JP2012002710A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】専用の切換スイッチを設けることなく、電池モジュールの負荷電流を正確に検出する。
【解決手段】電池モジュールと、電池モジュールから負荷回路に接続するメインリレー接点と、電池モジュールに流れる負荷電流を検出する第１電流検出回路と、メインリレー接点と並列で、直列に接続されたプリチャージリレー接点と、プリチャージ抵抗と、精密抵抗を有するプリチャージ回路と、メインリレー接点とプリチャージリレー接点とをオンオフに制御する制御回路と、精密抵抗の両端の電圧を検出して負荷電流を検出する第２電流検出回路と、第１電流検出回路と第２電流検出回路とに接続された制御部とを備え、制御部は、第２電流検出回路で検出した負荷電流で、第１電流検出回路で検出した負荷電流を補正することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車等のモータ駆動電気機器の電池モジュールに流れる負荷電流を検出する電流検出装置に関するものである。

電気自動車を走行させる電池モジュールは、リチウムイオン二次電池などの二次電池で構成されている。そして、二次電池の残容量を正確に演算することが大切である。残容量の検出に誤差が発生すると、走行時間が長くなるにしたがって誤差が累積される。累積誤差は、電池モジュールの実際の残容量と演算した残容量とを違う残容量とし、電池モジュールを最適な残容量範囲で使用するのが難しくなり、過充電したり過放電したりする原因となる。電池モジュールは、好ましい残容量の範囲で充放電させて長寿命に使用できるが、過充電と過放電によって著しく電気的な性能が低下して寿命が短くなる。自動車用の電池モジュールは極めて高価であるために、できるかぎり長い期間使用できることが大切である。

電池モジュールの残容量は、電池モジュールに流れる電流を積算して演算される。充電効率と放電効率を考慮しながら、充電電流の積算値から放電電流の積算値を減算して残容量は演算される。正確に残容量を演算するためには、正確に電池モジュール電流を検出する必要がある。ところで、電池モジュールに流れる負荷電流は、電流センサで検出される。電流センサは、大電流を正確に検出できるように設計される。大電流の検出誤差が大きいと、残容量の演算誤差が大きくなるからである。

大電流を正確に検出できるようにしている電流センサは、小電流を正確に検出することが難しくなる。微小電流からフルスケールまで正確に検出できるのが理想であるが、全ての測定範囲で高精度に負荷電流を検出するのは極めて難しい。微小電流の測定誤差も、残容量の演算に悪影響を与える。それは、小さい負荷電流で使用される時間が極めて長いために、時間とともに誤差が累積されるからである。

この欠点を解消するために、小電流と大電流で切り換えてバッテリの電流を検出する装置が開発されている（特許文献１参照）。この装置は、図４に示すように、大電流センサと微小電流センサを並列に接続して、負荷電流で切り換えている。

また、高電圧バッテリと、電流センサと、その近傍に配置されたプリチャージ抵抗を備えたバッテリシステムにおけるバッテリの電流値測定が開発されている（特許文献２参照）。この装置は、図５に示すように、電流センサにより高電圧バッテリの入出力電流値を測定する電流値を、プリチャージ抵抗の抵抗値に基づいて電流値測定した電流値で補正する電流測定装置が開発されている

特開平１０ −３０７５６３号公報 特開２００９−２２９４０５号公報

しかしながら、特許文献１における従来の構成では、大電流センサと微小センサを切り換えるために専用の切換スイッチを設ける必要がある。この切換スイッチは、数百Ａもの大電流を流すと共に、極めて高い信頼性が要求されるので極めて高価になる。とくに、電流の大きさで頻繁に切り換えられるので、大電流をスイッチングしながら極めて長寿命に設計する必要がある。さらに、このスイッチが故障すると、電気自動車が走行できなくなる欠点がある。さらに、電流の大きさで切り換えるので、切り換えるときに瞬間的に負荷電流を遮断して、モータのスムーズな回転を阻害する欠点もある。このことは、モータでのスムーズな走行を難しくして、走行感覚を悪化させる原因ともなる。

