KR102527257B1 - 차량 배터리 전류 감지 시스템 - Google Patents

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Abstract

전류 감지 시스템이 차량의 배터리에 전기적으로 연결된 전류 전달 전도체에 인접하여 배치된 적어도 하나의 자기 터널 접합 디바이스를 포함한다. 자기 터널 접합 디바이스는 전도체 주위의 자계를 측정하도록 구성된다. 모니터링 디바이스가 자기 터널 접합 디바이스에 동작가능하게 연결되고, 여기서 모니터링 디바이스는 자계 측정을 수신하고 전도체를 통해 흐르는 전류의 추정치를 결정하도록 구성된다.

Description

차량 배터리 전류 감지 시스템
본 출원은 2016년 12월 2일자로 출원된 미국 가특허 출원 일련번호 제62/429181호의 우선권 이익과 관련되고 그 우선권을 주장하며, 그 내용은 전체가 본 개시내용에 참조에 의해 통합된다.
본 출원은 전류 감지 시스템, 보다 구체적으로는 비침습성(non-invasive) 차량 배터리 전류 감지 시스템에 관한 것이다.
최근에, 전기 차량(EV)들 및 하이브리드 전기 차량(HEV)들은 훨씬 더 광범위한 소비자 수용이라는 새로운 시대에 들어섰다. 가솔린 동력 자동차들에 비해, 석유에 대한 감소된 의존성 및 더 낮은 방출은 이들을 수송 산업의 미래에 대한 매력적인 선택으로 만들고 있다. EV에서의 전력은 큰 규모의 직렬/병렬 상호연결을 가진 재충전가능 리튬 이온 배터리에 의해 제공된다. 배터리들의 신뢰성 있고 효율적인 동작 및 조기 고장 진단을 보장하기 위해, 차량에서의 다양한 서브 시스템들의 건전성을 예측하기 위한 단순화된 해결책을 갖는 것이 필수적이다. 한편으로, 병렬 연결된 배터리들 사이의 누설 전류(수 밀리암페어)는 비효율적인 임피던스 정합을 가리킬 수 있고, 다른 한편으로, 와이어들을 통한 전류의 급격한 스파이크(수백 암페어)는 즉각적인 사용자 주의를 요구하는 단락 경로의 표시일 수 있다. 따라서, 고 분해능으로 넓은 범위에 걸쳐 DC 및 AC 전류들 모두를 비침습적으로 측정할 수 있는 통합된 해결책을 갖는 것이 중요하다.
각각이 그 자신의 강점 및 약점을 갖는, EV/HEV 응용을 위해 제안된 여러 가지의 전류 측정 기술이 있다. 션트(shunt) 방법은 전류를 측정하는 가장 기본적인 방법인데, 이 방법에서 배터리와 직렬 연결을 이루는 저항기 양단에 걸친 전압 강하가 전류를 계산하는 데 사용된다. 텍사스 인스트루먼츠 및 SENDYNE과 같은 회사들은 처리 유닛과 전류 감지 회로 사이의 갈바닉 분리(galvanic isolation)를 갖는 자동차 응용들을 위한 션트 센서 설계들을 제안하였다. 그러나, 션트 구현은 침습적이고, 고 전류 동작 동안 상당한 전력 손실을 초래한다. 홀 효과(Hall Effect) 센서들도 그들의 낮은 비용 및 그들이 제공하는 갈바닉 분리로 인해 전류 측정 응용들에서 인기가 있다. 그러나, 이 센서들은 자계에 매우 민감하고 표유 필드(stray field)들에 의해 쉽게 영향을 받을 수 있어서 소 전류 측정들에서 상당한 오류들을 유발할 수 있다. 소 전류(<10A)를 측정하도록 설계된 홀 효과 센서들은 표유 필드들로부터 정확히 차폐되어야만 하고 침습적이다. 전류 트랜스포머 및 로고프스키 코일은 넓은 주파수 범위에서 동작할 수 있는 전류 트랜스듀서이다. 이들 디바이스는 비침습적이지만, AC 전류만을 측정할 수 있고, 따라서 EV/HEV 응용들에서 사용될 수 없다. 전류 측정을 위한 또 다른 비침습적 기술은 플럭스 게이트 전류 센서이다. 이 센서는 양호한 동적 범위를 가지면서 낮은 전류들(~50mA)까지 측정할 수 있다. 그러나, 플럭스 게이트 전류 센서들은 그들의 복잡한 자기학으로 인해 비용이 많이 들고 부피가 클 수 있고 큰 대기 전류(quiescent current)로 인해 높은 자체 가열을 가질 수 있다. 따라서, 이 분야에서 개선이 필요하다.
