CN116868065A - 电流感测装置 - Google Patents

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金东春
金东和
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Abstract

本发明涉及一种电流感测装置，该电流感测装置包括：母线，布置在母线下方的印刷电路板，多个固定引脚以及至少一个霍尔传感器模块，该母线包括多个彼此分开的低电阻金属部分，电阻部分位于低电阻金属部分之间；多个固定引脚连接到母线的金属部分以将母线固定在印刷电路板上，并在金属部分和印刷电路板之间提供电流路径。霍尔传感器模块的至少一部分***到形成在母线的至少一个低电阻金属部分中的传感器孔中。

Description

电流感测装置
技术领域
本发明涉及一种使用双传感器的电流感测装置。
背景技术
电流传感器用于各种工业领域。电阻检测型电流传感器和磁场检测型电流传感器是电流传感器的代表。分流传感器将分流电阻器引起的电压降转换为电流并测量该电流。霍尔传感器(通过电流流过的导体周围的霍尔效应在垂直于电流的方向上产生电势差(霍尔电压)和磁场)放大霍尔电压并测量与霍尔电压成比例的电流。
分流传感器和霍尔传感器有不同的优点和缺点。例如，尽管分流传感器安装简单且价格低廉，但分流电阻器中会发生功率耗散并且产生热量。另一方面，就霍尔传感器来说，因为它是非接触式传感器，所以功率损耗很小，但是功率损耗大于分流电阻器，因为必须在导体周围安装相对较大的磁芯。分流传感器和霍尔传感器的测量值精度因环境而异。例如，当测量高电流时，测量的电流值由于分流电阻器中产生的热量而改变，分流电阻器具有低精度。
发明内容
技术问题
本发明的目的是满足需求并解决问题。
特别地，本发明提供了一种电流感测装置，该电流感测装置能够通过使用双传感器来提高测量的电流值的精度并且能够实现微型化。
本发明的目的不应限于上述提及的目的，本领域技术人员从以下描述中将清楚地理解其它未提及的目的。
技术方案
根据本发明的实施例的电流感测装置包括:母线，布置在母线下方的印刷电路板，多个固定引脚以及至少一个霍尔传感器模块，该母线包括彼此分开的多个低电阻金属部分，电阻部分位于低电阻金属部分之间；多个固定引脚连接到母线的金属部分以将母线固定在印刷电路板上，并在金属部分和印刷电路板之间提供电流路径。
母线的至少一个低电阻金属部分包括传感器孔201c或201d。霍尔传感器模块的至少一部分***传感器孔201c或201d中。
有益效果
本发明实现了包含分流传感器电阻器和霍尔传感器的电流感测装置，从而提高了电流的测量精度。
根据本发明，霍尔传感器的集成电路(IC)芯片设置在形成于母线中的传感器孔中，以提高母线上霍尔传感器的电流的测量精度，而不需要围绕母线的单独的金属屏蔽罩。
根据本发明，当分流传感器的电阻器过热时，可以通过选择霍尔传感器的测量电流值来保持测量电流值的精度。
根据本发明，可以高精度地测量施加有高电压(400至800V)的电池的高侧的电流。根据本发明，即使在恶劣的环境中，也可以测量连接到电池的高侧和/或低侧中的至少一个母线上流动的电流。
根据本发明，可以用抗噪声的差分信号测量电流，并将测量的电流值作为数字信号提供给外部控制器。
根据本发明，一个或多个分流传感器和一个或多个霍尔传感器中的至少一个可以用作备用传感器，从而提高电流传感器的稳定性。
本发明的效果不应局限于上述效果，本领域技术人员从权利要求中将清楚地理解其它未提及的效果。
附图说明
图1A至1C为从不同角度示出根据本发明实施例的电流感测装置的视图。
图2A和2B为详细示出母线的结构和固定引脚的结构的视图。
图3为示出处于拆卸状态的电流感测装置的组件的分解透视图。
图4为从另一角度示出霍尔传感器模块的放大视图。
图5至7为示出根据本发明各种实施例的电流感测装置的电路图。
具体实施方式
从结合附图详细描述的实施例中，本发明的优点和特征以及实现这些优点和特征的方法将变得更加明显。然而，本发明不限于所公开的实施例，而是可以以各种不同的方式实现。提供实施例仅是为了完成本公开，并允许本领域技术人员充分理解本公开的类别。本公开由权利要求的类别来定义。
在用于描述本公开的实施例的附图中公开的形状、尺寸、比率、角度和数字仅是示例，因此，本发明不限于所示出的细节。在整个说明书中，相同的附图标记将用于指代相同或相似的元件。此外，在以下描述中，当相关已知功能或者配置的详细描述被确定为不必要地模糊了本发明的要点时，将省略该详细描述。
