JP2011164027A

JP2011164027A - 電流センサ及び当該電流センサを備えたバッテリー

Info

Publication number: JP2011164027A
Application number: JP2010029287A
Authority: JP
Inventors: Manabu Tamura; 学田村; Masaru Koishi; 勝小石; Masatoshi Nomura; 雅俊野村; Hiroyuki Hebiguchi; 広行蛇口
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-25
Also published as: CN102162820B; CN102162820A; US8421452B2; US20110199079A1

Abstract

【課題】電流検出レンジが広く、応答速度の速い電流センサを提供することを目的の一とする。
【解決手段】被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気検出素子と、磁気検出素子の近傍に配置された磁気コアと、誘電磁界を弱める磁界を発生するコイルと、を具備し、コイルには磁気検出素子の出力電圧の所定の範囲内である一定レベルの電流が流れ、磁気検出素子の出力電圧に基づいて被測定電流の検出が行われる構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気コアを有する磁気比例式の電流センサ及び当該電流センサを備えたバッテリーに関する。

電気自動車においては、２次電池に蓄電した電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとしては、例えば、磁気平衡式電流センサがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

この磁気平衡式電流センサにおいては、一次導体に被測定電流が流れると、被測定電流に応じた一次磁界により磁気検出素子に出力電圧が生じ、この磁気検出素子から出力された電圧信号が電流に変換されてコイルからなる二次導体に流れる（負帰還する）。この二次導体に流れる電流により発生する磁界（キャンセル磁界）と被測定電流により生じる磁界とが打ち消しあって磁界が常に０になるように動作する。このとき、二次導体に流れる電流を電圧変換させて出力として取り出す。

特開昭５５−１０１０５７号公報特開２００９−１６８６４４号公報

しかしながら、磁気平衡式電流センサでは、磁気検出素子から出力された電圧信号を電流に変換して被測定電流により生じる磁界を打ち消すように負帰還させ、二次導体となるコイル電流（τ＝Ｌ／Ｒ）を電圧変換させて出力として取り出す必要があるため、電流検出の応答速度が低下するという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電流検出の応答速度の速い電流センサを提供することを目的の一とする。

本発明の電流センサの一態様は、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気検出素子と、磁気検出素子の近傍に配置された磁気コアと、誘電磁界を弱める磁界を発生するコイルとを具備し、コイルには、磁気検出素子の出力電圧の所定の範囲内である一定レベルの電流が流れ、磁気検出素子の出力電圧に基づいて被測定電流の検出が行われることを特徴としている。

本発明の電流センサにおいて、磁気検出素子の出力電圧が所定の範囲をこえた際に、一定レベルの電流が段階的に変化して、出力電圧が前記所定の範囲内に保持されることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、磁気検出素子の出力電圧を監視する信号処理部と、磁気検出素子の出力電圧が所定の範囲をこえた際に、信号処理部からの信号に基づいてコイルに流れる電流値を段階的に変化させ、出力電圧を所定の範囲に保持する電流制御部とをさらに有することが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、磁気検出素子が磁気抵抗効果素子であることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、磁気検出素子の出力電圧の変化度合に応じて、コイルに流れる電流値を決定することが好ましい。

本発明のバッテリーは、上述した電流センサを具備することを特徴としている。

本発明の一態様によれば、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気検出素子と、磁気検出素子の近傍に配置された磁気コアと、誘電磁界を弱める磁界を発生するコイルとを具備する電流センサにおいて、コイルに、磁気検出素子の出力電圧の所定の範囲内で被測定電流の大きさに応じたある一定レベルの電流が流れ、磁気検出素子の出力電圧に基づいて被測定電流の検出が行われるため、磁気平衡式の電流センサと比較して応答速度の速い電流検出が可能となる。また、磁気検出素子からの出力電圧を所定の範囲内とすることができるため、被測定電流を高精度で検出することができる。

