KR101795834B1 - 배터리 전류 센서 - Google Patents

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아르노드 라베
제라드 르핀느
에릭 포세트
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렘 인텔렉튜얼 프라퍼티 에스.에이.
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Abstract

배터리 전류 센서는 배터리 포스트 연결 클램프부(2)와 전류 감지부(16)를 포함하되, 배터리 포스트 연결 클램프부는 배터리(5)의 터미널 포스트(3) 주변에 클램프되도록 구성된 튜브형 클램핑 몸체를 포함하며, 전류 감지부는 자기 회로(16)와 자기장 센서(18)를 포함한다. 자기 회로는 튜브형 클램핑 몸체(6)를 둘러싼 자기 코어를 포함한다.

Description

배터리 전류 센서{Battery current sensor}
본 발명은 배터리용 특히 양극 리드와 음극 리드로의 각각의 연결을 위한 포스트를 갖는 납산 배터리용 전류 센서에 관한 것이다.
납산 (lead-acid type) 배터리는 현재 차량 및 대기 전력 분야는 물론 다른 분야에 사용되고 있다. 이러한 배터리는 양극 및 음극 연결을 위한 표준화된 연결 포스트를 갖고 있으며, 포스트는 작은 원뿔 각도를 갖는 원뿔대 형상을 갖고 있다. 또한 보완적인 연결부는 일반적으로 플랜지를 갖는 튜브형 연결 클램프를 포함하며, 여기서 플랜지는 볼트에 의하여 서로 압박되어 연결 포스트 상에서 튜브형 몸체를 조여준다. 전원 연결을 위한 도전 케이블은 일반적으로 튜브형 연결 클램프에 용접, 남땜, 클램핑(clamp) 또는 크림핑(crimp)된다.
배터리 내를 흐르는 또는 배터리 밖으로 흐르는 전류를 측정하기 위하여 도전 케이블 둘레에 또는 케이블과 연결 클램프 간의 연결 영역 내에 전류 센서를 제공하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 내연 기관이 가동할 때, 납산 배터리는 수 밀리-암페어에서 수백 암페어 심지어 천 또는 그 이상의 암페어까지의 매우 넓은 가동 범위에 걸쳐 전류를 공급할 수 있다. 따라서 이러한 배터리를 위한 전류 센서는 강력할 필요가 있으며 손상 없이 매우 높은 피크 전류를 지지할 수 있도록 충분하게 큰 규격을 갖는다. 또한, 이러한 큰 전류를 측정할 수 있는 것이 바람직하다.
배터리 포스트 연결 리드를 위한 기존의 전류 센서는 부피가 크고 고가이며 또한 연결 리드 주변에서의 장착을 고려하면 예를 들어 장착 또는 유지 동안에 손상 받기 쉽다. 이러한 센서는 또한 진동, 충격 및 차량의 엔진실 내에서 발견될 수 있는 영하 40℃에서 125℃까지의 넓은 범위의 가동 온도와 같은 가혹한 가동 조건을 겪게 된다.
본 발명의 목적은 터미널 연결 포스트를 갖는 배터리, 예를 들어 차량 또는 예비 제품에서 사용되는, 강력하고, 신뢰성 있고 콤팩트하고 넓은 온도 범위, 고온 및/또는 진동과 쇼크와 같은 가혹한 가동 조건을 견딜 수 있는 납산 배터리를 위한 전류 센서를 제공하는 것이다.
수 밀리 암페어에서 수백 암페어 심지어 천 또는 그 이상의 암페어까지의 매우 넓은 범위에 걸쳐 전류를 측정할 수 있고 콤팩트하고 제조하기에 경제적인 전류 센서를 제공하는 것이 유리하다.
장착, 사용 또는 유지 동안에 손상에 적게 노출되는 배터리 포스트로의 연결을 위한 전류 센서를 제공하는 것이 유리하다.
본 발명의 목적은 청구항 1항에 따른 배터리 포스트 전류 센서를 제공함으로써 달성된다.