일 양태에 따르면, 본 개시내용은 TMR 자계 센서를 포함하는 비침습성 전류 센서를 제공하는데, 이것은 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)에서의 터널 자기저항(Tunnel Magnetoresistance, TMR) 효과를 활용하여 그것의 패키지에 수직인 자계에 비례하는 선형 디퍼렌셜(differential) 출력 전압을 생성한다. MTJ는 2개의 강자성체 사이에 샌드위치된 얇은 절연체로 구성된다. 강자성 막들의 2개의 자화의 방향은 외부 자계에 의해 변경될 수 있다. 자화들이 평행 배향 상태에 있는 경우, 전자들이 반대(역평행) 배향에 있는 경우보다 절연막을 통해 터널링할 가능성이 더 높다. 따라서, 강자성 층들의 배향이 디바이스 양단에 걸친 실효 저항을 변화시킴에 따라, 또한 변화할 것이다. 결과적으로, 이러한 접합은 외부 자계의 인가를 통해 다양한 저항의 상태들에 걸쳐서 매끄럽게 전이될 수 있다. 전기 차량의 전류 전달 전도체상에 설치될 때, 본 개시된 전류 센서는 10mA의 분해능으로 10mA-150A 범위의 전류를 측정할 수 있게 한다.
이하의 설명 및 도면들에서, 가능한 경우에 도면들에 공통인 동일한 특징들을 지시하는 데에 동일한 참조 번호들이 이용되었다.
도 1a는 일 실시예에 따른 TMR 자계 센서를 도시한다.
도 1b는 일 실시예에 따른 도 1a의 센서의 개략도를 도시한다.
도 1c는 TMR2905가 IV에서 바이어싱될 때 +-50 Oe 범위의 인가된 자계에서의 예시적 TMR 자계 센서의 응답을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 디퍼렌셜 센서 배열을 도시한다.
도 3은 도 1a의 센서들을 포함하는 예시적인 시스템 다이어그램을 도시한다.
도 4는
Figure 112019061568033-pct00001
를 사용하는 아날로그 대역 통과 필터의 주파수 응답을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따라 도 1c의 센서를 사용하여 전도체를 통한 전류를 감지하기 위한 프로세스를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따라 도 1c의 센서들을 장착하기 위한 예시적인 전류 감지 시스템을 도시한다.
첨부된 도면들은 예시의 목적을 위한 것이며 반드시 축척에 맞는 것은 아니다.
다음의 설명에서, 일부 양태들은 통상적으로 소프트웨어 프로그램들로서 구현되는 관점에서 설명될 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 소프트웨어의 등가물이 또한 하드웨어, 펌웨어, 또는 마이크로코드로 구성될 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 데이터 조작 알고리즘들 및 시스템들은 잘 알려져 있기 때문에, 본 설명은 특히 본 명세서에 설명된 시스템들 및 시스템들의 일부를 형성하거나 그와 직접 협력하는 알고리즘들 및 시스템들에 관한 것을 설명할 것이다. 본 명세서에 구체적으로 도시되거나 기술되지 않은, 이러한 알고리즘 및 시스템의 다른 양태들, 그리고 그에 수반하는 이미지 신호들의 생성 및 기타 처리를 위한 하드웨어 또는 소프트웨어는 본 기술 분야에 알려진 이러한 시스템, 알고리즘, 컴포넌트 및 요소로부터 선택될 수 있다. 본 명세서에 설명되는 바와 같은 시스템들 및 방법들이 주어지면, 임의의 양태의 구현에 유용한, 본 명세서에서 구체적으로 도시, 또는 제안되지 않은 소프트웨어는 종래의 것이고 이러한 기술분야의 통상의 기술자의 지식 범위 내에 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 전류 센서로서 사용되는 TMR 자계 센서(102)의 예를 도시한다. 도 1b는 연관된 컴포넌트 개략도를 도시한다. 도시된 바와 같이, TMR은 푸시풀(push-pull)로서 구현될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이 자계 의존 가변 저항기로서 작용하는 4개의 비차폐(unshielded) MTJ 요소(104)의 휘트스톤 브리지 구성이 있다. 푸시풀 설계는 도 1a에 도시된 바와 같이 (z축을 따라) 센서 패키지의 표면에 수직으로 인가된 자계에 선형으로 비례하는 고도로 민감한 디퍼렌셜 출력을 제공한다. 도 1c는 TMR(예시된 예에서, Multidimension Technology Co., Ltd.로부터의 TMR2905)의 TMR2905가 IV에서 바이어싱될 때의 +-50 Oe의 범위에서의 인가된 자계에 대한 응답을 도시한다.
