JP2020501147A - 自動車電池電流検知システム - Google Patents

Abstract

電流検知システムであって、自動車の電池に電気接続された電流が流れる導体に隣接して設置された少なくとも１つの磁気トンネル接合デバイスを備える、電流検知システム。磁気トンネル接合デバイスは、導体の周りの磁界を測定するように構成される。モニタリングデバイスは、磁気トンネル接合デバイスに動作可能に接続され、モニタリングデバイスは、磁界測定値を受信し、導体を通って流れる電流の推定値を決定するように構成される。

Description

（参照出願に対する相互参照）
[0001]本出願は、２０１６年１２月２日に出願された米国仮特許出願第６２／４２９１８１号に関連し、その優先権の利益を主張し、その内容は、参照によりその全体が本開示に組込まれる。

[0002]本出願は、電流検知システムに関し、より具体的には、非侵襲的（ｎｏｎ−ｉｎｖａｓｉｖｅ）な自動車電池電流検知システムに関する。

[0003]近年、電気自動車（ＥＶ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：ｈｙｂｒｉｄ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）は、多くの需要者が支持する新しい時代に入った。ガソリン駆動式車と比較して、オイルに対する依存が少ない、またより少ない排出量とすることで、それらの自動車を輸送業界の将来のための魅力的な選択肢にした。ＥＶの電力は、充電式リチウムイオン電池の大規模な直列／並列相互接続によって提供される。電池の確実かつ効率的な動作、また早期故障診断を保証するために、自動車内の種々のサブシステムの健全度を予測するための簡略化された解決策を有することが必須である。一方で、並列接続された電池の間の漏洩電流（数ミリアンペア）は非効率なインピーダンス整合を示す可能性があるが、他方で、ワイヤを通る電流の鋭いスパイク（数百アンペア）は即座のユーザー注意を必要とする短絡経路の指標である可能性がある。したがって、高分解能で広範囲にわたってＤＣ電流とＡＣ電流の両方を非侵襲的に測定することができる統合的な解決策を有することが極めて重要である。

[0004]それぞれがそれ自身の強みおよび弱みを有するＥＶ／ＨＥＶ用途について提案する幾つかの電流測定技法が存在する。シャント法は電流を測定する最も初歩的な方法の１つであり、電池と直列接続状態の抵抗器の両端の電圧降下が電流を計算するために使用される。テキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）およびＳＥＮＤＹＮＥは、処理ユニットと電流検知回路との間にガルバニック絶縁を有する、自動車用途のためのシャントセンサ設計を提案した。しかしながら、シャント実装は、侵襲的であり、大電流で動作中に著しい電力損失をもたらす。また、ホール効果センサは、それ自身の低いコストおよびホール効果センサが提供するガルバニック絶縁によって、電流測定用途において一般的なものである。しかしながら、これらのセンサは、磁界に対して非常に敏感であり、浮遊磁界によって容易に影響を受け、小電流測定において有意の誤差を生じる可能性がある。小電流（＜１０Ａ）を正確に測定するように設計されたホール効果センサは、浮遊磁界からシールドされなければならず、侵襲的である。変流器およびＲｏｇｏｗｓｋｉコイルは、広い周波数範囲で動作できる電流トランスデューサである。これらのデバイスは、非侵襲的であるが、ＡＣ電流を測定可能なだけであり、したがって、ＥＶ／ＨＥＶ用途において使用できない。電流測定のための別の非侵襲的技術は、フラックスゲート電流センサである。このセンサは、良好なダイナミックレンジを持って低電流（≒５０ｍＡ）まで測定できる。しかしながら、フラックスゲート電流センサは、その複雑な磁気部品のために高価でかつかさばる可能性があり、大きい自己消費電流のため、高い自己加熱を有する可能性がある。したがって、本分野において改善が必要とされる。

