CN118068065A - 双通道电流传感器 - Google Patents
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Abstract
一种双通道电流传感器，包括壳体、芯体和印刷电路板组件(PCBA)。壳体具有圆柱形空腔和端部部分，其中圆柱形空腔在第一端部处敞开。芯体为圆柱形形状，具有平坦的顶部表面和底部表面，并且具有在内表面上的平坦区域、垂直于平坦区域并与平坦区域相对的间隙、邻近间隙的一侧的第一部分和邻近间隙的另一相对侧的第二部分。芯体被插入到圆柱形空腔的第一端部中。插入到壳体的端部部分中的PCBA具有设置在间隙中的传感器。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及电流传感器，更具体地，涉及在电动车辆系统中使用的电流传感器。
背景技术
电流传感器检测流经承载导体(比如电线或电缆)的电流。电动车辆(EV)系统，例如电池充电器系统、电池系统、功率分配器系统、逆变器系统和转换器系统，可以采用电流传感器。
霍尔效应电流传感器由开环磁性芯体和霍尔传感器组成，其是一种磁敏半导体装置。霍尔传感器放置在芯体的间隙中。承载导体(比如电缆)，设置成穿过芯体的环。当电流通过导体时，芯体上就会产生磁场。当霍尔传感器暴露于芯体的磁场中时，会产生小的霍尔电压。霍尔电压与导体中的电流和磁场的乘积成正比，磁场与传感器的表面积成正比。霍尔传感器能够检测小的电流范围内的电流。
磁芯的形状可能会影响其饱和点以及霍尔传感器输出的线性度。如果磁芯是缠绕芯体，那么它的形状会受到限制，从而限制了这两个特性。在用PCBA替换相应的中空环中的两个芯体的情况下，PCBA的电子部件将在超声波焊接期间被损坏。此外，用于芯体的双面焊接具有低的制造效率。
就这些和其它考虑而言，本改进可能是有用的。
发明内容
提供本概述是为了以简化的形式介绍将在下面的详细描述中进一步描述的选定的概念。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在帮助确定所要求保护的主题的范围。
根据本公开的双通道电流传感器的示例性实施例可以包括壳体、芯体和印刷电路板组件(PCBA)。壳体具有圆柱形空腔和端部部分，其中圆柱形空腔在第一端部处敞开。该芯体为圆柱形形状，具有平坦的顶部表面和底部表面，并且具有在内表面上的平坦区域、垂直于平坦区域并与平坦区域相对的间隙、邻近间隙的一侧的第一部分和邻近间隙的另一相对侧的第二部分。芯体被插入到圆柱形空腔的第一端部中。插入到壳体的端部部分中的PCBA具有设置在间隙中的传感器。
附图说明
图1A-1D是示出根据示例性实施例的双通道电流传感器的示意图；
图2A-2B是示出根据示例性实施例的具有缠绕芯体的双通道电流传感器的示意图；
图3A-3B是示出根据示例性实施例的具有冲压芯体的双通道电流传感器的示意图；
图4A-4D是示出根据示例性实施例的图3A-3B的双通道电流传感器的示意图；
图5是示出根据示例性实施例的图3A-3B的双通道电流传感器中的霍尔传感器的操作的曲线图；以及
图6是示出根据示例性实施例的图3A-3B的双通道电流传感器中的霍尔传感器的操作的曲线图。
具体实施方式
双通道传感器由两个芯体组成，一个比另一个大，由插入到壳体中的间隔件分开。这两个芯体是圆柱形形状的，各自具有平坦的顶部和侧表面，并且各自具有间隙。壳体具有端部部分和在一个端部处开口的圆柱形空腔。较小的芯体首先被插入到壳体中，接着是间隔件，然后最后，较大的芯体被插入其中。具有两个传感器的印刷电路板组件(PCBA)被插入到壳体的端部部分中，使得第一传感器占据较大的芯体中的间隙，而第二传感器占据较小的芯体中的间隙。较大的芯体可以被冲压成具有平坦区域，该平坦区域装配到具有类似的平坦区域的圆柱形空腔中。较大的芯体还具有设置在间隙的两侧的两个部分，这两个部分的高度低于芯体的其余部分。壳体的端部部分具有刚性定位零件，以在压配引脚插入期间保持PCBA。