TMR 센서(102)의 감도를 더 개선하기 위해, 센서 출력의 큰 증폭이 필요하다. 실험은 심지어 자계의 부재 하에서도 센서에서 Vi≠V2, 즉 디퍼렌셜 전압에 고유 오프셋이 존재한다는 것을 드러낸다. 이는, 외부 자계로부터 실제로 귀결되는 디퍼렌셜 전압이 정확하게 측정될 수 있도록, 효율적인 오프셋 제거 방법을 요구한다.
또한, 신뢰성 있고 고 분해능의 전류 감지를 위해, 아날로그 및 디지털 프론트엔드들에서 여러 잡음 제거 절차가 채택된다. 일 실시예에서, 임의의 공통 모드 잡음 및 간섭 자계를 상쇄하기 위해, 센서들(102) 중 2개의 것의 디퍼렌셜 배열이 도 2에 도시된 바와 같이 제공된다. 도시된 바와 같이, 센서들(102)은, 전도체(110)에서의 전류에 의해 생성된 자계(108)의 디퍼렌셜 감지 및 간섭하는 외부 자계(106)의 효율적인 공통 모드 잡음 상쇄를 가능하게 하기 위해 (절연체(112)를 갖는) 원형 전류 전달 전도체(110)상에 180°떨어져 배치된다. 센서들(102)은 또한 전도체(110)에 대해 그들의 위치를 유지하기 위해 도시된 바와 같이 기판(114)(예를 들어, 금속 없는 PCB 보드)에 기대어 장착될 수 있다.
전류 전달 전도체(110)로 인한 자계가 센서(102)의 위치에서 BIN이고, 총 외부 필드가 제각기 BEXT인 것으로 가정하면, 각각의 센서에 의해 측정되는 자계는 다음과 같이 쓰여질 수 있다:
Figure 112019061568033-pct00002
인가된 자계에 의한 2개의 TMR 센서의 출력은 다음과 같이 쓰여질 수 있다:
Figure 112019061568033-pct00003
여기서, C1 및 C2는 2개의 TMR 센서의 감도들 및 아날로그 프론트엔드의 이득들을 포함한다. 시스템이 완전히 대칭적이면, 값들 C1 및 C2는 동일하여서 다음과 같은 디퍼렌셜 출력을 제공할 것이다
Figure 112019061568033-pct00004
Figure 112019061568033-pct00005
따라서, 디퍼렌셜 측정은 공통 모드 잡음 및 표유 필드들(지구 자계를 포함함)을 거부한다.
도 3은 일 실시예에 따른 전류 감지 시스템(300)의 예시적인 아키텍처를 도시한다. 감지 메커니즘의 핵심은 전류 전달 전도체(110)에 아주 근접하여 배치된 센서(102)(예를 들어, TMR2905 자계 센서)를 포함한다.
이 섹션은 DC 및 AC 전류들의 비침습성 고 분해능 감지를 위한 전술한 방법의 예시적인 구현을 나타낸다. 도 3은 상부 및 하부 센서들(102) 각각에 대한 실험적 셋업을 도시한다. 상부 및 하부 센서들(102) 양쪽 모두는, 위에서 설명된 바와 같이 효율적인 공통 모드 잡음 소거를 위한 센서의 z축의 평행 배향을 제외하고는 개별적으로 동일한 아키텍처를 갖는다(도 2). 간략화를 위해, 여기서 DC 전류들에 대한 전류 감지 메커니즘을 설명한다. 상부 및 하부 TMR 센서들 각각에서의 잔여 오프셋 전압(residual offset voltage)은 다음과 같이 상쇄된다.
V+과 V- 사이의 오프셋은 양의
Figure 112019061568033-pct00006
라고 가정한다. 32.768 KHz 수정에 의해 구동되는 아날로그 SPDT(Single-Pole Double Throw) 스위치들을 사용함으로써 DC V+ 및 V- 를 32.768 KHz로 상향 변환한다. 도 3은 SPDT 스위치들 양쪽 모두에서의 하부 스위치들이 3.3V의 TMR 센서의 공급측에의 연결, 및 센서의 V+ 출력의 대역 통과 필터의 입력에의 연결을 확립하는 상황을 도시한다. 다음 국면에서, DAC 출력은 대역 통과 필터의 입력에 연결되고, 그에 의해 대역 통과 필터의 입력에서의 (
Figure 112019061568033-pct00007
의 레일-투-레일 스윙을 갖는) 구형파를 낳는다. 하이 Q 필터를 실현하기 위해, 32.768 KHz(f0)에 중심을 둔 대역 통과 필터에 대한 다중 피드백 토폴로지를 선택함으로써, op-amp로부터의 플리커 잡음을 최소화하면서 바람직하지 않은 고주파수 잡음 성분들을 또한 거부한다. 고 분해능 전류 검출의 경우, 증폭 비율은 ~450에 설정된다. 도 4는
Figure 112019061568033-pct00008
를 사용하는 아날로그 대역 통과 필터의 주파수 응답을 도시한다.