[0005]一態様によれば、本開示は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）におけるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用して、そのパッケージに垂直な磁界に比例するリニア差動出力電圧を生成するＴＭＲ磁界センサを備える非侵襲的電流センサを提供する。ＭＴＪは、２つの強磁性体の間に差し込まれた薄い絶縁体からなる。強磁性フィルムの２つの磁化の方向は、外部磁界によって変えることができる。磁化が平行配向にある場合、磁化が対向する（反平行）配向にある場合に比べて、電子が絶縁フィルムを通してトンネルすることになる可能性が高い。したがって、強磁性層の配向が変化すると、デバイスの両端の有効抵抗が同様に変化することになる。その結果、こうした接合は、外部磁界の印加によって種々の抵抗状態にわたってスムーズに移行することができる。電気自動車の電流が流れる導体上に設置されると、目下開示される電流センサは、１０ｍＡの分解能で１０ｍＡ〜１５０Ａに及ぶ電流の測定を可能にする。

[0006]以下の説明および図面において、同一の参照数字は、可能である場合、図面に共通である同一の特徴を指定するために使用された。

[0007]一実施形態によるＴＭＲ磁界センサを示す図である。 [0008]一実施形態による図１（ａ）のセンサの略図である。 [0009]ＴＭＲ２９０５が１Ｖにバイアスされるときの、＋／−５×１０^４／４π（Ａ／ｍ）（５０Ｏｅ）の範囲の印加磁界に対する例のＴＭＲ磁界センサの応答を示す図である。 [0010]一実施形態による差動センサ配置構成を示す図である。 [0011]図１（ａ）のセンサを組込む例のシステムダイアグラムである。 [0012]Ｒ_１＝８２Ω、Ｒ_２＝２００ＫΩ、Ｃ_１＝Ｃ_２＝１ｎＦを使用するアナログバンドパスフィルターの周波数応答を示す図である。 [0013]一実施形態による図１（ｃ）のセンサを使用して導体を通る電流を検知するための方法を示す図である。 [0014]一実施形態による図１（ｃ）のセンサを取付けるための例の電流検知システムを示す図である。

[0015]添付図面は、例証のためのものであり、必ずしも一定比例尺に従わない。

[0016]以下の説明において、幾つかの態様が、ソフトウェアプログラムとして通常実装されることになる条件で述べられるであろう。こうしたソフトウェアの等価物も、ハードウェア、ファームウェア、またはマイクロコードにおいて同様に構築できることを当業者は容易に認識するであろう。データ操作アルゴリズムおよびシステムはよく知られているため、本説明は、本明細書で述べるシステムおよび方法の一部を形成するまたはシステムおよび方法とより直接に協働するアルゴリズムおよびシステムを特に対象とするであろう。本明細書で具体的に示されないまたは述べられない、こうしたアルゴリズムおよびシステムの他の態様、ならびに、アルゴリズムおよびシステムに関わる信号を生成するまたはその他の方法で処理するためのハードウェアまたはソフトウェアは、当技術分野で知られているこうしたシステム、アルゴリズム、コンポーネント、および要素から選択される。本明細書で述べられるように、システムおよび方法を考慮すると、任意の態様の実装において有用である、本明細書において具体的に示されない、提案されない、または述べられないソフトウェアは、従来的でかつ当技術分野の技量内にある。

[0017]図１（ａ）は、一実施形態による、電流センサとして使用されるＴＭＲ磁界センサ１０２の例を示す。図１（ｂ）は、関連するコンポーネント略図を示す。図示するように、ＴＭＲは、図１（ｂ）に示すように、磁界依存可変抵抗器として働く４つの非シールドＭＴＪ要素１０４のプッシュプル型ホイーストンブリッジ構成として実装することができる。プッシュプル型設計は、図１（ａ）に示すようにセンサパッケージの表面に垂直に（ｚ軸に沿って）印加される磁界にリニアに比例する高感度差動出力を提供する。図１（ｃ）は、ＴＭＲ２９０５が１Ｖにバイアスされるときの、＋／−５×１０^４／４π（Ａ／ｍ）（５０Ｏｅ）の範囲の印加磁界に対するＴＭＲ（示す例において、Ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，ＬｔｄからのＴＭＲ２９０５）の応答を示す。

