miteinander verbunden sind, dass sie jeweils die dargestellte Windung durch den Kern 2 bewirken. Da das erfindungsgemäße Elektronikmodul 1 u.a. eine Funktion als EMV-Filter erfüllt, kann so die Wirksamkeit der EMV-Filterung verbessert werden. Im Betrieb des Elektronikmoduls 1 fließt ein Stromfluss entlang der zwei Stromleiter 3 und 4, wodurch ein magnetisches Feld erzeugt wird. Der Kern 2 und die Stromleiter 3 und 4 sind dabei innerhalb eines Gehäuses 5 angeordnet. Dieses Gehäuse 5 umfasst weiterhin einen Stromsensor 6 zum Erfassen einer Stromstärke des Stromflusses entlang der mindestens zwei Stromleiter 3 und 4. Der Stromsensor 6 ist beispielsgemäß derart ausgebildet, dass er einen der zwei Stromleiter 3 und 4, beispielsgemäß den Stromleiter 3, von drei Seiten mittels eines U-förmigen und metallischen Blechs 6' umfasst. Da es sich gemäß dem Beispiel der 1 um einen induktiven Stromsensor 6 handelt, erfasst der Stromsensor 6 die Stromstärke im Stromleiter 3 berührungslos anhand des erzeugten magnetischen Felds im Blech 6'. Indem die vierte Seite des Blechs 6' offen ist, kann der Stromsensor 6 bzw. das Blech 6' vergleichsweise einfach über den Stromleiter 3 geschoben werden, um dort die Stromstärke zu erfassen. Da der Stromleiter 3 und der Stromleiter 4 Zu- und Ableitungen des Stroms für einen gemeinsamen Verbraucher von einer gemeinsamen Quelle darstellen, fließt in beiden Stromleitern 3 und 4 jederzeit ein Stromfluss identischer Stromstärke. Wie ebenfalls zu sehen ist, umfasst das Elektronikmodul 1 im Gehäuse 5 einen Kondensator 7, welcher mit den Stromleitern 3 und 4 elektrisch leitend verbunden ist. Der Kondensator 7 verbessert die Filterwirkung der EMV-Funktionalität des Elektronikmoduls 1. Beispielsgemäß sind alle in 1 gezeigten Komponenten des Elektronikmoduls 1, nämlich der Kern 2, die zwei Stromleiter 3 und 4, der Stromsensor 6 und der Kondensator 7 innerhalb des Gehäuses 5 angeordnet. Das Elektronikmodul 1 ist daher sehr kompakt und raumsparend ausgebildet, stellte aber gegenüber bekannten EMV-Filter zusätzlich den Stromsensor 6 zum Erfassen der Stromstärke des Stromflusses entlang der Stromleiter 3 und 4 bereit.
2 zeigt beispielhaft und schematisch eine erste mögliche Anordnungsform des Stromsensors 6 bei den Stromleitern 3 und 4. Beispielsgemäß handelt es sich um einen induktiven Stromsensor 6, welcher zu den beiden Stromleitern 3 und 4 jeweils einen identischen Abstand aufweist. Dies führt zu einer möglichst gleichmäßigen Durchdringung des Stromsensors 6 mit den erzeugten magnetischen Feldlinien 9 (siehe 2a), was wiederum die Messgenauigkeit verbessert. Wie weiterhin zu sehen ist, ist der Stromsensor 6, ebenso wie ein Längenabschnitt der zwei Stromleiter 3 und 4, auf einer PCB-Leiterplatte 8 angeordnet. Dies begünstigt eine zuverlässige Befestigung des Stromsensors 6 in einem definierten Abstand zu den Stromleitern 3 und 4. Wie in 2a außerdem zu sehen ist, ist der Stromsensor 6 beispielsgemäß auf der den Stromleitern 3 und 4 gegenüberliegenden Seite der PCB-Leiterplatte 8 angeordnet. Daraus ergibt sich eine vereinfachte Anordnung des Stromsensors 6. Alternativ kann der Stromsensor 6 jedoch auch auf der selben Seite wie die Stromleiter 3 und 4 angeordnet werden. Beispielsgemäß ist die PCB-Leiterplatte 8 an einer Außenseite des in 2 nicht dargestellten Gehäuses angeordnet.
