CN102812366A - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够兼具遍及大测量范围的高精度的测量以及省电化，而且能够谋求省空间化的电流传感器。本发明的电流传感器的特征在于，具有：磁平衡式传感器，包含配置在由于施加来自被测量电流的感应磁场而特性发生变化的磁传感器元件的附近的、产生抵消上述感应磁场的抵消磁场的反馈线圈（111）；以及开关电路（123），切换以电压差作为传感器输出的磁比例式检测以及以通过电压差向反馈线圈（111）通电并达到感应磁场与抵消磁场相抵消的平衡状态时的、反馈线圈（111）内流动的电流为传感器的输出的磁平衡式检测。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及遍及大测量范围的、高精度的、并且低耗电量的电流传感器。

背景技术

例如，通过电流传感器测量电动汽车的发动机驱动用的电流的大小。作为此电流传感器，有磁比例式电流传感器和磁平衡式电流传感器。在磁比例式电流传感器中，通过磁体磁芯中产生的磁力线，与被测量电流成比例的磁场穿过磁芯空隙，磁检测元件将此磁场变换为电压信号，从而产生与被测量电流成比例的输出电压。另一方面，在磁平衡式电流传感器中，如果被测量电流流动，则通过电流所对应的磁场在磁检测元件中产生输出电压，从该磁检测元件输出的电压信号被变换为电流并反馈到反馈线圈，由该反馈线圈产生的磁场（抵消磁场）与由被测量电流产生的磁场相互抵消，以磁场总是为0的方式工作，使这时反馈线圈内流动的反馈电流电压变换，并作为输出取出。

使用例如霍尔元件或GMR（Giant Magneto Resistance：巨磁电阻效应）元件等磁阻效应元件作为上述电流传感器中的磁检测元件。在使用霍尔元件作为磁检测元件的磁比例式电流传感器中，如果扩展测量范围，则当被测量电流小的时候分辨率下降，在使用霍尔元件作为磁检测元件的磁平衡式电流传感器中，不能完全抵消大电流产生的磁场。因此，作为弥补两者的缺陷的方法，在专利文献1中，公开了配置了使用霍尔元件的磁比例式电流传感器和使用霍尔元件的磁平衡式电流传感器，根据被测量电流的大小切换使用上述两种电流传感器的方法。

现有技术文献（专利文献）

专利文献1：日本特开2007-78416号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1公开的技术中，必须分别准备两种电流传感器。因此，不能谋求省空间化，另外，制造流程也变得复杂。并且，在专利文献1公开的技术中，当被测量电流大时，未使用的磁平衡式电流传感器内的磁平衡崩溃，因此当使用GMR元件作为磁检测元件时会引起磁饱和。因此，在专利文献1公开的技术中，通过磁检测元件不能实现高精度地测量遍及大测量范围。

本发明是为了解决上述问题而做出的，目的在于提供一种能够兼具遍及大测量范围的高精度的测量以及省电化，而且能够谋求省空间化的电流传感器。

用于解决课题的手段

本发明的电流传感器的特征在于，具有：磁平衡式传感器，包括反馈线圈，上述反馈线圈配置在特性根据来自被测量电流的感应磁场而发生变化的磁传感器元件附近，并产生抵消上述感应磁场的抵消磁场；以及切换单元，对磁比例式检测及磁平衡式检测进行切换，上述磁比例式检测以电压差为传感器的输出，上述磁平衡式检测将通过上述电压差向上述反馈线圈通电并达到上述感应磁场与上述抵消磁场相抵消的平衡状态时的、在上述反馈线圈内流动的电流为传感器的输出。

通过此结构，由于在单一的电流传感器中切换磁比例式检测以及磁平衡式检测，所以能够兼具磁平衡式的大测量范围和省电化。特别地，本发明是使用磁阻效应元件的电流传感器，在反馈线圈接近的结构中是有效的。

