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CN102162820B - 电流传感器及具备该电流传感器的蓄电池 - Google Patents

电流传感器及具备该电流传感器的蓄电池 Download PDF

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CN102162820B CN201110038222.9A CN201110038222A CN102162820B CN 102162820 B CN102162820 B CN 102162820B CN 201110038222 A CN201110038222 A CN 201110038222A CN 102162820 B CN102162820 B CN 102162820B
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Abstract

本发明提供一种电流传感器及具备该电流传感器的蓄电池，其目的之一在于扩大电流检测范围、且提高响应速度。其中，采用如下构成：具备因被测电流引发的感应磁场的施加导致电阻值改变的磁检测元件、被配置在磁检测元件的附近的磁芯、和产生削弱感应磁场的线圈，在线圈中流动着磁检测元件的输出电压在规定范围内的一定电平的电流，基于磁检测元件的输出电压进行被测电流的检测。

Description

电流传感器及具备该电流传感器的蓄电池
技术领域
本发明涉及具有磁芯的磁比例式的电流传感器及具备该电流传感器的蓄电池。
背景技术
在电动汽车中，利用二次电池所蓄积的电力来驱动电动机，并且该电动机驱动用的电流大小，例如是通过电流传感器检测的。作为该电流传感器例如有磁平衡式电流传感器(例如，参照专利文献1、专利文献2)。
在该磁平衡式电流传感器中，当在一次导体中流动被测电流时，由于与被测电流相应的一次磁场而在磁检测元件中产生输出电压，并将从该磁检测元件输出的电压信号转换成电流，而流到由线圈组成的二次导体(进行负反馈)。以由在该二次导体中流动的电流发生的磁场(抵消磁场)和由被测电流产生的磁场相互抵消、磁场总为零的方式进行动作。此时，将在二次导体中流动的电流转换成电压，并作为输出来获取。
【专利文献1】日本特开昭55-101057号公报
【专利文献2】日本特开2009-168644号公报
可是，在磁平衡式电流传感器中，因为需要以将从磁检测元件输出的电压信号转换成电流之后进行负反馈，以使抵消由被测电流产生的磁场，并且将成为二次导体的线圈电流(τ＝L/R)转换成电压作为输出来获取，因此存在着电流检测的响应速度低下的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题进行的，其目的之一在于提供一种电流检测的相应速度快的电流传感器。
本发明的电流传感器的一个形态，其特征在于，具备：磁检测元件，因被测电流引发的感应磁场的施加导致电阻值改变；磁芯，被配置在磁检测元件的附近；和线圈，产生削弱感应磁场的磁场，在线圈中流动着磁检测元件的输出电压在规定范围内的一定电平的电流，基于磁检测元件的输出电压进行被测电流的检测。
在本发明的电流传感器中，优选在磁检测元件的输出电压超过了规定范围时，一定电平的电流阶梯改变，输出电压被保持在所述规定范围内。
在本发明的电流传感器中，优选还具有：信号处理部，监视磁检测元件的输出电压；和电流控制部，在磁检测元件的输出电压超过了规定范围时，基于来自信号处理部的信号来阶梯改变在线圈中流动的电流值，并将输出电压保持在规定范围内。
在本发明的电流传感器中，优选磁检测元件是磁阻效应元件。
在本发明的电流传感器中，优选根据磁检测元件的输出电压的改变程度来确定在线圈中流动的电流值。
本发明的一种蓄电池，其特征在于，具备上述的电流传感器。
(发明效果)
