CN117310265A - 电流传感器设备 - Google Patents

Abstract

提供了用于测量电流的电流传感器和组件。所述电流传感器组件包括卷绕在芯周围的导线线圈和耦合到所述导线线圈的插接板。所述插接板包括安装在导线线圈的至少一部分上的保持器和金属引脚对，其中所述金属引脚对的第一端部耦合到所述导线线圈并且被配置为从所述导线线圈接收电压信号，所述金属引脚对的第二端部耦合到电路板的接口并且被配置为将电压信号从所述导线线圈传递到电路板。

Description

电流传感器设备

技术领域

本公开的示例实施例总体上涉及电流传感器，并且特别地，涉及改进的电流传感器元件和组件。

背景技术

电流传感器在许多工业和汽车应用中采用，诸如电池管理系统。为了获得关于电池健康状态和充电状态的详细信息，将精确的传感器集成到电池监控系统中至关重要。电流传感器可以被采用来测量流入（当充电时）和流出（当放电时）电池的电流。申请人已经认识到与常规电流传感器相关联的许多技术挑战和困难。

发明内容

本文描述的各种实施例涉及用于测量电流的组件、设备和系统。

根据本公开的各种实施例，提供了电流传感器设备的组件。在一些实施例中，该组件包括卷绕在芯周围的导线线圈和耦合到导线线圈的插接板。插接板包括安装在导线线圈的至少一部分上的保持器和金属引脚对，其中所述金属引脚对的第一端部耦合到导线线圈并且被配置为从导线线圈接收电压信号，所述金属引脚对的第二端部耦合到电路板的接口并且被配置为将电压信号从导线线圈传递到电路板。

在一些实施例中，所述金属引脚对的第一端部可以包括被配置用于与导线线圈的相对端部接触的触点。在一些实施例中，保持器的至少两个表面可以与导线线圈接触。在一些实施例中，保持器可以包括固定器，该固定器至少将导线线圈维持在壳体内的固定定位。在一些实施例中，保持器可以进一步包括夹具。在一些实施例中，电路板可以被配置为生成对应于电压信号的数字输出。

根据另一实施例，提供了一种电流传感器。在一些实施例中，电流传感器包括线圈电流传感器元件、电路板和插接板，线圈电流传感器元件包括卷绕在芯材料周围的导线线圈，电路板包括被配置为处理来自线圈电流传感器元件的电压信号的一个或多个组件，并且插接板耦合到线圈电流传感器元件。插接板包括安装在导线线圈的至少一部分上的保持器，以及围绕线圈电流传感器元件的导线线圈配置的金属引脚对，其中所述金属引脚对被配置为将电压信号从线圈电流传感器元件传递到电路板的一个或多个组件。电流传感器可以进一步包括封装线圈电流传感器元件、电路板和插接板的壳体。

在一些实施例中，电路板的一个或多个组件可以包括至少一个电压信号处理装置。在一些实施例中，电路板可以被配置为生成对应于电压信号的数字输出。在一些实施例中，保持器可以包括固定器，该固定器将至少线圈电流传感器元件维持在壳体内的固定定位。在一些实施例中，所述金属引脚对可以包括被配置用于与导线线圈的相对端部接触的触点。在一些实施例中，保持器的至少两个表面可以与导线线圈接触。

根据又一实施例，电流传感器包括开环电流传感器元件和耦合到开环电流传感器元件的霍尔效应传感器。霍尔效应传感器可以被配置为基于开环电流传感器元件的操作生成第一输出。电流传感器进一步包括被配置为生成第二输出的线圈电流传感器元件。线圈电流传感器元件包括插接板，所述插接板包括安装在线圈电流传感器元件的至少一部分上的保持器，以及围绕线圈电流传感器元件的导线线圈配置的金属引脚对。电流传感器进一步包括电路板，该电路板在第一位置处耦合到霍尔效应传感器，并且在第二位置处经由所述金属引脚对耦合到线圈电流传感器元件，其中电路板被配置为基于第一输出和第二输出中的至少一个生成数字输出，其中第一位置相对于第二位置正交不重叠。