在使用本说明书中描述的“包括”、“具有”和“包括”的情况下，除非使用“仅”,否则可以添加另一部分。单数表达可以包括复数表达，只要它在上下文中没有明显不同的含义。
在解释一个元素时，该元素被解释为包括一个误差区域,尽管没有明确的描述。
在位置关系的描述中，当一个结构被描述为位于另一个结构的“上面或上方”、“下面或下方”或“旁边”时，该描述应被解释为包括这些结构彼此直接接触的情况以及第三个结构设置在它们之间的情况。
术语“第一”、“第二”等可以用来区分各种部件。然而，部件的功能或结构不受部件名称和部件名称前的序数的限制。
本公开的实施例的特征可以部分地相互组合或者完全地相互组合，并且可以以各种方式在技术上互锁驱动。这些实施例可以独立实现，或者可以彼此结合实现。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的各种实施例。
参考图1A至图4，根据本发明实施例的电流感测装置包括一个或多个分流传感器以及一个或多个霍尔传感器，一个或多个分流传感器以及一个或多个霍尔传感器被配置为测量流经母线200的电流。
分流传感器包括连接在母线200的电阻的附近的多个固定引脚20a至20d以及放大器。分流传感器测量流经固定引脚20a至20d的电流(分流电流)。
霍尔传感器通过检测和放大由流过母线200的电流产生的磁场中的霍尔电压来测量流过母线200的电流。
分流传感器和霍尔传感器中的每个的输出信号可以通过模数转换器(以下称为“ADC”)转换成数字信号。ADC可以独立地连接到分流传感器和霍尔传感器中的每个，或者由它们共享。
母线200被制造成线性或矩形金属条。母线200具有沿着x轴方向的长度尺寸、沿着y轴方向的宽度尺寸和沿着z轴方向的厚度尺寸。
如图2所示，母线200包括低电阻金属部分201和电阻部分202，电阻部分202设置在低电阻金属部分201之间并连接低电阻金属部分201。电阻部分202可以由具有比低电阻金属部分201更高的电阻值的金属制成，并且可以通过焊接或锡焊接合到低电阻金属部分201。低电阻金属部分201可以由铜(Cu)板制成，并且电阻部分202可以由锰铜制成，但是本发明不限于此。通过调整电阻部分202的材料、尺寸等，电阻值可以被设置为期望的设计值。例如，电阻部分202的电阻值可以被设置为40μΩ和60μΩ之间的值，但是不限于此。
母线200的低电阻金属部分201分别包括连接孔201a和201b以及传感器孔201c和201d。连接孔201a和201b以及传感器孔201c和201d穿过金属部分201。传感器孔201c和201d可以定位为比连接孔201a和201b更靠近电阻部分202。传感器孔201c和201d可以是尺寸小于连接孔201a和201b的矩形孔。传感器孔201c和201d优选地相对于***其间的电阻部分202对称设置，以减少电池充电/放电期间双向电流流动的瓶颈现象。由于传感器孔201c和201d，在分流传感器的电阻部分202中产生的热量很难传递到霍尔传感器的集成电路(IC)芯片。因此，即使电阻部分202被加热，霍尔传感器中电流的测量精度也不会改变。
外部电子设备或电源可以通过连接孔201a和201b连接到母线200。例如，电池可以通过第一连接孔201a利用固定到母线200的螺栓连接到母线200。外部负载(例如，电机或发电机)可以通过第二连接孔201b利用固定到母线200的螺栓连接到母线200。
当一个霍尔传感器设置在电流感测装置中时，传感器孔201c或201d可以仅设置在两个低电阻金属部分201之一中。当需要两个霍尔传感器时，传感器孔201c和201d分别设置在每个低电阻金属部分201上。传感器孔201c和201d设置在金属部分201上距离电阻部分202预定距离处。霍尔传感器***到传感器孔201c和201d中的至少一个中。传感器孔201c和201d的尺寸被设定为适当的尺寸，使得与霍尔传感器之间存在间隙。
该电流感测装置包括设置在母线200下方的印刷电路板(下文称为“PCB”，100)，配置成将母线200固定到PCB100的多个固定引脚20a至20d，以及部分***母线200的传感器孔201c和201d中的至少一个或多个霍尔传感器模块10a和10b。