[0018]ＴＭＲセンサ１０２の感度を更に改善するために、センサ出力を高く増幅する必要がある。実験は、磁界の非存在下でもセンサについてＶ_１≠Ｖ_２であること、すなわち、差動電圧において固有のオフセットが存在することを明らかにする。このことは、効率的にオフセットを打消しする方法を必要とし、このため外部磁界に実際に起因する差動電圧が正確に測定される。更に、信頼性がありかつ低分解能の電流検知のために、幾つかのノイズ打消しプロシージャが、アナログフロントエンドとデジタルフロントエンドの両方で使用される。一実施形態において、任意のコモンモードノイズおよび干渉磁界を打消すために、センサ１０２のうちの２つのセンサの差動配置構成が図２に示すように設けられる。図示するように、センサ１０２は、電流が流れる円形の導体１１０（絶縁体１１２を有する）上に１８０°離れて設置されて、導体１１０内の電流によって生成される磁界１０８の差動検知および干渉外部磁界１０６の効率的なコモンモードノイズ打消しを可能にする。また、センサ１０２は、導体１１０に対してセンサ１０２の位置を維持するために、図示するように基板１１４（例えば、金属なしＰＣＢボード）に対して取付けることができる。

[0019]センサ１０２のロケーションにおける電流が流れる導体１１０による磁界がＢ_ＩＮであり、総合外部磁界がＢ_ｅｘｔであるとそれぞれ仮定すると、各センサによって測定される磁界は、
Ｓ_{１，ｉｎｐｕｔ}＝Ｂ_ＩＮ＋Ｂ_ｅｘｔ
Ｓ_{２，ｉｎｐｕｔ}＝−Ｂ_ＩＮ＋Ｂ_ｅｘｔ
として書くことができる。

[0020]磁界を印加された２つのＴＭＲセンサの出力は、
Ｓ_{１，ｏｕｔｐｕｔ}＝（Ｂ_ＩＮ＋Ｂ_ｅｘｔ）Ｃ_１
Ｓ_{２，ｏｕｔｐｕｔ}＝（−Ｂ_ＩＮ＋Ｂ_ｅｘｔ）Ｃ_２
として書くことができる。

[0021]ここで、Ｃ_１およびＣ_２は、２つのＴＭＲセンサの感度およびアナログフロントエンドの利得を組込む。システムが完全に対称である場合、値Ｃ_１およびＣ_２は同一であり、差動出力

を与えることになる。
[0022]したがって、差動測定により、コモンモードノイズおよび浮遊磁界（地球磁界を含む）を排除する。

[0023]図３は、一実施形態による電流検知システム３００の例のアーキテクチャーを示す。検知機構の心臓部は、電流が流れる導体１１０に近接して設置されたセンサ１０２（例えば、ＴＭＲ２９０５磁界センサ）を含む。

[0024]このセクションでは、ＤＣおよびＡＣ電流の非侵襲的で高分解能の検知のための上記で述べた方法の例示的な実装態様について明示する。図３は、上部および下部センサ１０２のそれぞれについての実験セットアップを示す。上部および下部センサ１０２は共に、上述したように、効率的なコモンモードノイズ打消しのためのセンサのｚ軸の平行配向（図２）を除いて、別々に同じアーキテクチャーを有する。簡単にするために、ここでは、ＤＣ電流のための電流検知機構について述べる。上部および下部ＴＭＲセンサのそれぞれにおける残留オフセット電圧は次に示すとおりに打消される。