在一些实施例中，第一位置可以包括第一象限，并且第二位置可以包括第二象限。在一些实施例中，第一位置可以包括与第二位置相距至少90°的旋转角。在一些实施例中，保持器可以包括固定器，该固定器将至少导线线圈维持在壳体内的固定定位。在一些实施例中，保持器可以进一步包括夹具。在一些实施例中，数字输出可以包括对应于第一输出和第二输出中的至少一个的电流读数。在一些实施例中，所述金属引脚对可以包括被配置用于与导线线圈的相对端部接触的触点。在一些实施例中，保持器的至少两个表面可以与导线线圈接触。

在以下详细描述及其随附附图中，进一步解释了本公开的前述说明性概述以及其他示例性目的和/或优点，以及实现所述说明性概述、目的和优点的方式。

附图说明

可以结合随附附图来阅读说明性实施例的描述。应当领会，为了说明的简单性和清楚性，附图中所图示的元件不一定是按比例绘制的，除非另有说明。例如，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，除非另有说明。结合本公开的教导的实施例相对于本文中呈现的附图被示出和描述，其中：

图1图示了根据本公开的各种实施例的示例电流传感器组件的俯视图；

图2A和图2B图示了根据本公开的各种实施例的示例电流传感器组件的透视图；

图3A和图3B图示了根据本公开的各种实施例的示例性插接板配置的顶视截面图；

图4图示了根据本公开的各种实施例的示例电流传感器的展示图；

图5图示了根据本公开的各种实施例的示例电流传感器的分解图；

图6A图示了根据本公开的各种实施例的线圈电流传感器组件的示例性取向；

图6B图示了根据本公开的各种实施例的开环电流传感器组件的示例性取向；

图7图示了根据本公开的各种实施例的示例电流传感器的分解图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开的一些实施例，附图中示出了本公开的一些但非全部实施例。实际上，这些公开内容可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。相同的数字贯穿全文指代相同的元件。

如此处所使用的，诸如“前”、“后”、“顶部”等术语在下面提供的示例中用于解释目的，以描述某些组件或组件部分的相对定位。更进一步地，根据本公开，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，术语“基本上”和“近似”指示所引用的元件或相关联的描述在可应用的工程公差内是准确的。

如本文所使用的，术语“包括”意味着包括但不限于，并且应该以其在专利上下文中典型地使用的方式来解释。诸如包括、包含和具有的更广泛术语的使用应当被理解为对诸如“由……构成”、“基本上由……构成”和“基本上由……组成”的更狭义术语的支持。

表述“在一个实施例中”、“根据一个实施例”等通常意味着该表述之后的特定特征、结构或特性可以被包括在本公开的至少一个实施例中，并且可以被包括在本公开的多于一个实施例中（重要的是，这样的表述不一定指代同一实施例）。

词语“示例”或“示例性的”在本文中用于意指“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实现不一定被解释为相对于其他实现是优选的或有利的。

如果说明书陈述了组件或特征“可以”、“能够”、“会”、“应该”、“将”、“优选地”、“有可能”、“典型地”、“可选地”、“例如”、“经常”或“可能”（或其他这样的语言）被包括或具有特性，则特定的组件或特征不需要被包括或具有该特性。这样的组件或特征可以可选地被包括在一些实施例中，或者可以被排除。

与电子和半导体器件一起，电流传感器广泛用于电力系统中。如上所述，存在与当前传感器相关联的许多技术挑战和困难。开环电流传感器可以包括磁芯，该磁芯设计有气隙，霍尔效应传感器放置在所述气隙中。然而，气隙是影响基于霍尔效应的电流传感器的灵敏度和精度的关键因素之一。此外，基于线圈的电流传感器可以采用卷绕在芯上的线圈来接收磁场，该磁场经由线圈处产生的磁通量来感应出电压。然而，线圈绕组的变形（例如，缺乏均匀性/未对准/缺乏均匀的线圈绕组）可能影响电流传感器的性能。