また、特許文献２における従来の構成では、プリチャージ抵抗の抵抗値と電圧でからプリチャージ抵抗に流れる電流値を計算する。そのため、プリチャージ抵抗に高電流が流れたとき抵抗が高温になり抵抗値が変化してしまい、精度良く電流値を計測することができない。また、プリチャージ抵抗を高精度な抵抗に変更しようとすると、きわめて高価になる。

本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、専用の切換スイッチを設けることなく、かつ、電流が流れたときの抵抗の温度変化などによる抵抗値の変化を起さずに電池モジュールの負荷電流を正確に検出できる電流検出装置を提供することにある。

本発明の電流検出装置は、電池モジュールと、電池モジュールから負荷回路に接続するメインリレー接点と、電池モジュールに流れる負荷電流を検出する第１電流検出回路と、メインリレー接点と並列で、直列に接続されたプリチャージリレー接点と、プリチャージ抵抗と、精密抵抗を有するプリチャージ回路と、メインリレー接点とプリチャージリレー接点とをオンオフに制御する制御回路と、精密抵抗の両端の電圧を検出して負荷電流を検出する第２電流検出回路と、第１電流検出回路と第２電流検出回路とに接続された制御部とを備え、制御部は、第２電流検出回路で検出した負荷電流で、第１電流検出回路で検出した負荷電流を補正することを特徴とする。

本構成によって、負荷電流が流れたことによる電流検出回路の測定誤差を取り除くことができる。

本発明の電流検出装置によれば、精密抵抗での正確な電流検出が可能となり、精密抵抗による検出電流で第１電流検出回路の検出電流を補正することができる。

本発明の実施例にかかる電流検出装置の回路図である。 本発明の他の実施例にかかる電流検出装置の回路図である。 本発明の他の実施例にかかる電流検出装置の回路図である。 従来の電流検出装置の回路図である。 従来の他の電流検出装置の回路図である。

以下本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、自動車の電流検出装置の回路図を示すもので、この回路図に示す自動車は、モータを駆動して自動車を走行させる電池モジュール１１を、メインリレー接点１２を介して、車両駆動用モータを含む負荷回路１４に接続している。メインリレー接点１２と並列にプリチャージ回路２１を接続している。プリチャージ回路２１は、プリチャージリレー接点２２とプリチャージ抵抗２３と精密抵抗２４を直列に接続したもので、負荷回路１４に並列に接続している大容量コンデンサ１３を充電するための回路である。

大容量コンデンサ１３は、たとえば、静電容量を数千μＦ〜数満μＦと極めて大容量とするコンデンサで、常時充電された状態にある。短時間にモータに大電力が供給されるとき、たとえば自動車を急加速するときに放電されて、瞬間的な出力を補う働きをする。したがって、大容量コンデンサ１３を接続することにより、瞬間最大出力を大きくできると共に、この状態による電池モジュール１１の瞬間最大電流を少なく制限して、電池モジュール１１を保護することが可能となる。このため、電気自動車にはほとんど例外なく大容量コンデンサ１３を接続している。

大容量コンデンサ１３を装備する自動車は、メインリレー接点１２をオンにした瞬間に極めて大きな充電電流が流れる。完全に放電されたコンデンサを直接に電池モジュール１１に接続すると、接続した瞬間にはショートに近い電流が流れるからである。この充電電流のピークを制限するために、メインリレー接点１２と並列にプリチャージ回路２１を接続している。さらに、大容量コンデンサ１３は、自動車のイグニッションスイッチをオフにすると、放電抵抗で放電するように設計している。ユーザーや作業者が誤って接触しても感電しないようにするためである。このため、イグニッションスイッチをオンにする毎に、大容量コンデンサ１３は大きな充電電流で充電する必要がある。大容量コンデンサ１３を制限した電流で充電するために、プリチャージ回路２１を接続している。