根据本发明的一个方式，在具备因被测电流引发的感应磁场的施加导致电阻值改变的磁检测元件、被配置在磁检测元件的附近的磁芯、和产生削弱感应磁场的磁场的线圈的电流传感器中，由于在线圈中流动着在磁检测元件的输出电压的规定范围内且与被测电流的大小相应的某一定电平的电流，基于磁检测元件的输出电压进行被测电流的检测，因此与磁平衡式电流传感器相比，可进行响应速度快的电流检测。另外，由于能够将从磁检测元件输出的输出电压设在规定范围内，因此能高精度地检测被测电流。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的电流传感器的一例的图。
图2是说明本发明的实施方式所涉及的磁检测元件的输出电压和线圈电流之间关系的图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的电流传感器的一例的图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的电流传感器的动作一例的图。
图5是说明本发明的实施方式所涉及的磁检测元件的输出电压和线圈电流之间关系的图。
图6是表示将本发明的实施方式所涉及的电流传感器应用于蓄电池的使用方式的一例的图。
图7是说明将本发明的实施方式所涉及的电流传感器应用于蓄电池情况下的磁检测元件的输出电压和线圈电流之间关系的图。
图8是说明将本发明的实施方式所涉及的电流传感器应用于蓄电池情况下的蓄电池的使用范围的图。
图9是表示电流控制部的电路结构的一例的图。
符号说明：
101-磁检测元件，102-磁芯，103-线圈，104-电流控制部，105-信号处理部。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
图1所示的电流传感器具有：因被测电流I引发的感应磁场的施加导致电阻值改变的磁检测元件101、被配置在磁检测元件101附近的磁芯102、及产生用于削弱因被测电流I引发的感应磁场的磁场的线圈103。
作为磁检测元件101，能够使用TMR(隧道型磁阻效应元件)、GMR元件(特大型磁阻效应元件)等的磁阻效应元件、霍尔元件或霍尔IC等的磁传感器。尤其是，通过使用磁阻效应元件，从而能够加速电流检测的响应速度。
可采用磁芯102被设置在流动被测电流I的导体周围、且在该磁芯102周围设置了线圈103的构成。磁检测元件101能够设置在磁芯102的缺口(gap)部。
另外，在图1所示的电流传感器中，虽然与磁平衡式电流传感器同样具有线圈103，但是为磁比例式的结构：在线圈103中流动着磁检测元件101的输出电压在规定范围(阈值)内的一定电平的电流，基于磁检测元件101的输出电压进行被测电流检测。即、在本实施方式的电流传感器中，不是总向线圈103流东抵消因被测电流I引发的磁场以使磁场为零这样的电流，来基于线圈电流进行被测电流I测定，而是基于从磁检测元件101输出的输出电压来进行被测电流的测定。另外，为使磁检测元件101的输出电压被保持在规定范围内，而对线圈103设定与被测电流I(磁场B1)大小相应的一定电平的电流值。
这样，由于通过基于从磁检测元件101输出的输出电压来进行被测电流的测定，从而磁检测元件101的响应速度为对电流的响应速度，故与磁平衡式电流传感器相比，可进行响应速度快的电流检测。另外，由于通过根据被测电流I(磁场B1)的大小对线圈103设定一定电平的电流值，从而能将磁检测元件101的输出电压设在规定范围内，故与未设置线圈103的比例式电流传感器相比，能提高检测灵敏度。
接着，参照图2，对本实施方式所示的电流传感器中的磁检测元件101的输出电压和在线圈103中流动的一定电平的电流之间关系进行说明。
在图2中，示出由磁检测元件101检测出的输出电压的容许范围被设定在V1～V2的范围内，输出电压的下限及上限的阈值电压分别被设定为V3、V4的情况。另外，示出作为在线圈103中流动的电流值，设定了一定电平的电流值(A1、A2、A3)的情况。此外，假设满足V1＜V2、V3＜V4、V1≤V3、V4≤V2、且A1＜A2＜A3。V1～V4、A1～A3的值能够根据使用方式适当设定，作为一例，能够假设V1＝0.5V、V2＝4.5V、V3＝1V、V4＝4V、A1＝0mA、A2＝5mA、A3＝10mA。当然，并不限定于这些数值。
在稳态下，在线圈103中，根据被测电流I(磁场B1)的大小范围设定了一定电平的电流值(A1、A2、A3中的任意一个)，磁检测元件101的输出电压被保持在阈值范围V1～V4内。