필터 출력에서의 결과적인 사인파는 327.68 KHz(fs=10f0)에서 동작하는 12 비트 ADC에 공급된다. 잔여 오프셋 전압은, ~450x에 의한 증폭 후에, op-amp 출력을 포화시킨다. DAC의 출력 전압은, V-가 V+에 가까워질 때까지, 즉 필터 출력에서의 저 진폭 비포화 사인파를 초래하기에 충분하도록 오프셋이 감소될 때까지 증가/감소된다. 이제, 외부 자계로 인한,
Figure 112019061568033-pct00009
에서의 임의의 변화는 그것의 이전 값으로부터 사인파 진폭의 변화를 검출함으로써 쉽게 감지될 수 있다.
와이어를 통해 흐르는 전류를 추정하기 위해, 이전 섹션에서 설명된 바와 같이, 2개의 대향하여 배치된 센서로부터의 샘플링된 값들을 감산하여 디퍼렌셜 판독 값을 얻고, 그에 의해 어떠한 공통 모드 잡음도 거부한다. 결과적인 디퍼렌셜 사인파는 정확히 동일한 f0 및 fs의 내부적으로 생성되고 저장된 디지털 사인파와 상호 상관된다. 디퍼렌셜 사인파의 진폭의 최적 검출을 지배하는 수학식들은 다음과 같다:
Figure 112019061568033-pct00010
여기서, f0은 사인파 주파수(32.768 KHz)이고, fs은 샘플링 주파수이고, N은 계산에서의 샘플들의 총수이다.
y는 와이어를 통해 흐르는 전류와 선형으로 관련되는 진폭의 추정치를 제공한다.
위의 예시적인 실시예에서의 계산 단계들을 설명하는 흐름도가 도 5에 도시된다. 프로세스는 아날로그-투-디지털 변환기를 통한 사인파의 진폭이 판독될 때 시작한다. 다음으로, 시스템은 진폭이 포화되었는지를 보기 위해 체크한다.
진폭은 포화된다. 만약 그렇다면, 시스템은 DAC 아날로그 출력(예를 들어, 약 3.3V)을 증가시키거나 감소시키고, 포화에 대해 진폭을 다시 체크한다. 일단 허용가능한 출력이 도달되면(비-포화), 시스템은 캡처된 사인파를 내부적으로 저장된 사인파와 상호 상관시켜 진폭을 추정한다. 그 다음, 진폭은 전도체(110)를 통해 흐르는 전류를 결정하는데 사용되는데, 그 이유는 전류가 검출된 진폭에 선형으로 의존하기 때문이다. 이후 전류는 적절한 개선 조치들을 취하기 위해 차량 제어 시스템에 의해 디스플레이되거나 다른 방식으로 수신될 수 있다.
도 6은 2개의 하우징 부분을 포함하는 하나의 예시적 구현을 도시하며, 각각의 하우징 부분은 2개의 센서(102)가 전도체 와이어상에서 180도 떨어져 장착되도록 허용하기 위해 그 안에 내장된 TMR 센서(102)를 갖는다.
특정 실시예들에서, 4개의 센서(102)가 사용될 수 있는데, 2개의 센서는 전도체의 제1 측면 상에 있고, 다른 2개의 센서는 제1 측면에 대향하는 전도체의 제2 측면 상에 있고, 제1 측면 상의 2개의 센서는 서로 직교하여 장착되고, 제2 측면 상의 2개의 센서는 서로 직교하여 장착된다. 간섭은 4개의 센서의 측정된 출력들 중에서의 상관을 사용함으로써 추가로 상쇄될 수 있다.
