CN102656467B - 具有自测试功能的电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于根据由导体(20)中的电流产生的磁场来测量该电流的电流传感器，所述电流传感器至少具有：围绕导体布置的芯(21)；设置在芯上的传感器元件(22)，传感器元件能够产生与芯中的磁场有关的输出量；以及测量单元，该测量单元能够获取所述输出量以及从获取到的输出量导出在导体中的电流的测量值。所述电流传感器还具有围绕芯布置的检验绕组(23)、与检验绕组连接的测试电流发生器(24)以及检验单元(25)，测试电流发生器能够按照控制信号产生一个幅值预先确定的测试电流信号并将该测试电流信号输出给检验绕组，检验单元与测量单元和测试电流发生器连接并且根据第一测量值与第二测量值的比较结果所述输出电流传感器是否正常工作的信息，作为检验信号。

Description

具有自测试功能的电流传感器
技术领域
本发明涉及一种电流传感器，该电流传感器具有自测试功能，该自测试功能确保电流传感器正常工作，即由电流传感器测量的测量值是可靠的。这种电流传感器特别地适用于紧要的应用，例如在具有电池模块以及用于监控电池电流的驱动电动机的机动车辆中的应用。本发明的第二方面是涉及一种机动车辆，该机动车辆例如可以被构造为微混式、弱混式或强混式混合动力车辆或纯电动车辆。
背景技术
为了与用于起动内燃机的起动机电池相区分，将应用于所述类型机动车辆中的为驱动装置提供能量的电池系统称为“高压电池”。尽管具有高压电池的车辆在市场上尚未得到很大程度的推广，但在为了确保高压电池的可靠运行所需要的保险部件方面已经形成一定的现有技术。图1示出了具有按照目前的现有技术所要求的保险部件的高压电池。高压电池10具有多个串联的电池电芯，用于产生所希望的高的输出电压。单个电芯由所谓的电池传感和控制单元(CSC)11监控，以检测器充电状态并避免电池过度充电或充电不足。高压电池10的输出电压由电池侧的总电压检测装置12a监控。在驱动侧设有另一总电压检测装置12b。在两个电流路径中的一个中插入保险装置13，该保险装置在不允许的高电流情况下将电路断开。此外，将用于电池电流检测的电流传感器插入两个电流路径中的一个中。此外，在两个电流路径中的每一个中设有功率保护器15a以及15b，以能够例如在紧急情况下或为了维护措施而无压地将机动车辆的高压车载电路接通。平行于功率保护器15a，在图1中还示例性地设有一个具有充电保护器16和用于限制充电电流的充电电阻17的充电电流路径。
特别地，在对高压电池系统的正常功能进行监控时电流传感器14非常重要。由电流传感器14接收的测量值例如用于识别不允许的高电池电流并在必要时采取对策，以保持所述系统处于较可靠的工作状态。另外，由测量到的电流通过适合的方法计算出高压电池当前的充电状态。此外，高压电池可能会过度充电或充电不足，这会导致高压电池的有害状态或者甚至危险的状态。
有多种方法用于获取电池电流，例如：
●借助于在一个电阻上的电压降进行测量(分流原理)
●基于感应原理，借助于变压器进行测量
●基于感应原理，借助于罗戈夫斯基线圈进行测量
●例如通过霍尔传感器、磁阻传感器(AMR、GMR)对由电池电流产生的磁场进行磁场测量
对电池电流检测提出了多个要求，例如足够高的准确性和频带宽度。此外，在高压电池系统中重要的是在高压车载电路、测量电子装置和(可能带有起动机电池的)低压车载电路之间充分的电隔离，以保护车辆乘员在电子装置发生故障的情况下免受有危险的触电电流。
同时，用于电流传感器的成本应尽可能得低，以便能够以符合市场要求的价格提供整个系统。因此，通过使用多个电流传感器获得的冗余度在经济上少有吸引力，特别是由于在仅使用两个电流传感器的情况下在两个电流传感器的测量值有偏差的情况下也不清楚哪一电流传感器正确地起作用而哪一传感器没有正确地起作用。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的上述问题。
