CN102193021A - 电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在宽的测量范围上是高精度且低耗电的电流传感器。本发明的电流传感器，特征在于，具备：磁平衡式电流传感器(2A，2B)，其包括由来自被测量电流的感应磁场的施加而引起特性变化的磁传感器元件、包括用于产生与感应磁场相应的电压差的两个输出的桥式电路(22)和被配置在磁传感器元件的附近且用于产生将感应磁场抵消的抵消磁场的反馈线圈(21)；分流电阻(1)，其相对用于流过被测量电流的电流线而与磁平衡式电流传感器(2A，2B)串联连接；以及开关电路(37)，用于切换分流电阻式检测和磁平衡式检测，所述分流电阻式检测将分流电阻(1)的电压差设为传感器输出，所述磁平衡式检测将根据与感应磁场相应的电压差，通过在反馈线圈(21)中通电，在感应磁场和抵消磁场变成被抵消的平衡状态时的反馈线圈(21)中所流过的电流设为传感器输出。

Description

电流传感器
技术领域
本发明涉及一种在宽的测量范围上是高精度且低耗电的电流传感器。
背景技术
作为在宽的测量范围上进行电流测量的电流测量装置，例如，具有在专利文献1中所公开的装置。该电流测量装置是将大小两个分流电阻串联连接，将二极管并联连接在小电流测量用电阻的大分流RL上的装置。在这种电流测量装置中，在电位差为Vf以上(大电流范围)的状态下，通过将分流RL进行旁路，能够抑制耗电。
专利文献1：日本特开2000-162248号公报。
根据分流电阻方式，在被测量电流变大的情况下，电流传感器自身的耗电变大，因此，被测量电流的测量范围就变窄了。在专利文献1公开的电流测量装置中，虽然通过使用多个分流电阻而使测量范围宽，但是在二极管导通以后的大电流区域中，由于通过小电阻之分流的额定功率决定了1次电流的上限，因此依然存在问题。
发明内容
本发明是鉴于上述而提出的，其目的在于提供一种在宽的测量范围上是高精度且低耗电的电流传感器。
本发明的一种电流传感器，其特征在于，具备：磁平衡式传感器，其包括由来自被测量电流的感应磁场而引起特性变化的磁传感器元件、以及被配置在所述磁传感器元件的附近且用于产生将所述感应磁场抵消的抵消磁场的反馈线圈；分流电阻，其被串联连接到用于流过所述被测量电流的电流线；以及切换机构，用于切换分流电阻式检测和磁平衡式检测，所述分流电阻式检测将所述分流电阻的电压差设为传感器输出，所述磁平衡式检测将根据所述感应磁场在所述反馈线圈中通电而使所述感应磁场和所述抵消磁场变成被抵消的平衡状态时的所述反馈线圈中所流过的电流设为传感器输出。
根据该构成，通过在被测量电流小时切换到由分流电阻式检测进行的测量，能够停止磁平衡式检测的反馈电流。由此，能够在被测量电流小时抑制耗电。
在本发明的电流传感器中，优选地，通过夹着流过所述被测量电流的电流线而配置两个磁平衡式传感器，所述两个磁平衡式传感器的各自的磁传感器元件的灵敏度轴方向是相同的。根据该构成，能够抵消由两个磁平衡式传感器的差动输出引起的诸如地磁等的外部磁场的影响，从而能够更高精度地测量电流。
在本发明的电流传感器中，优选地，所述磁传感器元件是磁电阻效应元件。根据该构成，能够在与设置电流传感器的基板面平行的方向上容易地配置灵敏度轴，从而能够使用平面线圈。
在本发明的电流传感器中，优选地，所述切换机构，在所述磁平衡式检测的耗电PM和所述分流电阻式检测的耗电PS变成相等的被测量电流Ieq下，从所述分流电阻式检测切换到所述磁平衡式检测。根据该构成，由于将磁平衡式检测的耗电PM和分流电阻式检测的耗电PS变成相等的被测量电流Ieq设为阈值，因此能够切换到由更少耗电的检测模式所进行的测量，能够抑制传感器部分的耗电，同时能够停止或者断开没有使用的检测模式。
