JP2014509747A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの電流検出素子１を有する電流センサに関する。この電流検出素子１は、導電体に通電する負荷電流ｉ_Ｌａｓｔを検出し、この負荷電流に応じて電気測定信号を出力する。前記電流検出素子１は、抵抗素子３を有する信号処理装置２に接続されていて、この電流検出素子１によって検出された負荷電流が増加するときに、この抵抗素子３の電気抵抗が、前記電流センサの、少なくとも所定の測定範囲内で減少するように、この抵抗素子３は構成されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の電流センサに関する。

今日では、電流測定が、自動車内の多くの箇所で実施される。これらの電流測定は、例えば、制御回路において実施される、限界値を監視するために実施される、又は蓄電池の放電電流又は充電電流を測定するために実施される。当該蓄電池の放電電流又は充電電流を測定するために実施される適用分野では、特に蓄電池の充電状態が確認される。また、当該蓄電池の状態は、蓄電池の内部抵抗のモニタリングつまり監視を通じて推測される。当該蓄電池の状態には、蓄電池の寿命及び容量が含まれる。

再生可能エネルギーを使用する新規なドライブコンセプトの研究が、エレクトリックドライブ及びハイブリッドドライブの大きな発展に集中されている。当該エレクトリックドライブ及びハイブリッドドライブでは、蓄電池の充電状態及び全体の状態を確認することが、より重要になる。したがって、蓄電池の電流及び電圧が測定される必要がある。当該測定では、蓄電池の電圧は、１０００Ｖに達し、放電電流は、６００Ａに達する。測定すべき電流の動作範囲は、例えば１０ｍＡ〜１０００Ａに及ぶ、すなわち１＊１０^−５の比になる。それぞれの測定値に対する精度は、多くの場合に１％未満でなければならない。非常に高い損失電力が発生しないように、シャント抵抗の値が、最大で１００μΩに制限されている。

電気回路に接続されたオーミック抵抗（シャント）の全体の電圧の測定に基づく電流測定が、最も普及している。しかしながら、この場合は、要求された動作範囲を要求された精度で網羅することは多くの場合に困難である。例えば、１００μΩの抵抗に１０ｍＡの電流を通電する場合は、１μＶの電圧降下が発生する。当該１μＶの電圧降下は、１％未満に正確に測定される必要がある。１０００Ａの場合は、１００ｍＡの電圧降下が発生する。同様に、当該１００ｍＡの電圧降下は、非常に正確に測定される必要がある。このため、比較的高価である、ハイレゾリューションの高精度Ａ／Ｄ変換器が必要になる。

本発明の課題は、測定すべき電流の、特に比較的大きい測定範囲の場合でも、つまり比較的大きい動作範囲の場合でも、比較的安価に使用可能である電流センサを提供することある。

この課題は、請求項１に記載の本発明の電流センサによって解決される。

本発明の利点は特に、様々な電流検出素子、例えばオーミック抵抗若しくはシャント、又はホールセンサ素子若しくは異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子のような磁界センサ素子が、電流センサで使用され得る点にある。

好ましくは、電気測定信号に応じて、電流が、抵抗素子に通電し、この抵抗素子に対する電圧が、Ａ／Ｄ変換器によって測定されることによって、電流検出素子によって検出された負荷電流が測定されるように、電流センサが構成されている。

好ましくは、電流検出素子によって出力された電気信号が、導電体に通電する、検出されて測定されなければならない負荷電流にほぼ比例する。

信号処理装置は特に、少なくとも１つの制御回路を有し、抵抗素子の全体の電圧が、この制御回路によって少なくとも所定の測定範囲内で、所定の基準電圧値に調整される。この場合、当該所定の基準電圧値は、特に好ましくは少なくとも１ｍＶである。

好ましくは、信号処理装置は、増幅器を有し、この増幅器は、その入力側の電気測定信号を増幅し、抵抗素子に通電する出力電流を出力する。

好ましくは、負荷電流の実際の値に対する電流測定の百分率分解能が、電流センサの、電流検出素子に通電する検出すべき電流に対する所定の測定範囲にわたってほぼ一定であるように、信号処理装置が構成されている。