因此，本发明的第一方面引入一种电流传感器，用于根据由导体中的电流产生的磁场对该电流进行测量，该电流传感器包括至少一个围绕导体布置的优选由磁性材料制成的芯、设置在芯上的传感器元件、以及测量单元。所述传感器元件被构造用于产生与芯中的磁场有关的输出量。测量单元被构造用于获取所述输出量以及从获取到的输出量导出导体中电流的测量值。此外，根据本发明，电流发生器还具有围绕芯布置的检验绕组、与检验绕组连接的测试电流发生器以及检验单元。所述测试电流发生器在此被构造用于按照控制信号产生一个幅值预先确定的测试电流信号并将其输出给检验绕组。检验单元与测量单元和测试电流发生器连接并且被构造用于在第一时间点接收测量单元的第一测量值，在跟在第一时间点之后的第二时间点将控制信号输出给测试电流发生器，在第二时间点或在跟在第二时间点之后的第三时间点接收测量单元的第二测量值，将第一测量值与第二测量值进行比较并且根据第一测量值与第二测量值的比较结果输出电流传感器是否正常工作的信息，作为检验信号。
本发明基于以下认识：当给出的测量情况以已知的方式改变并且考虑到在改变的测量情况中检测到的第二测量值用于比较时，可以对由电流传感器获取的测量值的可信性进行检验。本发明因此提出了一种测试电流发生器，该测试电流发生器以预先确定的程度改变(例如扩大)由传感器元件测量的、芯中的磁场，从而可以检验输出量或者更确切地说这个得到的测量值是否相应地变化。如果测量值不像所预期的一样改变，那么至少可能存在不正确的电流测量，并且必要时可以导入相应的安全措施。为了获得较大的安全性，当然也可以等候多个测量循环的结果。
优选地，检验单元被构造为根据第一测量值确定一对估计值并且当第二测量值处于由一对估计值所限定的区间内时，输出显示电流传感器按规定正常工作的信息。本发明的这个实施方式考虑到如下事实：在第一次测量和检验测量之间被测量本身可以变化，比如因为例如使用电流传感器的机动车辆中存在变化的工作状态。但因为被测量只能以有限的速度变化并且该变化速度例如受到高压车载电路中的电感的限制，可以确定或预先给定一个跨度，尽管被测量假定有一个最大变化速度，但第二测量值必须位于该跨度之内。优选地，所述一对估计值根据第一测量值的大小可变地由检验单元确定，从而可以考虑到例如测量中的非线性或根据工作状态不同的被测量的变化速度。
测试电流发生器优选地被构造为，产生一个测试电流信号，该测试电流信号的幅值为至少一个预先确定的待测量的在导体中的最大电流除以围绕芯的检验绕组的圈数。通过这种方式，没有必要为了能够覆盖电流传感器的整个测量区域而产生大幅值的测试电流信号，这使本发明的附加电路措施的功率消耗最小化。
测试电流发生器可以被构造用于产生阶梯状、锯齿状、三角形、正弦形或矩形的测试电流信号。
因为简单的信号处理，传感器元件优选被构造用于产生输出电压作为输出量。电流传感器优选地具有放大器和A/D转换器，其中，放大器被构造用于将输出电压放大并且输出给A/D转换器。
电流传感器的所有实施方式都可以具有围绕芯布置的补偿绕组、以及补偿电路，其中所述补偿电路被构造用于根据在位于第一时间点之前的第三时间点测量的第三测量值产生补偿电流并且在第一时间点和第二时间点期间输出给补偿绕组。由此可以在芯中产生补偿磁场，以将测量值移到传感器元件具有特别高的线性的区域中。
本发明的第二方面涉及一种机动车辆，该机动车辆具有驱动电动机、与驱动电动机连接的电池模块以及用于测量在电池模块和驱动电动机之间流动的电流的电流传感器。根据本发明，所述电流传感器是根据本发明第一方面的电流传感器。
优选的是一种机动车辆，在该机动车辆中电池模块与驱动电动机经由至少一个保护器连接，该保护器被构造用于根据电流传感器的显示电流传感器没有正常工作的检验信号将电池模块与驱动电动机分离。
附图说明
下面根据实施例的附图对本发明进行详细阐述。附图中：
图1示出了具有保险部件的高压电池；
图2示出了根据本发明的电流传感器；以及