본 명세서에서 개시된 배터리 전류 센서는 배터리의 터미널 포스트 주변에서 클램프되도록 구성된 분열된 튜브형 클램핑 몸체를 포함하는 배터리 포스트 연결 클램프부 및 자기 회로와 자기장 센서를 포함한 전류 감지부를 포함한다. 자기 회로는 튜브형 클램핌 몸체를 둘러싼 자기 코어를 포함한다. 배터리 포스트 연결 클램프부는 튜브형 클램핑 몸체의 자유 종단들에서 연장되고 배터리 터미널 포스트 상에서 튜브형 클램핑 몸체를 조이기 위하여 함께 바이어스되도록 구성된 플랜지들을 포함하며, 이 플랜지는 튜브형 클램핑 몸체의 높이(H1)보다 작은 높이(H2)를 갖는다. 자기 회로는 플랜지에 인접한 튜브형 클램핌 몸체의 일부를 둘러싼 자기 코어를 포함한다.
유리하게는, 연결 포스트를 둘러싼 넓은 직경의 자기 회로가 큰 전류를 신뢰성있게 측정할 수 있다는 것을 고려하여 특별하게 콤팩트하고 편평(low profile)하며 연결 클램프 내에 통합된 센서가 제공된다. 배터리 연결 포스트 주변에서의 자기 회로와 자기장 센서의 통합은 특별하게 콤팩트한 장치(arrangement)를 제공하고 조립, 사용 또는 유지 동안 외부 물체로의 센서의 노출을 감소시키며, 연결 클램프 자체에 의하여 센서는 부분적으로 보호를 받는다. 또한, 자기 회로가 배터리 포스트를 둘러쌈에 따라 센서는 어떠한 누설 구멍(leakage) 또는 이차 도전체를 포함하는 배터리 내를 흐르는 그리고 배터리 밖으로 흐르는 전체 전류를 정확하게 측정한다. 여기서, 누설 구멍 또는 이차 도전체는 연결 클램프 또는 도전 리드에 연결될 수 있거나, 꺼내어 질 수 있다. 일반적인 센서에서, 센서가 주 도전 리드 상에 또는 그 주변에 배치되어 있기 때문에 단락 회로 또는 배터리 터미널 포스트에 연결된 이차 도전체는 감지될 수 없다.
본 발명의 다른 이점은 감지 기능부가 주요 도체와 평행하게 구성되고 배터리 리드와 배터리 터미널 사이에 연결을 삽입하지 않는다는 것이다. 주요 도체 라인의 차단은 다른 고장 위험을 초래하며 배터리 연결에 케이블을 보다 복잡하게 제공한다.
온도 센서는 또한 전류 센서 내에 직접적으로 통합될 수 있다. 온도 센서가 배터리 포스트 터미널 상에 끼워진 연결 클램프 상에 장착되기 때문에, 콤팩트하고 비용 효과적인 구성의 배터리의 정확한 온도 측정이 제공된다.
유리하게는, 플랜지는 튜브형 클램핑 몸체의 상단에 위치할 수 있으며, 자기 회로는 클램핑 몸체의 하단을 향하여 플랜지 아래에 위치할 수 있다.
자기 회로는 유리하게는 전류 센서 내에 위치할 수 있어 전류 센서가 배터리 포스트 상에 위치할 때, 자기 회로는 배터리의 상부 외부 표면에 가장 가깝게 그리고 인접하게 된다.
유리하게는 센서는 자기 회로, 자기장 센서 그리고 튜브형 클램핑부의 적어도 일 부분을 둘러싸는 절연 및 보호 하우징을 포함한다. 센서는 전류 센서 하우징과 일체로 형성되고 외부 회로의 컨넥터로의 연결을 위하여 구성된 하우징부를 갖는 컨넥터를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 자기 회로는 에어 갭 및 에어 갭 내에 위치한 자기장 센서를 갖는 자기 코어를 포함한다. 자기 회로와 자기장 감지기는 오픈-루프 전류 센서로서 작동하도록 구성될 수 있다. 자기장 센서는 홀 효과(Hall effect) 감지기와 같은 자기장 감지기가 실장된 회로 기판을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 청구범위, 이하의 본 발명의 실시예의 상세한 설명 그리고 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 배터리 터미널 포스트에 장착된 본 발명에 따른 배터리 전류 센서를 도시한 도면.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전류 센서의 사시도로서, 잘 보이게 하기 위하여 절단된 하우징의 일부를 도시함.