電流検出素子は、好ましくはシャントとして形成されていて、信号処理装置の抵抗素子は、電力形抵抗素子として形成されている。

この代わりに、電流検出素子は、好ましくは磁界センサ素子として形成されていて、信号処理装置の抵抗素子は、電力形抵抗素子として形成されている。

電力形抵抗素子とは、１Ａ以上、特に１０Ａ以上の電流に適合するように規定されている、特に電子部品、例えば抵抗素子、又はトランジスタのような半導体素子を言う。

信号処理装置の抵抗素子が、１Ａ、特に１０Ａまでの電流又は最大で１Ａ，特に１０Ａの電流又は１Ａ、特に１０Ａ未満の電流に適合するように規定されている部品だけを有するように、当該抵抗素子は、目的に合わせて適切に形成されている。このことは、特に好ましくは部分抵抗素子に対して該当する。

好ましくは、抵抗素子に通電する電流を検出するための電圧が、ゲート−ソース電圧又はベース−エミッタ電圧としてこの抵抗素子の１つのトランジスタ素子で検出される。

好ましくは、基準電圧が、抵抗素子の全体で制御される場合、この抵抗素子の抵抗値が、主に電流検出素子１に応じてこの抵抗素子に通電する電流の値を通じて、又は主に電流検出素子１に応じてこの抵抗素子に通電する電流の値の平方根を通じて示されている。

特に、導電体に通電する負荷電流のピーク値が、信号処理装置の抵抗素子に通電する電流のピーク値より少なくとも１００倍、特に１０００倍だけ大きいように、電流センサが構成されている。すなわち、少なくともこの信号処理装置の抵抗素子が、変換器として機能し、測定信号の動作範囲つまり当該動作範囲の間隔の範囲を大幅に狭める、例えば１０００倍だけ狭めるように、この信号処理装置は目的に合わせて構成されている。

本発明には、特に抵抗素子による自己加熱が僅かであるという利点がある。主に外部の温度の影響が、電流センサに対して支配的である。

好ましくは、信号処理装置の抵抗素子は、並列接続された２つ以上の部分抵抗素子を有する。これらの部分抵抗素子は、主に測定範囲を拡張するために、特に接続可能に及び／又は遮断可能に構成されている。特に好ましくは、当該抵抗素子は、第１制御回路及び第２制御回路を有する。１つの部分抵抗素子の全体の電圧が、各制御回路によって、少なくとも所定の測定範囲内で、所定の基準電圧値に調整される。この場合、所定の第１方向を呈する測定すべき電流が、第１制御回路の部分抵抗素子に通電され得る。当該第１方向に対して反対の第２方向を呈する測定すべき電流が、第２制御回路の部分抵抗素子に通電され得る。当該測定すべき電流は、通電方向に応じて第１制御回路によって又は第２制御回路によって検出されて測定される。

とりわけ特に好ましくは、第１制御回路の部分抵抗素子と第２制御回路の部分抵抗素子とが、互いにコンプリメンタリ構成された２つの電界効果トランジスタとして構成されている、及び／又は、第１制御回路の部分抵抗素子と第２制御回路の部分抵抗素子とが、並列接続されている。したがって、一方の部分抵抗素子のドレイン端子又はコレクタ端子がそれぞれ、他方の部分抵抗素子のソース端子又はエミッタ端子に特に相互に接続されている。

好ましくは、少なくとも１つの電流センス形ＦＥＴが、少なくとも１つの部分抵抗素子に割り当てられている。当該電流センス形ＦＥＴは、Ａ／Ｄ変換器に接続されている。この場合、抵抗素子に通電する電流が、当該電流センス形ＦＥＴによって決定される。

好ましくは、所定の基準電圧が、測定範囲を拡張するために調整されている。

さらに、本発明では、電流センサが、自動車で使用される、特に電気エネルギー蓄積装置の放電電流及び／又は充電電流を測定するために電気自動車若しくはハイブリッド自動車で使用される。

好適な実施の形態は、従属請求項及び実施例の以下の説明に図面に基づいて記載されている。当該図面は、例示的に概略的に示されている。

１つの実施の形態を示す。この実施の形態では、電流センサが、電気エネルギー蓄積装置の放電電流及び／又は充電電流を測定するために電気自動車又はハイブリッド自動車で使用される。 信号処理回路の抵抗素子を有する一例としての電流センサを有する。この場合、この抵抗素子は、２つの部分抵抗素子を有する。これらの部分抵抗素子の全体の電圧が、それぞれ１つの制御回路によって所定の基準電圧値に調整される。