[0025]Ｖ_＋とＶ₋とのオフセットが正ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ_＋−Ｖ₋）であると仮定する。３２．７６８ＫＨｚ水晶によって駆動されるアナログ単極双投（ＳＰＤＴ：Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）スイッチを使用することによってＤＣＶ_＋およびＶ₋が３２．７６８ＫＨｚにアップコンバートされる。図３は、ＳＰＤＴスイッチ内の下部スイッチの両方が、ＴＭＲセンサの電源に対する３．３Ｖの接続、および、バンドパスフィルターの入力に対するセンサのＶ_＋出力の接続を確立する状況を示す。次のフェーズにおいて、ＤＡＣ出力は、バンドパスフィルターの入力に接続し、それにより、バンドパスフィルターの入力において方形波（ΔＶのレール・ツゥー・レールスイング（ｒａｉｌ−ｔｏ−ｒａｉｌ ｓｗｉｎｇ））をもたらす。高Ｑフィルターを実現し、それにより、望ましくない高周波ノイズ成分を同様に排除しながら、オペアンプからのフリッカーノイズを最小にするために、３２．７６８ＫＨｚ（ｆ_０）に中心があるバンドパスフィルターについてのマルチフィードバックトポロジーが選択される。高分解能電流検出のために、増幅比は≒４５０にセットされる。図４は、Ｒ_１＝８２Ω、Ｒ_２＝２００ＫΩ、Ｃ_１＝Ｃ_２＝１ｎＦを使用するアナログバンドパスフィルターの周波数応答を示す。

[0026]フィルター出力における結果として得られる正弦波は、３２７．６８ＫＨｚ（ｆ_Ｓ＝１０ｆ_０）で動作する１２ビットＡＤＣに給送される。≒４５０×による増幅後の、残留オフセット電圧は、オペアンプ出力を飽和させる。ＤＡＣ出力電圧は、Ｖ₋がＶ_＋に近づくまで、すなわち、フィルター出力において低振幅非飽和正弦波をもたらすのに十分にオフセットが低減されるまで、増減される。ここで、外部磁界によるＶ_＋−Ｖ₋のいずれの変化も、正弦波振幅のその直前の値からの変化を検出することによって容易に検知することができる。

[0027]ワイヤを通って流れる電流を推定するために、サンプリングされた値が、対向して設置された２つのセンサから減算されて、差動読取り値を得て、それにより、前記セクションで述べたように、任意のコモンモードノイズを排除する。結果として得られる差動正弦波は、厳密に同じｆ_０およびｆ_Ｓの内部で生成されかつ記憶されたデジタル正弦波と相互相関される。差動正弦波の振幅の最適検出を支配する式は次の通りである。

ここで、ｆ_０は正弦波周波数（３２．７６８ＫＨｚ）であり、ｆ_Ｓはサンプリング周波数であり、Ｎは計算におけるサンプルの総数である。
ｙは、ワイヤを通って流れる電流にリニアに関連する振幅の推定値を与える。

[0028]上記の例の実施形態における計算ステップを記述するフローチャートを図５に示す。プロセスは、アナログ・デジタル変換器を通る正弦波の振幅が読取られると開始する。次に、システムは、振幅が飽和しているか否かを確認するためにチェックする。飽和している場合、システムは、ＤＡＣアナログ出力を（例えば、約３．３Ｖだけ）増減し、飽和について振幅を再チェックする。許容可能な出力（非飽和）に達すると、システムは、取込んだ正弦波を、内部で記憶した正弦波と相互相関させて、振幅を推定する。振幅は、その後、導体１１０を通って流れる電流を決定するために使用される。その理由は、検出された振幅に電流がリニアに依存するからである。電流は、その後、表示されてまたはその他の方法で自動車制御システムによって受信されて、適切な救済処置をとることができる。

[0029]図６は、それぞれが内部に埋め込まれたＴＭＲセンサ１０２を有する、２つのハウジング部分であって、２つのセンサ１０２が導体ワイヤ上に１８０°離れて取付けられることを可能にするための、２つのハウジング部分を含む１つの例の実装態様を示す。

