CN111886507A - 集成电流测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成电流测量设备。本发明的一方面可以提供一种集成电流测量设备，所述集成电流测量设备用于通过结合使用霍尔传感器和分流电阻器来测量电流，所述集成电流测量设备包括：印刷电路板；分流电阻器，所述分流电阻器包括具有预设电阻的电阻元件和延伸至所述电阻元件的两侧的端子部，所述分流电阻器附接至所述印刷电路板的底表面；以及霍尔传感器，所述霍尔传感器安装在所述印刷电路板的顶表面上，从而在所述印刷电路板被置于所述霍尔传感器和所述分流电阻器之间的状态下，所述霍尔传感器面对所述分流电阻器。
Description
技术领域
本公开涉及一种电流测量设备，更具体地，本公开涉及一种集成电流测量设备，其包括使用不同电流测量原理的多个电流传感器。
本申请要求2018年11月20日提交的韩国专利申请No.10-2018-0143785的优先权，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
背景技术
使用二次电池的电池组的电源***通常包括用于测量电流的电流传感器。电流传感器监测电池组的状态，并且通过测量沿着电池组的充电/放电路径流动的电流而检测例如流过电池组的过电流。电流传感器所测量的电流可以用作用于计算荷电状态(SOC)的信息，或者可以用作用于确定充电/放电过程是否正在正常执行的标准。
然而，当电流传感器由于破损等原因无法正常工作时，可能无法准确检测流过电池组的电流。结果，即使当发生诸如过电流的错误时，过电流也可能没有被适当地阻止，因而可能引起严重的问题，诸如电池组的破裂或***。
特别地，作为电动车辆的蓄能***(ESS)，锂离子二次电池组当前备受关注，锂离子二次电池组使用约100A至约300A的高充电/放电电流，并且当用于电动车辆的电池组的电流传感器可能无法准确测量充电/放电电流时，其风险会升高。
在各种类型的电流传感器中，广泛地使用图1所示的分流电阻器以测量电池组的电流。图1中所示的传统分流电阻器2包括电阻元件3和连接到电阻元件3的两端的端子4，每个端子4都包括被构造成测量电压的引脚5。通过将引脚5焊接至印刷电路板(PCB)而测量电压，并通过应用欧姆定律来计算电流值。
然而，在传统的分流电阻器2中，引脚5容易受到车辆行驶时产生的振动或冲击的影响，因而容易破裂。在许多情况下，引脚5破裂都是造成电流传感器损坏的主要原因。
电动车辆的安全标准(例如，ISO 26262)基于其广泛的商业化而得到加强，并且需要一种检测和诊断电流传感器的故障的方法来满足这些标准。
尽管作为这样的方法之一，公开了一种检测和诊断故障(包括两个或更多个同质或异质电流传感器之间的错误)的方法，但是可能不易于设计出能够同时实现安全性和经济可行性两者的集成电流测量设备。
发明内容
技术问题
本公开被设计成解决现有技术的问题，因此，本公开旨在提供一种能够通过使用多个电流传感器而测量电池组的电流的集成电流测量设备。
本公开还旨在提供一种能够在振动和冲击条件下稳定运行的集成电流测量设备，以确保电动车辆的功能安全性。
技术解决方案
在本公开的一方面中，提供了一种通过集成地使用霍尔传感器和分流电阻器来测量电流的集成电流测量设备，所述集成电流测量设备包括：印刷电路板；分流电阻器，所述分流电阻器包括具有预设电阻的电阻元件和从所述电阻元件的两侧延伸的端子，所述分流电阻器附接至所述印刷电路板的底表面；以及霍尔传感器，所述霍尔传感器被安装在所述印刷电路板的顶表面上，从而在所述印刷电路板被置于所述霍尔传感器和所述分流电阻器之间的状态下，所述霍尔传感器面对所述分流电阻器。
所述分流电阻器的端子中可以分别设置有第一螺钉孔，所述电阻元件被置于所述第一螺钉孔之间，所述集成电流测量设备还可以包括集成地联接至所述第一螺钉孔的接头构件和设置在所述印刷电路板上的电压测量节点，从而将所述分流电阻器固定到所述印刷电路板的底表面，并且将所述端子电连接至所述电压测量节点。