本発明の実施の形態に係る電流センサの一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気検出素子の出力電圧とコイル電流の関係を説明する図である。本発明の実施の形態に係る電流センサの一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る電流センサの動作の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気検出素子の出力電圧とコイル電流の関係を説明する図である。本発明の実施の形態に係る電流センサをバッテリーに適用する使用形態の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る電流センサをバッテリーに適用する場合における磁気検出素子の出力電圧とコイル電流の関係を説明する図である。本発明の実施の形態に係る電流センサをバッテリーに適用する場合のバッテリーの使用範囲を説明する図である。電流制御部の回路構成の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す電流センサは、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気検出素子１０１と、磁気検出素子１０１の近傍に配置された磁気コア１０２と、被測定電流Ｉからの誘導磁界を弱めるような磁界を発生するコイル１０３とを有している。

磁気検出素子１０１としては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）等の磁気抵抗効果素子、ホール素子やホールＩＣ等の磁気センサを用いることができる。特に、磁気抵抗効果素子を用いることにより、電流検出の応答速度を速くすることができる。

磁気コア１０２は、被測定電流Ｉが流れる導体の周りに設けられ、当該磁気コア１０２の周りにコイル１０３を設けた構成とすることができる。磁気検出素子１０１は磁気コア１０２のギャップ部に設けることができる。

また、図１に示す電流センサでは、磁気平衡式電流センサと同様にコイル１０３を有しているが、コイル１０３には、磁気検出素子１０１の出力電圧の所定の範囲（閾値）内である一定レベルの電流が流れ、磁気検出素子１０１の出力電圧に基づいて被測定電流の検出が行われる磁気比例式の構成となっている。つまり、本実施の形態の電流センサでは、常にコイル１０３に対して被測定電流Ｉにより生じる磁界を打ち消してゼロにするような電流を流してコイル電流に基づいて被測定電流Ｉの測定を行うのではなく、磁気検出素子１０１からの出力電圧に基づいて被測定電流の測定を行う。また、コイル１０３に対して、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲に保持されるように、被測定電流Ｉ（磁界Ｂ_１）の大きさに応じた一定レベルの電流値を設定する。

このように、磁気検出素子１０１からの出力電圧に基づいて被測定電流の測定を行うことにより、磁気検出素子１０１の応答速度が電流に対する応答速度となるため、磁気平衡式の電流センサと比較して応答速度の速い電流検出が可能となる。また、コイル１０３に被測定電流Ｉ（磁界Ｂ_１）の大きさに応じて一定レベルの電流値を設定することにより、磁気検出素子１０１の出力電圧を所定の範囲とすることができるため、コイル１０３を設けない比例式の電流センサと比較して、検出感度を高めることができる。

次に、図２を参照して、本実施の形態で示す電流センサにおける磁気検出素子１０１の出力電圧とコイル１０３に流れる一定レベルの電流の関係について説明する。

図２では、磁気検出素子１０１で検出される出力電圧の許容範囲がＶ_１〜Ｖ_２の範囲に設定され、出力電圧の下限及び上限の閾値電圧がそれぞれＶ_３、Ｖ_４に設定される場合を示す。また、コイル１０３に流れる電流値として、一定レベルの電流値（Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３）が設定される場合を示す。なお、Ｖ_１＜Ｖ_２、Ｖ_３＜Ｖ_４、Ｖ_１≦Ｖ_３、Ｖ_４≦Ｖ_２を満たし、Ａ_１＜Ａ_２＜Ａ_３を満たすものとする。Ｖ_１〜Ｖ_４、Ａ_１〜Ａ_３の値は使用形態に応じて適宜設定することができ、一例として、Ｖ_１＝０．５Ｖ、Ｖ_２＝４．５Ｖ、Ｖ_３＝１Ｖ、Ｖ_４＝４Ｖ、Ａ_１＝０ｍＡ、Ａ_２＝５ｍＡ、Ａ_３＝１０ｍＡとすることができる。もちろんこの数値に限定されない。

定常状態においては、コイル１０３には、測定電流Ｉ（磁界Ｂ_１）の大きさのレンジに応じて一定レベルの電流値（Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３のいずれか）が設定され、磁気検出素子１０１の出力電圧は、閾値Ｖ_１〜Ｖ_４範囲に保持されている。