为了方便和清楚起见，本文可以使用比如“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“侧向”、“横向”、“径向”、“内”、“外”、“左”和“右”的术语来描述特征和部件相对于在本文提供的透视图、分解透视图和剖视图中出现的其他特征和部件的几何形状和方向的相对位置和方向。所述术语不是限制性的，并且包括具体提到的词语、其中的派生词以及类似含义的词语。
图1A-1D是根据示例性实施例的用于提供电流感测的双通道电流传感器100的代表图。图1A是俯视图，图1B-1C是透视图，图1D是双通道电流传感器100的分解透视图。双通道电流传感器100以两个芯体为表征，第一芯体106和第二芯体110，由间隔件108分开。
在示例性实施例中，第一芯体106和第二芯体110彼此类似，因为两者都具有大致相同的直径和相同的周长，其中第一芯体106具有比第二芯体110更大的高度。因此，第一芯体106可以被认为是大芯体，而第二芯体110是小芯体。两个芯体106和110基本上是圆柱形状或圆环形状的，顶部表面和底部表面基本上是平坦的，外表面和内表面是圆形的，除了在示例性实施例中，芯体106在内表面上具有平坦的部分。两个芯体106和110都是开放的芯体，因为每个芯体都具有用于容纳单独的传感器的间隙。两个芯体106和110都具有用于接受承载导体的中空的中心，使得承载导体基本上正交于芯体。
双通道电流传感器100具有壳体102，该壳体具有圆柱形空腔112和端部部分132。圆柱形空腔112是在一个端部处开口的中空环，用于接收第一芯体106和第二芯体110。与一些现有技术的传感器壳体相反，圆柱形空腔112在底部没有开口。因此，第一芯体106、间隔件108和第二芯体110装配到圆柱形空腔112中，箭头120示出了组装方向：第二芯体110被插入到中空的圆柱形空腔112中，接着是间隔件108，然后是第一芯体106。在示例性实施例中，间隔件108确保芯体106和芯体110之间存在一定距离。顶部盖104放置在圆柱形空腔112的顶部开口上，邻近第一芯体106，以封闭壳体102。在示例性实施例中，顶部盖104使用超声波焊接附接到壳体102的圆柱形空腔112的顶部，并压靠芯体106、间隔件108和芯体110。
壳体102的端部部分132包括电连接器插口126，用于将双通道电流传感器100连接到电源。端部部分132进一步接收印刷电路板组件(PCBA)114。一旦完全插入，PCBA 114就横跨在壳体102的端部部分132和圆柱形空腔112之间。除了其他电子部件，PCBA 114包括第一感测专用集成电路(ASIC)122和第二感测ASIC 124。如图1D所示，ASIC 122与ASIC 124正交。在非限制性实施例中，ASIC 122和ASIC 124是霍尔传感器。
箭头118示出了PCBA 114的组装方向：首先插入PCBA 114的具有ASIC 122和124的一侧，然后将PCBA置于其中，直到部分地占据圆柱形空腔112(图1A)，然后将侧盖116放置在端部部分132上。在示例性实施例中，侧盖116通过激光焊接或其他工艺(例如环氧树脂灌封)安装。侧盖116因此将PCBA 114密封在壳体102内。
在一些现有技术的实施方式中，PCBA被插入到壳体的接收芯体的相同开口中。将PCBA插入到开口中，然后将芯体插入到PCBA上。在芯体的超声波焊接期间，PCBA的电子部件可能被损坏/破坏。通过具有PCBA 114的单独的插入点(端部部分132)，可以在芯体的超声波焊接完成之后插入PCBA。此外，在一些实施例中，PCBA 114插入到端部部分132的方向正交于芯体106和110的插入方向。通过PCBA 114与芯体106和110之间的分开插入，盖104可以在PCBA 114插入到端部部分132中之前被焊接到壳体102上。