図１は、電気エネルギー蓄積装置つまり蓄電池８の放電電流及び充電電流ｉ_Ｍｅｓｓを測定するために使用される電流センサの１つの実施の形態を示す。例えばシャントとして形成された電流検出素子１が、導電体に通電する負荷電流を検出し、この導電体を通じて蓄電池８に接続されていて、負荷電流に応じて電気測定信号を出力する。この電気測定信号は、信号処理装置２，３に転送される。この信号処理装置２，３には、例えば少なくとも１つの抵抗素子を有する非線形の変換器がある。適合された測定信号、つまり信号処理装置２，３によって変換された測定信号が、測定を実施するＡ／Ｄ変換器４に転送される。

図２には、一例としての、電流検出素子１を有する電流センサが示されている。この電流検出素子１は、例えばシャントとして形成されている。検出すべき測定信号ｉ_Ｌａｓｔが、このシャントに通電し、電圧が、電気測定信号としてこのシャントを通じて取り出される。この電圧は、信号処理装置２の増幅器５に入力される。例えば電圧増幅器として構成された増幅器５が、その入力側の電圧に応じて、補助抵抗Ｒに接続しているその出力部で電流信号を出力する。この電流信号は、抵抗素子３に転送され、測定電流ｉ_Ｍｅｓｓとして抵抗素子３に通電する。このため、この抵抗素子３は、第１制御回路及び第２制御回路を有する。この場合、第１制御回路は、左側の部分抵抗素子６と、左側の増幅器と、基準電圧源の、この増幅器に割り当てられた基準電圧値−Ｒｅｆとから成り、第２制御回路は、右側の部分抵抗素子７と、右側の増幅器４と、対応する基準電圧値＋Ｒｅｆとから成る。測定すべき電流が、当該両制御回路の両部分抵抗素子６，７に通電する。この場合、当該測定電流ｉ_Ｍｅｓｓは、放電時は第１制御回路の部分抵抗素子に通電し、充電時は、すなわち測定電流ｉ_Ｍｅｓｓの方向が反対であるときは第２制御回路の部分抵抗素子に通電する。例えば、第１制御回路の部分抵抗素子６と、第２制御回路の部分抵抗素子７とは、互いにコンプリメンタリ構成された２つのＭＯＳ型電界効果トランジスタとして構成されていて且つ並列接続されている。この場合、一方の部分抵抗素子のドレイン端子がそれぞれ、他方の部分抵抗素子のソース端子と相互に接続されている。したがって、当該両ＭＯＳ型電界効果トランジスタは、所定の基準電圧値に調整される。このため、当該両部分抵抗素子の抵抗値は、主に電流検出素子１に応じて抵抗素子３に通電する測定電流ｉ_Ｍｅｓｓの値を通じて示されている。したがって、増加する測定電流ｉ_Ｍｅｓｓ時は、当該抵抗値は減少し、減少する測定電流時は、当該抵抗素子３の抵抗値は増加する。この場合、当該測定電流を測定するため、対応する部分抵抗素子のゲート−ソース電圧が検出される。当該ゲート−ソース電圧は、第１制御回路と第２制御回路との制御変数であり、Ａ／Ｄ変換器４に印加される。当該制御すべきドレイン−ソース電圧は、例えば、それぞれの寄生ダイオードの順方向電圧より遥かに低く、約数ｍＶである。

１ 電流検出素子
２ 信号処理装置
３ 抵抗素子
４ Ａ／Ｄ変換器
５ 増幅器
６ 部分抵抗素子
７ 部分抵抗素子
８ 蓄電池

Claims (15)