较为理想的是，在本发明的电流传感器中，夹着导通上述被测量电流的导体配置有上述两个电流传感器，上述两个电流传感器的各自的磁传感器元件的灵敏度轴方向相同。通过此结构，根据两个磁平衡式传感器的差动输出消除地磁等外部磁场的影响，能够更高精度地测量电流。

较为理想的是，在本发明的电流传感器中，上述切换单元根据外部信号切换上述磁比例式检测和上述磁平衡式检测。通过此结构，在休眠模式等用户想要省电的时候，能够抑制电流传感器的耗电量。

较为理想的是，在本发明的电流传感器中，在维持上述磁阻效应元件的磁特性的线性的被测量电流的区域，切换为上述磁比例式检测。

较为理想的是，在本发明的电流传感器中，在相对低的被测量电流的区域，切换为上述磁比例式检测。

较为理想的是，在本发明的电流传感器中，向外部输出表示是上述磁比例式检测状态或上述磁平衡式检测状态的信号。通过此结构，能够确认电流传感器当前是哪种模式。

较为理想的是，在本发明的电流传感器中，上述磁传感器元件是磁阻效应元件。通过此结构，易于在与设置电流传感器的基板面平行的方向配置灵敏度轴，能够使用平面线圈。

本发明的电池的特征在于，具有：电池主体，装备了电流线；以及上述电流传感器，安装在上述电流线上。

发明的效果

通过本发明的电流传感器，具有：磁平衡式传感器，包括反馈线圈，该反馈线圈配置在特性由于来自被测量电流的感应磁场而发生变化的磁传感器元件的附近，并产生抵消上述感应磁场的抵消磁场；以及切换单元，对磁比例式检测和磁平衡式检测进行切换，该磁比例式检测以电压差为传感器的输出，该磁平衡式检测以通过上述电压差向上述反馈线圈通电并达到上述感应磁场与上述抵消磁场相抵消的平衡状态时的、上述反馈线圈内流动的电流为出为传感器的输出，用单一的电流传感器进行磁比例式检测以及磁平衡式检测。因此，能够兼具遍及大测量范围的高精度的测量以及省电化，而且能够谋求省空间化。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1涉及的电流传感器的图。

图2是表示磁比例式电流传感器和磁平衡式电流传感器的耗电量例子的图。

图3是表示本发明的实施方式涉及的电流传感器的耗电量例子的图。

图4是表示本发明的实施方式涉及的电流传感器的耗电量例子的图。

图5是表示本发明的实施方式2涉及的电流传感器的配置状态的图。

图6是表示本发明的实施方式2涉及的电流传感器的图。

图7是说明将本发明的实施方式涉及的电流传感器应用到电池时的电池的使用范围的图。

具体实施方式

使用GMR元件的磁比例式电流传感器，能够用低耗电量高精度地测量比较小的被测量电流。但是，使用GMR元件的磁比例式电流传感器在被测量电流大时，GMR元件由于其磁场而磁饱和，之后的输出值不准，因此不能使用，被测量电流的测量范围变窄。另一方面，使用GMR元件的磁平衡式电流传感器的结构比磁比例式电流传感器的复杂，但仍然能够高精度、在大测量范围内测量被测量电流。但是，由于需要电流在反馈线圈持续流动，当被测量电流小时，与分流电阻等其他方式相比，耗电量变大。

本发明者们着眼于上述问题，为了尽可能降低耗电量而切换磁平衡式检测和磁比例式检测来利用，从而发现能够以高精度、在大范围内测量被测量电流，而且发现能够实现省电化、省空间化，而实现了本发明。特别的，通过构成为在测量相对小的电流时使用磁比例式检测，能够减小耗电量。

即，本发明的要点在于，通过具备磁平衡式传感器以及切换单元的电流传感器，兼具遍及大测量范围的高精度的测量以及省电化，而且谋求省空间化，其中，该磁平衡式传感器配置在特性根据来自被测量电流的感应磁场而发生变化的磁传感器元件的附近，包含产生抵消上述感应磁场的抵消磁场的反馈线圈，该切换单元对磁比例式检测和磁平衡式检测进行切换，该磁比例式检测以电压差为传感器的输出，该磁平衡式检测以通过上述电压差向上述反馈线圈通电并达到上述感应磁场与上述抵消磁场相抵消的平衡状态时的、上述反馈线圈内流动的电流为传感器的输出。