此外，电流传感器可以采用基于线圈的电流传感器电路（例如，用于低电流范围的测量）和开环电流传感器电路（例如，用于高电流范围的测量），以提供宽电流范围的高精度电流测量，以及提供冗余电流感测灵活性。然而，在这样的应用中，基于线圈的电路和开环电路之间可能存在干扰，这可能影响传感器的性能。因此，需要移除/减少电流传感器内共存的基于线圈的电路和开环电路之间的干扰，以提高传感器性能。

本公开的各种示例实施例克服了当前传感器中的这种技术挑战和困难，并提供了各种技术进步和改进。根据本公开的各种示例，公开了用于改进电流传感器性能的示例电流传感器组件的组件。

现在参考图1，提供了电流传感器组件100，其可以根据本公开的各种实施例使用。在一些实施例中，电流传感器组件100包括线圈电流传感器元件102，线圈电流传感器元件102包括卷绕在芯106周围的导线线圈104。

导线线圈104可以包括绕导线线圈104的管体缠绕的螺旋线圈。在一些实施例中，导线线圈104卷绕在芯106周围。例如，导线线圈104可以包括围绕导线线圈104的整个管体的N匝。导线线圈104可以包括位于导线线圈104第一端部处的第一引线和位于所述导线线圈第二端部处的第二引线。导线线圈104可以包括铜或适于传导电流的任何金属。

在一些实施例中，电流传感器组件100进一步包括耦合到导线线圈104的插接板108。插接板108包括金属引脚对110和可以安装在导线线圈104的至少一部分上的保持器114。所述金属引脚对110可以包括由导电金属制成的触点或引线，导电金属诸如铜、镍、银、金或它们的任何合金。所述金属引脚对110可以经由支架、夹片或类似附接件耦合到保持器114。所述金属引脚对110中的第一个可以耦合到导线线圈104的第一引线，所述金属引脚对110中的第二个可以耦合到导线线圈104的第二引线。所述金属引脚对110的第一端部可以包括被配置为与导线线圈104的每个相对端部接触的触点。

芯106可以包括环面，或者俗称为甜甜圈或油炸圈饼，其形状包括环形部分和内部空隙。在其他实施例中，芯106可以包括方形形状。在一些实施例中，芯106可以包括铁磁材料，诸如纳米晶体和镍铁材料（例如，环形芯）。根据其他实施例，芯106可以包括非金属芯或空心芯（例如，包括纤维或塑料的非磁性芯）。在一些实施例中，芯106可以是类似于环形形状的形状。

根据一些实施例，线圈电流传感器元件102可以包括罗氏（Rogowski）线圈电流传感器。在其他实施例中，线圈电流传感器元件102可以包括闭环霍尔效应电流传感器。

线圈电流传感器元件102进一步在芯106的内部空隙中限定了孔口112。孔口112可以被配置用于通过间接感测来检测电流。例如，承载电流的导体可以穿过孔口112放置，这可以在导线线圈104处产生磁通量。根据法拉第感应定律，磁通量可以在导线线圈104中感应电动势（emf），以电压测量。

所述金属引脚对110的第一端部可以被配置为接收和传导来自导线线圈104的电压信号。所述金属引脚对110的第二端部可以耦合到电路板的接口，并且被配置为将原始电压信号从导线线圈104传递到电路板。来自导线线圈104的电压信号可以由电路板处理，以生成与由导线线圈104在孔口112处接收的磁通量成比例的数字输出信号。电路板可以包括用于将电压信号转换成数字输出信号的模数转换器。例如，数字输出信号可以表示使用欧姆定律（电压=电流×电阻）基于电压信号和测量电阻器计算的电流。

根据本公开的实施例，当电流传感器组件100被放置在壳体内时，保持器114可以提供保护固定器来保护导线线圈104的结构。例如，保持器114可以包括用于保护导线线圈104的至少一部分免受物理损坏的刚性主体。根据一些实施例，保持器114可以用于覆盖电流传感器组件的敏感部分。例如，电流传感器组件可以包括包含霍尔传感器和气隙的部分，该部分可以定位在保持器114内。