본 명세서에 기재된 센서들(102) 및 다른 컴포넌트들은 본 명세서에 기재된 데이터 처리 및 제어 기능을 수행하도록 통신가능하게 접속되고 프로그래밍되는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서 및 메모리를 포함하거나 그들에 접속될 수 있다. 프로그램 코드는 프로세서에 로딩될 수 있고, 또한 프로세서에 로딩될 때 본 명세서에서의 다양한 양태들의 기능들, 동작들, 또는 동작 단계들이 프로세서에 의해 수행되도록 야기하는 컴퓨터 프로그램 명령어들을 포함한다. 본 명세서에 설명된 다양한 양태들에 대한 동작들을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 하나 이상의 프로그래밍 언어(들)의 임의의 조합으로 작성될 수 있고, 실행을 위해 메모리에 로딩될 수 있다. 프로세서 및 메모리는 또한,
데이터를 송신 및 수신하기 위해 유선 또는 무선 컴퓨터 네트워크를 통해 외부 디바이스들에 통신가능하게 접속될 수 있다.
본 발명은 본 명세서에 설명된 양태들의 조합들을 포함한다. "특정 양태" 등에 대한 참조는 본 발명의 적어도 하나의 양태에 존재하는 특징들을 지칭한다. "양태"(또는 "실시예") 또는 "특정 양태들" 등에 대한 별도의 참조가 반드시 동일한 양태 또는 양태들을 지칭하는 것은 아니다; 그러나, 이러한 양태들은, 그렇게 표시되지 않는다면 또는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백해지는 대로 상호 배타적이지 않다. "방법" 또는 "방법들" 등을 참조함에 있어서의 단수 또는 복수의 사용은 제한적이지 않다. 단어 "또는"은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본 개시내용에서 비배타적 의미로 사용된다.
본 발명은 본 발명의 특정의 바람직한 양태를 특히 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 변형, 조합, 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (6)

  1. 전류 감지 시스템으로서,
    차량의 배터리에 전기적으로 연결된 전류 전달 전도체에 인접하여 배치된 제1 자기 터널 접합 디바이스 - 상기 제1 자기 터널 접합 디바이스는 상기 전도체 주위의 자계를 측정하도록 구성되고, V+ 출력 및 V- 출력을 포함함 -;
    제1 입력 및 제1 출력을 갖는 디지털-투-아날로그 변환기;
    제2 입력 및 제2 출력을 갖는 제1 대역 통과 필터;
    상기 제1 출력이 상기 제1 자기 터널 접합 디바이스에 연결되며 상기 V- 출력이 상기 제2 입력에 연결되는 제1 구성, 및 전압 소스가 상기 제1 자기 터널 접합 디바이스에 연결되며 상기 V+ 출력이 상기 제2 입력에 연결되는 제2 구성으로부터 스위칭가능한 제1 스위칭 유닛; 및
    상기 제2 출력 및 상기 제1 입력에 동작가능하게 연결된 적어도 하나의 프로세서 - 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 제2 출력에 기초하여 상기 제1 입력을 통해 상기 제1 출력을 제어하도록 구성됨 -
    를 포함하는, 전류 감지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 스위칭 유닛을 통해 제2 대역 통과 필터에 동작가능하게 연결된 제2 자기 터널 접합 디바이스를 추가로 포함하고, 상기 제2 자기 터널 접합 디바이스는 상기 전도체에 대해 상기 제1 자기 터널 접합 디바이스로부터 180도 떨어져 장착되는, 전류 감지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 유닛은 상기 적어도 하나의 프로세서의 아날로그-투-디지털 변환기의 주파수보다 낮은 주파수에서 출력을 제공하도록 구성되는, 전류 감지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    제2 자기 터널 접합 디바이스, 제3 자기 터널 접합 디바이스 및 제4 자기 터널 접합 디바이스를 추가로 포함하고,
    상기 제1 자기 터널 접합 디바이스와 상기 제2 자기 터널 접합 디바이스는 상기 전도체의 제1 측면 상에 서로 직교하여 장착되고,
    상기 제3 자기 터널 접합 디바이스와 상기 제4 자기 터널 접합 디바이스는 상기 제1 측면에 대향하는 상기 전도체의 제2 측면 상에 서로 직교하여 장착되는, 전류 감지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 자기 터널 접합 디바이스의 출력들은 외부 자계 간섭을 상쇄하도록 상관되는, 전류 감지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서에 연결된 무선 송신기 유닛을 추가로 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 측정된 자계에 기초하여 상기 전류 전달 전도체를 통해 흐르는 전류를 결정하도록 구성되고,
    상기 송신기 유닛은 상기 결정된 전류를 나타내는 데이터를 차량 모니터링 시스템에 송신하도록 구성되는, 전류 감지 시스템.
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