3 zeigt beispielhaft und schematisch eine zweite mögliche Anordnungsform des Stromsensors 6 bei den Stromleitern 3 und 4. Wie in 3b anschaulich zu sehen ist, umfasst der Stromsensor 6 ein U-förmiges und metallisches Blech 6', wobei das Blech 6' den Stromleiter 3 von drei Seiten umfasst. Indem das Blech 6' den Stromleiter 3 U-förmig umfasst, werden die vom Stromleiter 3 ausgehenden Feldlinien 9 geradlinig im Bereich des Stromsensors 6 ausgerichtet und verstärkt, so dass der Stromsensor 6 eine nochmals verbesserte Messgenauigkeit aufweist, da die Feldlinien 9 den Stromsensor 6 gerade und gleichmäßig durchlaufen. Der Stromsensor 6 ist dabei lateral mittig auf dem Stromleiter 3 angeordnet und von diesem nur durch die PCB-Leiterplatte 8 getrennt.
4 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls 1. In der Darstellung der 4 ist das Elektronikmodul 1 nur ansatzweise zu sehen: Zu sehen sind der Kern 2, durch welchen die Stromleiter 3 und 4 geführt sind, sowie eine einzelne Wand des Gehäuses 5. Die Stromleiter 3 und 4 bilden jeweils eine Windung um den Kern 3, so dass sie auch über dessen Außenseite geführt sind. Zur besseren Wärmeabfuhr bzw. Kühlung der Stromleiter 3 und 4 stehen diese über einen bestimmten Längenabschnitt mit einer Wärmesenke 10 in Wärmeleitverbindung. Bei der Wärmesenke 10 handelt es sich beispielsgemäß um ein Kupferblech 10, welches einen Teil der durch den Stromfluss in den Stromleitern 3 und 4 erzeugten Wärme aufnimmt und aufgrund seiner vergleichsweise großen Oberfläche besser an die Umgebung abgeben kann. Zudem steht die Wärmesenke 10 auch mit dem Gehäuse 5 in Wärmeleitverbindung, so dass ein Anteil der von der Wärmesenke 10 aufgenommenen Wärme direkt an das Gehäuse 5 abgegeben werden kann. Daraus resultiert eine verbesserte Kühlwirkung für die Stromleiter 3 und 4.
5 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls 1. Zu sehen ist dabei das Elektronikmodul 1 in einer Ansicht von schräg oben (5a) sowie in einer Ansicht von schräg unten ( 5b). Das Gehäuse 5 haust einen nicht dargestellten Kern 2 ein. Auf dem Gehäuse 5 sowie auch teilweise im Gehäuse 5 sind die Stromleiter 3 und 4 angeordnet. An einer Oberseite des Gehäuses 5 befindet sich zudem ein Kondensator 7. An einer Unterseite des Gehäuses 5 ist eine PCB-Leiterplatte 8 angeordnet, welche einen nicht dargestellten Stromsensor 6 trägt. Um die magnetischen Feldlinien im Bereich des nicht dargestellten Stromsensors 6 zu verstärken, weisen die Stromleiter 3 und 4 im Bereich des Stromsensors 6 einen verringerten Abstand voneinander auf. Zu sehen sind außerdem Befestigungsöffnungen 11, durch welche das Gehäuse 5 mittels Schrauben an einer weiteren, nicht dargstellten Vorrichtung befestigt werden kann.
6 zeigt das Elektronikmodul 1 der 5, wobei das Gehäuse 5 für die Darstellung der 6 entfernt wurde. In 6a und 6b ist aus jeweils unterschiedlichen Perspektiven zu sehen, wie die Stromleiter 3 und 4 durch den Kern 2 geführt sind und dabei jeweils eine Windung aufweisen. Ebenfalls zu sehen ist, dass die Stromleiter 3 und 4 aus jeweils einer Vielzahl von Teilstücken bestehen, wobei die Teilstücke derart winklig miteinander verbunden sind, dass sie jeweils eine Windung durch den Kern darstellen. Die Verbindungsstellen weisen dabei jeweils einen Winkel von 90 ° auf, so dass die Stromleiter 3 und 4 nicht mehr umgeformt werden müssen, nachdem die einzelnen Teilstücke durch den Kern 2 geführt wurden. Stattdessen werden die einzelnen Teilstücke zunächst im Kern 2 bzw. am Gehäuse 5 angeordnet und beispielsgemäß anschließend mittels Laserschweißen fest verbunden. In 6c sind die Stromleiter 3 und 4 der besseren Anschaulichkeit wegen ohne den Kern 2 dargestellt.