当放置在壳体中时，保持器114还可以将至少导线线圈104和芯106维持在固定定位。参考图2A和图2B，插接板108可以包括保持器114，该保持器114被配置为夹持在线圈电流传感器元件102的至少一部分周围，以限制导线线圈104和芯106在保持器114内的移动。插接板108进一步包括锚固部116。锚固部116可以包括至壳体的附接件，使得保持器114可以稳定在壳体内。这样，保持器可以防止导线线圈104和芯106在壳体内的移动和碰撞。

保持器114包括三个侧壁，包括C形轮廓和由三个侧壁定界的空隙。保持器114的侧壁可以围绕芯106的至少一部分放置在导线线圈104上。也就是说，由导线线圈104卷绕的芯106的至少一部分可以被配置为占据由保持器114的三个侧壁定界的空隙。如图3A和图3B中描绘的那样，保持器114的侧壁表面与线圈电流传感器元件102接触。线圈电流传感器元件102的横截面由通过两条平行线连接的两个圆表示。在一些实施例中，侧壁表面可以与卷绕在芯106的一部分上的导线线圈104接触。保持器114的至少两个侧壁表面可以与线圈电流传感器元件102接触。例如，保持器114的三个侧壁表面与线圈电流传感器元件102接触，如图3A所示。在另一示例中，保持器114的两个侧壁表面与线圈电流传感器元件102接触，如图3B所示。

图3A示出了保持器114的配置，其中侧壁表面位于线圈电流传感器元件102的外表面上，使得侧壁表面中的中心那个位于线圈电流传感器元件102的与孔口112相对的一侧上。可替代地，保持器114可以被定位成使得保持器114的非中心侧壁表面之一位于线圈电流传感器元件102的邻近孔口112的一侧上，如图3B所示。

图4呈现了根据本文描述的各种实施例的示例电流传感器的展示图。电流传感器200包括封装线圈电流传感器元件102、插接板108和电路板204的壳体202。插接板108耦合到线圈电流传感器元件102。插接板108可以将线圈电流传感器元件102保持在壳体202内的适当位置，并且在导线线圈104的至少一部分上提供保护性覆盖。也就是说，插接板108可以提供将至少线圈电流传感器元件102维持在壳体202内的固定定位的固定器。根据一些实施例，壳体202可以包括蛤壳式壳体，其关于图5的描述被进一步详细描述。

所述金属引脚对110可以包括绕线圈电流传感器元件102的导线线圈104配置的触点。特别地，所述金属引脚对110耦合到导线线圈104的端部，使得所述金属引脚对110可以将包括来自线圈电流传感器元件102的电压信号的输出传递到电路板204的一个或多个组件。电路板204可以包括处理装置和用于将电压信号转换成数字输出信号的模数转换器。数字输出信号可以代表与线圈电流传感器元件102检测到的磁通量成比例的电流。

图5图示了根据本公开的一些示例实施例的示例电流传感器的分解图。在所图示的实施例中，电流传感器200包括线圈电流传感器元件102、插接板108和电路板204，所有这些都封装在壳体部分202A和壳体部分202B内。线圈电流传感器元件102可以插入壳体部分202A中的保持插座内。插接板108可以在面对壳体部分202A的相对侧连接到线圈电流传感器元件102。插接板108可以进一步固定壳体部分202A，以将线圈电流传感器元件102锚定在壳体部分202A内的适当位置。电路板204邻近于壳体部分202B定位，并且耦合到插接板108。

在本公开的各种实施例中，电流传感器可以采用线圈电流传感器元件和开环电流传感器元件这两者来为宽范围的电流提供高精度的电流测量，以及提供冗余的电流感测灵活性。也就是说，线圈电流传感器和开环电流传感器元件可以在单个壳体内彼此平行且同心地布置。然而，在这样的配置中，线圈电流传感器和开环电流传感器元件之间可能存在干扰，这可能影响传感器的性能。为了减轻干扰，线圈电流传感器和开环电流传感器元件可以被定向为使得各种类型的传感器的信号敏感组件，诸如引线或与电路板的接口、霍尔效应传感器和磁阻传感器不重叠。