在本发明的电流传感器中，优选地，在所述被测量电流Ieq下，所述分流电阻式检测的耗电PS比分流电阻的额定功率PSmax小。根据该构成，能够将分流电阻设为在超过额定值前没有使用的状态，并且能够断开和进行保护。
在本发明的电流传感器中，优选地，所述磁电阻效应元件是GMR元件，设定所述被测量电流Ieq，使得由所述被测量电流Ieq引起的磁场比所述GMR元件的饱和磁场小。根据该构成，能够在没有磁饱和的状态下使用GMR元件。
在本发明的电流传感器中，优选地，所述切换机构，通过将比所述被测量电流Ieq小的电流值设为阈值来进行所述反馈电流的接通/断开。根据该构成，能够在分流电阻的旁路方法上建立自由度，并且能够设置滞后，使得不会频繁发生电流传感器的切换。
本发明的一种蓄电池，特征在于，具备：包括电流线的蓄电池主体；以及安装在所述电流线上的上述电流传感器。
发明效果
根据本发明的电流传感器，由于具备：磁平衡式传感器，其包括由来自被测量电流的感应磁场而引起特性变化的磁传感器元件、以及被配置在所述磁传感器元件的附近且用于产生将所述感应磁场抵消的抵消磁场的反馈线圈；分流电阻，其被串联连接到用于流过所述被测量电流的电流线；以及切换机构，用于切换分流电阻式检测和磁平衡式检测，所述分流电阻式检测是将所述分流电阻的电压差设为传感器输出，所述磁平衡式检测是将根据所述感应磁场在所述反馈线圈中通电而使所述感应磁场和所述抵消磁场变成被抵消的平衡状态时的所述反馈线圈中所流过的电流设为传感器输出，因此，能够在宽的测量范围上以高精度且低耗电来进行电流测量。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的电流传感器的电路图。
图2是表示本发明实施方式的电流传感器的方框图。
图3是表示分流电阻电流传感器和磁平衡式电流传感器的耗电例子的示意图。
图4是表示本发明实施方式的电流传感器的耗电例子的示意图。
图5是表示本发明实施方式的电流传感器的耗电例子的示意图。
图6是用于说明在将本发明实施方式的电流传感器适用于蓄电池时蓄电池的使用范围的示意图。
附图符号说明
1分流电阻
2A，2B磁平衡式电流传感器
3控制部
10，11二极管
20，31，36差动放大器
21反馈线圈
22桥式电路
32，34差动·电流放大器
33，35I/V放大器
37开关电路
具体实施方式
使用磁电阻效应元件的磁平衡式电流传感器，尽管与磁比例式电流传感器相比，其构成是复杂的，但仍然能够以高精度在宽的测量范围上来测量被测量电流。但是，由于需要在反馈线圈上持续流动电流，因此在被测量电流小的情况下，与分流电阻等其他的方式相比，其耗电变大了。
本发明者关注上述方面，发现为了使耗电尽可能的少，通过将磁平衡式检测和分流电阻式检测进行切换来使用，能够在宽的测量范围上以高精度且低耗电来进行电流测量，从而达到实现本发明。特别地，在测量相对小的电流时，通过构成使得使用分流电阻式检测，能够使耗电变小。
即，本发明的要点是通过电流传感器，在宽的测量范围上以高精度且低耗电来进行电流测量，该电流传感器包括：磁平衡式传感器，其包括由来自被测量电流的感应磁场而引起特性变化的磁传感器元件以及被配置在所述磁传感器元件的附近且用于产生将所述感应磁场抵消的抵消磁场的反馈线圈；分流电阻，其被串联连接到用于流过所述被测量电流的电流线；以及切换机构，用于切换分流电阻式检测和磁平衡式检测，所述分流电阻式检测是将所述分流电阻的电压差设为传感器输出，所述磁平衡式检测是将根据所述感应磁场在所述反馈线圈中通电而使所述感应磁场和所述抵消磁场变成被抵消的平衡状态时的所述反馈线圈中所流过的电流设为传感器输出。