本発明の電流検出回路はメインリレー接点１２のメイン回路において、電池モジュール１１から負荷回路１４へ電流を放電する場合、約１００〜１５０Ａの電流を流す。瞬間的な最大値として、３００〜４００Ａを流すときもある。また、電池モジュール１１が負荷回路１４から電流を充電する場合、０．１Ｃ程度の割合で約１０〜１５Ａの電流を流す。

また、本発明の電流検出回路はプリチャージ回路２１において、電池モジュール１１から大容量コンデンサ１３及び負荷回路１４へ電流を放電する場合、約４０Ａの電流を数秒から十数秒の間流し、大容量コンデンサ１３をプリチャージする。プリチャージ回路２１は、電池モジュール１１が負荷回路１４から電流を充電する場合に使用されない設計であるが、メインリレー接点１２とプリチャージリレー接点２２の切替時や、大容量コンデンサ１３が充電された状態で、電池モジュールの充電率が低いときに、電池モジュール１１が負荷回路１４から電流を充電する方向に電流が流れる。

プリチャージ抵抗２３は、約１０Ωの抵抗値を使用している。そのため、約４０Ａプリチャージ電流が流れるとき、電力（Ｗ）はプリチャージ電流（Ｉ）の２乗とプリチャージ抵抗（Ｒ）の積、つまり、４０^２×１０＝１６０００Ｗが抵抗を発熱させ、抵抗温度の上昇と、抵抗値の変化を起している。

精密抵抗２４は、温度特性に優れた特性をもっている。つまり、高電流が流れたときにも温度上昇が少なく、抵抗値が安定している。また、精密抵抗２４の抵抗値はプリチャージ抵抗２３の１０００分の１〜２００分の１の１〜５ｍΩとする。これにより、高精度抵抗２４を追加しても、プリチャージ電流への影響は殆どなく、かつ、精密抵抗２４の両端の電圧を４０〜２００ｍＶのオーダーで測定することができる。

例えば、プリチャージ抵抗２３の１０Ωの１０００分の１の１ｍΩとすると、約４０Ａプリチャージ電流が流れるとき、電力（Ｗ）はプリチャージ電流（Ｉ）の２乗と精密抵抗（Ｒ）の積、つまり、４０^２×０．００１＝１．６Ｗと抵抗の発熱も抑制している。ゆえに、精密抵抗２４は、プリチャージ抵抗２３よりも発熱量が少なく、かつ、温度特性に優れているので、電流が流れることによる温度上昇及び抵抗値の変化を抑制することができる。

さらに、本発明の電流検出回路は、電気自動車の電池モジュール１１に流れる負荷電流を第１電流検出回路３１で検出すると共に、プリチャージリレー接点２２とメインリレー接点１２とをオンオフに制御する制御ＥＣＵ３３と、精密抵抗２４の両端の電圧を検出して負荷電流を検出する第２電流検出回路３２と、第２電流検出回路３２と第１電流検出回路３１を接続された制御回路３４とを備える。図１では、制御回路３４を制御ＥＣＵ３３に含まれた構成としている。そして、制御回路３４が、第２電流検出回路３２の測定結果を基に第１電流検出回路３１のゲインを補正する。

第１電流検出回路３１は、メインリレー接点１２をオンにする状態で電池モジュール１１に流れる負荷電流を検出する。第１電流検出回路３１は、負荷電流を電圧に変換して出力するもので、たとえば、負荷電流が流れることによってリード線の周囲に発生する磁束を検出するホール素子を電流センサとして内蔵しており、この電流センサの信号を増幅するオペアンプを内蔵している。電流センサの信号を増幅するアンプは外付とすることもできる。

さらに、図１に示す第１電流検出回路３１は、電流センサの出力を検出回路に接続している。検出回路は、電流センサから出力される電圧を増幅するアンプを内蔵し、あるいは内蔵することなく、電流センサの出力電圧であるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを内蔵しており、負荷電流をデジタルの電圧信号に変換して制御回路３４に出力する。第１電流検出回路３１は、大電流が流れる領域で正確に負荷電流を検出できるように調整される。