参考图6A，线圈电流传感器元件600包括卷绕在芯604周围的导线线圈602。线圈电流传感器元件600进一步包括位于芯604的气隙608内的霍尔效应传感器606。在本公开的一些实施例中，霍尔效应传感器606可以用插接板108代替。图6B呈现了根据本公开的一些实施例的开环电流传感器元件700。开环电流传感器元件700包括磁芯702和在磁芯702的气隙706内的霍尔效应传感器704。

在本公开的各种实施例中，电流传感器可以包括线圈电流传感器元件600和开环电流传感器元件700的组合。也就是说，如图7所示，线圈电流传感器元件600和开环电流传感器元件700可以在单个壳体内彼此平行且同心地布置。为了减轻霍尔效应传感器606（或在一些实施例中覆盖霍尔效应传感器606的插接板108）和霍尔效应传感器704之间的干扰，它们可以位于不同的位置。

霍尔效应传感器606可以被配置在壳体的第一位置处，霍尔效应传感器704可以被配置在壳体的第二位置处，其中第一位置相对于第二位置正交不重叠。在本公开的各种实施例中，霍尔效应传感器606和霍尔效应传感器704可以被配置在笛卡尔平面的不同象限中。根据图6所示的实施例，霍尔效应传感器606位于象限位置，而霍尔效应传感器704位于/>象限位置。根据一个实施例，第一位置可以与第二位置相距至少90°的旋转角（例如，在笛卡尔平面上）。

图7呈现了根据本文描述的各种实施例的电流传感器。电流传感器800包括电流传感器组件100、电路板806、霍尔效应传感器组件810和磁芯808，所有这些都封装在壳体部分802A和壳体部分802B内。电流传感器组件100的线圈电流传感器元件102可以插入壳体部分802A中的保持插座内。

插接板108可以在面对壳体部分802A的相对侧上附接到线圈电流传感器元件102。插接板108可以进一步固定壳体部分802A，以将线圈电流传感器元件102锚定在壳体部分802A内的适当位置。插接板108可以包括夹持线圈电流传感器元件102的保持器114和将线圈电流传感器元件102保持在壳体部分802A内适当位置的锚固部116。保持器114可以进一步包括刚性主体，该刚性主体在线圈电流传感器元件102（或者在一些实施例中线圈电流传感器元件600的霍尔效应传感器606）上的导线线圈的至少一部分上提供保护性覆盖。根据本公开的各种实施例，保持器114的至少两个表面与导线线圈部分接触。

电路板806位于电流传感器组件100和磁芯808之间。电路板806可以经由金属引脚对耦合到插接板108，以用于将包括来自线圈电流传感器元件102的电压信号的输出传递到电路板806的一个或多个组件。所述金属引脚对可以包括被配置用于与线圈电流传感器元件102的导线线圈的相对端部接触的触点。

霍尔效应传感器组件810可以被配置在磁芯808的气隙之间，从而形成如上所述的开环电流传感器元件。电路板806可以耦合到霍尔效应传感器组件810，以接收包括来自由磁芯808和霍尔效应传感器组件810形成的开环电流传感器元件的电压信号的输出。

电路板806可以在第一位置处耦合到霍尔效应传感器组件810，并且在第二位置处耦合到插接板108，其中第一位置相对于第二位置正交不重叠，从而防止如上面所讨论的干扰。电路板806可以包括处理装置和模数转换器，所述模数转换器用于将来自例如插接板108和霍尔效应传感器组件810的电压信号转换成数字输出信号。数字输出信号可以分别代表由磁芯808和霍尔效应传感器组件810形成的开环电流传感器元件测量的电流读数，以及由电流传感器组件100测量的电流读数。例如，给定的数字输出信号可以代表使用欧姆定律基于电压信号和测量电阻器计算的电流。电路板806可以被配置为基于来自插接板108和霍尔效应传感器组件810中的至少一个或组合的输出来生成数字输出。

应当理解，本公开不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定的术语，但是除非另有描述，否则它们仅用于一般的和描述性的意义，而不是为了限制的目的。

