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公開番号2025160431
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-22
出願番号2025129142,2023151110
出願日2025-08-01,2017-12-04
発明の名称自動車電池電流検知システム
出願人パーデュー・リサーチ・ファウンデーション,PURDUE RESEARCH FOUNDATION
代理人個人,個人,個人
主分類G01R 19/00 20060101AFI20251015BHJP(測定;試験)
要約【課題】高分解能で広範囲にわたってDC電流とAC電流の両方を非侵襲的に測定することができる自動車電池電流検知システムを提供する。
【解決手段】自動車の電池に電気接続された電流が流れる導体110に隣接して設置された少なくとも1つの磁気トンネル接合デバイス102を備える、電流検知システム。磁気トンネル接合デバイス102は、導体110の周りの磁界108を測定するように構成される。モニタリングデバイスは、磁気トンネル接合デバイスに動作可能に接続され、モニタリングデバイスは、磁界測定値を受信し、導体を通って流れる電流の推定値を決定するように構成される。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
自動車の電池に電気接続された電流が流れる導体に隣接して設置された少なくとも１つの磁気トンネル接合デバイスであって、前記導体の周りの磁界を測定するように構成される、少なくとも１つの磁気トンネル接合デバイスと、
前記磁気トンネル接合デバイスに動作可能に接続された少なくとも１つのモニタリングデバイスとを備え、前記モニタリングデバイスは、磁界測定値を受信し、前記磁界測定値に基づいて前記導体を通って流れる電流の推定値（ｅｓｔｉｍａｔｅ）を決定するように構成される、電流検知システム。
続きを表示（約 520 文字）【請求項２】
前記導体上で１８０度離れて取付けられた２つの磁気トンネル接合デバイスを備え、前記モニタリングデバイスは、２つの読取り値の差または和を使用して、外界ノイズを打消す、請求項１に記載の電流検知システム。
【請求項３】
前記２つの磁気トンネル接合デバイスの出力に接続されたスイッチングユニットであって、前記２つの磁気トンネル接合デバイスの周波数より高い周波数まで前記出力をアップコンバートまたはダウンコンバートする、スイッチングユニットを更に備える、請求項２に記載の電流検知システム。
【請求項４】
４つのセンサを備え、２つのセンサが前記導体の各側に取付けられ、各側の前記２つのセンサは互いに直交して取付けられる、請求項１に記載の電流検知システム。
【請求項５】
前記４つのセンサの出力は、外部磁界干渉を打消すために相関される、請求項４に記載の電流検知システム。
【請求項６】
前記モニタリングデバイスに接続された無線送信機ユニットを更に備え、前記送信機ユニットは、測定された電流値を表すデータを自動車モニタリングシステムに送信する、請求項１に記載の電流検知システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
（参照出願に対する相互参照）
[0001]本出願は、２０１６年１２月２日に出願された米国仮特許出願第６２／４２９１８１号に関連し、その優先権の利益を主張し、その内容は、参照によりその全体が本開示に組込まれる。
続きを表示（約 3,100 文字）【０００２】
[0002]本出願は、電流検知システムに関し、より具体的には、非侵襲的（ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅ）な自動車電池電流検知システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]近年、電気自動車（ＥＶ：ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：ｈｙｂｒｉｄ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ）は、多くの需要者が支持する新しい時代に入った。ガソリン駆動式車と比較して、オイルに対する依存が少ない、またより少ない排出量とすることで、それらの自動車を輸送業界の将来のための魅力的な選択肢にした。ＥＶの電力は、充電式リチウムイオン電池の大規模な直列／並列相互接続によって提供される。電池の確実かつ効率的な動作、また早期故障診断を保証するために、自動車内の種々のサブシステムの健全度を予測するための簡略化された解決策を有することが必須である。一方で、並列接続された電池の間の漏洩電流（数ミリアンペア）は非効率なインピーダンス整合を示す可能性があるが、他方で、ワイヤを通る電流の鋭いスパイク（数百アンペア）は即座のユーザー注意を必要とする短絡経路の指標である可能性がある。したがって、高分解能で広範囲にわたってＤＣ電流とＡＣ電流の両方を非侵襲的に測定することができる統合的な解決策を有することが極めて重要である。
【０００４】