第２電流検出回路３２は、精密抵抗２４の両端に発生する電圧を検出して負荷電流を検出する。この第２電流検出回路３２は、メインリレー接点１２をオフとして、プリチャージリレー接点２２をオンにする状態で負荷電流を検出する。この状態で、精密抵抗２４の両端に負荷電流に比例する電圧が発生するからである。精密抵抗２４の両端に発生する電圧（Ｅ）は、負荷電流（Ｉ）と精密抵抗２４（Ｒ）の積、すなわち電圧（Ｅ）＝負荷電流（Ｉ）×プリチャージ抵抗（Ｒ）の値になる。精密抵抗２４は一定の抵抗値であるから、第２電流検出回路３２で精密抵抗２４の両端の電圧を検出して負荷電流を検出できる。第２電流検出回路３２は、検出した負荷電流に比例する電圧をデジタル値に変換して制御回路３４に入力する。

制御ＥＣＵ３３は、制御回路３４からの電流地を基に、メインリレーとプリチャージリレーをオンオフに制御する。制御ＥＣＵ３３は、イグニッションスイッチをオンにしたときに、メインリレー接点１２をオフ状態に保持する状態で、プリチャージリレー接点２２をオンに切り換える。この状態で、プリチャージリレー接点２２を介して電池モジュール１１が大容量コンデンサ１３を充電する。その後、制御ＥＣＵ３３は、負荷電流の大きさでメインリレーとプリチャージリレーをオンオフに制御する。

負荷電流が大きいとき（たとえば１Ａを超えるとき）、メインリレー接点１２をオンにして、電池モジュール１１から直接に負荷回路１４に電力を供給する。制御ＥＣＵ３３は、メインリレー接点１２をオンにするとき、プリチャージリレー接点２２をオンまたはオフとする。このとき、プリチャージリレー接点２２はオンオフいずれでもよい。メインリレー接点１２を介してプリチャージ回路２１の両端がショートされるからである。ただ、好ましくは、メインリレー接点１２をオンにする状態でプリチャージリレー接点２２はオン状態とするのがよい。それは、負荷電流が小さくなって、メインリレー接点１２をオフに切り換えるとき、オン状態にあるプリチャージリレー接点２２は切り換える必要がないからである。また、メインリレー接点１２とプリチャージリレー接点２２の両方をオン状態としても、負荷電流はプリチャージリレー接点２２を流れることはなく、メインリレー接点１２のみを流れて、プリチャージ抵抗２３による電力損失は発生しない。

負荷電流が小さいとき（たとえば１Ａ以下のとき）、制御ＥＣＵ３３は、プリチャージリレー接点２２をオンにする状態で、メインリレー接点１２をオフに切り換える。制御ＥＣＵ３３は、負荷電流を第１電流検出回路３１で検出してメインリレー接点１２を切り換える。ただ、エンジンコントローラから入力される信号、すなわち、アクセル信号でもって負荷電流がほぼ０付近であることを検出して、メインリレー接点１２をオフに切り換えることもできる。アクセルを踏まない状態では、負荷電流に電力を供給する必要がないので、負荷電流は小さくなるからである。したがって、制御ＥＣＵ３３は、第１電流検出回路３１が検出する負荷電流、あるいはエンジンコントローラから供給されるアクセル信号でもって、メインリレーとプリチャージリレーをオンオフに切り換えることができる。

メインリレー接点１２がオフになると、負荷電流は、メインリレー接点１２を通過しないでプリチャージ回路２１を通過して負荷回路１４に供給される。したがって、プリチャージ抵抗２３と精密抵抗２４の両端には、負荷電流に比例した電圧が発生する。そして、精密抵抗２４の両端の電圧が第２電流検出回路３２に検出されて負荷電流が検出される。第２電流検出回路３２は、温度特性のいい精密抵抗２４で電流値を測定するので、電流値を正確に検出できる。