Claims (20)

1.一种电流传感器组件，包括：

卷绕在芯周围的导线线圈；

耦合到所述导线线圈的插接板，所述插接板包括：

安装在导线线圈的至少一部分上的保持器，以及

金属引脚对，其中：

所述金属引脚对的第一端部耦合到所述导线线圈，并且被配置为从所述导线线圈接收电压信号；并且

所述金属引脚对的第二端部耦合到电路板的接口，并且被配置为将所述电压信号从导线线圈传递到电路板。

2.根据权利要求1所述的电流传感器组件，其中所述金属引脚对的第一端部包括被配置用于与所述导线线圈的相对端部接触的触点。

3.根据权利要求1所述的电流传感器组件，其中所述保持器的至少两个表面与所述导线线圈接触。

4.根据权利要求1所述的电流传感器组件，其中所述保持器包括固定器，所述固定器将至少所述导线线圈维持在壳体内的固定定位。

5.根据权利要求1所述的电流传感器组件，其中所述保持器进一步包括夹具。

6.根据权利要求1所述的电流传感器组件，其中所述电路板被配置为生成对应于所述电压信号的数字输出。

7.一种电流传感器，包括：

线圈电流传感器元件，包括卷绕在芯材料周围的导线线圈；

电路板，包括被配置为处理来自线圈电流传感器元件的电压信号的一个或多个组件；

耦合到所述线圈电流传感器元件的插接板，所述插接板包括：

安装在所述导线线圈的至少一部分上的保持器，以及

绕线圈电流传感器元件的导线线圈配置的金属引脚对，所述金属引脚对被配置为将电压信号从线圈电流传感器元件传递到电路板的一个或多个组件；和

壳体，其封装线圈电流传感器元件、电路板和插接板。

8.根据权利要求7所述的电流传感器，其中所述电路板的一个或多个组件包括至少一个电压信号处理装置。

9.根据权利要求7所述的电流传感器，其中所述电路板被配置为生成对应于所述电压信号的数字输出。

10.根据权利要求7所述的电流传感器，其中所述保持器包括固定器，所述固定器将至少线圈电流传感器元件维持在壳体内的固定定位。

11.根据权利要求7所述的电流传感器，其中所述金属引脚对包括被配置用于与所述导线线圈的相对端部接触的触点。

12.根据权利要求7所述的电流传感器，其中所述保持器的至少两个表面与所述导线线圈接触。

13.一种电流传感器，包括：

开环电流传感器元件；

耦合到所述开环电流传感器元件的霍尔效应传感器，所述霍尔效应传感器被配置为基于所述开环电流传感器元件的操作生成第一输出；

线圈电流传感器元件，被配置为生成第二输出，所述线圈电流传感器元件包括插接板，所述插接板包括：

安装在线圈电流传感器元件的至少一部分上的保持器，和

绕线圈电流传感器元件的导线线圈配置的金属引脚对；以及

电路板，在第一位置处耦合到霍尔效应传感器，并且在第二位置处经由所述金属引脚对耦合到线圈电流传感器元件，所述电路板被配置为基于第一输出和第二输出中的至少一个生成数字输出，其中所述第一位置相对于所述第二位置正交不重叠。

14.根据权利要求13所述的电流传感器，其中第一位置包括第一象限，并且第二位置包括第二象限。

15.根据权利要求13所述的电流传感器，其中所述第一位置包括与所述第二位置相距至少90°的旋转角。

16.根据权利要求13所述的电流传感器，其中所述保持器包括固定器，所述固定器将至少所述导线线圈维持在壳体内的固定定位。

17.根据权利要求13所述的电流传感器，其中所述保持器进一步包括夹具。

18.根据权利要求13所述的电流传感器，其中所述数字输出包括对应于所述第一输出和所述第二输出中的至少一个的电流读数。

19.根据权利要求13所述的电流传感器，其中所述金属引脚对包括被配置用于与所述导线线圈的相对端部接触的触点。

20.根据权利要求13所述的电流传感器，其中所述保持器的至少两个表面与所述导线线圈接触。