JP2013513808A

JP2013513808A - 自己診断機能を備えた電流センサ

Info

Publication number: JP2013513808A
Application number: JP2012543548A
Authority: JP
Inventors: ツィヴァノポウロス、クリサントス; ハーゼンコップ、ディルク
Original assignee: 428−5, Gongse−dong, Giheung−gu, Yongin−si, Gyeonggi−do, Republic of Korea
Current assignee: 428−5, Gongse−dong, Giheung−gu, Yongin−si, Gyeonggi−do, Republic of Korea
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2013-04-22
Also published as: US8981800B2; US20120319473A1; KR101364194B1; WO2011072934A1; EP2513655A1; EP2513655B1; KR20120093444A; DE102009054943A1; CN102656467A; CN102656467B

Abstract

本発明は、導体（２０）内の電流を、当該電流により生成される磁場を用いて測定する電流センサであって、導体の周囲に配置された磁心（２１）と、磁心上に配置されたセンサ素子（２２）であって、磁心内の磁場に依存する出力変数を生成するよう構成された上記センサ素子（２２）と、出力変数を検出し、検出された出力変数から導体内の電流の測定値を導出するよう構成された測定ユニットと、を少なくとも有する、上記電流センサに関する。電流センサはさらに、磁心の周囲に配置された検査巻き線（２３）と、検査巻き線と接続された検査電流発生器（２４）であって、制御信号に応じて所定の振幅の検査電流信号を生成し検査巻き線へと出力するよう構成された上記検査電流発生器（２４）と、測定ユニット及び検査電流生成器と接続され、第１の測定値と第２の測定値との比較の結果に従って、電流センサが正常に機能しているかについての情報を、検査信号として出力するよう構成された検査ユニット（２５）と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電流センサが正常に機能し、即ち、電流センサにより測定された測定値が信頼できることを保障する自己診断機能を有する電流センサに関する。このような電流センサは、特に安全性に関わる適用に、例えば、バッテリモジュールと電動機とを備えた車両内でバッテリ電流を監視するために適している。本発明の第２の観点は、例えば、マイクロハイブリッド車両、マイルドハイブリッド車両、若しくは、フルハイブリッド車両として、又は、純粋なハイブリッド車両として構成することが可能な車両を対象とする。

駆動のためのエネルギーの提供のために上記の種類の車両で使用されるバッテリシステムは、内燃機関の始動のための始動用電池と区別するために、「高電圧バッテリ」と呼ばれている。高電圧バッテリを備えた車両は市場では未だそれほど大量に普及していないにもかかわらず、高電圧バッテリの確実な駆動を保障するために要求される安全コンポーネントに関しては、ある程度の従来技術が既に開発されている。図１は、今日の従来技術に従って要求される安全コンポーネントを備えた高電圧バッテリを示している。高電圧バッテリ１０は、所望の高い出力電圧を形成するための直列に接続された複数のバッテリセルを有する。個々のセルは、その充電状態を検査し、バッテリセルの過剰充電及び過少充電を防止するために、所謂セル・センス・アンド・コントロール（ＣＳＣ：ＣｅｌｌＳｅｎｓｅａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ）ユニットによって監視される。高電圧バッテリ１０の出力電圧は、バッテリ側の全電圧検出部１２ａによって監視される。更なる別の全電圧検出部１２ｂが駆動側に設けられている。２つの電流経路の１つに、許容出来ないほど電流が高い場合に電気回路を切断するヒューズ１３が挿入される。さらに、バッテリ電流検出のための電流センサが、２つの電流経路の１つに挿入される。さらに、例えば緊急の場合又はメンテナンス措置のために、車両の高電圧電力系統を零電位で接続できるように、２つの電流経路のそれぞれに、主接触器１５ａ及び１５ｂが設けられる。図１ではさらに、主接触器１５ａと並列に、例えば、充電接触器１６と充電電流を制限する充電抵抗器１７とを備える充電電流経路が設けられる。