被測定電流Ｉからの磁界により磁気検出素子１０１の出力電圧が閾値電圧Ｖ_４より大きくなった場合、コイル１０３に流れる一定レベルの電流の値が段階的（例えば、Ａ_１からＡ_２）に変化する。コイル１０３の電流値が増加することにより被測定電流Ｉにより生じる磁界（Ｂ_１）を弱める磁界（Ｂ_２）が発生する（強くなる）ため、磁気検出素子１０１の出力電圧を、再び所定の範囲内（Ｖ_３とＶ_４の間）に保持することができる。そして、コイル１０３には、磁気検出素子１０１の出力電圧の閾値内で一定レベルの電流値（Ａ_２）が保持され、磁気検出素子１０１の出力電圧に基づいて被測定電流の検出が行われる。

同様に、被測定電流Ｉからの磁界により磁気検出素子１０１の出力電圧が閾値電圧Ｖ_３より小さくなった場合には、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲内となるように、コイル１０３に流れる一定レベルの電流の値がＡ_２からＡ_１へと変化し、磁気検出素子１０１の出力電圧がＶ_３とＶ_４の間に保持される。

つまり、本実施の形態で示す電流センサでは、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲（Ｖ_３とＶ_４の範囲）内であれば、コイル１０３に流れる電流は一定値となるが、磁気検出素子の出力電圧が所定の範囲をこえた際に、出力電圧が所定の範囲内となるように、コイルに流れる電流値が段階的に変化する。電流センサが検出する導体に流れる電流値は、磁気検出素子１０１の出力電圧とコイル１０３に設定される一定レベルの電流値に基づいて決定することができる。

このように、コイル１０３に流れる電流値を一定レベルに設定して、磁気検出素子１０１からの出力電圧を所定の範囲で検出することにより、導体の電流値を高精度で検出することができると共に、測定可能な電流レンジを広げることができる。

また、電流検出素子１０１の出力電圧に基づいて導体の電流値を検出することにより、磁気検出素子１０１の応答速度が電流に対する応答速度となるため、磁気検出素子１０１の出力電圧をそのままフィードバックする磁気平衡式の電流センサと比較して、応答速度の速い電流検出が可能となる。例えば、従来の磁気平衡式の電流センサにおいて、磁気コアの透磁率を５０、コイル半径を１ｍｍ、コイルの長さを１５ｃｍ、コイルターン数を４０００ターンとした場合、インダクタンスＬは約２０ｍＨとなり、電流電圧変換の抵抗を１０００Ωとすると時定数τ＝２０μｓｅｃとなり、負帰還回路で２０μｓｅｃの遅れが生じる。一方で、負帰還を行わない本発明の電流センサでは、負帰還回路を持っていないため、時定数は０となる。

上述した電流センサにおいて、磁気検出素子１０１の出力電圧の検出及びコイル１０３に設定される一定レベルの電流値の制御は、電流制御部１０４により行うことができる。電流制御部１０４は、電流センサ内に設けた構成としてもよいし、電流センサに接続する外部装置側に設けた構成としてもよい。図３に、電流制御部１０４及び当該電流制御部１０４を制御する信号処理部１０５を設けた電流センサの一例について示す。

信号処理部１０５は、磁気検出素子１０１の電流検出結果を出力及び出力電圧を監視する。出力電圧の監視の結果、コイル電流の変更が必要と判断した場合には、その信号を電流制御部１０４に送り、コイル１０３の電流値を制御する。具体的には、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲内であるか判断し、出力電圧が所定値を超えた場合に、コイル１０３の電流レベルを変化させる機能を有する（図３（Ａ）、（Ｂ）参照）。

図９に、電流制御部１０４の回路構成の一例を示す。信号処理部１０５からの電圧信号ＶｉｎによりＩｏｕｔを制御する。回路はオペアンプとトランジスタを組み合わせた構成とすることができる。以下に、本実施の形態で示す電流センサの動作について図４を参照して説明する。

まず、信号処理部１０５が磁気検出素子１０１からの出力電圧を検出すると（ステップ１）、当該出力電圧が所定の範囲内であるか判定（閾値判定）を行う（ステップ２）。

ステップ２において、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲内にある場合には、コイル１０３に流す電流値（例えば、Ａ_１）は変化させずに保持する（ステップ３）。

ステップ２において、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲にない場合（閾値を超えている場合）には、電流制御部１０４により、コイル１０３に流す電流値を段階的に変化（例えば、Ａ_１→Ａ_２）させる（ステップ４）。続いて、コイル１０３に流す電流値をＡ_２に変化させた状態での磁気検出素子１０１の出力電圧を検出し（ステップ５）、当該出力電圧が所定の範囲内であるか判定（閾値判定）を行う（ステップ６）。