도 2b는 도 2a에 도시된 센서의 다른 사시도로서, 자기 회로 및 자기장 센서를 나타내기 위하여 하우징 부품 및 요소를 제거함.
도 3은 배터리 전류 센서의 사시도로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 센서를 나타내도록 하우징을 제거함.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전류 센서(1)는 배터리 포스트 연결 클램프부(2) 및 전류 감지부(4)를 포함한다. 배터리 포스트 연결 클램프부는 차량, 예비 및 다른 제품에 널리 사용되는 일반적인 납산 배터리(lead-acid type battery)일 수 있는 배터리(5)의 배터리 포스트(3) 주변에 장착 가능하다. 자체가 잘 알려져 있는 배터리 포스트는 경미한 원뿔형 클램핑 표면을 갖고 표준화된 규격을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 다른 종류의 배터리 또는 표준화되지 않은 규격의 원통형 또는 경미한 원뿔형 배터리 터미널 포스트에 적용될 수도 있다.
배터리 포스트 연결 클램프부(2)는 분열된 튜브형 클램핑 몸체(6)를 포함하며, 이 클램핑 몸체는 클램핑 몸체의 자유 종단으부터 외측으로 그리고 반경 방향으로 연장된 플랜지(8)를 갖는다. 플랜지는 플랜지를 관통한 클램핑 볼트(10)을 수용하기 위하여 통로를 가지며, 클램핑 볼트는 플랜지를 서로 가압할 수 있어 배터리 터미널 포스트(3) 둘레에 튜브형 몸체를 클램핑한다. 튜브형 몸체는 축 방향 높이(H1)를 가지며, 이 높이는 플랜지의 축 방향 높이(H2)보다 크다. 바람직한 실시예에서, 배터리 포스트 상에서의 클램핑 몸체의 장착 위치와 관련하여 도시된 바와 같이 플랜지는 튜브형 몸체의 상부 표면(9)으로부터 연장된다. 따라서 이하에서 보다 상세하게 설명될 바와 같이, 플랜지 아래의 특정 공간(H3)은 전류 감지부의 자기 회로가 튜브형 클램핑 몸체 주변에 위치하도록 제공된다. 배터리 포스트 연결 클램프부는 메인 도전성 리드(7)로의 연결을 위한 주 케이블 연결부(12) 및 배터리 포스트로 다른 리드를 연결하기 위한 선택적인 연결부를 더 포함한다. 본 기술 분야에서 알려진 바와 같이 주 케이블 및 보조 케이블을 위한 연결부는 다양한 형상 및 구성을 가질 수 있다.
전류 감지부(4)는 배터리 포스트를 둘러싸는 환형 자기 코어를 갖는 자기 회로(16) 및 자기장 센서(18)를 포함한다. 자기장 센서는 배터리 포스트를 통하여 흐르는 전류에 의하여 생성된 자기장을 감지하며, 그로 인하여 자기 회로의 자기 코어는 자장을 집중시킨다. 바람직한 실시예에서, 자기 코어는 에어 갭(air gap)을 구비하며, 에어 갭 내에서 집중된 자기장을 찾기 위하여 자기장 감지기는 에어 갭 내에 삽입된다. 자기장 센서는 홀 효과 센서(Hall effect sensor) 를 포함할 수 있으며, 이 센서는 예를 들어 회로 기판, 예를 들어 인쇄 회로 기판(26) 상에 실장된 주문형 반도체(application specific integrated circuits; ASIC) 내에 집적된다. 그러나, 다른 자기장 센서가 사용될 수도 있다. 인쇄 회로 기판은 또한 신호 처리 및 공급을 위하여 다른 전기 및 전자 회로를 구비할 수 있다. 위에서 도시되고 설명된 구성에서, 전류 센서는 (개방-루프 전류 센서로 알려진) 개방-루프(open-loop) 방식으로 작용할 수 있으며, 이는 자기 회로 내의 자기장을 상쇄(cancel)시키기 위하여 사용되는 피드-백 신호가 없다는 것을 의미한다.
