CN102193015B

CN102193015B - 电流传感器

Info

Publication number: CN102193015B
Application number: CN2011100582761A
Authority: CN
Inventors: 田村学
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: JP2011185772A; US8564250B2; US20110221429A1; JP5577544B2; CN102193015A

Abstract

本发明提供一种电流测量范围宽、可降低噪声、高精度地进行电流测量的电流传感器。本发明的电流传感器具备：配置在具有按照电流量不同的方式分离的至少2个通电区域的导体上的磁传感器(121、122)、和控制上述磁传感器(121、122)的输出的控制单元(123)；其特征在于，上述磁传感器(121、122)被分别配置在电流量不同的至少2个区域中，上述控制单元(123)切换上述磁传感器(121、122)的输出。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及一种测量电流的大小的电流传感器，特别地涉及一种经由磁电转换元件检测流过导体的电流的电流传感器。

背景技术

近年来，在电动汽车和太阳能电池等领域中，随着电动汽车和太阳能电池装置的大输出化·高性能化，使用的电流值逐步变大，非接触测量直流大电流的电流传感器被广泛应用。作为这样的电流传感器，提案有具备经由导体周围的磁场的变化来检测流到成为检测对象的导体中的电流的电磁转换元件的电流传感器。此外，作为电流传感器研发出具有宽的测量范围的电流传感器。

作为具有宽的测量范围的电流传感器，例如有，在改变距导体的距离的位置处配置2个磁传感器，并可在由电流产生的磁场强度不同的场所测量电流值的电流传感器(专利文献1)。此外，有在导体中设置对电流进行分流的部分，减小由导体产生的磁场并扩展测量范围的电流传感器(专利文献2)。

专利文献1 JP特开2004-132790号公报

专利文献2 JP特开平10-73619号公报

发明内容

但是，在专利文献1所述的电流传感器中，为了形成宽范围的测量范围，必须扩展距导体的距离，所以所需的空间变大。此外，如果磁传感器过于远离导体，则在磁传感器间产生的噪声会不同，因此此对策是困难的。此外，在专利文献2所述的电流传感器中，由于通过使电流分流来扩展测量范围，所以存在微小电流下的精度下降这样的问题。

鉴于此问题而进行本发明，其目的在于，提供一种电流测量范围宽、可降低噪声、高精度地进行电流测量的电流传感器。

本发明的电流传感器，具备：磁传感器，其配置在具有按照电流量不同的方式分离的至少2个通电区域的导体上，检测与流到上述导体中的电流相应而产生的磁场；和控制单元，其控制上述磁传感器的输出；该电流传感器的特征在于，上述磁传感器被分别配置在电流量不同的至少2个区域中，上述控制单元切换上述磁传感器的输出。

根据此结构，通过在具有按照电流量不同的方式分离的至少2个通电区域的导体上配置磁传感器，并以分离的通电区域作为测量范围，就能测量对应通电区域而不同的范围的电流量，所以能扩宽电流测量范围。此外，在此结构中，由于磁传感器不会过于远离导体，所以可利用小型化的传感器进行电流测量。

在本发明的电流传感器中，优选在上述导体中分别在分离的区域中配置上述磁传感器。

在本发明的电流传感器中，优选在上述导体中分别在分离的区域和不分离的区域中配置上述磁传感器。

根据这些结构，可不丧失灵敏度(精度)而扩展被测量电流。

在本发明的电流传感器中，优选上述导体具有按照电流量不同的方式分离的3个通电区域，在上述3个通电区域中产生的磁场的大小之比为50∶5∶1。根据这样的结构，可对应使用不同的稳态电流(stationarycurrent)的电流区域进行电流测量。

在本发明的电流传感器中，优选在上述至少2个通电区域中，在相对上述导体的中心呈对称的上述导体的外侧的位置配置灵敏度轴方向彼此相差180°的一对磁传感器，上述控制单元从上述一对磁传感器的输出中去除干扰磁场。