7 zeigt ebenfalls das Elektronikmodul 1 der 5, wobei 7a eine Ansicht des Elektronikmoduls 1 von unten zeigt und 7b eine Schrägsicht auf das Elektronikmodul 1 ohne Gehäuse 5 zeigt. Im Ausführungsbeispiel der 7 ist der Stromsensor 6 mittig oberhalb der Stromleiter 3 und 4 angeordnet, so dass er zu beiden Stromleitern 3 und 4 einen identischen Abstand aufweist. Um den Abstand möglichst gering zu halten und die Feldstärke der magnetische Feldlinien 9 im Bereich des Stromsensors 6 möglichst zu verstärken, sind die Stromleiter 3 und 4 im Bereich des Stromsensors 6 mit einem vergleichsweise reduzierten Abstand zueinander angeordnet. Auch in diesem Fall ist der Stromsensor 6 auf einer PCB-Leiterplatte 8 angeordnet, welche ihrerseits auf den Stromleitern 3 und 4 angeordnet ist. Die PCB-Leiterplatt 8 weist außerdem einen Stromanschluss12 auf, welcher beispielsgemäß den Stromleiter 4 elektrisch leitend kontaktiert. Die PCB-Leiterplatte 8 ist mechanisch fest mit einer Außenseite des Gehäuses 5 verbunden.
8 zeigt ebenfalls das Elektronikmodul 1 der 5, wobei 8a eine Ansicht des Elektronikmoduls 1 von unten zeigt und 8b eine Schrägsicht auf das Elektronikmodul 1 ohne Gehäuse 5 zeigt. Im Gegensatz zur Darstellung der 7 weist das Elektronikmodul 1 der 8 jedoch einen Stromsensor 6 auf, welcher ein U-förmiges und metallisches Blech 6' umfasst, wobei das Blech 6' den Stromleiter 3 von drei Seiten umfasst.
9 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls 1. Zu sehen ist dabei das Elektronikmodul 1 in einer Ansicht von schräg oben (9a) sowie in einer Ansicht von schräg unten ( 9b). Das Elektronikmodul der 9 entspricht dabei im Wesentlichen dem Elektronikmodul 1 der 5 und umfasst insbesondere dieselben Komponenten: Den nicht dargestellten Kern 2, das Gehäuse 5, die Stromleiter 3 und 4, den Kondensator 7 sowie die PCB-Leiterplatte 8 mit dem Stromsensor 6 und dem Stromanschluss 12. Nicht umfasst ist eine Wärmesenke 10, allerdings könnte diese bei Bedarf auf einfache Weise am Gehäuse 5 angeordnet werden. An seiner Unterseite weist das Gehäuse 5 zudem Öffnungen für die Stromleiter 3 und 4 auf, so dass diese auf einfache Weise mit einer nicht dargestellten Wärmesenke 10 in Wärmeleitverbindung gebracht werden können. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr weisen die Stromleiter 3 und 4 dazu eine abgeflachte Kontaktfläche im Bereich der Öffnungen auf.
10 zeigt das Elektronikmodul 1 der 9, wobei das Gehäuse 5 für die Darstellung der 10 entfernt wurde. In 10a und 10b ist aus jeweils unterschiedlichen Perspektiven zu sehen, wie die Stromleiter 3 und 4 durch den Kern 2 geführt sind und dabei die jeweils eine Windung aufweisen. Ebenfalls zu sehen ist, dass die Stromleiter 3 und 4 aus jeweils einer Vielzahl von Teilstücken bestehen, wobei die Teilstücke derart winklig miteinander verbunden sind, dass sie eine Windung durch den Kern darstellen. Die Verbindungsstellen weisen dabei jeweils einen Winkel von 90 ° auf, so dass die Stromleiter 3 und 4 nicht mehr umgeformt werden müssen, nachdem die einzelnen Teilstücke durch den Kern 2 geführt wurden. Stattdessen werden die einzelnen Teilstücke zunächst im Kern 2 bzw. am Gehäuse 5 angeordnet und beispielsgemäß anschließend mittels Laserschweißen fest verbunden. In 10c sind die Stromleiter 3 und 4 der besseren Anschaulichkeit wegen ohne den Kern 2 dargestellt.
11 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls 1. Zu sehen ist dabei das Elektronikmodul 1 in einer Seitenansicht (11 a), einer Ansicht von schräg oben (11b) sowie in einer Ansicht von schräg unten (11c). Das Elektronikmodul der 11 entspricht dabei im Wesentlichen dem Elektronikmodul 1 der 5 sowie dem Elektronikmodul 1 der 9 und umfasst insbesondere dieselben Komponenten: Den nicht dargestellten Kern 2, das Gehäuse 5, die Stromleiter 3 und 4, den Kondensator 7 sowie die PCB-Leiterplatte 8 mit dem Stromsensor 6 und dem Stromanschluss 12. Ebenfalls umfasst ist eine Wärmesenke 10.
