전류 센서

전류 센서{CURRENT SENSOR}

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 전류 센서에 관한 것이다.

전류 측정들은 오늘날 자동차들에서의 많은 지점들에서 수행된다. 이들 전류 측정들은 예를 들어 제어 루프들에서 통합되고, 제한 값들을 모니터링하기 위해 이용되거나 배터리의 방전 전류 또는 충전 전류를 측정하기 위해 이용된다. 후자의 이용 분야에서, 그 중에서도 배터리의 충전 상태가 결정된다. 또한, 배터리의 상태에 관한 결론들은 배터리의 내부 저항을 모니터링함으로써 도출된다. 이들은 배터리의 연령 및 용량을 포함한다.

재생가능 에너지들을 이용한 새로운 드라이브 (drive) 개념들에 대한 탐색 때문에, 수많은 개발자들은 전기 및 하이브리드 드라이브들에 집중하였다. 배터리의 충전 상태 및 전체 상태의 검출은 여기서 더욱 중요하게 되었다. 이 경우, 배터리의 전류 및 전압이 측정되어야만 한다. 배터리 전압들은 이 경우에 1000V 까지이고, 방전 전류들은 600A 까지이다. 측정될 전류들의 동적 범위는 예를 들어 10mA 에서 1000A 까지, 즉, 1*10 ^{- 5} 의 팩터 (factor) 로 확장된다. 정확도는 종종 각각의 측정된 값에 기초하여 < 1% 미만이어야 한다. 과도하게 높은 전력 손실이 발생되지 않도록 하기 위해, 션트 (shunt) 저항기의 값은 최대 100μΩ 으로 제한된다.

회로 내로 연결된 (션트된) 비-리액티브 저항기에 걸친 전압을 측정하는 것에 의한 전류 측정이 가장 광범위한 것이다. 하지만, 이 경우에, 요구되는 정확도로 요구되는 동적 범위를 커버하는 것이 종종 어렵다. 예를 들어, 10mA 의 전류에 있어서, 1μV 의 전압이 100μΩ 저항기에 걸쳐 강하되고, 1% 까지 정확하게 측정되어야 한다. 1000A 의 전류에 있어서, 100mV 의 전압이 강하되고 마찬가지로 매우 정확한 방식으로 측정되어야 한다. 높은 분해능, 정확한 A/D 변환기들이 이 목적을 위해 요구되고, 이는 비교적 비싸다.

본 발명은, 특히 비교적 큰 측정 범위의 경우에 또는 측정될 전류의 비교적 큰 동적 범위의 경우에, 비교적 비용 효율적인 방식으로 이용될 수 있는 전류 센서를 제안하는 목적에 기초한 것이다.

이 목적은 청구항 제 1 항에 따른 전류 센서에 의해, 본 발명에 따라 달성된다.

본 발명의 하나의 이점은, 특히, 다양한 전류 검출 엘리먼트들 (elements), 예를 들어, 비-리액티브 (non-reactive) 저항기들 또는 션트들 (shunts), 또는 홀 센서 (Hall sensor) 엘리먼트들 또는 AMR 엘리먼트들과 같은 자기장 센서 엘리먼트들이 전류 센서에 이용될 수 있다.

전류 검출 엘리먼트에 의해 검출되는 부하 전류가, 아날로그/디지털 변환기에 의해 측정되는 저항 엘리먼트 양단에 걸친 전압 및 전기적 측정 신호에 기초한 저항 엘리먼트를 통해 흐르는 전류에 의해 측정되는 방식으로 전류 센서가 설계되는 것이 바람직하다.

전류 검출 엘리먼트에 의해 제공되는 전기적 측정 신호는, 검출되고 측정되도록 의도되는 전기적 도체를 통과하는 부하 전류에 실질적으로 비례하는 것이 바람직하다.

신호 처리 유닛은 바람직하게는, 적어도 정의된 측정 범위 내에서, 정의된 기준 전압 값으로 저항 엘리먼트에 걸친 전압을 조정하는데 이용되는 적어도 하나의 제어 루프를 포함한다. 이 경우에, 정의된 기준 전압 값은 특히 바람직하게는 적어도 1mV 이다.

신호 처리 유닛은, 입력 측의 전기적 측정 신호를 증폭하고 저항 엘리먼트를 통해 흐르는 출력 전류를 제공하는 증폭기 (amplifier) 를 포함하는 것이 편리하다.

신호 처리 유닛은, 부하 전류의 순시 값 (instantaneous value) 에 기초한 전류 측정의 백분율 분해능이, 전류 검출 엘리먼트를 통해 검출될 전류에 기초한 전류 센서의 정의된 측정 범위에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지하도록 하는 방식으로 설계되는 것이 바람직하다.

전류 검출 엘리먼트는 바람직하게는 션트의 형태이고, 신호 처리 유닛의 저항 엘리먼트는 특히 전력 저항 엘리먼트 (power resistance element) 로서 설계되지 않는다.

