CN113777386B - 基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，包括以下步骤：在导体电流平行方向布置铁芯；将霍尔元件布置于相对导体的特定位置，特定位置的确定方法如下：分别对导体通入稳态和瞬态的设定电流，获取第一、第二磁感应强度分布数据；比对第一、第二磁感应强度分布数据，以确定磁感应强度等于设定磁感应强度时的相同空间位置，该空间位置为特定位置，受铁芯的聚磁作用特定位置靠近导体；对导体通入电流，通过霍尔元件检测通过电流的大小。本发明的有益效果：电流检测避免使用铁芯材料环绕导体，以使电流检测装置的体积大大减小；在导体周围布置铁芯使霍尔元件的布置特定位置靠近导体，进一步使电流检测装置的体积减小。

Description

基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法及其应用

技术领域

本发明涉及基于霍尔传感器的交直流电流测量技术领域，尤其涉及一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法及其应用。

背景技术

随着电动汽车的快速发展，其电力系统在运行的过程中，遇到了如下瓶颈难题：正常工况下，百米加速可在3s内完成，使得其加速阶段的电流可高达600A乃至800A，脉宽数秒；故障工况下，当动力电池处于低SOC低温度状态时，短路电流峰值最小仅为数kA。两种工况之间极小的电流差异，传统熔断器无法兼顾高过载电流冲击和低短路故障电流快速保护的需求，而需要使用一种带电子测控装置的智能熔断器进行短路保护，该电子测控装置就需要电流传感器进行电流测量。

如图1所示，目前能够同时测量直流和交流（短路故障）电流的产品主要是霍尔电流传感器，当导体截面为非圆形截面时，导体四周的磁力线分布将随导体电流特性的变化而变化，这种现象将导致稳态通流以及不同瞬态特性电流通流时，霍尔元件2测到的同样大小电流时的磁感应强度大小相差较大，因此目前霍尔电流传感器均需要通过环绕导体1放置铁磁材料3，使得这种差异尽量削弱。而电动汽车为了能识别短路故障电流，就要求量程一般达到5kA，量程较大导致霍尔电流传感器体积较大，在加上智能熔断器中的控制器部分的体积，目前的霍尔电流传感器就不能满足电动汽车安装空间有限的要求。因此急需一种可适用于电动汽车智能熔断器狭小空间、成本低廉的电流传感方案。

发明内容

有鉴于此，为了解决目前霍尔电流传感器需要通过环绕导体放置铁磁材料导致体积较大的问题，本发明的实施例提供了一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法及其应用。

首先，本发明的实施例提供一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，包括以下步骤：

在导体电流平行方向布置铁芯；

将霍尔元件布置于相对导体的特定位置，所述特定位置的确定方法如下：

分别对所述导体通入稳态和瞬态的设定电流，获取第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据；

比对所述第一磁感应强度分布数据和所述第二磁感应强度分布数据，以确定磁感应强度等于设定磁感应强度时的相同空间位置，该空间位置为所述特定位置，受所述铁芯的聚磁作用所述特定位置靠近所述导体；

对所述导体通入电流，通过所述霍尔元件检测通过电流的大小。

进一步地，所述铁芯布置于所述导体表面。

进一步地，所述铁芯为矩形铁芯，所述导体为矩形铜排，所述铁芯与所述导体平行。

进一步地，第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据均为磁力线，所述特定位置为第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据在设定磁感应强度时的交点位置。

进一步地，所述第一磁感应强度分布数据和所述第二磁感应强度分布数据为所述导体相同截面的磁力线分布随磁场强度变化而变化的数据。

进一步地，所述设定磁感应强度为所述霍尔元件的最大可测量的磁感应强度。

进一步地，所述设定电流为所述霍尔元件的量程。

进一步地，所述导体的截面形状为非圆形。

进一步地，所述导体的截面形状为矩形，所述特定位置为一平行于所述导体中心线上的任意一点。

其次本发明的实施例还提供了上述基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法在熔断器中开断电流检测的应用，所述导体为熔断器的开断电极，所述铁芯与所述开断电极平行，所述设定电流为所述熔断器的开断电流。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、通过在导体周围特定位置布置霍尔元件，使霍尔元件输出特性仅与导体电流的大小保持线性关系，当导体通以稳态电流或其它任意瞬态电流，可使得霍尔元件检测到的磁感应强度大小仅与导体电流的幅值相关，与电流瞬态特性不相关，这样电流检测避免使用铁芯材料环绕导体，以使电流检测装置的体积相较于现有的霍尔传感器可大大减小。