母线200和PCB100平行布置并且彼此相交。母线200的纵向和PCB100的纵向可以彼此垂直相交。在母线200和PCB100相交的重叠区域，固定引脚20a至20d以及至少一个霍尔传感器模块10a和10b竖直地竖立在PCB100上。
固定引脚20a至20d可以包括至少一对固定引脚，所述至少一对固定引脚布置有***其间的母线200的电阻部分202。固定引脚20a至20d可以由具有低电阻的金属(例如，(Cu))制成，或者实现为镀银的铜引脚。
当只需要母线200的一个分流电流值时，一对固定引脚是足够的，但是两对固定引脚是优选的，以便母线200可以稳定地固定到PCB100。两对固定引脚能够测量流经母线的两侧的分流电流。例如，第一对固定引脚20a和20b可以提供流经母线200一侧的分流电流路径，第二对固定引脚20c和20d可以提供流经母线200另一侧的分流电流路径。
第一对固定引脚20a和20b之间的间距可以设定为不同于第二对固定引脚20c和20d之间的间距。在这种情况下，容易组装母线200和PCB100，而不会混淆方向。
固定引脚20a至20d的上端可以弯曲成直角，并通过焊接或锡焊固定到母线的低电阻金属部分201。固定引脚20a至20d在下端具有较小的宽度。固定引脚20a至20d中的每一个都***到形成在PCB100中的孔中。因此，固定引脚20a至20d可以装配到PCB100以固定到其上，并且可以垂直地立在PCB100上以从下方支撑母线200。
每个霍尔传感器模块10a和10b包括传感器基板11、安装在传感器基板11上的霍尔传感器芯片12以及一个或多个电容器13。霍尔传感器芯片12可以安装在传感器基板11的上端，电容器13可以安装在传感器基板11的中部。霍尔传感器芯片12设置在母线200的传感器孔201c或201d中，并且放大母线200上的磁场中的霍尔电压。电容器13从霍尔传感器芯片120的输出信号中去除高频噪声。
传感器基板11的下端包括从中间部分彼此分开的多个引脚。传感器基板11的下引脚***PCB100的孔中。因此，每个霍尔传感器模块10a和10b装配到PCB100上以固定到PCB100上，并且垂直地立在PCB100上。安装在每个霍尔传感器模块10a和10b的上端的霍尔传感器芯片12的至少一部分设置在母线200的传感器孔201c和201d中。
电路元件(诸如ADC、通信模块、变压器、温度传感器等)和连接器30安装在PCB100上。PCB100包括以预设布局电连接电路元件、固定引脚20a至20d、霍尔传感器模块10a和10b以及连接器30的导线。
温度传感器可以实现为双金属、热电偶、热敏电阻、电阻温度传感器或使用PN结的半导体温度传感器中的至少一种。
PCB100包括多个第一孔101a至101d以及一个或多个第二孔102a和102b，固定引脚20a至20d的下端***多个第一孔101a至101d中，霍尔传感器模块10a和10b的下端***一个或多个第二孔102a和102b中。
图5至图7所示的电流感测装置的电路可以安装在PCB100上。在图3中，第一电路元件111可以是包括ADC的IC，该ADC被配置成将分流传感器和霍尔传感器的模拟输出信号转换成数字信号。第二电路元件112可以是包括有线/无线通信模块的IC。通信模块可以通过连接器30向外部电子设备发送(Tx)ADC的输出信号，即数字形式的传感器输出信号，并从外部电子设备接收(Rx)信号。第三电路元件113可以是包括变压器的IC，该变压器被配置为向分流传感器的放大器提供外部电源。
连接器30安装在印刷电路板100上。外部电源通过连接器30提供给PCB，并且从PCB输出的分流传感器和霍尔传感器的数字输出信号通过有线/无线通信链路输出到外部控制器。此外，PCB100可以通过连接器30接收来自外部控制器的信号。
PCB100可以包括具有抗过电压和过电流能力的隔离元件，以在测量电池高侧的电流时保护电路元件免受过电压和过电流的影响。隔离元件可以包括变压器、隔离放大器、隔离器等。
外部控制器可以是电池管理***(BMS)，但不限于此。BMS可以请求PCB100进行电流感测。BMS可以通过基于从PCB100接收的分流传感器的输出信号、霍尔传感器的输出信号和温度信号的输出信号来确定电池单元的电流，来控制电池单元的电压平衡并防止电池单元过载。