さらに、第２電流検出回路３２が検出した電流値は、必ずしも第１電流検出回路３１が検出した電流値に一致しない。このとき、制御回路３４は、第２電流検出回路３２で検出した検出値がより正確であると判断し、第１電流検出回路３１のゲインを補正する。つまり、制御回路３４は、第２電流検出回路３２の検出電流値で、第１電流検出回路３１の検出電流値を補正する。補正は、第１電流検出回路３１の検出値の０レベルを補正する。たとえば、第２電流検出回路３２が検出した検出電流が０ｍＡ、４０ｍＡであるとき、第１電流検出回路３１の検出電流が１０ｍＡ、３０ｍＡであるとするとき、第１電流検出回路３１の１０ｍＡでの検出電流値を−側に１０ｍＡシフトし、ゲインを２倍にするように補正する。

かかる構成によれば、プリチャージ回路にプリチャージ抵抗と温度特性のいい精密抵抗を直列接続することにより、精密抵抗での正確な電流検出が可能となり、精密抵抗による検出電流で第１電流検出回路の検出電流を補正することができる。

なお、本実施例において、電池モジュール１１から負荷回路１４への放電の向きを考慮しているので、プリチャージ回路２１がオンになったとき、電池モジュール１１、プリチャージ抵抗２３、精密抵抗２４、負荷回路１４の順番に配置するとしたが、負荷回路１４から電池モジュール１１への充電の向きを考慮して、図２のように負荷回路１４、プリチャージ抵抗２３、精密抵抗２４、電池モジュール１１の順番に配置してもいい。つまり、サージ電流が精密抵抗２４に流れるのをプリチャージ抵抗２３で防ぐことを考慮している。

また、電気自動車等のように充放電を繰り返す回路は、双方向に電流の流れが行われるので、図３のようにプリチャージ回路２１がオンになったとき、電池モジュール１１、プリチャージ抵抗２５、精密抵抗２４、プリチャージ抵抗２６、負荷回路１４の順番に配置するとしてもよい。特に、電池モジュール１１からの放電が１００〜１５０Ａに対して、充電電流が約１０Ａと１０分の１であることから、充電時のサージ電流も１０分の１になる。そのため、プリチャージ抵抗２５とプリチャージ抵抗２６の抵抗値を、１０対１の９Ωと１Ωとすることにより、精密抵抗２４へのサージ電流の影響を最小限にすることができる。

なお、本実施例において、図１では、制御回路３４を制御ＥＣＵ３３に含まれた構成としているが、制御ＥＣＵ３３と制御回路３４を別構成としてもよい。その場合は、制御ＥＣＵ３３と制御回路３４でデータをやり取りし、各々の制御を行えばよい。

本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。

１１ 電池モジュール
１２ メインリレー接点
１３ 大容量コンデンサ
１４ 負荷回路
２１ プリチャージ回路
２２ プリチャージリレー接点
２３ プリチャージ抵抗
２４ 精密抵抗
２５ プリチャージ抵抗
２６ プリチャージ抵抗
３１ 第１電流検出回路
３２ 第２電流検出回路
３３ 制御ＥＣＵ
３４ 制御回路

Claims (3)

1. 電池モジュールと、
   前記電池モジュールから負荷回路に接続するメインリレー接点と、
   前記電池モジュールに流れる負荷電流を検出する第１電流検出回路と、
   前記メインリレー接点と並列で、直列に接続されたプリチャージリレー接点と、プリチャージ抵抗と、精密抵抗を有するプリチャージ回路と、
   メインリレー接点とプリチャージリレー接点とをオンオフに制御する制御回路と、
   前記精密抵抗の両端の電圧を検出して負荷電流を検出する第２電流検出回路と、
   前記第１電流検出回路と前記第２電流検出回路とに接続された制御部とを備え、
   前記制御部は、第２電流検出回路で検出した負荷電流で、前記第１電流検出回路で検出した負荷電流を補正することを特徴とする電流検出装置。
2. 前記精密抵抗は、２個のプリチャージ抵抗の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記プリチャージ抵抗と、前記精密抵抗の抵抗値の比を、２００〜１０００とすることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。

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