图3示出了可能的测试电流信号的例子。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的电流传感器。围绕沿着附图垂直线延伸的电的导体20设置有芯21，待测量的电流在所述电的导体中流动，在所述芯中形成由在导体20中流动的电流产生的磁场。在芯21上设置有传感器元件22，该传感器元件产生与磁场相关的输出量并且将其输出以进一步进行处理。在图2中示例性地示出了放大器26和模拟-数字转换器27，它们将给出电学量的输出量放大并且将其转换为数字测量值，由此作为测量单元起作用。但测量单元也可以集成到传感器元件22中。但代替放大器26和模拟-数字转换器27，也可以设置其他的部件来处理传感器元件22的输出量。
此外，围绕芯21还设置有匝数为wp的检验绕组23，该检验绕组23与测试电流发生器24连接。测试电流发生器24具有与检验单元25连接的用于控制信号的控制入口，并且被构造成按照控制信号产生测试电流信号并输出给检验绕组23。由此，检验绕组23在芯21中生成附加的磁场，该附加的磁场与由在导体20中流动的电流所产生的磁场相叠加，由此在电流传感器正常工作时传感器元件22的输出量也必须相应地改变。检验单元25与传感器元件22通过测量单元连接，并且现在可以针对给出的工作条件对在测试电流发生器24未激活情况下的测量和在测试电流发生器24激活情况下的测量进行比较，并由此检验传感器元件22的输出量是否按所预期的随测试电流发生器24的测试电流信号一起变化。在图2的例子中，检验单元25通过放大器26和模拟-数字转换器27与传感器元件22连接，该放大器和模拟-数字转换器作为测量单元起作用，但也可以将检验单元25直接与传感器元件22连接或将测量单元集成到检验单元25中。在使用模拟-数字转换器27的情况下，检验单元25的作用可以构造为纯数字式的并且由其他的在系统中现有的微处理器或类似装置承担，这将用于附加部件的花费最小化。
为了能够对电流传感器传输特性曲线中尽可能大的部分进行检验，检验电流应该能够覆盖芯21中感应密度B上的相同区域[Bmin，Bmax]，导体20中在[Imin，Imax]区域内的电流I产生所述感应强度。通过可自由选择的检验绕组23的匝数wp，测试电流发生器24仅需要能够产生在[Imin/wp，Imax/wp]区域内的一个测试电流信号，这特别是在导体20中的电流I很大的情况下明显简化了技术实现。
为了在导体20中的电流可变的情况下也能够应用所述检验方法，可以由在时间点t0测量的第一测量值A1出发，计算出一对估计值，在激活测试电流发生器24的情况下在延迟了时间段ΔT的时间点t1接收的第二测量值A2按照预期必须处于这一对估计值之间(t1＝t0+ΔT)。因为电流I的最大变化速度可以由适用于相应环境的电学参数确定，而且ΔT在实际的技术实现中可以被选择得非常小，所以传感器元件22的输出量A的最大变化ΔA(或者与传感器元件22紧接的信号处理链)能够得以确定，该最大变化可以由电流I在时间段ΔT内的可能的最大变化ΔI得出。现在可以在附加考虑ΔA的情况下对第二测量值进行评估，并且该第二测量值在正常工作的情况下应该处于对于总电流Iest1＝I+ΔI+Itest以及Iest2＝I-ΔI+Itest所预期的输出量Aest1和Aest2之间。在电流传感器具有线性特性的情况下，所预期的输出量Aest1和Aest2可以通过简单的插值确定，此外还可以利用例如作为表格储存在检验单元中的电流传感器特性曲线。
总体上，可以使用恒定大小(幅值)和恒定走向的测试电流信号。但在测试电流信号的大小变化或根据第一测量值来确定时能获得更好的结果。在测量信号每次变化时也可以考虑其他用于检验的测量值。由此，测量电流信号可以覆盖较大的值域并且在覆盖值域期间可以执行多次测量或多次第一测量值和第二测量值的测量对，以改进分析结果。在这种方法中，还可以发现例如由于电流传感器的部件老化引起的电流传感器特性曲线的变化。