在示例性实施例中，壳体102的端部部分132具有刚性定位零件134a-b(统称为“定位零件134”)以在压配合引脚插入期间保持PCBA 114。定位零件134助于控制PCBA 114从电连接器插口126的移动。此外，定位零件134的刚性在压配合引脚插入期间保持PCBA 114。
壳体102的开口128使得承载导体(比如电缆、电线或母线)能够通过该开口插入。流过承载导体的电流将在芯体106和110上产生磁场，两者的磁场都与电流路径正交。ASIC122将感测芯体106上的磁场，ASIC 124将感测芯体110上的磁场。双通道电流传感器100如此命名是因为，在一个通道上，ASIC 122测量芯体106的磁场以确定流过承载导体的电流，同时，在第二个通道上，ASIC 124测量芯体110的磁场以确定流过承载导体的相同的电流。
壳体102进一步包括是壳体102的一部分的索环130a-b(统称为“索环130”)。尽管围绕承载导体(例如电缆或母线)，索环130提供了额外的手段来将双通道电流传感器100固定到底盘、壁或其他固定表面。
在示例性实施例中，双通道电流传感器100的第一芯体106和第二芯体110被设计成提供两个范围的电流感测。在示例性实施例中，比第二芯体110大的第一芯体106被设计成感测相对大范围的电流，而第二芯体110被设计成感测相对小范围的电流。在非限制性实施例中，双通道电流传感器100用于电动车辆(EV)应用中，具体地，用于电池系统和电池充电系统。
在示例性实施例中，第一芯体106能够测量+/-1000A范围内的电流，而第二芯体110能够测量+/-100A范围内的电流。因此，双通道电流传感器100为低电流范围提供了非常好的精度，以便实现更好的Amp-hr(安培小时)集成。安培小时是用来确定电池恰好一个小时能提供多少安培的额定值。
磁芯(磁性芯体)是具有高磁导率的磁性材料。磁芯由铁磁材料(比如铁)或铁磁性化合物(比如铁氧体)制成。传统上，磁芯是通过将磁性电线缠绕在成型物体上来制造以形成磁芯。因此，缠绕的磁芯受到电线缠绕在其周围的可能的成型物体的限制。相比之下，冲压磁芯是通过将磁性材料(例如硅钢、镍铁氧体或其他材料)沉积到模具中而形成的。因此，冲压磁芯可以呈现几乎任何模具的形状。将芯体成形为特定的形状的好处包括改善电流测量的线性度和影响芯体的饱和点。冲压芯体的成本通常也低于具有类似性能的缠绕芯体的成本。因此，当使用冲压磁芯时，限制较少。冲压磁芯除了更便宜之外，还能形成改善线性度的特定的形状。
在示例性实施例中，壳体102的圆柱形空腔112具有设置在圆柱形空腔的内表面上的平坦区域136。尽管圆柱体是由通过弯曲表面结合的两个平行的圆形基部组成的三维形状，但是弯曲表面的一部分被展平成平面表面，并且该平面形状是平坦区域136。平坦区域136被设计成容纳在其内表面上具有平坦部分的冲压芯体。因此，也是圆柱形形状的冲压芯体具有容纳平坦区域136的平面表面。但是，双通道电流传感器100的壳体102，或者更具体地，圆柱形空腔112，能够容纳缠绕芯体或冲压芯体。因此，双通道电流传感器100能够灵活地适应不同的应用环境。
图2A-2B是根据示例性实施例的双通道电流传感器200的代表图。图2A是双通道电流传感器200的透视图，图2B是其侧视图。壳体102、间隔件108、芯体110和PCBA 114从双通道电流传感器100没有变化。芯体206是设置在圆柱形空腔112的顶部的大的芯体。在示例性实施例中，芯体206是缠绕芯体。在一些实施例中，芯体110是缠绕芯体。在其他实施例中，芯体110是冲压芯体。
在图2B的剖视图中，芯体206被示出为在开口128两侧的两个部分206a和206b。部分206a基本上类似于部分206b。这是因为，作为缠绕芯体，芯体206围绕其圆周通常是均匀的。但是，芯体206装配到壳体102的圆柱形空腔112中。