대안적으로, 전류 검출 엘리먼트는 바람직하게는 자기장 센서 엘리먼트의 형태이고, 신호 처리 유닛의 저항 엘리먼트는 특히 전력 저항 엘리먼트로서 설계되지 않는다.

전력 저항 엘리먼트는 바람직하게는, 예를 들어 1A 초과의 특히 10A 초과의 전류 강도들을 위해 설계된, 트랜지스터와 같은 반도체 컴포넌트 또는 저항 엘리먼트와 같은 전자 컴포넌트를 의미하는 것으로서 이해된다.

신호 처리 유닛의 저항 엘리먼트는 이에 따라 일 방편으로, 1A 특히 10A 까지의 또는 최대 1A 특히 10A 또는 그 미만의 전류들에 대해 설계된 컴포넌트들만을 포함하도록 하는 방식으로 설계된다.

저항 엘리먼트를 통과하는 전류를 검출하기 위한 전압은 저항 엘리먼트의 트랜지스터 엘리먼트에 걸친 베이스-이미터 전압 또는 게이트-소스 전압으로서 검출되는 것이 바람직하다.

저항 엘리먼트에 걸친 제어된 기준 전압과 함께, 이 저항 엘리먼트의 저항 값은, 이 저항 엘리먼트를 통과하는 전류의 값에 의해서 실질적으로 1 에 종속하거나 이 저항 엘리먼트를 통과하는 전류의 값의 근 (root) 에 의해서 실질적으로 1 에 종속하는 것이 편리하다.

전류 센서는, 도체를 통과하는 부하 전류의 피크 (peak) 값이 신호 처리 유닛의 저항 엘리먼트를 통과하는 전류의 피크 값보다 적어도 100 의 팩터만큼, 특히 적어도 1000 의 팩터만큼 더 크도록 하는 방식으로 설계되는 것이 바람직하다. 신호 처리 유닛은 따라서 일 방편으로, 적어도 그것의 저항 엘리먼트가 변환기 (transformer) 로서 동작하고 측정 신호의 동적 범위 또는 그 동적 범위의 간격의 제한들을 예를 들어 1000 의 팩터만큼 상당히 감소시키도록 하는 방식으로 설계된다.

본 발명은 바람직하게는, 저항 엘리먼트에 의해 자기 발열이 낮고 실질적으로 외부 온도 영향들이 전류 센서에 대해 결정적이라는 이점을 갖는다.

신호 처리 유닛의 저항 엘리먼트는 2 이상의 부분적 저항 엘리먼트들을 포함하는 것이 바람직하고, 이 2 이상의 부분적 저항 엘리먼트들은 병렬로 연결되고, 특히, 실질적으로 측정 범위를 확장하기 위해 연결되고 및/또는 연결해제될 수 있다. 저항 엘리먼트는 특히, 적어도 정의된 측정 범위 내에서, 정의된 기준 전압 값으로 부분적 저항 엘리먼트에 걸친 전압을 조정하는데 각각 이용되는 제 1 제어 루프 및 제 2 제어 루프를 바람직하게 포함하고, 측정될 전류는 제 1 정의된 방향으로 제 1 제어 루프의 부분적 저항 엘리먼트를 통해 흐를 수 있고, 측정될 전류는 제 1 방향과는 반대인 제 2 방향으로 제 2 제어 루프의 부분적 저항 엘리먼트를 통해 흐를 수 있으며, 측정될 전류는 그 전류의 방향에 따라, 제 1 제어 루프 또는 제 2 제어 루프를 이용하여 검출 및 측정된다.

제 1 및 제 2 제어 루프들의 부분적 저항 엘리먼트들은 서로 상보적인 2 개의 전계 효과 트랜지스터들의 형태이고, 및/또는, 제 1 및 제 2 제어 루프들의 부분적 저항 엘리먼트들은 병렬로 연결되고 하나의 부분적 저항 엘리먼트의 드레인 연결 또는 컬렉터 연결은 여기서의 다른 부분적 저항 엘리먼트의 소스 연결 또는 이미터 연결에 특히 반대로 (alternately) 각각 연결된다.

편의상, 적어도 하나의 부분적 저항 엘리먼트는 아날로그/디지털 변환기에 연결된 적어도 하나의 SenseFET 를 할당받고, 저항 엘리먼트를 통과하는 전류는 SenseFET 를 이용하여 결정된다.

정의된 기준 전압은 측정 범위를 확장하기 위해 조정가능하도록 되는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 특히 전기 또는 하이브리드 차량에서 전기 에너지 저장부의 방전 및/또는 충전 전류를 측정하기 위해, 자동차들에서 전류 센서를 이용하는 것에 관한 것이다.