通过在分流传感器的输出信号和霍尔传感器的输出信号之间选择更准确的电流值，BMS可以准确地确定电池单元中流动的电流。例如，由于电阻部分202中产生的热量，分流传感器在高电流下可能具有较低的测量电流值的精度。BMS可以基于温度传感器的输出信号来确定分流传感器的温度。当分流传感器的电阻温度上升到预设阈值以上时，BMS可以忽略分流传感器的测量电流值，并选择霍尔传感器的测量电流值，从而保持测量电流值的准确性。
本发明的电流感测装置可以利用具有分流传感器和霍尔传感器的双重感测结构来测量流经母线200的电流。电流感测装置可以测量通过母线200连接到电池的高侧和低侧中的至少一个的母线200上流动的电流。此外，电流感测装置可以用抗噪声的差分信号测量电流，并将测量的电流值作为数字信号提供给外部控制器。
图5至图7为示出根据本发明的各种实施例的电流感测装置的电路图。
参考图5，电流感测装置包括隔离放大器51、第一变压器52、温度传感器53、IC50以及通信模块54。
电流感测装置通过使用分流传感器和霍尔传感器测量母线200中流动的电流，该分流传感器和霍尔传感器设置在连接到电池BAT的高侧和低侧中的至少一个的母线200上。
隔离放大器51连接到固定引脚20a至20d，放大固定引脚20a至20d的电压，并将放大的电压提供给IC50。隔离放大器51在输入侧和输出侧之间具有隔离势垒。隔离放大器51的输入端连接到固定引脚20a至20d。隔离放大器51的输出端连接到IC50的输入端。隔离放大器51放大母线200中电阻部分202两端的电压，并输出差分信号。
第一变压器52包括施加有DC输入电压Vin的初级侧线圈和连接到隔离放大器51的驱动电压端的次级侧线圈。附图中省略的低压降输出调节器(LDO)可以将外部电源Aux PWR的电压转换成能够驱动隔离放大器51和温度传感器53的直流电压，并将该直流电压施加到第一变压器52的初级侧线圈。第一变压器52的初级侧和次级侧线圈可以具有相同数量的绕组。因此，第一变压器52中的电压电平不变，初级侧电压被感应成次级侧电压。
第一和第二霍尔传感器模块10a和10b中的任何一个都可以用作备用传感器。第一和第二霍尔传感器模块10a和10b放大基于母线200上的磁场测量的霍尔电流，并将放大的霍尔电流输出到IC50的输入端。第一和第二霍尔传感器模块10a和10b中的每一个可以以差分信号的形式输出测量的电流值。
IC50从隔离放大器51、温度传感器53和霍尔传感器模块10a和10b中的每一个接收差分信号。
IC50从隔离放大器51的输出信号(差分信号)测量母线200上流动的分流电流，通过ADC将测量的分流电流值(分流传感器的测量电流值)转换成数字信号，并输出该数字信号。IC50从温度传感器53的输出信号(差分信号)导出测量的温度值，并通过ADC将测量的温度值转换成数字信号。IC50从霍尔传感器模块10a和10b的输出信号(差分信号)测量母线200上流动的电流，并通过ADC将测量的电流值转换成数字信号。作为从IC 50输出的数字信号的分流传感器和霍尔传感器的测量电流值和测量温度值通过有线/无线通信模块54输出。
通信模块54通过标准有线/无线通信接口将IC50输出的数字信号传输至外部控制器。当通信模块54通过有线通信接口输出数据时，通信模块54的输出端通过连接器30连接到外部控制器。当通信模块54通过无线通信接口输出数据时，数据可以作为无线信号传输到外部控制器，而不通过连接器30。通信模块54可以通过有线/无线通信接口将来自外部控制器的信号(例如，电流感测请求信号)传输到IC50。
如图6所示，IC50可以分为第一IC501和第二IC502。第一IC501通过ADC将隔离放大器51的输出信号转换成数字信号，并输出该数字信号。第一IC501可以通过ADC将第一温度传感器531的输出信号转换成数字信号，并输出该数字信号。
第二IC502通过ADC将霍尔传感器模块10a和10b的输出信号转换成数字信号，并输出该数字信号。第二IC502可以通过ADC将第二温度传感器532的输出信号转换成数字信号，并输出该数字信号。
可以省略通信模块54。例如，从IC50、501和502输出的数字信号可以通过图7所示的第二和第三变压器71和72以及连接器30传输到外部控制器。第二变压器71可以连接在第一IC501的输出端和连接器30之间。第三变压器72可以连接在第二IC502的输出端和连接器30之间。
第二和第三变压器71和72中的每一个都包括连接到IC50、501和502的输出端的初级侧线圈和连接到连接器30的次级侧线圈。第二和第三变压器71和72的初级侧和次级侧线圈可以具有相同数量的绕组。因此，第二和第三变压器71和72中的电压电平不变，初级侧电压被感应成次级侧电压。