特に、電流センサ１４は、高電圧バッテリシステムが正常に機能しているかを監視する際に大きな意味を持つ。電流センサ１４により記録される測定値は、例えば、許容出来ないほど高いバッテリ電流を検出し、必要な場合には、当該システムを安全な駆動状態に維持するために対応策を取るために役に立つ。さらに、高電圧バッテリは過剰充電され又は過少充電される可能性があり、これにより、高電圧バッテリは、有害又は危険な状態に置かれることになる。

バッテリ電流の検出のために、例えば以下のような複数の方法が存在する。
・抵抗器での電圧低下を用いた測定（分流器の原理）
・誘導の原理に基づく、変換器を用いた測定
・誘導の原理に基づく、ロゴスキーコイルを用いた測定
・例えばホールセンサ、磁気抵抗センサ（ＡＭＲ、ＧＭＲ）による、バッテリ電流により生成された磁場の磁場測定

バッテリ電流検出には、例えば十分に高い精度及び帯域幅のような、複数の事項が要求される。高電圧バッテリシステムにおいて更に重要なことは、電子機器が破損した場合に危険な感電から車両の乗員を保護するための、高電圧電力系統と、測定電子機器と、低電圧電力系統（例えば、始動用電池）と、の間の十分な直流的絶縁である。

同時に、市場に適った価格で総システムを提供できるために、電流センサは可能な限りコストを低くするべきである。従って、複数の電流センサの利用による重複は、経済的にあまり魅力的ではなく、とりわけ、２つの電流センサを使用した際に当該２つの電流センサの測定値が一致しない場合には、どの電流センサが正常に機能し、どの電流センサが正常に機能していないかも明らかではないであろう。

本発明は、先に挙げた従来技術の問題を克服するという目的を有する。

従って、本発明の第１の観点は、導体内の電流を、当該電流により生成される磁場を用いて測定する電流センサであって、好適には磁性材料から成る、導体の周りに配置された磁心と、磁心上に配置されたセンサ素子と、測定ユニットと、を少なくとも備える上記電流センサを導入する。センサ素子は、磁心内の磁場に依存する出力変数を生成するよう構成される。測定ユニットは、出力変数を検出し、検出された出力変数から導体内の電流の測定値を導出するよう構成される。本発明に基づいて、電流生成器はさらに、磁心の周囲に配置された検査巻き線と、検査巻き線と接続された検査電流発生器と、検査ユニットと、を有する。その際、検査電流発生器は、制御信号に応じて所定の振幅の検査電流信号を生成し検査巻き線へと出力するよう構成される。検査ユニットは、測定ユニット及び検査電流生成器と接続され、第１の時点に第１の測定値を測定ユニットから受け取り、第１の時点に続く第２の時点に、制御信号を検査電流生成器へと出力し、第２の時点、又は、第２の時点に続く第３の時点に、第２の測定値を測定ユニットから受け取り、第１の測定値を第２の測定値と比較し、第１の測定値と第２の測定値との比較の結果に従って、電流センサが正常に機能しているかについての情報を、検査信号として出力するよう構成される。

本発明は、所与の測定シナリオが公知のやり方で変更され、変更された測定シナリオで検出された第２の測定値が比較のために援用される場合には、電流センサにより検出される測定値の妥当性検査が可能であるという認識に基づいている。従って、本発明では、センサ素子により測定される磁心内の磁場を所定の限度において変更する（例えば大きくする）検査電流生成器が設けられ、従って、出力変数、又は、当該出力変数から得られる測定値も対応して変化しているかを検査することが可能である。予期されたように測定値が変化しない場合には、電流測定にエラーがある可能性が少なくとも高く、場合によっては、対応する安全措置を導入することが可能である。より高い安全性を達成するために、当然のことながら、複数の測定周期の結果を見ることも可能である。

好適には、検査ユニットは、第１の測定値に従って評価値対を定め、評価値対により定められた区間内に第２の測定値がある場合には、電流センサが正常に機能していることを示す情報を出力するよう構成される。本発明の本実施形態は、例えば、電流センサが例えば利用される車両の駆動状態が変化したために、第１の測定と検査測定との間に測定値自体が変化する可能性があるという事実に配慮する。しかしながら、測定値は、有限速度でのみ変化することが可能であり、この変化速度は、例えば高電圧電力系統内の誘導性により制限されるので、想定される測定値の最大変化速度にも拘わらず第２の測定値が存在しなければならない期間を定め、又は予め定めることが可能である。好適には、評価値対は、第１の測定値の値を用いて可変的に検査ユニットにより定められるので、例えば、測定時の非直線性、又は、駆動状態に従って異なる測定値の変化速度に考慮することが可能である。