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

（实施方式1）

图1是表示本发明的实施方式1涉及的电流传感器的图。在本实施方式中，图1所示的电流传感器1设置在被测量电流流动的电流线的附近。电流传感器1主要包括传感器部11和控制部12。

传感器部11包括：反馈线圈111，为了能够产生消除由被测量电流产生的磁场的方向的磁场而配置；以及电桥电路112，由作为磁检测元件的两个磁阻效应元件和两个固定电阻元件组成。控制部12包含：差动放大器121，放大电桥电路112的差动输出；电流放大器124，控制反馈线圈的反馈电流；I/V放大器122，将反馈电流变换成电压；以及开关电路123，切换磁比例式检测以及磁平衡式检测。

反馈线圈111配置在电桥电路112的磁阻效应元件附近，产生抵消由被测量电流产生的感应磁场的抵消磁场。作为电桥电路112的磁阻效应元件，可以列举出GMR（Giant Magneto Resistance）元件或TMR（Tunnel Magneto Resistance：隧道磁阻）元件等。磁阻效应元件的阻抗值由于来自被测量电流的感应磁场的施加而发生变化。通过由两个磁阻效应元件和两个固定电阻元件组成电桥电路112，能够实现高灵敏度的电流传感器。电桥电路112具有产生与来自被测量电流的感应磁场相对应的电压差的两个输出。另外，通过使用磁阻效应元件，易于在与设置电流传感器的基板面平行的方向上配置灵敏度轴，可以使用平面线圈。

电桥电路112具有产生与由被测量电流产生的感应磁场相对应的电压差的两个输出。电桥电路112的两个输出通过差动放大器121放大。当是磁比例式检测的模式（比例式模式）时，差动放大器121的电压差被电平调节后成为传感器输出。另一方面，当是磁平衡式检测的模式（平衡式模式）时，放大的输出通过电流放大器124作为电流（反馈电流）提供给反馈线圈111。此反馈电流对应于与感应磁场相对应的电压差。这时，在反馈线圈111中，产生抵消感应磁场的抵消磁场。而且，通过I/V放大器122将达到感应磁场与抵消磁场相抵消的平衡状态时的反馈线圈111内流动的电流变换成电压，此电压成为传感器输出。

另外，在电流放大器124中，通过将电源电压设定为与“Ｉ/V变换的基准电压＋（反馈线圈电阻的额定值内的最大值×满量程（フルスケ一ル）时的反馈线圈电流）”相近的值，由此自动限制反馈电流，可以得到保护磁阻效应元件和反馈线圈的效果。另外，在此，将电桥电路112的两个输出的差动放大后用于反馈电流，但也可以从电桥电路仅将中点电位作为输出，根据与规定的基准电位的电位差设定反馈电流。

开关电路123切换磁比例式检测以及磁平衡式检测，该磁比例式检测以来自差动放大器121的电压差作为传感器输出，该磁平衡式检测以通过上述电压差向反馈线圈111通电并达到感应磁场与抵消磁场相抵消的平衡状态时的、反馈线圈111内流动的电流为传感器输出。这样，开关电路123在平衡式模式时产生抵消由电流线内流动的被测量电流产生的感应磁场的磁场（抵消磁场），在比例式模式时，以不产生抵消磁场的方式进行回路控制。即，开关电路123切换磁平衡式检测模式的反馈电流的导通（ON）及截止（OFF）。

如上所述，使用GMR元件的磁比例式电流传感器当被测量电流大时，GMR元件由于其磁场而磁饱和，所以被测量电流的测量范围变小，使用GMR元件的磁平衡式电流传感器当被测量电流小时，耗电量变得比分流电阻等其他方式的大。因此，为了扩展测量范围并且减少耗电量，希望在相对低的被测量电流的区域使用磁比例式检测，在相对高的被测量电流的区域使用磁平衡式检测。另外，在磁比例式检测中被测量电流的测量范围变小是因为GMR元件磁饱和。因此，希望在维持磁阻效应元件的磁特性的线性的被测量电流的区域使用磁比例式检测。