下面，参考附图，详细说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明实施方式的电流传感器的电路图。在本实施方式中，图1所示的电流传感器被配设在被测量电流流过的电流线的附近。电流传感器主要由一对磁平衡式电流传感器2A，2B和相对电流线被与磁平衡式电流传感器2A，2B串联连接的分流电阻1构成。在分流电阻1上，并联连接了在大电流时用于旁路电流的二极管10，11。二极管10，11被相互反极性连接，当分流电阻1上的施加电压超过了任何一个二极管的正方向的阈值电压时，对电流进行旁路，从而降低分流电阻1上的耗电。磁平衡式电流传感器2A，2B被连接到用于对各自的传感器输出的差动输出进行放大的差动放大器20上。
图2是表示本发明实施方式的电流传感器的方框图。图2所示的电流传感器包括：分流电阻(分流电阻式电流传感器)1；磁平衡式电流传感器2A，2B；以及控制部3。磁平衡式电流传感器2A，2B通过夹着流过被测量电流的电流线而配置，两个磁平衡式电流传感器2A，2B的各自的磁电阻效应元件的灵敏度轴方向是相同的。
磁平衡式电流传感器2A，2B各自由反馈线圈21和桥式电路22构成，反馈线圈21被配置成为能够产生将由被测量电流产生的磁场进行抵消之方向的磁场，桥式电路22由作为磁检测元件的两个磁电阻效应元件和两个固定电阻元件构成。控制部3包括：差动放大器31，用于放大分流电阻1的差动输出；差动·电流放大器32，用于放大磁平衡式电流传感器2A的桥式电路22的差动输出，控制磁平衡式电流传感器2A的反馈线圈21的反馈电流；I/V放大器33，用于将磁平衡式电流传感器2A的反馈电流变换成电压；差动·电流放大器34，用于放大磁平衡式电流传感器2B的桥式电路22的差动输出，控制磁平衡式电流传感器2B的反馈线圈21的反馈电流；I/V放大器35，用于将磁平衡式电流传感器2B的反馈电流变换成电压；差动放大器36，用于放大I/V放大器33，35的差动输出；以及开关电路37，用于切换分流电阻式检测和磁平衡式检测。
反馈线圈21被配置在桥式电路22的磁电阻效应元件的附近，产生用于抵消由被测量电流所产生的感应磁场的抵消磁场。作为桥式电路22的磁电阻效应元件，能够举出诸如GMR(巨磁电阻效应)元件和TMR(隧穿磁电阻效应)元件等。对于磁电阻效应元件，通过施加来自被测量电流的感应磁场，其电阻值变化。通过由两个磁电阻效应元件和两个固定电阻元件来构成桥式电路22，能够实现高灵敏度的电流传感器。通过使用磁电阻效应元件，能够在与设置电流传感器的基板面平行的方向上容易配置灵敏度轴，从而能够使用平面线圈。
桥式电路22包括用于产生与由被测量电流产生的感应磁场相应的电压差的两个输出。桥式电路22的两个输出由差动·电流放大器32，34进行放大。在为磁平衡式检测的模式(平衡式模式)的情况下，被放大的输出作为电流(反馈电流)被施于反馈线圈21。该反馈电流对应于与感应磁场相应的电压差。此时，在反馈线圈21上，产生用于抵消感应磁场的抵消磁场。然后，感应磁场和抵消磁场变成被抵消的平衡状态时的反馈线圈21中流过的电流由I/V放大器33，35变换成电压，并且该电压成为传感器输出。这里，在差动放大器36中，电流通过将I/V放大器33，35的输出的差动值作为传感器输出来进行处理。由此，由于两个磁平衡式电流传感器2A，2B的各自的磁电阻效应元件的灵敏度轴方向是相同的，因此诸如地磁等的外部磁场的影响被抵消，从而能够更高精度地测量电流。