2、在导体周围布置铁芯使霍尔元件的布置特定位置靠近导体，进一步使电流检测装置的体积减小，适用性更加广泛，尤其适用于电动汽车智能熔断器。

附图说明

图1是背景技术中现有技术中霍尔传感器的结构示意图；

图2是本发明一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法的原理示意图；

图3是导体周围布置铁芯后通入稳态电流的电流密度分布图；

图4是导体周围布置铁芯后通入稳态电流的磁场强度分布图；

图5是导体周围布置铁芯后通入瞬态电流的电流密度分布图；

图6是导体周围布置铁芯后通入瞬态电流的磁场强度分布图；

图7是导体周围未布置铁芯通入稳态电流和瞬态电流的磁力线分布图；

图8是导体周围布置铁芯通入稳态电流和瞬态电流的磁力线分布图；

图9是本发明一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法应用于熔断器的示意图。

图中：1-导体、2-霍尔元件、3-铁磁材料、4-铁芯、5-熔丝、6-控制电路板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图2，本发明的实施例提供了一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，主要适用于截面为正方形、矩形、椭圆形或其它非圆形形状的导体1中电流的检测，当导体1截面为非圆形截面时，所述导体1四周的磁力线分布将随导体1电流特性的变化而变化。该方法具体包括以下步骤：

在导体1电流平行方向布置铁芯4，所述铁芯4布置于所述导体1周围，位于所述导体1通过工作电流产生的磁场范围内。如图2所示，本实施例中所述铁芯4为矩形铁芯，所述导体1为矩形铜排，所述铁芯4与所述导体1平行。

将霍尔元件2布置于相对导体1的特定位置，所述特定位置的确定方法如下：

分别对所述导体1通入稳态和瞬态的设定电流，获取第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据。

比对所述第一磁感应强度分布数据和所述第二磁感应强度分布数据，以确定磁感应强度等于设定磁感应强度时的相同空间位置，该空间位置为所述特定位置，受所述铁芯4的聚磁作用所述特定位置靠近所述导体1，从而使所述霍尔元件2靠近导体1，这样缩小整个电流检测装置的体积。

如图3所示，在导体周围布置铁芯4后当导体1通过稳态（直流）电流时，导体1中电流密度分布均匀；如图5所示，而导体1通过瞬态（交流）电流时，瞬态电流在导体1中存在趋肤效应，电流密度集中在导体1的表面。如图4和6所示，这样就导致导体1在通过的稳态和瞬态电流相同幅值时，霍尔元件2所在位置的磁感应强度将有明显差异。

对于位置固定的所述导体1而言，其周围某一固定点的磁感应强度与通过所述导体1的电流大小成对应关系，因此在设定磁感应强度下，其对应的所述导体1上通过的电流是确定的。因此可以确定该特定空间位置，当导体1通以稳态电流或其它任意瞬态电流，可使得霍尔元件2检测到的磁感应强度大小仅与导体1电流的幅值相关，与电流瞬态特性不相关。

优选的，将所述设定磁感应强度设置为所述霍尔元件2的最大可测量的磁感应强度。如本实施例中，所述霍尔元件2的灵敏度为5mV/G，霍尔元件2输出范围为2.5V±2.3V，那么霍尔元件2最大可测量的磁感应强度为±460G。同时设置所述霍尔元件2的最大量程为10kA，即设定电流为10kA，也就是说所述导体1通以10kA瞬态或稳态电流时，所述霍尔元件2处特定位置的磁感应强度为460G。

如图7和8所示，本实施例还分别对所述导体1周围未布置铁芯4和布置铁芯4的磁场分布数据进行了模型试验,以验证所述铁芯4使所述特定位置靠近所述导体1的效果。具体的如下：

图7和8中，横轴表示距离导体1选定截面正中心的水平距离，数轴表示距离导体1选定截面正中心的竖直距离。

如图7所示，在所述导体1周围未布置铁芯4时，对所述导体通以稳态10kA，所述第一磁感应强度分布数据为所述导体1选定截面的磁力线分布随磁场强度变化而变化的数据，图7中曲线a为440G磁力线、曲线b为460G磁力线、曲线c为480G磁力线。所述导体1通以瞬态特性的电流其幅值达到10kA时，所述第二磁感应强度分布数据为所述导体1该选定截面的磁力线分布随磁场强度变化而变化的数据，图7中曲线d为440G磁力线、曲线e为460G磁力线、曲线f为480G磁力线。观察磁力线分布情况，找到稳态通流460G等值磁力线（曲线b）与瞬态460G等值磁力线（曲线e）的交叉点A，交叉点A（34/14）处即相当于所述霍尔元件2需要布置的特定位置。

如图8所示，在所述导体1周围布置铁芯4时，对导体1通以稳态10kA电流，所述第一磁感应强度分布数据为所述导体1选定截面的磁力线分布随磁场强度变化而变化的数据，图7中曲线a1为440G磁力线、曲线b1为460G磁力线、曲线c1为480G磁力线。对所述导体1通以瞬态特性的电流其幅值达到10kA时，所述第二磁感应强度分布数据为所述导体1该选定截面的磁力线分布随磁场强度变化而变化的数据，图7中曲线d1为440G磁力线、曲线e1为460G磁力线、曲线f1为480G磁力线。观察磁力线分布情况，找到稳态通流460G等值磁力线（曲线b1）与瞬态460G等值磁力线（曲线e1）的交叉点A1，交叉点A1（28/18）处即相当于所述霍尔元件2需要布置的特定位置。