因此，开关电路123通过对被测量电流进行阈值判断，切换磁比例式检测和磁平衡式检测（模式切换）。具体而言，在低被测量电流侧采用磁比例式检测，在比其高的被测量电流侧采用磁平衡式检测。这时，希望被测量电流的阈值例如是维持磁阻效应元件的磁特性的线性的被测量电流。另外，维持磁阻效应元件的磁特性的线性的被测量电流，与磁阻效应元件自身的特性及磁阻效应元件与反馈线圈之间的距离有关，所以根据这些要素来适当地设定。另外，为了避免频繁地切换，从磁平衡式检测向磁比例式检测切换的阈值最好是设置迟滞（ヒステリシス）的值。

另外，开关电路123也可以根据外部信号切换磁比例式检测和磁平衡式检测。这样，在休眠模式等用户想要省电化的时刻，能够抑制电流传感器的耗电量。这时，从外部向开关电路123输入模式信号（模式输入）。这时，希望准备当是GMR元件发生磁饱和这种被测量电流时实际上并不切换模式的这种保护功能，而且如果同时使用接下来记述的模式输出等，则能够使状态更容易理解。

另外，开关电路123也可以构成为，当自动进行模式切换时，向外部输出是在哪种模式下测量被测量电流的信息（表示是磁比例式检测状态或者磁平衡式检测状态的信号）。由此，能够确认当前电流传感器是哪种模式。这时，开关电路123构成为可以连接到外部监视器。另外，在开关电路123中自动进行模式切换时，也可以对被测量电流进行阈值判断，基于判断结果进行模式切换，也可以基于来自安装了电流传感器的设备的信息进行模式切换。

在此，说明使用本发明的电流传感器切换磁比例式检测和磁平衡式检测的例子。在图2中示出了使用了GMR元件的磁平衡式电流传感器（GMR平衡式）和使用了GMR元件的磁比例式电流传感器（GMR比例式）的耗电量的例子。如上所述，当被测量电流小时，GMR平衡式的耗电量比分流电阻等其他方式的大。另一方面，当被测量电流大时，GMR元件由于其磁场而磁饱和从而之后的输出值不准，因此不能使用GMR比例式。并且，在GMR比例式中，由于直接利用具有迟滞的GMR元件的（非线性的）特性，因此作为电流传感器能够使用的范围，限于大约不足饱和磁场的10％为止的、具有线性的范围内。在图2中，此具有线性的范围用被测量电流换算，是到40A左右为止。

表示将本发明的电流传感器应用于被认为是工作时的大电流模式和其以外的小电流模式清楚地分开的例子的、电动汽车或混合动力汽车的电池电流传感器的例子。例如，设混合动力汽车上搭载的发动机的额定值是60kw，电池是28串联，电压是201.6V。这时，在发动机的额定值运转中，电池电流为流动300A左右。另一方面，在停车时，耗电主要是由电气安装件引起的，将这些全部加起来也只是87A（12V），如果将其电流电压变换而成为电池电流，是5A左右。

因此，作为将电流传感器从磁比例式检测向磁平衡式检测切换的阈值，首先，选定与作为磁比例式检测能够使用的范围的50％左右有裕度的20A。这是与上述5A相比足够大，与上述300A相比足够小的值。作为响应速度，例如，当反馈电流是导通（ON）、到稳定为止的时间是1μs时，考虑磁比例式检测的使用范围的40A为止，能够应对20A/1μs=20A/μs的电流变化。在产生比这快的电流变化的系统中，只要通过进行同样的研究来选定进一步具有裕度的阈值即可。相反，为了避免频繁地切换，从磁平衡式检测向磁比例式检测切换的阈值设置迟滞，例如最好是选定与20A和5A适当地分开的10A。