在差动·电流放大器32，34中，通过将电源电压设定成与I/V变换的基准电压+(反馈线圈电阻的额定值内最大值×满刻度时反馈电流)相近的值，反馈电流被自动地限制，从而获得保护磁电阻效应元件和反馈线圈的效果。在这里，尽管对桥式电路22的两个输出的差动进行放大来用于反馈电流，但是也可以根据桥式电路，仅仅将中点电位设为输出，以与预定的基准电位之间的电位差为基础，来设为反馈电流。
开关电路37对将来自差动放大器31的电压差设为传感器输出的分流电阻式检测和将来自差动放大器36的电压差设为传感器输出的磁平衡式检测进行切换。这样，开关电路37进行电路控制，使得在为平衡式模式时，通过对电源进行控制，即，通过将电源控制所用的控制信号输出到差动·电流放大器32，34，产生用于对由电流线所流过的被测量电流引起的感应磁场进行抵消的磁场(抵消磁场)，在为分流电阻式模式时，不产生抵消磁场。即，开关电路37对磁平衡式检测模式的反馈电流的接通/断开(ON/OFF)进行切换。
如上述，使用了磁电阻效应元件的磁平衡式电流传感器，在被测量电流小的情况下，与诸如分流电阻等的其他方式相比，其耗电变大。因此，为了使测量范围宽并且耗电少，希望在相对低的被测量电流的区域，使用分流电阻式检测，在相对高的被测量电流的区域，使用磁平衡式检测。
因此，开关电路37通过对被测量电流进行阈值判定，来切换分流电阻式检测和磁平衡式检测(模式切换)。具体地，在低的被测量电流一侧，设为分流电阻式检测，在比其高的被测量电流一侧，设为磁平衡式检测。
当被测量电流变大到某种程度，分流电阻1上所施加的电压超过了二极管10，11的阈值电压时，被测量电流主要在二极管10，11中流动，由于变成在分流电阻1上仅仅流动被测量电流的一部分的状态，因此分流电阻式检测不能够进行正确的测量。因此，检测模式切换的阈值被设定为比超过该阈值电压的电流值小。优选地，在磁平衡式检测的耗电PM和分流电阻式检测的耗电PS变成相等的被测量电流Ieq，从分流电阻式检测切换到磁平衡式检测。由此，由于将磁平衡式检测的耗电PM和分流电阻式检测的耗电PS变成相等的被测量电流Ieq设为阈值，因此能够切换到由更少耗电的检测模式所进行的测量，能够抑制传感器部分的耗电，同时能够停止或者断开没有使用的检测模式。
优选地，在被测量电流Ieq，分流电阻式检测的耗电PS比分流电阻的额定功率PSmax小。由此，能够将分流电阻设为在超过额定值前没有使用的状态，并且能够断开和进行保护。而且，如果磁电阻效应元件是GMR元件，优选地，设定被测量电流Ieq，使得由被测量电流Ieq引起的磁场比GMR元件的饱和磁场小。因此，能够在没有磁饱和的状态下使用GMR元件。
优选地，开关电路37通过将比被测量电流Ieq小的电流值设为阈值来进行反馈电流的接通/断开。由此，能够在分流电阻1的旁路方法上建立自由度，并且能够设置滞后，使得不会频繁发生电流传感器的切换。
这里，说明使用本发明的电流传感器并对分流电阻式检测和磁平衡式检测进行切换的例子。图3示出了使用GMR元件的磁平衡式电流传感器(磁平衡式)和使用分流电阻的电流传感器(分流电阻式)的耗电的例子。例如，当将分流电阻设为400μΩ时，如图3所示，分流电阻式的耗电和磁平衡式的耗电变为相同的情况是大约10A，如果在此时的分流电压4mV处建立由二极管引起的分流的旁路，则在此以后的大电流区域，如图4和图5所示，就变成将原来的磁平衡式的功率+由二极管引起的耗电部分设为传感器部分而进行消耗。对于分流电阻，一般地，1W左右是额定值，如果在此以上的电流区域不进行大型化和充分的散热，则不能够使用，因此，根据本实施方式的构成，能够设为更低耗电(小型)且可测量范围宽的电流传感器。