ステップ６において、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲内にある場合には、コイル１０３に流す電流値Ａ_２を保持する（ステップ７）。

ステップ６において、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲にない場合（閾値を超えている場合）には、ステップ４に戻り、コイル１０３に流す電流値をさらに変化（例えば、Ａ_２→Ａ_３）させる。そして、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲内に納まるまでステップ４〜ステップ６を繰り返すことにより、コイル１０３に流す電流値を決定する。

以上の動作により、磁気検出素子１０１の出力電圧に応じてコイル１０３に流す電流レベルを決定することができる。

また、磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲内に納まらない場合に、当該出力電圧がどの程度の大きさであるのかを大まかに測定し、その測定結果に基づいてコイル１０３に流す電流値をどの電流レベルに設定するかを決定する構成としてもよい。つまり、磁気検出素子１０１の出力電圧の変化度合が一定値以上である場合に、コイル１０３に流す電流値を１段階（１レベル）ずつ変化させるのでなく、２段階以上変化させる（図５参照）。これにより、導体を流れる電流が急激に増加した場合であっても、上記ステップ４〜ステップ６を繰り返す動作を省くことができるため、コイル１０３に流す電流値の決定時間を短縮し、定常状態（磁気検出素子１０１の出力電圧が所定の範囲内に納まる状態）へ素早くシフトすることが可能となる。

（電流センサの使用形態）
次に、上述した電流センサをバッテリーの充放電制御に使用してバッテリーのマネジメントを行う場合（バッテリーマネジメントシステム）について説明する。

本実施の形態で示した電流センサは、バッテリーのマイナス極又はプラス極に設けることにより、バッテリーの管理を行うことができる。具体的には、図６に示すように、Ｌｉイオン電池、ＮｉＭＨ電池、鉛蓄電池等の充放電を行うバッテリーの端子に電流センサを設ける。電流センサのほか、電圧および温度を検出するためのセンサを設けることにより、より高精度のバッテリーマネジメントシステムとなる。電流センサによる電流値および電圧の測定値より、バッテリー使用および充電による電力量を算出する。また、温度変化によるバッテリーの状態変化や電力量の補正を行うことも可能である。当該電流センサを用いてバッテリーの充放電の電流を計測し、積算することによりバッテリーの残量管理を行うことができる。

バッテリーの使用時の場合と未使用時の場合とで流れる電流値は大きく異なるが（図７参照）、本実施の形態で示した電流センサを用いることにより、一つの電流センサで使用時と未使用時の電流量を高い精度で検出することができる。バッテリーの電流値を高精度で測定することにより、積算誤差が低下することが可能となるため、過充電、過放電のためにバッテリーに設けるマージンを小さくすることができる（図８参照）。その結果、バッテリーを効率的に使用することが可能となり、例えば、電気自動車等のバッテリーに本実施の形態で示す電流センサを適用することにより、走行距離を延ばすことができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。また、上記実施の形態における材料、電流センサの配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明は、電気自動車の２次電池の充放電を管理するために必要な電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。

１０１磁気検出素子
１０２磁気コア
１０３コイル
１０４電流制御部
１０５信号処理部

Claims

被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の近傍に配置された磁気コアと、
前記誘電磁界を弱める磁界を発生するコイルと、を具備し、
前記コイルには前記磁気検出素子の出力電圧の所定の範囲内である一定レベルの電流が流れ、前記磁気検出素子の出力電圧に基づいて前記被測定電流の検出が行われることを特徴とする電流センサ。
前記磁気検出素子の出力電圧が所定の範囲をこえた際に、前記一定レベルの電流が段階的に変化して、前記出力電圧が前記所定の範囲内に保持されることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記磁気検出素子の出力電圧を監視する信号処理部と、前記磁気検出素子の出力電圧が所定の範囲をこえた際に、前記信号処理部からの信号に基づいて前記コイルに流れる電流値を段階的に変化させて前記出力電圧を前記所定の範囲に保持する電流制御部と、をさらに有する請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
前記磁気検出素子が磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
前記磁気検出素子の出力電圧の変化度合に応じて、前記コイルに流れる電流値を決定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサが設けられたバッテリー。