根据这种结构，由于削除施加在磁传感器上的干扰噪声后的测量成为可能，所以能进行高精度的电流测量。

本发明的电池，其特征在于，包括：具备电流线的电池主体；和安装在上述电流线上的上述电流传感器。

发明效果

由于本发明的电流传感器具备：磁传感器，其设置在具有按照电流量不同的方式分离的至少2个通电区域的导体上，检测与流到上述导体的电流相应而产生的磁场；和控制单元，其控制上述磁传感器的输出；并且上述磁传感器被分别配置在电流量不同的至少2个区域中，上述控制单元切换上述磁传感器的输出，所以电流测量范围宽、可降低噪声、高精度地进行电流测量。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的电流传感器的图，图1(a)是内部透视平面图，图1(b)是内部透视侧面图。

图2是用于说明本发明的实施方式1的电流传感器中的磁传感器的配置位置的图。

图3是用于说明本发明的实施方式1的电流传感器中的磁传感器的配置位置的图。

图4是用于说明本发明的实施方式1的电流传感器中的磁传感器的配置位置的图，图4(a)是平面图，图4(b)是侧面图。

图5是用于说明本发明的实施方式1的电流传感器的切换控制的图。

图6是表示在本发明的实施方式1的电流传感器的信号处理电路中，切换磁传感器的输出时的顺序的流程图。

图7是表示被测量电流和传感器输出之间的关系的图。

图8是用于说明本发明的实施方式2的电流传感器中的磁传感器的配置位置的图，图8(a)是平面图，图8(b)是侧面图。

图9是用于说明本发明的实施方式2的电流传感器的效果的图。

图10是用于说明本发明的实施方式2的电流传感器的效果的图。

图11是用于说明本发明的电流传感器的另一例子的图。

图12是表示在电池中应用本发明的实施方式的电流传感器的使用方式的一例的图。

图13是说明在电池中应用本发明的实施方式的电流传感器时的电池的使用范围的图。

符号说明

11-导体

11a、11b、11d-通电区域

11c-隙缝

12-电流传感器

13-框体

121、122、125-电流传感器

123-信号处理电路(信号处理用元件)

124-基板

具体实施方式

下面，参照附图详细地说明本发明的实施方式。

(实施方式1)

如图1(a)所示，在电流通电的电流线即导体11的附近配设电流传感器12。如图1(a)所示，导体11具有按照电流量不同的方式分离的至少2个通电区域。在此，如图2所示，导体11设置有隙缝11c，且导体11包括导体的宽度(相对通电方向正交的方向的长度)D₁较宽的区域11a、和导体的宽度D₂较窄的区域11b。配置电流传感器12，以使第一磁传感器121位于导体11的区域11a上、且第二磁传感器122位于导体11的区域11b上。此电流传感器12包括：配置在区域11a上的第一磁传感器121；配置在区域11b上的第二磁传感器122；和与第一磁传感器121及第二磁传感器122电连接、并控制第一磁传感器121及第二磁传感器122的输出的控制单元即信号处理用元件123。第一磁传感器121及第二磁传感器122分别检测与流到导体11中的电流相应而产生的磁场。

如图1(b)所示，在电流传感器12的基板124的一主面上安装第一磁传感器121及第二磁传感器122，在基板124的另一主面上形成信号处理用元件123。再有，关于相对于基板124的磁传感器121、122及信号处理用元件123的安装方式，并不限于图1(b)。可在导体11上配置电流传感器12，以使第一磁传感器121位于导体11的区域11a上、且第二磁传感器122位于导体11的区域11b上。此外，电流传感器及导体11通过框体13被一体化。关于框体13既可以通过树脂成型构成，也可以将一对罩壳(housing)围绕在导体11上构成。

在图2示出的这种磁传感器的配置位置中，磁传感器121、122在导体中被分别配置在分离的区域中。在此情况下，第一磁传感器121测量流通到在导体11中分离的区域的较宽的宽度D₁的区域11a的电流量，第二磁传感器122测量流通到在导体11中分离的区域的较窄的宽度D₂的区域11b的电流量。

如图3所示，在本发明中，磁传感器121、122在导体中也可以被分别配置在分离的区域和不分离的区域中。在此情况下，第一磁传感器121测量流通到在导体11中未分离的区域的较宽的宽度D₁(导体11的整个宽度)的区域11a的电流量，第二磁传感器122测量流通到在导体11中分离的区域的较窄的宽度D₂的区域11b的电流量。