12 zeigt das Elektronikmodul 1 der 11, wobei das Gehäuse 5 für die Darstellung der 12 entfernt wurde. In 12a und 12b ist aus jeweils unterschiedlichen Perspektiven zu sehen, wie die Stromleiter 3 und 4 durch den Kern 2 geführt sind und dabei die jeweils eine Windung aufweisen. Ebenfalls zu sehen ist, dass die Stromleiter 3 und 4 aus jeweils einer Vielzahl von Teilstücken bestehen, wobei die Teilstücke derart winklig miteinander verbunden sind, dass sie eine Windung durch den Kern darstellen. Die Verbindungsstellen weisen dabei jeweils einen Winkel von 90 ° auf, so dass die Stromleiter 3 und 4 nicht mehr umgeformt werden müssen, nachdem die einzelnen Teilstücke durch den Kern 2 geführt wurden. Stattdessen werden die einzelnen Teilstücke zunächst im Kern 2 bzw. am Gehäuse 5 angeordnet und beispielsgemäß anschließend mittels Laserschweißen fest verbunden. In 12c sind die Stromleiter 3 und 4 der besseren Anschaulichkeit ohne den Kern 2 dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Elektronikmodul
2: magnetischer Kern
2': Öffnung des Kerns
3: Stromleiter
4: Stromleiter
5: Gehäuse
6: Stromsensor
6: U-förmiges, metallisches Blech
7: Kondensator
8: PCB-Leiterplatte
9: magnetische Feldlinien
10: Wärmesenke
11: Öffnung
12: Stromanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/211951 A1 [0003]
WO 2010/079074 A1 [0004]
DE 102004039230 A1 [0005]

Claims

Elektronikmodul (1), umfassend einen magnetischen Kern (2) und mindestens zwei Stromleiter (3, 4), wobei die mindestens zwei Stromleiter (3, 4) durch eine Öffnung (2'9 des magnetischen Kerns (2) geführt sind, wobei mittels eines Stromflusses entlang der mindestens zwei Stromleiter (3, 4) ein magnetisches Feld erzeugbar ist und wobei zumindest der magnetische Kern (2) innerhalb eines Gehäuses (5) des Elektronikmoduls (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikmodul (1) weiterhin einen Stromsensor (6) zum Erfassen einer Stromstärke des Stromflusses entlang der mindestens zwei Stromleiter (3, 4) umfasst.
Elektronikmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (6) als induktiver Stromsensor (6) ausgebildet ist, der anhand des magnetischen Feldes die Stromstärke erfasst.
Elektronikmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (6) zu den mindestens zwei Stromleitern (3, 4) einen identischen Abstand aufweist.
Elektronikmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (6) ein U-förmiges und metallisches Blech (6') umfasst, wobei das Blech (6') einen der mindestens zwei Stromleiter (3, 4) von drei Seiten umfasst.
Elektronikmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Stromleiter (3, 4) jeweils aus mindestens zwei einzelnen Teilstücken bestehen, wobei die Teilstücke derart winklig miteinander verbunden sind, dass sie jeweils eine Windung durch den Kern (2) darstellen.
Elektronikmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Stromleiter (3, 4) jeweils aus einer Vielzahl von Teilstücken bestehen, wobei die Teilstücke derart winklig miteinander verbunden sind, dass sie jeweils eine Vielzahl von Windungen durch den Kern (2) darstellen.
Elektronikmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) die mindestens zwei Stromleiter (3, 4) trägt, wobei die Stromleiter (3, 4) derart angeordnet sind, dass zwischen Verbindungsstellen der Teilstücke und dem Gehäuse (5) ein Luftspalt besteht.
Elektronikmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikmodul (1) auch mindestens einen Kondensator (7) umfasst, wobei der mindestens eine Kondensator (7) entweder zwischen den mindestens zwei Stromleitern (3, 4) oder zwischen einem Stromleiter (3, 4) und einem elektrischen Bezugspotenzial angeordnet ist.
Elektronikmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Stromleiter (3, 4) mit einer Wärmesenke (10) in Wärmeleitverbindung stehen.
Elektronikmodul (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (10) in Wärmeleitverbindung mit einer Fläche des Gehäuses (5) steht.
Leistungselektronik für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Wechselrichter und ein Elektronikmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10.
Kraftfahrzeug, umfassend eine Leistungselektronik nach Anspruch 11.