JP5922793B2 - 電流測定回路、バッテリ、及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、測定抵抗器と、評価回路基板上の評価回路と、磁場センサと、を用いて電流を冗長的に測定するための電流測定回路に関する。

さらに、本発明は、本発明に係る電流測定回路を備えたバッテリ、及び、本発明に係るバッテリを備えた車両に関する。

将来的に、風力発電所のような定置型の適用において、ハイブリッド車又は電気自動車として設計された車両内で、さらには、ラップトップ又は携帯電話のような電子機器でも、信頼性、安全性、性能、及び寿命に対する要請が非常に高い、新しいバッテリシステムが使用されることが明らかである。

少なくとも部分的に電気的に駆動される車両には、駆動を支え又は駆動部として機能する電動機のための電気エネルギーを蓄えるために、電気エネルギー貯蔵器が実装されている。この場合、最新世代の車両では、いわゆるリチウムイオンバッテリが利用される。このリチウムイオンバッテリは特に、エネルギー密度が高く、自己放電が非常に僅かであることで優れている。リチウムイオンセルは、リチウムイオン（Ｌｉ^＋）を可逆的に入れ（インターカレーション）又は再び出す（デインターカレーション）ことが可能な、少なくとも１つの正の電極及び少なくとも１つの負の電極（カソード又はアノード）を有する。

図１は、どのように個々のバッテリセル１０がバッテリモジュール１２へと纏められ、その後さらにバッテリ１４へと纏められるのかを示している。このことは、バッテリセル１０の極の、図示されない並列接続又は直列接続によって行われる。その際に、定義によれば、バッテリモジュール１２又はバッテリ１４は、少なくとも２つのバッテリセル１０で構成され、その際に、バッテリ１４とバッテリモジュール１２という概念は、類義語として使用されることが多い。バッテリ１４の電圧は、例えば、１２０Ｖ〜６００Ｖの間の直流である。

自動車の駆動技術のためのバッテリ（メインバッテリ）の場合、充電状態を決定するため、及び、安全性の理由から、バッテリセルの、供給され又は排流される電流を測定する必要性がある。従って、電流センサが正しく機能しているのか分かる必要があり、従って、適切な措置により検出できる必要がある。多くの場合に、電流の検出は、抵抗の原則に従って機能する（シャント）電流センサを用いて行われる。シャント抵抗器内での損失電力を小さく抑えるために、その抵抗値は、消費機器の抵抗値よりも遥かに小さく選択される。従って、この選択により獲得される小さな電圧降下は、評価のために、後段の電子回路によって増幅され、評価される必要がある。抵抗器と評価回路との間の接続が切断され、又は、抵抗器又は回路が他の損傷を有する場合には、このことは、簡単には明確に確かめられない。

独国特許出願公開第１０２００９０４６５６４号明細書は、高電圧ネットワークと低電圧ネットワークとを有するバッテリシステムを開示している。高電圧ネットワークは、バッテリモジュールを備え、低電圧ネットワークは、バッテリ制御ユニット（ＢＣＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を備える。セル監視ユニットがバッテリセルに割り当てられ、バッテリセルの電圧を測定する。さらに、本公報は、測定抵抗器（シャント）及びホールセンサを用いた冗長的な電流測定を開示している。

本発明に基づいて、測定抵抗器と、磁場センサと、評価回路基板上の評価回路と、を用いて電流を冗長的に測定するための電流測定回路が提供される。評価回路は、測定抵抗器を用いて電流を決定するよう構成される。磁場センサが、評価回路基板上に配置され、評価回路基板が、測定抵抗器の間近に配置されるため、磁場センサは、電流が流れる測定抵抗器の磁場を検出することが可能であることを特徴とする。

本発明の根底には、例えば装備オプションの枠組みにおける、評価回路基板への磁場センサの組み込みによって、２つの異なる測定原則に基づく特にコンパクトで、安価で、冗長的な電流測定回路を１つのユニットで可能にするという認識がある。このことは、磁場センサが、測定抵抗器内の電流の流れによって当該測定抵抗器の周りに構築される各磁場を検出することで可能となる。

測定抵抗器の選択においては、シャントとも呼ばれる可能な限り小さな測定抵抗器を利用することが推奨される。好適に、測定抵抗器に起因する損失を小さく抑えるために、１ｍΩよりも小さい電気抵抗を有する電気抵抗器が検討の対象となる。しかしながら、小さい測定抵抗器を利用することによって、当該測定抵抗器では、駆動中には小さな電圧降下しか測定することが出来ない。この小さな電圧降下は、通常のように、評価回路を用いて増幅されて評価され、測定抵抗器内を流れる電流のための基準として機能する。このような回路の比較的高い精度に基づいて、回路から獲得される信号は、測定抵抗器を通って流れる電流を厳密に決定するための一次信号として機能する。

磁場センサは、評価回路に加えて評価回路基板上に配置され、かつ、測定抵抗器の周りの、電気の流れに比例する磁場を測定するよう構成される。好適に、磁場センサは、ホールセンサとして実現される。磁場センサにより出力される信号は、測定抵抗器を通って流れる電流に対応し、この電流は、このように第２の独立した測定原則を介して冗長的に定められる。

本発明の好適な構成によれば、評価回路はさらに、測定抵抗器により定められた電流に対応する一次信号と、磁場センサにより定められた電流に対応する二次信号と、を比較し、２つの信号が一致しない場合には、エラー信号を出力するよう構成される。このことは、少数の追加的な構成要素を組み込むことによって、例えば、評価回路基板に評価モジュールを組み込むことによって実現されうる。測定抵抗器及び評価回路を介して決定される一次信号は、通常では、磁場センサの二次信号よりも、電流の流れに対するより正確な推測を可能とする。しかしながら、一次信号が突然、磁場センサの二次信号と著しく異なる場合には、エラー信号が出力され、これにより、電流測定回路内のエラーが検出されうる。