根据图2及图3所示的结构，不丧失灵敏度(精度)就能扩展被测量电流的测量范围。

此外，在本发明中，也可以如图4(a)所示，导体11被分离为3个以上(图4中为3个)，磁传感器被分别配置在分离的区域中。即，在图4(a)所示的电流传感器中，第一磁传感器121被配置在导体11中分离的区域的最宽的宽度D₁的区域11a中，并测量流通过区域11a的电流量，第二磁传感器122被配置在导体11中分离的区域的其次宽的宽度D₂的区域11b中，并测量流通过区域11b的电流量，第三磁传感器125被配置在导体11中分离的区域的最窄的宽度D₃的区域11d中，并测量流通过区域11d的电流量。

例如，如图4所示，导体11具有按照电流量不同的方式分离的3个通电区域11a、11b、11d。各个通电区域的宽度D₁、D₂、D₃对应使用不同的稳态电流的电流区域，按照施加给磁传感器的磁场而适当进行设定。例如，设定通电区域11a、11b、11d的宽度D₁、D₂、D₃，以使施加给磁传感器121、122、125的磁场的比例成为例如50∶5∶1。在此区域11a、11b、11d上分别配置磁传感器121、122、125。

在按磁场的比例为50施加的区域11a中，例如检测直到20A的电流，在按磁场的比例为5施加的区域11b中，检测从20A到200A的电流，在按磁场的比例为1施加的区域11d中，检测从200A到1000A的电流。由此，例如在电池中使用本发明的电流传感器的时候，由于无论哪一区域，都能不丧失精度地检测几乎没有利用电池的区域11a、稳定地利用电池的区域11b、以及负载一瞬间变得最大的区域11d的电流，所以就能提高电池的剩余量管理的精度。

作为磁传感器121、122、125，可使用磁阻效应元件(GMR元件(巨磁阻效应元件)、TMR元件(隧道型磁阻效应元件)、AMR元件(各向异性磁阻元件))、霍尔器件等。此外，如图4(b)所示，磁传感器121、122、125可被设计为灵敏度轴方向相同。这在图2和图3所示的结构中也相同。

图5是本发明的实施方式1的电流传感器的方框图。图5所示的信号处理电路(信号处理用元件)123切换分别配置在电流容量不同的至少2个区域中的磁传感器的输出。

在图2及图3所示的结构中，第一磁传感器121的输出及第二磁传感器122的输出被传送给信号处理电路123，在信号处理电路123中，切换第一磁传感器121的输出及第二磁传感器122的输出，输出对应电流的信号。在图2及图3所示的情况下，在被测量电流小的时候，利用第一磁传感器121的输出，输出与电流相当的信号，如果被测量电流变大，则使用第二磁传感器122的输出，输出最终信号。

在图4所示的结构中，第一磁传感器121的输出、第二磁传感器122及第三磁传感器125的输出被传送给信号处理电路123，在信号处理电路123中，切换第一磁传感器121的输出、第二磁传感器122及第三磁传感器125的输出，输出与电流对应的信号。在图4所示的情况下，在被测量电流小的时候，利用第一磁传感器121的输出，输出与电流相当的信号，如果被测量电流变大，则使用第二磁传感器122的输出、第三磁传感器125的输出，输出最终信号。

图6是表示在信号处理电路123中切换磁传感器的输出时的顺序的流程图。在此，说明图4所示的结构，即在按照具有导体11的宽度不同的3个区域的方式分离、且在各个区域上配置磁传感器121、122、125的结构的控制顺序。

在信号处理电路123中，预先设定用于从第一磁传感器121的输出切换为第二磁传感器122的输出的阈值1、和用于从第二磁传感器122的输出切换为第三磁传感器125的输出的阈值2。从第一磁传感器121、第二磁传感器122及第三磁传感器125向信号处理电路123传送在被测量电流向导体11通电时检测出的电流输出。然后，在信号处理电路123中对电流输出进行阈值判定，进行切换以便以任意的磁传感器的输出作为最终输出。

首先，在被测量电流小的情况下，以第一磁传感器121的输出为最终信号(电流输出)(ST11)。接着，如果被测量电流变大，则与此相对应，第一磁传感器121的传感器输出变大。对此第一磁传感器121的传感器输出进行阈值判定(ST12)，在是阈值1内的情况下，以第一磁传感器121的传感器输出为最终信号(电流输出)(ST13)，在是阈值1外的情况下，以在比由第一磁传感器121测量的电流范围更高的电流范围中进行测量的第二磁传感器122的传感器输出为最终信号(电流输出)(ST14)。