추가적으로 바람직한 실시형태들은 예시적인 개략적 도시의 도면들을 이용한 예시적인 실시형태들의 이하의 설명들 및 종속항들로부터 나타난다.
도 1 은 전기 또는 하이브리드 차량에서 전기적 에너지 저장부의 방전 및/또는 충전 전류를 측정하기 위해 전류 센서가 이용되는 예시적인 실시형태를 나타낸다.
도 2 는 신호 처리 회로의 저항 엘리먼트를 갖는 예시적인 전류 센서를 나타내고, 이 저항 엘리먼트는 각 경우의 제어 루프를 이용하여 정의된 기준 전압 값으로 전압을 조정하는데 이용되는 2 개의 부분적 저항 엘리먼트들을 포함한다.

도 1 은 전기 에너지 저장부 또는 배터리 (8) 의 방전 및 충전 전류 i _meas 를 측정하기 위해 이용되는 전류 센서의 예시적인 실시형태를 나타낸다. 예를 들어 션트 형태의 전류 검출 엘리먼트 (1) 는 배터리 (8) 를 연결하는데 이용되는 전기적 도체를 통과하는 부하 전류를 검출하고, 그 부하 전류에 기초하여, 예를 들어 적어도 하나의 저항 엘리먼트를 포함하는 비-선형 변환기를 갖는 신호 처리 유닛 (2, 3) 에 공급되는 전기적 측정 신호를 제공한다. 신호 처리 유닛 (2, 3) 에 의해 변환된 측정 신호 또는 조정된 측정 신호는 측정을 수행하는 아날로그/디지털 변환기 (4) 에 공급된다.

도 2 는 예를 들어 션트 형태의 전류 검출 엘리먼트 (1) 를 포함하는 예시적인 전류 센서를 나타내고, 이 전류 검출 엘리먼트 (1) 를 통해 검출될 측정 전류 i _load 가 흐르고, 그 전류 검출 엘리먼트 (1) 양단에 걸쳐 전압이 전기적 측정 신호로서 트랩 (trap) 되어 나온다. 이 전압은 신호 처리 유닛 (2) 의 증폭기 (5) 에 인가된다. 입력-측 전압에 기초하여, 예를 들어 전압 증폭기 형태의 증폭기 (5) 는, 보조 저항기 (R) 와 함께, 전류 신호를 출력부에서 생성하며, 이 전류 신호는 저항 엘리먼트 (3) 에 공급되고 측정 전류 i _meas 로서 저항 엘리먼트 (3) 를 통해 흐른다. 이 경우에, 저항 엘리먼트 (3) 는 제 1 제어 루프 및 제 2 제어 루프를 포함하고, 제 1 제어 루프는 좌측 부분적 (partial) 저항 엘리먼트 (6), 좌측 증폭기, 및 기준 전압 소스로부터 후자의 좌측 증폭기와 연관되는 기준 전압 값 명세 (-Ref) 를 포함하고, 제 2 제어 루프는 우측 부분적 저항 엘리먼트 (7), 우측 증폭기, 및 대응하는 기준 전압 값 명세 (+Ref) 를 포함한다. 측정될 전류는 2 개의 제어 루프들의 2 개의 부분적 저항 엘리먼트들 (6, 7) 을 통해 흐르고, 전류 i _meas 는 방전 동안 제 1 제어 루프의 부분적 저항 엘리먼트를 통해 흐르고 충전 동안 제 2 제어 루프의 부분적 저항 엘리먼트를 통해 흐르며, 다시 말해, 측정 전류 i _meas 는 반대 방향의 흐름을 갖는다. 제 1 및 제 2 제어 루프들의 부분적 저항 엘리먼트들 (6, 7) 은 예를 들어 서로 상보적인 2 개의 MOS 전계 효과 트랜지스터들의 형태이고 병렬로 연결되며, 하나의 부분적 저항 엘리먼트의 드레인 연결은 각각 다른 부분적 저항 엘리먼트의 소스 연결에 반대로 연결된다. 이 경우에, 2 개의 MOSFET 들의 드레인-소스 전압은 정의된 기준 전압 값으로 조정되며, 그 결과로서 실질적으로 1 에 종속하는 2 개의 부분적 저항 엘리먼트들의 저항 값은 저항 엘리먼트 (3) 를 통과하는 전류 i _meas 의 값에 의해 특징지어지고, 저항 값은 따라서, 증가하는 측정 전류 i _meas 와 함께 감소하고 저항 엘리먼트 (3) 의 저항 값은 감소하는 전류와 함께 증가한다. 전류를 측정하기 위해, 대응하는 부분적 저항 엘리먼트의 게이트-소스 전압이 이 경우에 검출되고, 그 전압은 제 1 및 제 2 제어 루프들의 조작된 변수이고 아날로그/디지털 변환기 (4) 에 공급된다. 제어될 드레인-소스 전압은 예를 들어 수 mV 로 각 경우의 기생 다이오드들의 순방향 전압 훨씬 아래에 있다.