示出将本发明的电流传感器适用于电动汽车和混合动力汽车的蓄电池电流传感器的例子，其是作为工作时的大电流模式和除此之外的小电流模式被清楚分开的例子考虑的。例如，在混合动力汽车上所安装的电动机的额定值是60kW，蓄电池是28串联，电压设为201.6V。在这种情况下，在电动机的额定值运转中，蓄电池电流就变成流过300A程度。另一方面，在停车时，耗电主要变成由电气安装件引起的耗电，即使将这些全部加起来，也只是87A(12V)，通过电流电压变换，如果作为蓄电池电流，其成为5A左右。
因此，作为将电流传感器从分流电阻式检测向磁平衡式检测切换的阈值，首先，选定磁平衡式检测的消耗电流成为比分流式检测的消耗电流小的10A。这是与上述5A相比充分大、与上述300A相比充分小的值。相反，对于从磁平衡式检测向分流式检测切换的阈值，为了避免频繁的切换，设置滞后，例如优选地选定从10A和5A适当地离开的7A。
在上述条件中，图4和图5示出了本发明的电流传感器(混合动力)的耗电。图5是将图4中的切换部分放大后的示意图。如从图4和图5中知道的，通过将被测量电流10A设为阈值来进行检测模式的切换，能够产生磁平衡式检测的在宽的测量范围并且为高精度之类的优点，同时，在汽车停车时那样的被测量电流小的情况下，能够使耗电变小。
尽管在混合动力汽车的情况下蓄电池的电流是直流，但是即使在对家庭用电源等的交流电流进行测量的情况下，也能够使用本发明的构成。对于该情况下的检测模式之切换的阈值，进行下述设定是可能的：在例如图4和图5那样的特性的情况下，当在电流的最大值(峰值)中超过了磁平衡式检测的消耗电流变成比分流电阻式检测的消耗电流小的10A时，切换到磁平衡式，相反，当电流的最大值变成省电模式的电流范围例如变成在7A以下的状态时，切换到分流电阻式。直流情况下的模式切换控制的不同是通过交流变动的最大值来进行判断的，对于作为磁平衡式检测而工作的时间，是在交流变动周期的7A以下的电流值的时间也全部设为磁平衡式来进行工作。当将该情况在耗电的曲线(图5)上进行说明时，对于(在电流的最大值为10A以上的情况下)设为磁平衡式来进行工作的时间，是即使在被测量电流的瞬时值为7A以下的时间上也由设为磁平衡式检测+分流电阻式检测的功率来进行工作。因此，能够防止反馈电流的频繁的接通/断开，能够获得尽可能更加提前对大电流的对变化的追随的效果。另一方面，如果能够合适地设定切换到分流电阻式的阈值例如7A，则即使在磁平衡式检测的工作期间抑制消耗电流的效果差，在省电模式下也如本来的目标那样，获得了抑制消耗电流的效果。
这样，根据本发明的电流传感器，由于进行切换，使得在各自的消耗电流变低的被测量电流区域上利用分流电阻式检测和磁平衡式检测，因此能够将由磁平衡式引起的宽的测量范围和节省电力化并存。而且，存在成为下述构成的优点：对于磁电阻效应元件，由于其灵敏度轴是面内方向，因此在电流传感器的制造工序中，能够将线圈成膜在磁电阻效应元件的附近，结果，能够在比较小的反馈电流下，产生用于抵消由大电流引起的磁场的磁场。
(使用电流传感器的蓄电池)
使用本发明的电流传感器的蓄电池，具备包括电流线的蓄电池主体和该电流线上所安装的电流传感器。说明在具有这种构成的蓄电池中，通过进行充放电控制，来进行蓄电池的管理的情况(蓄电池管理***)。
由本实施方式表示的电流传感器，通过设置在蓄电池上，能够进行蓄电池的管理。具体地，如图6所示，将电流传感器设置于Li离子电池、NiMH电池、铅蓄电池等进行充放电的蓄电池的端子(正极或者负极)，通过使用该电流传感器来测量和累计蓄电池的充放电的电流，能够进行蓄电池的剩余量管理。