接着，如果被测量电流进一步变大，则与此相对应，第二磁传感器122的传感器输出也变大。对此第二磁传感器122的传感器输出进行阈值判定(ST15)，在比阈值1大、且比阈值2小的情况下，以第二磁传感器122的传感器输出为最终信号(电流输出)(ST16)，在比阈值2还要大的情况下，以在比由第二磁传感器122测量的电流范围更高的电流范围中进行测量的第三磁传感器125的传感器输出为最终信号(电流输出)(ST17、ST18)。

接着，说明为了明确本发明的效果而进行实施例。

如图2所示，制作将导体11分离、并分别在2个通电区域11a、11b中配置第一磁传感器121及第二磁传感器122而形成的电流传感器，调查使被测量电流从0A～500A变化时的传感器输出。在图7中示出此结果。此外，为了比较，制作在未分离的导体中配置磁传感器而形成的电流传感器，同样地调查使被测量电流从0A～500A变化时的传感器输出。将此结果在图7中一起示出。如图7可知，根据本发明的电流传感器，在更小的被测量电流的范围中，传感器灵敏度变高、可更高精度地进行电流测量。

(实施方式2)

图8是用于说明本发明的实施方式2的电流传感器中的磁传感器的配置位置的图，(a)是平面图，(b)是侧面图。再有，在图8中，对于与图2相同的部分赋予与图2相同的符号，省略其详细的说明。

在图8所示的电流传感器中，在相对导体11的中心呈对称的导体11的外侧的位置，分别配置第一磁传感器121及第二磁传感器122。如此，第一磁传感器121及第二磁传感器122被分别配置在导体11的分离的区域11a、11b中。此外，如图8(b)所示，配设第一磁传感器121及第二磁传感器122，以使其灵敏度轴方向彼此相差180°

在此，将导体11分离，以使由第一磁传感器121感应的磁场的强度和由第二磁传感器122感应的磁场的强度之比，例如为1(D₂)∶2(D₁)。在此，如图8(b)所示，设由第一磁传感器121感应的磁场为2a、由第二磁传感器122感应的磁场为a、外部磁场为X。由图9可知，第一磁传感器121将会检测由电流产生的磁场及外部磁场X，第二磁传感器122将会检测由电流产生的磁场和外部磁场X之间的差分。如上所述，由于磁场的强度之比为A∶B＝2∶1，所以通过用信号处理电路123进行以下的运算就能求出外部磁场X。而且，在信号处理电路123中，通过进行从第一磁传感器121及第二磁传感器122的输出中去除外部磁场X的运算，就能从磁传感器的输出中去除干扰磁场(噪声)，从磁传感器的输出中排除磁场(噪声)的影响。其结果，能够以更高的精度进行电流测量。

2A-B＝2(a+X)-(2a-X)＝3X

∴X＝(2A-B)/3

接着，说明为了明确本发明的效果而进行的实施例。

如图8(a)所示，制作将导体11分离、并分别在2个通电区域11a、11b中配置第一磁传感器121及第二磁传感器122而形成的电流传感器，调查传感器输出的时间变化。在图10中示出此结果。此外，为了比较，制作在未分离的导体中配置磁传感器而形成的电流传感器，同样地调查传感器输出的时间变化。将此结果在图10中一起示出。如图10可知，即使在干扰磁场(噪声)变化的情况下，如果为图8所示的结构，也能确认噪声削除效果。如此，在图8所示的电流传感器中，由于能进行削除施加给磁传感器的干扰噪声后的测量，所以可进行高精度的电流测量。

此外，在本发明的电流传感器中，如上所述，向信号处理电路123传送在被测量电流向导体11通电时检测出的所有的磁传感器的电流输出。为此，能使用检测电流范围不同的磁传感器的输出进行异常工作判定。如图11所示，低电流用的磁传感器(在图2中配置在区域11a中的第一磁传感器121)的输出比高电流用的磁传感器(在图2中配置在区域11b中的第二磁传感器122)的输出灵敏度更高(相对于低电流用的磁传感器的被测量电流的传感器输出的斜度大)。如此，由于相对于磁传感器的被测量电流的传感器输出的斜度不同，所以取两磁传感器的输出的差分，通过求出输出差特性就能进行异常工作判定。即，如图11所示，通过求出正常时的输出差特性(实线)，就在得到大大偏离正常时的输出差特性曲线的输出差时，判定为异常工作。