[0004]それぞれがそれ自身の強みおよび弱みを有するＥＶ／ＨＥＶ用途について提案する幾つかの電流測定技法が存在する。シャント法は電流を測定する最も初歩的な方法の１つであり、電池と直列接続状態の抵抗器の両端の電圧降下が電流を計算するために使用される。テキサス・インスツルメンツ（ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）およびＳＥＮＤＹＮＥは、処理ユニットと電流検知回路との間にガルバニック絶縁を有する、自動車用途のためのシャントセンサ設計を提案した。しかしながら、シャント実装は、侵襲的であり、大電流で動作中に著しい電力損失をもたらす。また、ホール効果センサは、それ自身の低いコストおよびホール効果センサが提供するガルバニック絶縁によって、電流測定用途において一般的なものである。しかしながら、これらのセンサは、磁界に対して非常に敏感であり、浮遊磁界によって容易に影響を受け、小電流測定において有意の誤差を生じる可能性がある。小電流（＜１０Ａ）を正確に測定するように設計されたホール効果センサは、浮遊磁界からシールドされなければならず、侵襲的である。変流器およびＲｏｇｏｗｓｋｉコイルは、広い周波数範囲で動作できる電流トランスデューサである。これらのデバイスは、非侵襲的であるが、ＡＣ電流を測定可能なだけであり、したがって、ＥＶ／ＨＥＶ用途において使用できない。電流測定のための別の非侵襲的技術は、フラックスゲート電流センサである。このセンサは、良好なダイナミックレンジを持って低電流（≒５０ｍＡ）まで測定できる。しかしながら、フラックスゲート電流センサは、その複雑な磁気部品のために高価でかつかさばる可能性があり、大きい自己消費電流のため、高い自己加熱を有する可能性がある。したがって、本分野において改善が必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0005]一態様によれば、本開示は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：ＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎ）におけるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用して、そのパッケージに垂直な磁界に比例するリニア差動出力電圧を生成するＴＭＲ磁界センサを備える非侵襲的電流センサを提供する。ＭＴＪは、２つの強磁性体の間に差し込まれた薄い絶縁体からなる。強磁性フィルムの２つの磁化の方向は、外部磁界によって変えることができる。磁化が平行配向にある場合、磁化が対向する（反平行）配向にある場合に比べて、電子が絶縁フィルムを通してトンネルすることになる可能性が高い。したがって、強磁性層の配向が変化すると、デバイスの両端の有効抵抗が同様に変化することになる。その結果、こうした接合は、外部磁界の印加によって種々の抵抗状態にわたってスムーズに移行することができる。電気自動車の電流が流れる導体上に設置されると、目下開示される電流センサは、１０ｍＡの分解能で１０ｍＡ～１５０Ａに及ぶ電流の測定を可能にする。
【０００７】
[0006]以下の説明および図面において、同一の参照数字は、可能である場合、図面に共通である同一の特徴を指定するために使用された。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
[0007]一実施形態によるＴＭＲ磁界センサを示す図である。
[0008]一実施形態による図１（ａ）のセンサの略図である。
[0009]ＴＭＲ２９０５が１Ｖにバイアスされるときの、＋／－５×１０
４
／４π（Ａ／ｍ）（５０Ｏｅ）の範囲の印加磁界に対する例のＴＭＲ磁界センサの応答を示す図である。
[0010]一実施形態による差動センサ配置構成を示す図である。
[0011]図１（ａ）のセンサを組込む例のシステムダイアグラムである。
[0012]Ｒ
１
＝８２Ω、Ｒ
２
＝２００ＫΩ、Ｃ
１
＝Ｃ
２
＝１ｎＦを使用するアナログバンドパスフィルターの周波数応答を示す図である。
[0013]一実施形態による図１（ｃ）のセンサを使用して導体を通る電流を検知するための方法を示す図である。
[0014]一実施形態による図１（ｃ）のセンサを取付けるための例の電流検知システムを示す図である。
【０００９】
[0015]添付図面は、例証のためのものであり、必ずしも一定比例尺に従わない。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0016]以下の説明において、幾つかの態様が、ソフトウェアプログラムとして通常実装されることになる条件で述べられるであろう。こうしたソフトウェアの等価物も、ハードウェア、ファームウェア、またはマイクロコードにおいて同様に構築できることを当業者は容易に認識するであろう。データ操作アルゴリズムおよびシステムはよく知られているため、本説明は、本明細書で述べるシステムおよび方法の一部を形成するまたはシステムおよび方法とより直接に協働するアルゴリズムおよびシステムを特に対象とするであろう。本明細書で具体的に示されないまたは述べられない、こうしたアルゴリズムおよびシステムの他の態様、ならびに、アルゴリズムおよびシステムに関わる信号を生成するまたはその他の方法で処理するためのハードウェアまたはソフトウェアは、当技術分野で知られているこうしたシステム、アルゴリズム、コンポーネント、および要素から選択される。本明細書で述べられるように、システムおよび方法を考慮すると、任意の態様の実装において有用である、本明細書において具体的に示されない、提案されない、または述べられないソフトウェアは、従来的でかつ当技術分野の技量内にある。
（【００１１】以降は省略されています）

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