検査電流生成器は、好適には、導体内の少なくとも１つの予め定められる最大の測定すべき電流の振幅を、磁心の周囲の検査巻き線の巻き数で割ることにより得られる検査電流信号を生成するよう構成される。このように、電流センサの全測定範囲をカバーしうるために、大きな振幅の検査電流信号を生成する必要はなく、本発明の追加的な回路措置の電力消費が最小に抑えられる。

検査電流発生器は、階段波形、のこぎり波形、三角波形、正弦波形、又は、矩形波形の検査電流信号を生成するよう構成されうる。

信号処理が簡単であるため、出力変数として出力電圧を形成するよう構成されるセンサ素子は有利である。好適には、電流センサは増幅器とＡ／Ｄ変換器とを有し、増幅器は、出力電圧を増幅しＡ／Ｄ変換器へと出力するよう構成される。

電流センサの全実施形態は、磁心の周囲に配置された補正巻き線と、補正回路と、を有することが可能であり、補正回路は、第１の時点の前の第３の時点に測定された第３の測定値に従って補正電流を生成し、第１の時点と第２の時点の間に補正巻き線へと出力するよう構成される。これにより、センサ素子が特に高い直線性を有する範囲へと測定値をずらすために、磁心内に補正磁場を生成することが可能である。

本発明の第２の観点は、電動機と、電動機と接続されたバッテリモジュールと、バッテリモジュールと電動機との間を流れる電流を測定する電流センサと、を備えた車両に関する。本発明に基づいて、電流センサは本発明の第１の観点による電流センサである。

電流センサが正常に機能していないことを示す電流センサの検査信号に応じてバッテリモジュールを電動機から分離するよう構成された少なくとも１つの接触器を介して、バッテリモジュールが電動機と接続される車両は有利である。

以下では、本発明が、実施形態の図を用いて詳細に解説される。
安全コンポーネントを備えた高電圧バッテリを示す。本発明に基づく電流センサを示す。可能な検査電流信号の例を示す。

図２は、本発明に基づく電流センサを示している。図に垂直に通る電気導体２０であって、測定すべき電流が流れる上記導体２０の周りに磁心２１が配置され、磁心２１内で、導体２０内を流れる電流により生成される磁場が形成される。磁心２１上にセンサ素子２２が配置され、このセンサ素子２２は、磁場に依存する出力変数を生成して更なる処理のために出力する。図２には、電気的変量を出力した出力変数を増幅してデジタル測定値に変換し、このようにして測定ユニットとして機能する増幅器２６とアナログ・デジタル変換器２７が例示されている。しかしながら、測定ユニットは、センサ素子２２に組み込むことも可能である。増幅器２６及びアナログ・デジタル変換器２７の代わりに、センサ素子２２の出力変数を処理する他の構成要素を設けることも可能である。

さらに、磁心２１の周囲に、巻き数がＷ_ｐの検査巻き線２３が配置され、この検査巻き線２３は、検査電流生成器２４と接続される。検査電流生成器２４は、検査ユニット２５と接続された制御信号のための制御入力口を有し、制御信号に応じて、検査電流信号を生成し検査巻き線２３へと出力する。従って、検査巻き線２３は、磁心２１内に追加的な磁場を形成し、この磁場は、導体２０内を流れる電流により生成される磁場と重なり合い、これにより、電流信号が正常に機能している際には、センサ素子２２の出力変数も対応して変化する必要がある。検査ユニット２５は、測定ユニットを介してセンサ素子２２と接続され、所定の駆動条件について、検査電流生成器２４が停止している際の測定値と、検査電流生成器２４が作動している際の測定値とを比較することが可能であり、従って、センサ素子２２の出力変数が、検査電流生成器２４の検査電流信号によって、予期されるように変化しているかを検査することが可能である。図２の例では、検査ユニット２５は、測定ユニットとして機能する増幅器２６及びアナログ・デジタル変換器２７を介して、センサ素子２２と接続されているが、検査ユニット２５を直接的にセンサ素子２２に接続し、又は、測定ユニットを検査ユニット２２に組み込むことも可能である。検査ユニット２５の機能は、アナログ・デジタル変換器２７を利用した際には、純粋にデジタル的に構成し、通常システム内に存在するマイクロコントローラ等が当該機能を引き継ぐことが可能であろう。これにより、追加的な構成要素のコストが最小に抑えられる。