尽管蓄电池在使用时的情况下和不使用时的情况下流过的电流值大大地不同，但是，通过使用由本实施方式表示的电流传感器，即，通过在被测量电流低时设为分流电阻式检测、在被测量电流高时设为磁平衡式检测，能够由一个电流传感器以高精度检测出使用时和不使用时的电流量。由于通过以高精度测量蓄电池的电流值，从而能够降低累计误差，因此能够使由于过充电、过放电而设置于蓄电池的余量变小。其结果，能够有效地使用蓄电池，例如，通过在电动汽车等的蓄电池上使用由本实施方式所示的电流传感器，能够延长行驶距离。
本发明不局限于上述实施方式，能够进行各种变更实施。例如，尽管在上述实施方式中，说明了使用分流电阻和两个磁平衡式电流传感器的情况，但是，本发明不局限于此，考虑构成的简单化和小型化，还可以使用分流电阻和1个磁平衡式电流传感器来构成电流传感器，考虑差动的平衡等，还可以使用分流电阻和3个以上的磁平衡式电流传感器来构成电流传感器。上述实施方式的各个元件的连接关系、大小等进行合适变更来实施也是可能的。尽管在上述实施方式中，说明了在磁平衡式电流传感器上使用磁电阻效应元件的情况，但是，也可以在磁平衡式电流传感器上通过使用霍尔元件和其他的磁检测元件来进行构成。除此之外，本发明在不脱离本发明范围之下能够进行合适变更和实施。
工业实用性
本发明能够适用于对电动汽车和混合动力汽车的电动机驱动用的电流的大小进行检测的电流传感器。

Claims (8)

1.一种电流传感器，其特征在于，具备：
磁平衡式传感器，包括由来自被测量电流的感应磁场而引起特性变化的磁传感器元件、以及被配置在所述磁传感器元件的附近且产生将所述感应磁场抵消的抵消磁场的反馈线圈；
分流电阻，被串联连接到流过所述被测量电流的电流线；以及
切换机构，切换分流电阻式检测和磁平衡式检测，所述分流电阻式检测将所述分流电阻的电压差设为传感器输出，所述磁平衡式检测将根据所述感应磁场在所述反馈线圈中通电而使所述感应磁场和所述抵消磁场变成被抵消的平衡状态时的所述反馈线圈中所流过的电流设为传感器输出。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，
夹着流过所述被测量电流的电流线而配置两个磁平衡式传感器，所述两个磁平衡式传感器中的各自的磁传感器元件的灵敏度轴方向是相同的。
3.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，
所述磁传感器元件是磁电阻效应元件。
4.根据权利要求1到3任何一项所述的电流传感器，其特征在于，
所述切换机构，在所述磁平衡式检测的耗电PM和所述分流电阻式检测的耗电PS变成相等的被测量电流Ieq下，从所述分流电阻式检测切换到所述磁平衡式检测。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，
在所述被测量电流Ieq下，所述分流电阻式检测的耗电PS比分流电阻的额定功率PSmax小。
6.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，
所述磁电阻效应元件是GMR元件，设定所述被测量电流Ieq，使得由所述被测量电流Ieq引起的磁场比所述GMR元件的饱和磁场小。
7.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，
所述切换机构，通过将比所述被测量电流Ieq小的电流值设为阈值来进行所述反馈电流的接通/断开。
8.一种蓄电池，其特征在于，具备：
包括电流线的蓄电池主体；以及
安装在所述电流线上的权利要求1到7任何一项所述的电流传感器。
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