图3A-3B是根据示例性实施例的双通道电流传感器300的代表图。图3A是双通道电流传感器300的透视图，图3B是其侧视图。壳体102、间隔件108、芯体110和PCBA 114从双通道电流传感器100没有变化。芯体306是设置在圆柱形空腔112的顶部的大芯体。在示例实施例中，芯体306是冲压芯体。在一些实施例中，芯体110是缠绕芯体。在其他实施例中，芯体110是冲压芯体。
在图3B的剖视图中，芯体306被示出为在开口128两侧的两个部分306a和306b。与缠绕芯体206的部分206a和206b相反，部分306a不同于部分306b。这是因为冲压芯体306可以由模具产生。像缠绕芯体206一样，冲压芯体306装配到壳体102的圆柱形空腔112中。圆柱形空腔112的单个中空环被设计成容纳用于大电流测量范围的缠绕芯体和冲压芯体。
图4A-4D是根据示例性实施例的图3A-3B的双通道电流传感器300以及冲压芯体306的代表图。图4A是双通道电流传感器300的透视图，图4B-4C是冲压芯体306的透视图，图4D是双通道电流传感器300的内部结构的透视图。在图4A中，示出了壳体102，以及已经引入的圆柱形空腔112的平坦区域136。在图4B-4D中，示出了冲压芯体306。在一些实施例中，冲压芯体306使用硅钢生产。在其他实施例中，冲压芯体306使用镍铁氧体制成。
在示例性实施例中，冲压芯体306也具有平坦区域402。回想一下，双通道电流传感器300的壳体102被设计成接受缠绕芯体或冲压芯体。但是，在示例性实施例中，冲压芯体306装配到圆柱形空腔112中，使得冲压芯体306的平坦区域402抵靠壳体102的平坦区域136装配。冲压芯体306的平坦区域402使得冲压芯体在其背侧稍微厚一点。在示例性实施例中，冲压芯体306的增加的表面积提供了比圆形表面更大的线性面积。
此外，冲压芯体306具有第一部分404、第二部分406和第三部分408。第一部分404占据冲压芯体306的圆周的大部分，并且处于第一高度h1。第二部分406邻近间隙410的一侧，第三部分408邻近间隙的另一侧。第二部分406为从冲压芯体306的平坦的顶部表面向下的台阶。类似地，第三部分408为从冲压芯体306的平坦的顶部表面向下的台阶。第二部分406和第三部分408处于第二高度h2，其中h1>h2。因此，冲压芯体306是高度为h1(大于小芯体310的高度)的圆柱形芯体，芯体在一端处开口具有间隙410，并且在间隙两侧，存在两个高度为h2的部分406和408。在间隙410的相对侧，存在平坦区域402。
在示例性实施例中，冲压芯体306如图所示成形，以增加其饱和点，并实现更线性的电流测量范围。类似于平坦区域402，在示例性实施例中，冲压芯体306的部分404、406和408增加了冲压芯体306的线性范围。
如图4D所示，冲压芯体306的间隙410提供了开口，PCBA 114通过该开口布置。类似地，芯体110具有间隙414。在示例性实施例中，芯体306和110位于壳体102内，使得间隙410和414彼此对齐。PCBA 114上的ASIC 122定位在冲压芯体306的间隙410之间，而ASIC 124定位在较小的芯体110的间隙414之间。间隔件108提供了冲压芯体306和小的芯体110之间的分离，这使得ASIC 122和124能够独立且准确地获得关于承载导体的电流信息，而不会相互干扰。
示出了连接器引脚412a和412b(统称为“连接器引脚412”)。在示例性实施例中，存在四个连接器引脚412，一个用于电源，一个用于接地，两个用于信号。连接器引脚412具有压配合特征。刚性定位零件134在连接器引脚412压配合期间保持PCBA 114。
图5是示出根据示例性实施例的双通道电流传感器300的特性的代表性曲线图示500。曲线图示600绘出了由双通道电流传感器300测量的在-1500A和1500A之间的电流范围内的给定电流的磁场，并且结果是高度线性的。在示例性实施例中，ASIC 122和冲压芯体106提供曲线图示500中所示的数据。