在因被测电流I引发的磁场导致磁检测元件101的输出电压变得比阈值电压V4大的情况下，在线圈103中流动的一定电平的电流值阶梯(例如，从A1至A2)改变。由于通过线圈103的电流值的增加而产生削弱因被测电流I引发的磁场(B1)的磁场(B2)(变强)，因此能够将磁检测元件101的输出电压再次保持在规定范围内(V3和V4之间)。并且，在线圈103中，在磁检测元件101的输出电压的阈值内保持了一定电平的电流值(A2)，基于磁检测元件101的输出电压进行了被测电流的检测。
同样地，在因被测电流I引发的磁场导致磁检测元件101的输出电压变得比阈值电压V3小的情况下，为使磁检测元件101的输出电压处于规定范围内，而使在线圈103中流动的一定电平的电流值从A2变为A1，磁检测元件101的输出电压被保持在V3和V4之间。
即、在本实施方式所示的电流传感器中，只要磁检测元件101的输出电压处于规定范围(V3和V4范围)内，在线圈103中流动的电流就为一定值，但是在磁检测元件的输出电压超过了规定范围时，为使输出电压处于规定范围内，而使在线圈中流动的电流值阶梯改变。电流传感器检测的在导体中流动的电流值，能根据磁检测元件101的输出电压和对线圈103设定的一定电平的电流值来确定。
这样，通过将在线圈103中流动的电流值设定为一定电平、并在规定范围内检测来自磁检测元件101的输出电压，从而能够高精度地检测导体的电流值，并且能够扩大可测定的电流范围。
另外，由于通过基于磁检测元件101的输出电压来检测导体的电流值，从而磁检测元件101的响应速度变为对电流的响应速度，故与直接反馈磁检测元件101的输出电压的磁平衡式电流传感器相比，可进行响应速度快的电流检测。例如，在以往的磁平衡式电流传感器中，在假定磁芯的导磁率为50、线圈半径为1mm、线圈长度为15cm、线圈匝数为4000匝的情况下，电感L约为20mH，当假定电流电压转换的电阻为1000Ω时，时间常数τ＝20μsec，在负反馈电路中产生了20μsec的延迟。另一方面，在不进行负反馈的本发明的电流传感器中，由于不具有负反馈电路，因此时间常数为0。
在上述的电流传感器中，磁检测元件101的输出电压的检测以及对线圈103设定的一定电平的电流值的控制，能够通过电流控制部104进行。电流控制部104既可以采用设置在电流传感器内的构成，也可以采用设置在与电流传感器连接的外部装置侧的构成。在图3中示出设置了电流控制部104及控制该电流控制部104的信号处理部105的电流传感器的一例。
信号处理部105，输出磁检测元件101的电流检测结果，并监视输出电压。监视输出电压的结果，在判断出需要变更线圈电流的情况下，将该信号发送至电流控制部104，来控制线圈103的电流值。具体而言，具有如下功能：判断磁检测元件101的输出电压是否在规定范围内，在输出电压超过了规定值的情况下，改变线圈103的电流电平(参照图3(A)、(B))。
在图9中示出电流控制部104的电路结构的一例。通过来自信号处理部105的电压信号Vin来控制Iout。电路能够采用组合了运算放大器和晶体管的构成。以下，参照图4，对本实施方式所示的电流传感器的动作进行说明。
首先，当信号处理部105检测来自磁检测元件101的输出电压(步骤1)之后，进行该输出电压是否在规定范围内的判定(阈值判定)(步骤2)。
在步骤2中，在磁检测元件101的输出电压在规定范围内的情况下，流经线圈103的电流值(例如，A1)不改变，而继续保持(步骤3)。
在步骤2中，在磁检测元件101的输出电压不在规定范围内的情况下(超过了阈值的情况下)，通过电流控制部104阶梯改变(例如，A1→A2)线圈103中的电流值(步骤4)。接着，检测将流经线圈103中的电流值变为A2的状态下的磁检测元件101的输出电压(步骤5)，然后进行该输出电压是否在规定范围内的判定(阈值判定)(步骤6)。
在步骤6中，在磁检测元件101的输出电压在规定范围内的情况下，保持线圈103中的电流值A2(步骤7)。