자기 코어는 비적층 코어 형태 또는 적측된 라미네이트 시트 형태의 연성 자성체로 이루어질 수 있어 본 기술 분야에서 알려진 바와 같이 맴돌이 전류(eddy current)를 감소시킨다.
본 발명의 범위 내에서, 다른 자기장 감지기 및 자기 회로 구성이 사용될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 플럭스 게이트(fluxgate) 또는 자기 저항(magneto-resistive) 감지기와 같은 다른 자기장 감지기가 홀 효과 감지기 대신 사용될 수 있다. 또한, 자기 코어는 폐쇄될 수 있으며, 즉, 에어 갭이 없을 수 있으며, 다. 전류 센서는 폐쇄 루프(closed-loop) 방식으로 작용할 수 있고 또한 자기 회로 주변에 감겨진 보조 코일을 포함할 수 있다. 여기서, 자기 회로는 배터리 포스트를 통하여 흐르는 전류에 의하여 생성된 자기장을 상쇄시키기 위하여 구해진 전류로 구동된다.
(도 1과 함께) 도 3을 참고하면, 자기장 감지기의 다른 실시예의 예가 도시되어 있다. 도 3의 자기장 감지기는 자기 회로를 포함하는 플럭스 게이트형 감지기 로서, 배터리 포스트를 둘러싸는 환형 기포화(saturable) 자기 코어(16')를 갖는다. 기포화 자기 코어(16')는 절연 지지체(29) 주변에 감겨진 비정질 자성체 리본 또는 스트립으로 제조될 수 있다. 코일(28)은 자기 코일과 절연 지지체 둘레에 감겨져 있으며, (도 1에 도시된 바와 같이 컨넥터부(22)를 통하여) 신호 처리 회로에 연결되도록 구성된다. 여기서, 신호 처리 회로는 교차 여기 전류(alternating excitation current)를 생성하고 배터리 터미널을 통하여 흐르는 일차 전류의 이미지인 결과 신호 바이어스를 판독한다. 이러한 종류의 플럭스게이트 센서의 작동 원리는 그 자체가 공지되어 있다. 다른 플럭스게이트 구성 또한 예를 들어 별도의 여기 및 보상 코일과 함께 본 발명에서 사용될 수 있다.
낮은 가격과 간단하고 신뢰성있는 작동뿐만 아니라 큰 전류를 측정하는 능력을 고려하여 유리한 실시예는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 개방 루프 구성이다.
전류 감지부(4)는 자기 회로 및 자기장 센서에 대한 절연과 보호를 제공하는 하우징(20) 및 외부 회로로의 전류 센서의 연결을 위하여 하우징(20) 내에 일체로 형성된 하우징부를 갖는 컨넥터(2)를 더 포함한다. 하우징(20)은 배터리 포스트 연결 클램프부(2)의 주변에 형성되고 배터리 포스트 연결 클램프부(2)에 고정된다. 자기 회로(16)는 유리하게는 플랜지(8) 아래에 위치하고 튜브형 몸체(6)의 하부를 둘러싸며, 따라서 유용하게 콤팩트하고 잘 보호된 전류 감지부를 형성한다. 클램핑 볼트 하부에서 배터리(5)의 표면에 대하여 또는 배터리의 표면 바로 옆에 위치시키기 위하여 전류 감지부가 플랜지(8)와 클램핑 볼트(10) 아래에 배치됨에 따라 전류 감지부의 보호는 또한 향상된다. 배터리 전류 센서는 바람직하게는 배터리 터미널 웰(15)의 높이(H4)보다 작거나 동일한 전체 높이를 가지며, 따라서 센서는 배터리의 최상단 표면 위에서 돌출되지 않는다.
또한, 자기 회로가 배터리 포스트를 둘러쌈에 따라 전류가 주 케이블을 통하여 흐르지 않는 위치에서 누설 구멍(leaks), 단락 회로 또는 배터리 포스트에 연결된 이차 라인 여부에 관계 없이 배터리 내를 흐르는 또는 배터리 밖을 흐르는 모든 전류는 측정된다.