電流センサの伝送特性の可能な限り大きな部分を検査できるために、検査電流は、導体２０内の電流Ｉが範囲［Ｉｍｉｎ、Ｉｍａｘ］内で生成する、磁心２１内の磁束密度Ｂの同じ範囲［Ｂｍｉｎ、Ｂｍａｘ］をカバー出来るべきであろう。検査巻き線２３の、任意に選択可能な巻き数Ｗ_ｐによって、検査電流生成器２４は、範囲［Ｉｍｉｎ／Ｗ_ｐ、Ｉｍａｘ／Ｗ_ｐ］内で検査電流信号を生成できる必要があり、これにより、特に導体２０内の電流Ｉが大きい場合に、技術的な実現が著しく簡素化される。

この検査方法を導体２０内の可変的な電流でも利用できるために、時点ｔ０に測定された第１の測定値Ａ_１に基づいて評価値対を算出することが可能であり、当該評価値間に、検査電流発生器２４が作動している際に時間ΔＴ分だけ遅い時点ｔ１に記録される第２の測定値Ａ_２が、予期されるように存在する必要がある（ｔ１＝ｔ０＋ΔＴ）。電流Ｉの最大変化速度が、各環境について有効な電気的変数から定められ、実際の技術的な実現においてはΔＴが非常に小さく選択されうるため、センサ素子２２の（又は、センサ素子２２に繋がる信号処理チェーンの）出力変数Ａの最大変化量ΔＡが定められ、この最大変化量ΔＡは、時間ΔＴ内の電流Ｉの最大可能変化量ΔＩにより獲得されうる。第２の測定値は、追加的にΔＡを考慮して評価することが可能であり、正常に駆動している際には、全電流Ｉ_ｅｓｔ１＝Ｉ＋ΔＩ＋Ｉ_ｔｅｓｔ又はＩ_ｅｓｔ２＝Ｉ−ΔＩ＋Ｉ_ｔｅｓｔについて予期される出力変数Ａ_ｅｓｔ１及びＡ_ｅｓｔ２の間に存在するべきであろう。電流センサが直線的に挙動する際には、予期される出力変数Ａ_ｅｓｔ１及びＡ_ｅｓｔ２は、簡単な外挿法によって定めることが可能であり、それ以外の場合には、検査ユニット内に例えばテーブルとして格納された電流センサの特性曲線を利用することが可能であろう。

一般的に、一定の値（振幅）で一定に推移する検査電流信号を利用することが可能である。しかしながら、検査電流信号の値が変化し、又は第１の測定値に従って定められる場合には、より良好な結果が獲得される。更なる別の測定値も、検査電流信号が変化する度に検査するために援用することが可能である。従って、診断結果を改善するために、検査電流信号は、より大きな値範囲をカバーし、当該値範囲をカバーする間に、第１の測定値と第２の測定値との複数の測定又は測定の対を実施することが可能である。このような方法においては、例えば、電流センサの構成要素の老朽化に起因する電流センサの特性曲線の変化を発見することも可能である。

図３は、可能な検査電流信号の幾つかの例を示している。検査電流信号は、ａ）又はｂ）に示されるように、二極性又は単極性を有した矩形波形であってもよく、階段波形であってもよく（ｃ）、のこぎり波形、三角波形であってもよく（ｄ）、又は、正弦波形（ｅ）であってもよい。代替的に、他の複数の形状も提示されうる。