所述印刷电路板可以包括传感器安装部分，所述传感器安装部分从所述印刷电路板的一侧突出，并且在垂直于突出方向的方向上的水平长度小于所述分流电阻器的水平长度，并且所述分流电阻器可以附接至所述传感器安装部分的底表面。
所述传感器安装部分可以包括以预定间隙彼此间隔隔开的第一安装部分和第二安装部分。
所述集成电流测量设备还可以包括屏蔽构件，所述屏蔽构件形成围绕所述分流电阻器的一部分和所述霍尔传感器的壁结构。
所述屏蔽构件可以包括：一对竖直面板，所述一对竖直面板在所述分流电阻器的宽度方向上彼此间隔隔开，并且被设置为垂直于所述传感器安装部分；和水平面板，所述水平面板被构造成在所述分流电阻器的下方将所述一对竖直面板连接。
所述第一安装部分和第二安装部分之间的间隙可以被设置成“L”形，并且所述一对垂直面板之一可以垂直地穿过所述间隙。
所述集成电流测量设备还可以包括组件引导单元，所述组件引导单元被构造成保持所述分流电阻器和所述屏蔽构件之间的绝缘，并将所述分流电阻器和所述屏蔽构件集成地安装在所述传感器安装部分上。
所述组件引导单元可以包括以双重结构设置的两个支撑部分，从而在以预定距离彼此间隔隔开的位置处分别围绕所述分流电阻器和所述屏蔽构件的水平面板。
所述组件引导单元还可以包括绝缘板，所述绝缘板被构造成将所述两个支撑部分连接成单个主体，并且所述绝缘板位于所述分流电阻器和所述屏蔽构件的水平面板之间。
在本公开的另一方面，提供了一种包括上述集成电流测量设备的电池组。
有利效果
根据本公开的一方面，可以使用两种电流传感器来测量电池组的电流，因而可以检测和诊断多个电流传感器之间的故障(包括错误)。
根据本公开的另一方面，可以提供这样一种集成电流测量设备：其能够在振动和冲击条件下稳定地测量电池组的电流，并且使得电流传感器具有空间有效的组件结构。
附图说明
图1是示出根据现有技术的分流电阻器的视图。
图2是示出根据本公开实施例的集成电流测量设备的构造的立体图。
图3是根据本公开实施例的印刷电路板(PCB)的主要部分的平面图。
图4是示出分流电阻器被安装在图3的PCB上的视图。
图5是分流电阻器的平面图。
图6是沿图2的集成电流测量设备的I-I'线截取的横截面图。
图7是屏蔽构件的平面图。
图8是图2的集成电流测量设备的仰视立体图。
图9是集成电流测量设备的分解立体图。
图10是示出根据本公开实施例的电池组被应用于电动车辆的示例的示意图。
具体实施方式
提供本公开的实施例以将本公开的概念完全地传达给本领域技术人员，因而在附图中可能夸大、省略或示意性地示出了部件的形状和大小。因此，每个部件的大小或比率不能完全反映其实际大小或比率。
在下文中，将通过参考附图解释本公开的实施例来详细地描述本公开。说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应限于常规或词典含义，并且应被解释为具有与本公开的技术思想相对应的含义和概念，以便最适当地描述本公开。
图2是示出根据本公开实施例的集成电流测量设备1的构造的立体图，图3是根据本公开实施例的印刷电路板(PCB)10的主要部分的平面图，图4是示出分流电阻器20被安装在图3的PCB 10上的视图。
参考图2至图4，根据本公开实施例的集成电流测量设备1包括PCB 10、附接至PCB10的底表面的分流电阻器20以及安装在PCB 10的顶表面上的霍尔传感器30。
如下文详述，集成电流测量设备1可以被构造成在不使用数据或电源电缆的情况下将分流电阻器20和霍尔传感器30连接至PCB 10，如图2中所示。部件数量的减少可以降低制造成本。另外，分流电阻器20和霍尔传感器30的互补以及节省空间的结构可以最小化设备体积。
上述集成电流测量设备1的PCB 10可以是用于管理电池组的充电/放电的电池管理***(BMS)的PCB 10。
虽然为了便于说明而在图2至图4中未示出，但是PCB 10可以选择性地包括模拟-数字(ADC)电路(其被构造成将分流电阻器20的两端与霍尔传感器30的输出端之间的电压差转换为电流值)、处理器、应用程序专用集成电路(ASIC)、其它芯片组、逻辑电路、放大器、比较器、寄存器、通信调制解调器、数据处理器等，这些都是本领域众所周知的。