전류 감지부는 또한 하우징(20) 내에 수용되고 자기장 센서의 회로 기판(26) 또는 별도의 회로에 연결되고 (외부 컨넥터(11)에 접속할 수 있는) 컨넥터(22)를 통하여 외부 회로에 전류 센서와 함께 연결될 수 있는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 전류 감지부 내에 온도 센서를 포함하는 것은 배터리 포스트로의 매우 밀접한 연결을 통한 배터리 온도의 정확한 측정을 허용함에도 불구하고 특별하게 콤팩트한 그리고 잘 보호된 장치를 제공한다. 예를 들어, 온도 센서는 연결 클램핑부(2)의 튜브형 몸체(6)의 외부 표면에 대하여 장착된 또는 이 외부 표면에 고정된 (도시되지 않은) 열전대(thremcouple)를 포함할 수 있다.
절연 수지가 하우징(20) 내부로 주입되어 하우징 내의 자유 공간을 채우고 하우징 내에 자기 회로, 자기장 감지기 및 다른 요소를 고정할 수 있다.
자기 회로의 자기 코어가 배터리 포스트 둘레에 클램프된 튜브형 클램핑 몸체를 둘러쌈에 따라, 자기 회로는 비교적 큰, 클램프에 연결된 케이블 또는 리드 주변에 일반적으로 제공된 것보다 큰 직경을 가지며, 이는 잘 보호된 특별한 콤팩트한 구조에서 전류 감지부가 큰 진폭의 전류를 측정하는 것을 가능하게 한다.

Claims (12)

  1. 배터리(5)의 터미널 포스트(3) 둘레에 클램프되도록 구성된 분열된 튜브형 클램핑 몸체를 포함하는 배터리 포스트 연결 클램프부(2);
    분열된 튜브형 클램핑 몸체의 자유 종단으부터 연장되고, 배터리 터미널 포스트 상에서 튜브형 클램핑 몸체를 조이기 위하여 서로 바이어스되도록 구성된 플랜지(8);
    자기 회로를 포함하는 전류 감지부;
    자기 회로 그리고 튜브형 클램핑부의 적어도 일부를 둘러싸는 절연 및 보호 하우징; 및
    하우징 내부로 주입되어 하우징 내의 자유 공간을 채우고 자기 회로를 고정하는 절연 수지를 포함하되,
    플랜지는 튜브형 클램핑 몸체의 높이(H1)보다 작은 높이(H2)를 가지며, 자기 회로는 에어 갭을 갖는 자기 코어(16, 16') 및 에어 갭 내에 위치한 회로 기판을 포함하는 자기장 센서를 포함하되, 자기 코어는 플랜지에 인접한 튜브형 클램핑 몸체(6)의 일부분을 둘러싸고, 회로 기판은 분열된 튜브형 클램핑 몸체의 중심축에 평행하게 배향되는 배터리 전류 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 플랜지는 튜브형 클램핑 몸체의 상단에 위치하며, 자기 회로는 클램핑 몸체의 하단을 향하여 플랜지 아래에 위치하되, 튜브형 클램핑 몸체의 상단은 튜브형 클램핑 몸체의 하단의 내경보다 작은 내경을 갖는 배터리 전류 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 전류 센서가 배터리 포스트 상에 위치할 때 자기 회로가 배터리의 상부 외부 표면에 가장 가깝게 그리고 인접하도록 구성된 전류 센서 내에 자기 회로가 위치하는 배터리 전류 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 전류 센서 하우징과 일체로 형성된 하우징부를 가지며 외부 회로의 컨넥터로의 연결을 위하여 구성된 컨넥터를 더 포함하는 배터리 전류 센서.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 하우징 내에 장착된 온도 센서를 더 포함하는 배터리 전류 센서.
  6. 제 1 항에 있어서, 전류 센서는 납산 차량 배터리의 터미널 포스트 웰(well) 내에 끼워지도록 구성된 전체 높이 및 크기를 갖는 배터리 전류 센서.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 자기 회로 및 자기장 센서는 오픈-루프 전류 센서로서 작동하도록 구성된 배터리 전류 센서.
  9. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서, 자기장 센서는 자기장 감지기가 장착된 회로 기판을 포함하는 배터리 전류 센서.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
KR1020137009353A 2010-09-28 2011-09-23 배터리 전류 센서 KR101795834B1 (ko)

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