[0030]或る実施形態において、４つのセンサを使用することができ、２つのセンサが導体の各側にあり、一方の側の２つのセンサは互いに直交して取付けられる。干渉を、４つのセンサの測定された出力の間の相関を使用することによって更に打消すことができる。

[0031]センサ１０２および本明細書で挙げる他のコンポーネントは、１つまたは複数のコンピュータプロセッサおよびメモリを含むことができるまたはそれらに接続することができ、１つまたは複数のコンピュータプロセッサおよびメモリは、データ処理および制御機能を実施するために通信可能に接続されプログラムされる。プログラムコードはコンピュータプログラム命令を含み、コンピュータプログラム命令は、プロセッサにロードすることができ、プロセッサにロードされると、本明細書の種々の態様の機能、動作、または動作ステップをプロセッサによって実施させる。本明細書で述べる種々の態様についての動作を実施するためのコンピュータプログラムコードを、１つまたは複数のプログラミング言語（複数可）の任意の組合せで書くことができ、実行するためにメモリにロードすることができる。プロセッサおよびメモリを、データを送受信するために有線または無線コンピュータネットワークを介して外部デバイスに通信可能に接続することができる。

[0032]本発明は、本明細書で述べる態様の組合せを含む。「１つの特定の態様（ａ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ａｓｐｅｃｔ）」に対する参照および同様のものは、本発明の少なくとも１つの態様に存在する特徴を指す。「１つの態様（ａｎ ａｓｐｅｃｔ）」（または「１つの実施形態（ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」）または「複数の特定の態様（ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ａｓｐｅｃｔｓ）」または同様なものに対する別々の参照は、必ずしも同じ１つまたは複数の態様を指さない。しかしながら、こうした態様は、そのように指示されない限り、または、当業者に容易に明らかであるように、互いに排他的でない。「１つの方法（ｍｅｔｈｏｄ）」または「複数の方法（ｍｅｔｈｏｄｓ）」および同様のものを参照するときの単数または複数の使用は制限的でない。本開示において、語「または（ｏｒ）」は、別途明示的に述べられない限り非排他的な意味で使用される。

[0033]本発明は、本発明の或る好ましい態様を特に参照して詳細に述べられたが、本発明の趣旨および範囲内において当業者が変更、組合せ、および修正を行うことができることが理解されるであろう。

Claims (6)

1. 自動車の電池に電気接続された電流が流れる導体に隣接して設置された少なくとも１つの磁気トンネル接合デバイスであって、前記導体の周りの磁界を測定するように構成される、少なくとも１つの磁気トンネル接合デバイスと、
   前記磁気トンネル接合デバイスに動作可能に接続された少なくとも１つのモニタリングデバイスとを備え、前記モニタリングデバイスは、磁界測定値を受信し、前記磁界測定値に基づいて前記導体を通って流れる電流の推定値（ｅｓｔｉｍａｔｅ）を決定するように構成される、電流検知システム。
2. 前記導体上で１８０度離れて取付けられた２つの磁気トンネル接合デバイスを備え、前記モニタリングデバイスは、２つの読取り値の差または和を使用して、外界ノイズを打消す、請求項１に記載の電流検知システム。
3. 前記２つの磁気トンネル接合デバイスの出力に接続されたスイッチングユニットであって、前記２つの磁気トンネル接合デバイスの周波数より高い周波数まで前記出力をアップコンバートまたはダウンコンバートする、スイッチングユニットを更に備える、請求項２に記載の電流検知システム。
4. ４つのセンサを備え、２つのセンサが前記導体の各側に取付けられ、各側の前記２つのセンサは互いに直交して取付けられる、請求項１に記載の電流検知システム。
5. 前記４つのセンサの出力は、外部磁界干渉を打消すために相関される、請求項４に記載の電流検知システム。
6. 前記モニタリングデバイスに接続された無線送信機ユニットを更に備え、前記送信機ユニットは、測定された電流値を表すデータを自動車モニタリングシステムに送信する、請求項１に記載の電流検知システム。