特别地，根据当前实施例的PCB 10具有大致矩形的板状，并且包括从PCB 10的一侧突出的传感器安装部分11，如图3中所示。传感器安装部分11提供组装分流电阻器20和霍尔传感器30的位置，并且在垂直于突出方向的方向(例如，X轴方向)上的水平长度小于分流电阻器20的水平长度。
在这种情况下，分流电阻器20的两端的顶表面都是敞开的，而不被PCB 10覆盖，因而分流电阻器20的两端可以易于连接到其他部件。例如，电动车辆通常使用高压传输电缆和金属条状汇流条(未示出)作为电线，从而将电池组的电力供应到负载。分流电阻器20需要连接到汇流条，以测量在电池组和负载之间流动的电流。在这种情况下，汇流条可以通过螺栓连接到分流电阻器20的两端。例如，可以使用被设置在分流电阻器20的两端中的孔H2来螺栓连接汇流条。
传感器安装部分11可以包括以预定间隙彼此间隔隔开的第一安装部分11a和第二安装部分11b。
分流电阻器20可以安装在第一安装部分11a和第二安装部分11b的底表面上，霍尔传感器30可以安装在第二安装部分11b的顶表面上。
传感器安装部分11的间隙12a和12b包括沿Y轴方向设置的第一间隙12a和沿X轴方向设置的第二间隙12b，如图3中所示。在平面图中，第一间隙12a和第二间隙12b可以具有大致“L”形状。
分流电阻器20由金属制成，并且可以在宽工作温度范围内重复地收缩/膨胀。PCB10可能由于分流电阻器20的收缩/膨胀而破裂。根据当前实施例，通过在分流电阻器20所附接的传感器安装部分11中设置第一间隙12a，可以防止其破裂。
第一间隙12a的最合适位置是位于下文所述的两个接头构件41和42被螺丝拧入其中、以将分流电阻器20的端子23和25附接到传感器安装部分11的两个点之间。
所述点可以分别设置在第一安装部分11a和第二安装部分11b处。所述点对应于电压测量节点13a和13b的位置。电压测量节点13a和13b是通过使用接头构件41和42而被连接到分流电阻器20的端子23和25的节点，从而检测由于分流电阻器20的电阻元件21引起的电压差。
与第一间隙12a一样，第二间隙12b也可以被用于防止PCB 10的破裂，并且也可以被用作下文所述屏蔽构件50的竖直面板51所组装的空间。
参考图5，当前实施例的分流电阻器20包括具有预设电阻的电阻元件21以及从电阻元件21的两侧延伸的端子23和25。电阻元件21可以由锰(Mn)制成，端子23和25可以由铜(Cu)或Cu合金制成。当电流流经分流电阻器20时，可以通过测量这种情况下的电压差，根据欧姆定律计算电阻元件21中发生的电压降以及电流值。
通常，分流电阻器20通过使用被焊接至PCB 10的电压测量引脚来测量端子23和25的电压。然而，根据本公开，接头构件41和42用作电压测量引脚。可以采用螺钉或螺栓作为接头构件41和42。
接头构件41和42将分流电阻器20机械地固定到传感器安装部分11的底表面，并将端子23和25电连接至PCB 10的电压测量节点13a和13b。
为了通过使用接头构件41和42来将分流电阻器20联接并电连接到传感器安装部分11，可以在传感器安装部分11的电压测量节点13a和13b的中心设置通孔，并且可以分别在分流电阻器20的端子23和25中设置具有螺纹的第一螺钉孔H1。
如图6中所示，接头构件41和42可以被螺钉拧入通孔和第一螺钉孔H1，使得分流电阻器20的端子23和25可以电连接到电压测量节点13a和13b。在这种情况下，由电压测量节点13a和13b所检测到的电压可以通过PCB 10上的放大器、比较器、ADC电路等被表达为电流值。
根据当前实施例(能够以螺丝方式穿过PCB 10和分流电阻器20的接头构件41和42也被用于检测电压)，可以抵抗振动和冲击来稳定地保持PCB 10和分流电阻器20之间的电连接，因此与传统的电流传感器相比，可以降低破裂或故障的风险。
同时，霍尔传感器30是指被构造成通过使用霍尔效应而测量电流的传感器，霍尔效应表示这样一种物理现象：当垂直于电线(或导体)中的电流流向来施加磁场时，在电线(或导体)的两端之间产生电压差。
在当前实施例中，霍尔传感器30可以安装在PCB 10的顶表面上，从而在PCB10被置于霍尔传感器30和分流电阻器20之间的情况下，霍尔传感器30面对分流电阻器20，并且霍尔传感器30可用于测量流经位于其下方的分流电阻器20的电流。