在上述条件下，在图3以及图4中示出了本发明的电流传感器（Hybrid）的耗电量。图4是将图3中的切换部分放大后的图。从图3以及图4可知，通过以被测量电流20A为阈值进行检测模式的切换，产生磁平衡式检测的大测量范围的并且是高精度的等优点，并且在像汽车停车时那样被测量电流小时，能够减小耗电量。

上述说明是着眼于电流传感器的耗电量，切换磁平衡式检测模式的反馈电流的导通或截止（ON/OFF）的结构，但进一步，还能够通过以除了反馈电流的导通或截止（ON/OFF）之外还使用PGA（可编程增益放大器）等，改变电桥电路112的差动放大器121的增益的方式组成电路，来在被测量电流小时，提高测量的分辨率。这就成了，例如如果是汽车电池的电流传感器的用途，则在行驶时的怠速运转（アイドリング）中或停车中的待机电流的测量精度将升高，可以得到提高电池的充放电管理效率的效果。

另外，虽然混合动力汽车的电池的电流是直流，但是即使在测量家庭用电源等的交流电流时，也可以应用本发明的结构。例如在如图3以及图4的特性时，这时的检测模式切换的阈值可以以如下方式设定：当电流的最大值（峰值）超过磁比例式检测能够使用的范围的50％（20A）时，切换到磁平衡式，相反，在电流的最大值为省电模式的电流范围、例如为10A之下的状态时，切换到磁比例式。直流时的模式切换控制的差别在于，仅通过交流波动的最大值来判断，在设为磁平衡式检测而工作的期间内，交流波动变周期中的10A以下的电流值的时间也全部设为磁平衡式来工作。如果在耗电量的图表（图4）上说明这时的情况，则（在电流的最大值是20A以上时）当设为磁平衡式而工作的时候，在被测量电流的瞬间值在10A以下的时间，也以设为磁平衡式检测的电力来工作。由此，防止反馈电流的频繁地导通或截止（ON/OFF），可以得到能够使对大电流的变化的追踪变得更快的效果。另一方面，如果能够恰当地设定向磁比例式切换的阈值、例如是10A，则即使在磁平衡式检测下的工作期间抑制消耗电流的效果薄弱，但也在省电模式下能够按照原本的目标，得到抑制消耗电流的效果。

这样，通过本发明的电流传感器，在单一的电流传感器中切换磁比例式检测以及磁平衡式检测，所以能够兼具磁平衡式的大测量范围和省电化。特别地，本发明是使用磁阻效应元件的电流传感器，在接近反馈线圈的结构中是有效的。另外，磁阻效应元件有以下优点：由于其灵敏度轴是面内方向，在电流传感器的制造工序中，能够在磁阻效应元件跟前的地方对线圈成膜，其结果是获得能够用比较小的反馈电流产生抵消大电流产生的磁场的结构。

（实施方式2）

在本实施方式中，对夹着使被测量电流流通的电流线配置了两个电流传感器，并且两个电流传感器中各自的磁阻效应元件的灵敏度轴方向相同的情况进行说明。

图5是表示本发明的实施方式2涉及的电流传感器的配置状态的图。在图5所示的结构中，以被测量电流流通的电流线2为中心相对地设置了两个电流传感器1A、1B。

如图6所示，在电流传感器中，传感器部11A、11B包括：反馈线圈111，向抵消由被测量电流产生的磁场的方向缠绕；以及电桥电路112，由作为磁检测元件的两个磁阻效应元件和两个固定电阻元件组成。控制部13包含：差动放大器131，放大传感器部11A的电桥电路112的差动输出；电流放大器133，控制传感器部11A的反馈线圈111的反馈电流；I/V放大器132，将传感器部11A的反馈电流变换成电压；差动放大器134，放大传感器部11B的电桥电路112的差动输出；电流放大器135，控制传感器部11B的反馈线圈111的反馈电流；I/V放大器136，将传感器部11B的反馈电流变换成电压；以及开关电路137，切换磁比例式检测和磁平衡式检测。