此外，在具有图2～图4所示的这种结构的电流传感器中，在检测电流小、各个磁传感器的输出小的情况下，在信号处理电路123中，加法计算各传感器输出，就能求出检测电流。通过进行这样的控制，就能扩展测量电流范围，能进一步提高低电流区域中的灵敏度。

如此，在本发明的电流传感器中，由于在具有按照电流量不同的方式分离的至少2个通电区域的导体上配置磁传感器，以分离的通电区域为测量范围，所以能测量对应通电区域而不同的范围的电流量，能扩宽电流测量范围。此外，在此结构中，由于磁传感器不可能过于远离导体，所以可小型化、进行电流测量。

(电流传感器的使用方式)

本发明的电流传感器，例如可应用于电动汽车和太阳能电池等电池的电流检测用的电流传感器中。这样的电池采取包括具备电流线的电池主体、和安装在此电流线上的上述电流传感器的结构。

在此，说明在电池的充放电控制中使用上述的电流传感器进行电池的管理的情形(电池管理系统)。

本实施方式所示的电流传感器，通过设置电池的负极或正极就能进行电池的管理。具体地，如图12所示，在进行Li离子电池、NiMH电池、铅蓄电池等的充放电的电池的端子上设置电流传感器。除电流传感器外，通过设置用于检测电压及温度的传感器，就成为更高精度的电池管理系统。根据电流传感器的电流值及电压的测量值，计算电池使用及充电的电力量。此外，还能进行基于温度变化的电池的状态变化和电力量的修正。使用该电流传感器测量电池的充放电的电流，并进行累计，由此就能进行电池的剩余量管理。

虽然在电池的使用时的情况和未使用时的情况下流过的电流值大大不同，但通过使用本实施方式所示的电流传感器，就能用一个电流传感器以高精度来检测使用时和未使用时的电流量。由于通过高精度测量电池的电流值，就能降低累计误差，所以就能减小用于过充电、过放电而设置在电池中的富余量(margin)(参照图13)。其结果能有效地使用电池，例如通过在电动汽车等的电池中使用本实施方式所示的电流传感器，就能延长行驶距离。

本发明不限于上述实施方式，可实施各种变更。例如，在上述实施方式中，虽然说明了在导体中设置隙缝进行分离来设置多个通电区域的情形，但本发明并不限于此，也可以为包含所有的改变通电区域的大小、测量对应通电区域而不同的范围的电流量的结构。此外，可适当变更上述实施方式中的部件配置位置、材料、厚度、大小、制造方法等进行实施。此外，本发明在不脱离本发明的范围下可实施适当的变更。

工业实用性

本发明可应用于电动汽车和太阳能电池等的电流检测用的电流传感器中。

Claims

1.一种电流传感器，具备：

磁传感器，其配置在具有按照电流量不同的方式分离的至少2个通电区域的导体上，检测与流到上述导体中的电流相应而产生的磁场；和

控制单元，其控制上述磁传感器的输出，

该电流传感器的特征在于，

上述磁传感器被分别配置在电流量不同的至少2个区域中，上述控制单元切换上述磁传感器的输出。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，

在上述导体中分别在分离的区域中配置上述磁传感器。

3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，

在上述导体中分别在分离的区域和不分离的区域中配置上述磁传感器。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，

上述导体具有按照电流量不同的方式分离的3个通电区域，在上述3个通电区域中产生的磁场的大小之比为50∶5∶1。

5.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，

在上述至少2个通电区域中，在相对上述导体的中心为对称的上述导体的外侧的位置配置灵敏度轴方向彼此相差180°的一对磁传感器，上述控制单元从上述一对磁传感器的输出中去除干扰磁场。

6.一种电池，其特征在于，包括：

具备电流线的电池主体；和

安装在上述电流线上的权利要求1至权利要求5中任意一项所述的电流传感器。