本発明の測定方法は、原則的に全ての駆動状態において、即ち、車両で電流センサを使用した際に走行の前、走行中、又は走行後に実施することが可能である。その際に、検査シーケンスは、目下の電流に従って、最後の検査から既に長い時間が経過した電流について検査を行うために開始することが可能であり、従って、電流センサの可能な入力電流値の全区間［Ｉｍｉｎ、Ｉｍａｘ］の可能な限り大きい部分が検査されうる。

Claims

導体（２０）内の電流を、当該電流により生成される磁場を用いて測定する電流センサ（１４）であって、前記電流センサ（１４）は少なくとも、
好適には磁性材料から成る、前記導体（２０）の周りに配置された磁心（２１）と、
前記磁心（２１）上に配置されたセンサ素子（２２）であって、前記磁心（２１）内の磁場に依存する出力変数を生成するよう構成される前記センサ素子（２２）と、
前記出力変数を検出し、前記検出された出力変数から前記導体（２０）内の前記電流の測定値を導出するよう構成された測定ユニットと、
を有する、前記電流センサ（１４）において、
前記磁心（２１）の周囲に配置された検査巻き線（２３）と、
前記検査巻き線（２３）と接続された検査電流発生器（２４）であって、制御信号に応じて所定の振幅の検査電流信号を生成し、前記検査巻き線（２３）へと出力するよう構成された前記検査電流発生器（２４）と、
前記測定ユニット及び前記検査電流生成器（２４）と接続され、第１の時点に第１の測定値を前記測定ユニットから受け取り、前記第１の時点に続く第２の時点に、前記制御信号を前記検査電流生成器（２４）へと出力し、前記第２の時点、又は、前記第２の時点に続く第３の時点に、第２の測定値を前記測定ユニットから受け取り、前記第１の測定値を前記第２の測定値と比較し、前記第１の測定値と前記第２の測定値との前記比較の結果に従って、前記電流センサ（１４）が正常に機能しているかについての情報を、検査信号として出力するよう構成された検査ユニット（２５）と、
を特徴とする、電流センサ（１４）。
前記検査ユニット（２５）は、前記第１の測定値に従って評価値対を定め、前記評価値対により定められた区間内に前記第２の測定値がある場合に、前記電流センサが正常に機能していることを示す情報を出力する、請求項１に記載の電流センサ（１４）。
前記検査電流生成器（２４）は、前記導体（２０）内の少なくとも１つの予め定められる最大の測定すべき電流の振幅を、前記磁心（２１）の周囲の前記検査巻き線の巻き数で割ることにより得られる検査電流信号を生成するよう構成される、請求項１又は２のいずれか１項に記載の電流センサ（１４）。
前記検査電流発生器（２４）は、階段波形、のこぎり波形、三角波形、正弦波形、又は、矩形波形の検査電流信号を生成するよう構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサ（１４）。
前記センサ素子（２２）は、出力変数として出力電圧を形成するよう構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電流センサ（１４）。
前記測定ユニットは、増幅器（２６）とＡ／Ｄ変換器（２７）とを有し、前記増幅器（２６）は、前記出力電圧を増幅して前記Ａ／Ｄ変換器（２７）へと出力するよう構成される、請求項５に記載の電流センサ（１４）。
前記磁心（２１）の周囲に配置された補正巻き線と、前記第１の時点の前の第３の時点に測定された第３の測定値に従って補正電流を生成し、前記第１の時点と前記第２の時点の間に前記補正巻き線へと出力するよう構成された補正回路と、を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電流センサ（１４）。
電動機と、前記電動機と接続されたバッテリモジュール（１０）と、前記バッテリモジュール（１０）と前記電動機との間を流れる電流を測定する電流センサ（１４）と、を備えた車両において、前記電流センサ（１４）は、請求項１〜７のいずれか１項に記載に電流センサ（１４）であることを特徴とする、車両。
前記バッテリモジュール（１０）は、少なくとも１つの接触器（１５ａ、１５ｂ）を介して前記電動機と接続され、前記少なくとも１つの接触器（１５ａ、１５ｂ）は、前記電流センサ（１４）が正常に機能していないことを示す前記電流センサ（１４）の検査信号に応じて、前記バッテリモジュール（１０）を前記電動機から分離する、請求項８に記載の車両。