例如，霍尔传感器30可以基于流经位于传感器安装部分11的底表面上的分流电阻器20的中间部分的电流所引起的磁通量变化、向连接至霍尔传感器30的PCB 10上的电路(未示出)输出电压值，并且该值可以被电路转换为电流值。
作为参考，当前实施例的霍尔传感器30通常可以采用使用磁集极(IMC)技术的霍尔传感器30，其能够在不需要任何庞大的外部铁磁芯的情况下精确地测量电流。然而，本公开的范围不限于使用IMC技术的霍尔传感器30。
参考图2、图7和图8，当前实施例的集成电流测量设备1还可以包括屏蔽构件50，以提高霍尔传感器30的性能。
屏蔽构件50可以形成壁结构，所述壁结构围绕霍尔传感器30以及分流电阻器20的一部分、即位于霍尔传感器30下方的分流电阻器20的中间部分。屏蔽构件50可以由金属制成，例如镍(Ni)或Ni、铁(Fe)和Cu的合金。屏蔽构件50用于通过集中磁通量并保护霍尔传感器30不受外部干扰而降低霍尔传感器30的错误。
特别地，屏蔽构件50可以包括：一对竖直面板51和53，其用作壁结构；和水平面板55，其被构造成连接一对竖直面板51和53。
屏蔽构件50的水平面板55的水平(X轴方向)宽度可以大于竖直(Y轴方向)宽度，并且延伸为超过竖直面板51和53的两侧，以便平行于分流电阻器20。
水平面板55具有以大致‘H’形状弯曲的部分55a。弯曲部分55a是为了避免与接头构件41和42相接触。即，水平面板55可以具有不同于‘H’形状的任何形状，只要能够避免与接头构件41和42的接触即可。
上述分流电阻器20和屏蔽构件50可以通过使用组件引导单元60而制造成单个组件，以便易于与PCB 10组装在一起。
即，如图8和图9中所示，根据本公开实施例的集成电流测量设备1还可以包括组件引导单元60，其被构造成将PCB 10上的分流电阻器20和屏蔽构件50集成地安装为单个组件。
组件引导单元60包括两个支撑部分61和63以及绝缘板65。
两个支撑部分61和63可以被设置成双重结构，从而在以预定距离彼此间隔隔开的位置处分别围绕分流电阻器20和屏蔽构件50的水平面板55。
两个支撑部分61和63之间的距离可以对应于PCB 10的传感器安装部分11的水平长度，以便当与PCB 10组装在一起时，两个支撑部分61和63可以与传感器安装部分11的边缘线对齐。
绝缘板65可以将两个支撑部分61和63连接成单个主体，并且位于分流电阻器20和屏蔽构件50的水平面板55之间，从而将分流电阻器20与屏蔽构件50绝缘。
例如，分流电阻器20、屏蔽构件50以及组件引导单元60的组件的整体或一部分可以使用嵌件模塑来集成地制造。
现在将简要地描述将分流电阻器20、屏蔽构件50和组件引导单元60的组件与PCB10组装在一起的过程。
首先，将该组件放在传感器安装部分11的底表面上。在这种情况下，可以通过将屏蔽构件50的竖直面板51和53中的一个***到传感器安装部分11的第二间隙12b中而自然地对齐所述组件与传感器安装部分11之间的组装位置。特别地，需要如下组件结构来用作电流传感器：在所述组件结构中，分流电阻器20的中间部分被直接置于霍尔传感器30的下方，并且屏蔽构件50围绕霍尔传感器30，并且由于所述组件和传感器安装部分11的几何特征，所以本公开可以实现上述组件结构。
然后，通过使用接头构件41和42将所述组件螺纹连接至传感器安装部分11。在这种情况下，接头构件41和42可以是两根螺钉，并且所述两根螺钉可以分别***第一安装部分11a和第二安装部分11b中，以便连接至分流电阻器20的端子23和25。如上所述，接头构件41和42可以用于测量通过分流电阻器20的电阻元件21的电压差。霍尔传感器30可以基于霍尔效应来测量流经分流电阻器20的电流。
基于根据当前实施例的集成电流测量设备1的上述构造以及操作，可以基于分流电阻器20和霍尔传感器30的不同原理来测量在电池组与负载之间流动的电流两次。即，可以使用两种类型的电流传感器来测量电池组的电流，因而可以检测和诊断包括电流传感器之间的错误在内的故障。因此，可以改进包括集成电流测量设备1的电池组以及接收来自于该电池组供应的电力的电动车辆或电动装置的稳定性。