对比图7和8中特定位置（A、A1）的坐标可知，在确定所述霍尔元件2布置的特定位置时，所述铁芯4的聚磁作用使该特定位置靠近所述导体1。

需要说明的是，本实施例中所述导体1的截面形状为矩形，根据所述导体1周围磁场强度的分布特性，可知所述霍尔元件2需要布置的特定位置实际可以为过该交叉点A与所述导体1中心线平行的任意一点。在所述导体1为其他非圆形形状时，所述霍尔元件2需要布置的特定位置，可根据所述导体1的形状及其周围的磁场强度分布而做调整。

另外通过模拟实现发现，在所述导体1材质、形状确定的情况下，未在所述导体1周围布置铁芯4时，所述霍尔元件2的特定位置是基本确定的。而在所述导体1周围布置铁芯4时，所述霍尔元件2的特定位置可以通过铁芯4尺寸和位置的变化来调整，这样对霍尔传感器的约束要求相对较小，即霍尔传感器布局更加灵活。

这里所述第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据均为磁力线，所述特定位置为第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据在设定磁感应强度时的交点位置。可以理解的是所述第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据还可以选择其他磁感应强度分布图像、图表等，具体应用时不受本实施例中的限制。

在所述霍尔元件2被布置于所述特定位置之后，对所述导体1通入电流，通过所述霍尔元件2检测通过电流的大小。也就是说所述导体1接入电路中通电后，通过所述霍尔元件2对流过所述导体1的电流进行检测，无论通过的电流为瞬态或稳态，只要电流幅值未超过设定电流时，所述霍尔元件2可准确检测出此时的电流大小。

另外如图9所示，本发明的实施例还提供了上述的基于无铁芯的霍尔检测导体稳态瞬态电流的方法在熔断器中开断电流检测的应用，所述导体1为熔断器的开断电极，所述铁芯4与所述开断电极平行，所述设定电流为所述熔断器的开断电流。

如图9所示，具体的，所述铁芯4设置于所述开断电极上表面且与所述开断电极平行，所述霍尔元件2布置于相对所述熔断器的开断电极的特定位置，安装于所述熔断器的控制电路板6上，所述霍尔元件2检测出所述开断电极上流过开断电流时，通过所述控制电路板6控制所述开断电极上的熔丝5熔断，以实现所述开断电极的分断。这种熔断器在电流检测时避免使用铁芯材料环绕导体的霍尔传感器，使熔断器的体积大大减小，进而满足熔断器在电动汽车有限空间下的安装要求。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在导体电流平行方向布置铁芯；

将霍尔元件布置于相对导体的特定位置，所述特定位置的确定方法如下：

分别对所述导体通入稳态和瞬态的设定电流，获取第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据；

比对所述第一磁感应强度分布数据和所述第二磁感应强度分布数据，以确定磁感应强度等于设定磁感应强度时的相同空间位置，该空间位置为所述特定位置，受所述铁芯的聚磁作用所述特定位置靠近所述导体，其中第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据均为磁力线，所述特定位置为第一磁感应强度分布数据和第二磁感应强度分布数据在设定磁感应强度时的交点位置；

对所述导体通入电流，通过所述霍尔元件检测通过电流的大小。

2.如权利要求1所述的基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，其特征在于：所述铁芯布置于所述导体表面。

3.如权利要求1所述的基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，其特征在于：所述铁芯为矩形铁芯，所述导体为矩形铜排，所述铁芯与所述导体平行。

4.如权利要求1所述的基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，其特征在于：所述第一磁感应强度分布数据和所述第二磁感应强度分布数据为所述导体相同截面的磁力线分布随磁场强度变化而变化的数据。

5.如权利要求1所述的基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，其特征在于：所述设定磁感应强度为所述霍尔元件的最大可测量的磁感应强度。

6.如权利要求1所述的基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，其特征在于：所述设定电流为所述霍尔元件的量程。

7.如权利要求1所述的基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，其特征在于：所述导体的截面形状为非圆形。

8.如权利要求1所述的基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法，其特征在于：所述导体的截面形状为矩形，所述特定位置为一平行于所述导体中心线上的任意一点。

9.如权利要求1～6任意一项所述的一种基于部分铁芯的霍尔检测稳态瞬态电流的方法在熔断器中开断电流检测的应用，其特征在于：所述导体为熔断器的开断电极，所述铁芯与所述开断电极平行，所述设定电流为所述熔断器的开断电流。

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