由于隔离放大器51和变压器52、71和72各自在其输入侧和输出侧之间具有隔离器，因此提供绝缘路径来保护电路元件免受过电流和过电压的影响。PCB100上的地面平面可以被分成两个部分，绝缘路径插在这两个部分之间。
由于在技术问题、技术方案和有益效果中描述的本公开的内容并未指定权利要求的必要特征，因此权利要求的范围不限于在本公开的内容中描述的事项。
尽管上文已参照附图详细描述了本发明的实施例，但本发明不限于这些实施例，在不脱离本发明的技术构思的情况下，可进行各种变化和修改。因此，本文公开的实施例被认为是描述性的，而不是对本发明的技术构思的限制，并且本发明的技术构思的范围不受实施例的限制。因此，应该理解，上述实施例在所有方面都是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围应该由所附权利要求来解释，并且在它们的等价物的范围内的所有技术构思应该被解释为包括在本发明的范围内。
工业适用性
本发明可以应用于使用电流传感器的各种工业领域中的装置，以提高电流的测量精度。根据本发明，当结合分流传感器和霍尔传感器时，可以提高电流的测量精度，而不需要单独的金属屏蔽罩。
根据本发明，可以高精度地测量施加高电压(400至800V)的电池的高侧电流。根据本发明，即使在恶劣的环境中，也可以测量连接到电池的高侧和/或低侧中的至少一个的母线上流动的电流。
根据本发明，可以用抗噪声的差分信号测量电流，并将测量的电流值作为数字信号提供给外部控制器。
根据本发明，一个或多个分流传感器和一个或多个霍尔传感器中的至少一个可以用作备用传感器，从而提高电流传感器的稳定性。

Claims (10)

1.一种电流感测装置，包括：
母线，包括彼此分离的多个低电阻金属部分，电阻部分位于所述多个低电阻金属部分之间；
印刷电路板，布置在所述母线下方；
多个固定引脚，连接到所述母线的所述金属部分，以将所述母线固定在所述印刷电路板上，并在所述金属部分和所述印刷电路板之间提供电流路径；以及
至少一个霍尔传感器模块，其中至少一个所述低电阻金属部分包括传感器孔，并且所述霍尔传感器模块的一部分***到所述传感器孔中。
2.根据权利要求1所述的电流感测装置，其中，在所述母线和所述印刷电路板平行布置并且彼此相交的重叠区域，所述固定引脚和所述霍尔传感器垂直地立在所述印刷电路板上。
3.根据权利要求2所述的电流感测装置，其中，所述印刷电路板包括多个第一孔以及一个或更多个第二孔，所述固定引脚的下端***到所述多个第一孔，所述霍尔传感器模块的下端***到所述一个或更多个第二孔。
4.根据权利要求3所述的电流感测装置，其中，所述印刷电路板还包括连接器，并且通过所述连接器，外部电源被提供给所述印刷电路板，并且从所述印刷电路板输出的数字信号被传输到外部控制器。
5.根据权利要求3所述的电流感测装置，其中，所述印刷电路板包括：
隔离放大器，连接到所述固定引脚；
第一变压器，被配置为向所述隔离放大器提供外部电源；
温度传感器；以及
集成电路，被配置为将所述隔离放大器、所述霍尔传感器模块以及所述温度传感器中的每一个的模拟输出信号转换为数字信号，并输出该数字信号。
6.根据权利要求5所述的电流感测装置，其中，所述印刷电路板还包括通信模块，所述通信模块被配置为通过有线/无线通信接口将从所述集成电路输出的数字信号传输到外部控制器，并且通过所述有线/无线通信接口将从所述外部控制器接收的信号传输到所述集成电路。
7.根据权利要求5所述的电流感测装置，其中，所述集成电路包括：
第一集成电路，被配置为将所述隔离放大器的输出信号转换为数字信号，并输出该数字信号；以及第二集成电路，被配置为将所述霍尔传感器模块的输出信号转换为数字信号并输出该数字信号。
8.根据权利要求5或7所述的电流感测装置，其中，所述印刷电路板还包括连接在所述集成电路和所述连接器之间的变压器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电流感测装置，其中，所述母线连接至电池的高侧和低侧中的至少一个。
10.根据权利要求4所述的电流感测装置，其中，所述外部控制器包括电池管理***。
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