同时，参考图10，根据本公开的电池组100可以包括上述集成电流测量设备1。电池组100的电流可以经由集成电流测量设备1流动到负载200。
除了集成电流测量设备1之外，根据本公开的电池组100还可以包括：至少一个电池模块，其包括一组袋式二次电池或罐式二次电池；电池组壳体，其被构造成容纳电池模块；以及各种装置，例如BMS、继电器和保险丝，其被构造成控制电池模块的充电/放电。
电池组100可以被用作电源，以向混合动力电动车辆(HEV)或电动车辆(EV)的电动机供电。电池组100也可以用作蓄能***(ESS)。
虽然已经参考本公开的实施例具体示出和描述了本公开，但是本领域技术人员应理解，可以在不脱离由下列权利要求限定的本公开的范围的情况下在本文中对形式和细节做出各种改变。
本领域技术人员还应理解，本文中使用的方向性术语，例如“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”、“前部”和“后部”仅是为了便于解释，可以根据目标对象或观看者的位置进行切换。
Claims (11)
1.一种集成电流测量设备，所述集成电流测量设备通过集成地使用霍尔传感器和分流电阻器来测量电流，所述集成电流测量设备包括：
印刷电路板；
分流电阻器，所述分流电阻器包括具有预设电阻的电阻元件和从所述电阻元件的两侧延伸的端子，所述分流电阻器被附接至所述印刷电路板的底表面；以及
霍尔传感器，所述霍尔传感器被安装在所述印刷电路板的顶表面上，从而在所述印刷电路板被置于所述霍尔传感器和所述分流电阻器之间的状态下，所述霍尔传感器面对所述分流电阻器。
2.根据权利要求1所述的集成电流测量设备，其中，所述分流电阻器的所述端子中分别设置有第一螺钉孔，并且所述电阻元件被置于所述第一螺钉孔之间，并且
其中，所述集成电流测量设备还包括集成地联接至所述第一螺钉孔的接头构件和设置在所述印刷电路板上的电压测量节点，从而将所述分流电阻器固定到所述印刷电路板的底表面，并且将所述端子电连接至所述电压测量节点。
3.根据权利要求1所述的集成电流测量设备，其中，所述印刷电路板包括传感器安装部分，所述传感器安装部分从所述印刷电路板的一侧突出，并且所述传感器安装部分在垂直于突出方向的方向上的水平长度小于所述分流电阻器的水平长度，并且
其中，所述分流电阻器附接至所述传感器安装部分的底表面。
4.根据权利要求3所述的集成电流测量设备，其中，所述传感器安装部分包括以预定间隙彼此间隔隔开的第一安装部分和第二安装部分。
5.根据权利要求4所述的集成电流测量设备，还包括屏蔽构件，所述屏蔽构件形成围绕所述分流电阻器的一部分和所述霍尔传感器的壁结构。
6.根据权利要求5所述的集成电流测量设备，其中，所述屏蔽构件包括：
一对竖直面板，所述一对竖直面板在所述分流电阻器的宽度方向上彼此间隔隔开，并且被设置为垂直于所述传感器安装部分；和
水平面板，所述水平面板被构造成在所述分流电阻器的下方将所述一对竖直面板连接。
7.根据权利要求6所述的集成电流测量设备，其中，所述第一安装部分和所述第二安装部分之间的间隙被设置成“L”形，并且所述一对竖直面板之一垂直地穿过所述间隙。
8.根据权利要求6所述的集成电流测量设备，还包括组件引导单元，所述组件引导单元被构造成保持所述分流电阻器和所述屏蔽构件之间的绝缘，并且将所述分流电阻器和所述屏蔽构件集成地安装在所述传感器安装部分上。
9.根据权利要求8所述的集成电流测量设备，其中，所述组件引导单元包括以双重结构设置的两个支撑部分，从而在以预定距离彼此间隔隔开的位置处分别围绕所述分流电阻器和所述屏蔽构件的所述水平面板。
10.根据权利要求9所述的集成电流测量设备，其中，所述组件引导单元还包括绝缘板，所述绝缘板被构造成将所述两个支撑部分连接成单个主体，并且所述绝缘板位于所述分流电阻器和所述屏蔽构件的所述水平面板之间。
11.一种电池组，包括根据权利要求1至10中的任一项所述的集成电流测量设备。
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