1. 少なくとも１つの電流検出素子（１）を有する電流センサであって、この電流検出素子（１）は、導電体に通電する負荷電流（ｉ_Ｌａｓｔ）を検出し、この負荷電流に応じて電気測定信号を出力する当該電流センサにおいて、
   前記電流検出素子（１）は、抵抗素子（３）を有する信号処理装置（２）に接続されていて、この電流検出素子（１）によって検出された負荷電流が増加するときに、この抵抗素子（３）の電気抵抗が、前記電流センサの、少なくとも所定の測定範囲内で減少するように、この抵抗素子（３）は構成されていることを特徴とする電流センサ。
2. 電流が、前記電気測定信号に応じて前記抵抗素子（３）に通電し、この抵抗素子に発生した電圧が、Ａ／Ｄ変換器（４）によって測定されることによって、前記電流検出素子（１）によって検出された前記負荷電流（ｉ_Ｌａｓｔ）が測定されるように、前記電流センサは構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記信号処理装置（２）は、少なくとも１つの制御回路を有し、前記抵抗素子（３）の全体の電圧が、この制御回路によって少なくとも所定の測定範囲内で所定の基準電圧値に調整されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記所定の基準電圧値は、少なくとも１ｍＶであることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記信号処理装置（２）は、増幅器（５）を有し、この増幅器（５）は、その入力側の電気測定信号を増幅し、前記抵抗素子（３）に通電する出力電流を出力することを特徴とする請求項３又は４に記載の電流センサ。
6. 前記負荷電流の実際の値に対する電流測定の百分率分解能が、前記電流センサの、前記電流検出素子（１）に通電する検出すべき電流に対する所定の測定範囲にわたってほぼ一定であるように、前記信号処理装置（２）は構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電流センサ。
7. 前記電流検出素子（１）は、シャントとして形成されていて、前記信号処理装置の前記抵抗素子は、電力形抵抗素子として形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電流センサ。
8. 前記電流検出素子（１）は、磁界センサ素子として形成されていて、前記信号処理装置の前記抵抗素子は、電力形抵抗素子として形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電流センサ。
9. 前記抵抗素子（３）に通電する電流を検出するための電圧が、ゲート−ソース電圧又はベース−エミッタ電圧として前記抵抗素子の１つのトランジスタ素子で検出されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電流センサ。
10. 基準電圧が、前記抵抗素子（３）の全体で制御される場合、この抵抗素子の抵抗値が、主に前記電流検出素子（１）に応じてこの抵抗素子に通電する電流の値を通じて、又は主に前記電流検出素子（１）に応じてこの抵抗素子に通電する電流の値の平方根を通じて示されていることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の電流センサ。
11. 前記抵抗素子は、並列接続された２つ以上の部分抵抗素子（６，７）を有し、これらの部分抵抗素子（６，７）は、主に測定範囲を拡張するために、特に接続可能に及び／又は遮断可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電流センサ。
12. 前記抵抗素子（３）は、第１制御回路及び第２制御回路を有し、１つの部分抵抗素子（６，７）の全体の電圧が、各制御回路によって、少なくとも所定の測定範囲内で、所定の基準電圧値に調整され、
    所定の第１方向を呈する測定すべき電流が、前記第１制御回路の前記部分抵抗素子に通電され得、当該第１方向に対して反対の第２方向を呈する測定すべき電流が、第２制御回路の部分抵抗素子に通電され得、当該測定すべき電流は、通電方向に応じて前記第１制御回路によって又は前記第２制御回路によって検出されて測定されることを特徴とする請求項１１に記載の電流センサ。
13. 前記第１制御回路の部分抵抗素子（６）と前記第２制御回路の部分抵抗素子（７）とが、互いにコンプリメンタリ構成された２つの電界効果トランジスタとして構成されていて、及び／又は、前記第１制御回路の部分抵抗素子（６）と前記第２制御回路の部分抵抗素子（７）とが、並列接続されていて、
    一方の前記部分抵抗素子のドレイン端子又はコレクタ端子がそれぞれ、他方の前記部分抵抗素子のソース端子又はエミッタ端子に特に相互に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の電流センサ。
14. 少なくとも１つの電流センス形ＦＥＴが、少なくとも１つの前記部分抵抗素子（６，７）に割り当てられていて、当該電流センス形ＦＥＴは、Ａ／Ｄ変換器に接続されていて、
    前記抵抗素子に通電する電流が、当該電流センス形ＦＥＴによって決定されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の電流センサ。
15. 前記電流センサは、自動車で使用され、特に電気エネルギー蓄積装置の放電電流及び／又は充電電流を測定するために電気自動車若しくはハイブリッド自動車で使用される請求項１〜１４のいずれか１項に記載の電流センサ。

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