图6是示出根据示例性实施例的双通道电流传感器300的特性的代表性曲线图示600。曲线图示600绘出了由双通道电流传感器300测量在-100A和100A之间的电流范围内的给定电流的磁场。与曲线图示500一样，曲线图示600中的结果是高度线性的。在示例性实施例中，ASIC 124和小芯体110提供曲线图600示中所示的数据。
通过具有两组数据，双通道电流传感器300能够提供高精度以及在低电流范围下的非常好的精度，用于更好的Amp-hr集成，这对于EV电池技术是有用的。
如本文所使用的，以单数形式叙述并以词语“一”或“一个”开头的元件或步骤应该理解为不排除多个元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。此外，对本公开的“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也结合了所述特征的附加实施例的存在。
虽然本公开涉及某些实施例，但是在不脱离如所附权利要求所限定的本公开的领域和范围的情况下，对所描述的实施例的许多修改、变更和改变是可能的。因此，本公开不旨在限于所描述的实施例，而是其具有由所附权利要求及其等同物的语言定义的全部范围。
Claims (13)
1.一种双通道电流传感器，包括：
壳体，其包括圆柱形空腔和端部部分，其中，所述圆柱形空腔在第一端部处敞开，
第一芯体，其包括圆柱形形状以及平坦的顶部表面和底部表面，所述第一芯体进一步包括：
设置在内表面上的平坦区域；
与平坦区域正交并相对设置的间隙；
邻近间隙的第一侧设置的第一部分；和
邻近间隙的第二侧设置的第二部分，所述第二侧与所述第一侧相对，其中，所述第一芯体在第一方向上插入到所述圆柱形空腔的第一端部中；以及
印刷电路板组件(PCBA)，其包括第一传感器，所述第一传感器设置在所述间隙中，其中，所述PCBA在第二方向上插入到所述壳体的端部部分中，其中，所述第二方向与所述第一方向正交。
2.根据权利要求1所述的双通道电流传感器，进一步包括：
具有第二间隙的第二芯体，所述第一芯体具有第一高度，所述第二芯体具有小于第一高度的第二高度；和
间隔件，其中所述第二芯体插入到所述圆柱形空腔的第一端部中，然后插入所述间隔件，再然后插入所述第一芯体。
3.根据权利要求2所述的双通道电流传感器，其中，所述PCBA进一步包括第二传感器，其中，所述第二传感器设置在所述第二间隙中。
4.根据权利要求1所述的双通道电流传感器，其中，所述壳体进一步包括设置在所述圆柱形空腔的第二内表面上的第二平坦区域。
5.根据权利要求4所述的双通道电流传感器，其中，在所述第一芯体设置在所述圆柱形空腔内时，所述平坦区域与所述第二平坦区域对齐。
6.根据权利要求3所述的双通道电流传感器，其中，所述第一传感器与所述第二传感器正交。
7.根据权利要求6所述的双通道电流传感器，其中，所述第一传感器和第二传感器是霍尔传感器。
8.根据权利要求1所述的双通道电流传感器，其中，所述壳体进一步包括成对的刚性定位零件，以在压配合引脚插入期间保持PCBA。
9.根据权利要求1所述的双通道电流传感器，其中，所述壳体进一步包括联接到电源的电连接器插口。
10.根据权利要求2所述的双通道电流传感器，其中，所述第一芯体是冲压芯体，并且所述第二芯体是缠绕芯体。
11.根据权利要求2所述的双通道电流传感器，其中，所述第一芯体是缠绕芯体，并且所述第二芯体是缠绕芯体。
12.根据权利要求3所述的双通道电流传感器，其中，所述第一传感器提供±1500安培范围的电流测量值。
13.根据权利要求3所述的双通道电流传感器，其中，所述第二传感器提供±100安培范围的电流测量值。
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| PB01 | Publication |