由于图6所示的回路中的各部位与图1相同，因此省略其详细的说明。在图6所示的结构中，开关电路137以使电流传感器1A、1B在相同检测模式下工作的方式进行切换控制。而且，在磁比例式检测模式中，开关电路137取得差动放大器131、134的电压差的差动作为传感器输出，在磁平衡式检测模式中，开关电路137取得I/V放大器132、136的电压的差动作为传感器输出。通过进行这样的处理，两个电流传感器1A、1B中各自的磁阻效应元件的灵敏度轴方向相同，因此能够抵消地磁等外部磁场，能够更高精度地测量电流。

（使用电流传感器的电池）

使用本发明的电流传感器的电池具有：电池主体，装备了电流线；电流传感器，安装在此电流线上。对在具有这样结构的电池中进行充放电控制并进行电池的管理（电池管理系统）的情况进行说明。

通过在电池中设置本实施方式中表示的电流传感器，能够进行电池的管理。具体而言，如图7所示，通过在锂离子电池、镍氢电池、铅蓄电池等进行充放电的电池的端子（正极或者负极）设置电流传感器，使用该电流传感器计量并累计电池的充放电的电流，能够进行电池的剩余量管理。

虽然在电池使用时和未使用时流动的电流值大不相同，但是通过使用本实施方式所示的电流传感器，即，通过当被测量电流小时采用磁比例式检测，当被测量电流大时采用磁平衡式检测，由此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量电池的电流值，能够降低累计误差，因此能够缩小为过充电、过放电而对电池设置的容限（マ一ジン）。其结果是，能够有效率地使用电池，例如，通过在电动汽车等的电池内应用本实施方式所示的电流传感器，能够延长行驶距离。

本发明并不限于上述实施方式1、2，也可以在各种变更后实施。例如，可以在适当地变更上述实施方式1、2中的各元件的连接关系、大小等而实施。另外，在上述实施方式中，说明了在磁平衡式电流传感器中使用磁阻效应元件的情况，但也可以是在磁平衡式电流传感器中使用霍尔元件或其他磁检测元件的结构。除此之外，本发明可以在不脱离本发明的范围的情况下适当地变更后实施。

工业上的可利用性

本发明可以应用在检测电动汽车或混合动力汽车的驱动发动机用的电流的大小的电流传感器上。

本申请基于2010年2月23日申请的日本专利申请2010-037456。其内容全部包含在此。

Claims (8)

1.一种电流传感器，其特征在于，具有：

磁平衡式传感器，包括反馈线圈，该反馈线圈配置在由于来自被测量电流的感应磁场而特性发生变化的磁传感器元件的附近，产生抵消上述感应磁场的抵消磁场；以及

切换单元，切换磁比例式检测和磁平衡式检测，上述磁比例式检测以电压差为传感器的输出，上述磁平衡式检测以通过上述电压差向上述反馈线圈通电并达到上述感应磁场与上述抵消磁场相抵消的平衡状态时的、上述反馈线圈内流动的电流为传感器的输出。

2.一种电流传感器，其特征在于，具有：

夹着使上述被测量电流流通的导体配置了如权利要求1所述的两个电流传感器，上述两个电流传感器中的各自的磁传感器元件的灵敏度轴方向相同。

3.如权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，

上述切换单元根据外部信号切换上述磁比例式检测和上述磁平衡式检测。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电流传感器，其特征在于，

在维持上述磁传感器元件的磁特性的线性的被测量电流的区域，切换为上述磁比例式检测。

5.如权利要求1至3中任一项所述的电流传感器，其特征在于，

在相对低的被测量电流的区域，切换为上述磁比例式检测。

6.如权利要求1至5中任一项所述的电流传感器，其特征在于，

向外部输出表示是上述磁比例式检测状态或上述磁平衡式检测状态的情况的信号。

7.如权利要求1至6中任一项所述的电流传感器，其特征在于，

上述磁传感器元件是磁阻效应元件。

8.一种电池，其特征在于，具有：

电池主体，装备了电流线；以及

安装在上述电流线上的、如权利要求1至7中任一项所述的电流传感器。

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