在步骤6中，在磁检测元件101的输出电压不在规定范围内的情况下(超过了阈值的情况下)，返回到步骤4，并进一步改变线圈103中的电流值(例如，A2→A3)。然后，通过反复执行步骤4～步骤6直至磁检测元件101的输出电压收敛在规定范围内为止，来确定流经线圈103的电流值。
通过以上的动作，能够根据磁检测元件101的输出电压来确定线圈103中的电流电平。
另外，也可在磁检测元件101的输出电压没有收敛在规定范围内的情况下，大致测定该输出电压是什么程度的大小，并基于该测定结果来确定将线圈103中的电流值设定成哪个电流电平的构成。即、在磁检测元件101的输出电压的改变程度在一定值以上的情况下，不是一个阶梯、一个阶梯(一个电平、一个电平)地改变线圈103中的电流值，而是改变2阶梯以上(参照图5)。这样，由于即使在流经导体的电流急剧增加的情况下，也能省略反复执行上述步骤4～步骤6的动作，故可缩短流经线圈103的电流值的确定时间，可尽早移向常态(磁检测元件101的输出电压收敛在规定范围内的状态)。
(电流传感器的使用方式)
接着，说明将上述的电流传感器使用于蓄电池的充放电控制来进行蓄电池的管理的情况(蓄电池管理系统)。
本实施方式所示的电流传感器通过对蓄电池的负极或正极进行设置，从而能够进行蓄电池的管理。具体而言，如图6所示，在对Li离子电池、NiMH电池、铅蓄电池等进行充放电的蓄电池端子，设置电流传感器。通过除了设置电流传感器之外，还设置用于检测电压和温度的传感器，从而成为更高精度的蓄电池管理系统。根据电流传感器的电流值及电压的测定值，来计算蓄电池使用及充电所消耗的电能。另外，也可进行因温度改变导致蓄电池的状态改变及电能的修正。通过利用该电流传感器来计测、累积蓄电池充放电的电流，从而能够进行蓄电池的余量管理。
虽然在蓄电池使用时的情况和未使用时的情况下流动的电流值大不相同(参照图7)，但是通过使用本实施方式所示的电流传感器，能够用一个电流传感器高精度地检测使用时和未使用时的电流量。由于通过高精度地测定蓄电池的电流值，从而可让累积误差下降，能够减小为了防止过充电、过放电而对蓄电池设定的容限(参照图8)。结果，可有效地使用蓄电池，例如通过将本实施方式所示的电流传感器应用到电动汽车等蓄电池中，从而能够延长行驶距离。
本发明并不限定于上述实施方式，可进行各种变更并实施。另外，上述实施方式中的材料、电流传感器的配置位置、厚度、大小、制法等可适当变更并实施。除此之外，本发明在不脱离本发明宗旨的范围内可适当变更并实施。
(工业上的可利用性)
本发明能够应用于对为了管理电动汽车的二次电池的充放电所需的电流大小进行检测的电流传感器。

Claims (6)

1.一种电流传感器，其特征在于，具备：
磁检测元件，因被测电流引发的感应磁场的施加导致电阻值改变；
磁芯，被配置在所述磁检测元件的附近；和
线圈，产生削弱所述感应磁场的磁场，
按照所述磁检测元件的输出电压在规定范围内的方式在所述线圈中流动阶梯改变的一定电平的电流，基于所述磁检测元件的输出电压进行所述被测电流的检测。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，
在所述磁检测元件的输出电压超过了规定范围时，所述一定电平的电流阶梯改变，所述输出电压被保持在所述规定范围内。
3.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，
还具有：
信号处理部，监视所述磁检测元件的输出电压；和
电流控制部，在所述磁检测元件的输出电压超过了规定范围时，基于来自所述信号处理部的信号来阶梯改变在所述线圈中的电流值，并将所述输出电压保持在所述规定范围内。
4.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，
所述磁检测元件是磁阻效应元件。
5.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，
根据所述磁检测元件的输出电压的改变程度，来确定所述线圈中的电流值。
6.一种蓄电池，其特征在于，
设置了权利要求1至5任一项所述的电流传感器。
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