图3示出了用于可能的测试电流信号的几个例子。测试电流信号可以如在图表a)和b)中所示是双向矩形的或单向矩形的，可以是阶梯形的(图表c)、锯齿形的、三角形的(图表d)或正弦形的(图表e)。作为替代，还可想到许多其他的形状。
本发明的测量方法原则上在每一工作状态下都可以执行，即在将电流传感器应用于机动车辆中时，在行驶之前、期间或之后都可以执行。在此可以根据瞬时存在的电流触发检验次序，以对一个电流进行检验，对于该电流自从上一次检验已经经过了较长的时间段，使得在电流传感器的可能输入电流值上对整个区间[Imin，Imax]的尽可能大的部分进行检测。

Claims (8)

1.一种用于根据由导体(20)中的电流产生的磁场来测量该电流的电流传感器(14)，所述电流传感器(14)至少具有：
-围绕所述导体(20)布置的优选由磁性材料制成的芯(21)；
-设置在所述芯(21)上的传感器元件(22)，所述传感器元件能够产生与所述芯(21)中的磁场有关的输出量；以及
-测量单元，该测量单元能够获取所述输出量以及从获取到的输出量导出在所述导体(20)中的电流的测量值；
-围绕所述芯(21)布置的检验绕组(23)；以及
-与所述检验绕组(23)连接的测试电流发生器(24)，所述测试电流发生器能够按照控制信号产生一个幅值预先确定的测试电流信号并将该测试电流信号输出给所述检验绕组(23)；
其特征在于，
设有检验单元(25)，所述检验单元与所述测量单元和所述测试电流发生器(24)连接并且能够在第一时间点接收所述测量单元的第一测量值，在跟在第一时间点之后的第二时间点将所述控制信号输出给所述测试电流发生器(24)，在第二时间点或在跟在第二时间点之后的第三时间点接收所述测量单元的第二测量值，对所述第一测量值与所述第二测量值进行比较并且根据所述第一测量值与所述第二测量值的比较结果输出所述电流传感器(14)是否正常工作的信息，作为检验信号，其中所述检验单元根据所述第一测量值和通过所述导体(20)的电流的最大变化速度确定一对估计值并且当所述第二测量值处于由所述一对估计值所限定的区间内时，输出显示所述电流传感器正常工作的信息。
2.按照权利要求1所述的电流传感器(14)，其特征在于，所述测试电流发生器(24)能够产生一个测试电流信号，该测试电流信号的幅值为至少一个预先确定的在所述导体(20)中待测量的最大电流除以围绕所述芯(21)的检验绕组(23)的圈数。
3.按照上述权利要求中任一项所述的电流传感器(14)，其特征在于，所述测试电流发生器(24)能够产生阶梯状、锯齿状、三角形、正弦形或矩形的测试电流信号。
4.按照权利要求1或2所述的电流传感器(14)，其特征在于，所述传感器元件(22)能够产生输出电压作为输出量。
5.按照权利要求4所述的电流传感器(14)，其特征在于，所述测量单元具有放大器(26)和A/D转换器(27)，其中所述放大器(26)能够将所述输出电压放大并输出给所述A/D转换器(27)。
6.按照权利要求1或2所述的电流传感器(14)，其特征在于，设有围绕所述芯(21)布置的补偿绕组、以及补偿电路，所述补偿电路能够根据在位于第一时间点之前的第三时间点测量的第三测量值产生补偿电流并在第一时间点和第二时间点期间将该补偿电流输出给所述补偿绕组。
7.一种机动车辆，该机动车辆具有驱动电动机、与所述驱动电动机连接的电池模块(10)以及用于测量在所述电池模块(10)和所述驱动电动机之间流动的电流的电流传感器(14)，其特征在于，所述电流传感器(14)是根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器(14)。
8.按照权利要求7所述的机动车辆，其特征在于，所述电池模块(10)与所述驱动电动机经由至少一个保护器(15a、15b)连接，该保护器能够按照所述电流传感器(14)的显示所述电流传感器(14)没有正常工作的检验信号将所述电池模块(10)与所述驱动电动机分离。
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