磁場センサが最適に動作しうるように、磁場センサは測定抵抗器の間近に配置される。好適に、磁場センサと測定抵抗器との間の標準的な間隔は１０ｍｍ未満であり、特に、５ｍｍと等しく又は５ｍｍよりも小さい。標準的な間隔が小さいほど、外部の電磁的雑音に対する耐性が良好になる。

さらに好適に、磁場センサを備える評価回路基板は、測定抵抗器の上に平面を成すように取り付けられる。この場合に、評価回路基板を、測定抵抗器への２つの導電接続を除いて、測定抵抗器から電気的に絶縁することが必要となりうる。測定抵抗器との２つの導電接続によって、測定抵抗器での電圧降下を測定することが可能である。

さらに、電流測定回路を備えたバッテリが提供される。電流測定回路は、例えば、バッテリ内の電流を測定するために役立つ。

好適に、バッテリは、リチウムイオンバッテリである。複数のリチウムイオン二次電池を用いるリチウムイオン技術を利用することによって、特に高いエネルギー貯蔵密度が実現され、このことによって、特に電子モビリティの分野において更なる利点がもたらされる。

さらに、本発明に係るバッテリを備えた車両が提供される。バッテリは、通常では、車両の駆動部のエネルギー供給のために役立つ。本発明に係るバッテリは、好適に、電気装置内でも利用されうる。

本発明の好適な発展形態は、従属請求項に示され、明細書の記載から読み取られる。

本発明の実施例が、図面、及び、以下の明細書の記載によってより詳細に解説される。
バッテリセル、モジュール、及びバッテリを示す。 本発明に係る電流測定回路を示す。

図２は、図の左右に描かれた接続部を有する測定抵抗器１６を備えた、本発明に係る電流測定回路を示す。評価回路基板１８上には、評価回路の構成要素の他に、磁場センサ２０、例えばホールセンサが配置される。可能な限りコンパクトな構成、及び、磁場センサ２０のために最適な駆動条件を創出するために、評価回路基板１８は、測定抵抗器１６の上に平面を成すように取り付けられる。測定抵抗器１６から評価回路基板１８を電気的に絶縁するために、両者の間に電気絶縁体を配置することが可能であるが、評価回路は、図示されない２つの導電接続を介して測定抵抗器１６と接続される。

上記２つの導電接続を介して、評価回路は、測定抵抗器１６に電流が流れる場合には、測定抵抗器１６での電圧降下を測定することが可能である。評価回路はこの信号を増幅し、この信号は、電流を厳密に決定するための一次信号として機能する。

評価回路基板１８上には、磁場センサ２０が配置され、この磁場センサ２０は、測定抵抗器１６を通って流れる電流を、独立した測定原則により冗長的に測定するために役立つ。この磁場センサは、測定抵抗器１６の磁場であって、測定抵抗器１６を通る電流の流れに比例する上記磁場を検出し、電流を決定するための二次信号を供給する。

評価回路は、測定抵抗器１６での測定された電圧降下を増幅するという自身の機能に加えて、磁場センサ２０の二次信号と、測定抵抗器１６の一次信号と、を比較するよう構成されうる。一次信号と二次信号が一致しない場合には、エラー信号が出力され、これにより、電流測定回路の故障を推測することが可能である。

Claims (10)

1. 測定抵抗器（１６）と、磁場センサ（２０）と、前記測定抵抗器（１６）により電流を決定するための評価回路基板（１８）上の評価回路と、を用いて、前記電流を冗長的に測定するための電流測定回路であって、
   前記評価回路は、前記測定抵抗器（１６）により定められた電流と、前記測定抵抗器（１６）を流れる電流の流れに比例する磁場を検出する前記磁場センサ（２０）により定められた電流と、によって前記電流を冗長的に測定し、
   前記磁場センサ（２０）が、前記評価回路基板（１８）上に配置され、前記評価回路基板（１８）が、前記測定抵抗器（１６）の間近に配置されるため、前記磁場センサ（２０）は、電流が流れる前記測定抵抗器（１６）の磁場を検出することが可能であることを特徴とする、電流測定回路。
2. 前記評価回路はさらに、前記測定抵抗器（１６）により定められた電流に対応する一次信号と、前記磁場センサ（２０）により定められた電流に対応する二次信号と、を比較し、２つの信号が一致しない場合には、エラー信号を出力するよう構成される、請求項１に記載の電流測定回路。
3. 前記磁場センサ（２０）と前記測定抵抗器（１６）との間の標準的な間隔は、１０ｍｍ未満である、請求項１〜２のいずれか１項に記載の電流測定回路。
4. 前記磁場センサ（２０）と前記測定抵抗器（１６）との間の標準的な間隔は、５ｍｍと等しく又は５ｍｍよりも小さい、請求項３に記載の電流測定回路。
5. 前記磁場センサ（２０）を備える前記評価回路基板（１８）は、前記測定抵抗器（１６）の上に平面を成すように取り付けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電流測定回路。
6. 前記測定抵抗器（１６）は、１ｍΩよりも小さい電気抵抗を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電流測定回路。
7. 前記磁場センサ（２０）は、ホールセンサである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電流測定回路。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電流測定回路を備えたバッテリ（１４）。
9. 前記バッテリ（１４）は、リチウムイオンバッテリである、請求項８に記載のバッテリ（１４）。
10. 請求項８又は９のいずれか１項に記載のバッテリ（１４）を備えた車両又は電気装置。
    

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