JP3773800B2 - モーター駆動電気機器の電流検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として電気自動車等の電動車両や、電動作業機器、電動ロボット等のモーター駆動電気機器に搭載される駆動用のバッテリの残容量を正確に検出するために電流センサーのオフセットを補正して正確に電流を検出する電流検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電気自動車は、ニッケル水素電池のような走行駆動に用いられる主バッテリと、鉛電池のような電気系統の電源や、あるいは内燃機関とのハイブリッド自動車の場合はセル始動用の電源に用いられる補助バッテリとが設けられるが、特に、走行駆動に用いられる主バッテリの残容量をいかに正確に演算できるかが大切である。残容量の検出誤差が、主バッテリの寿命を短くするからである。残容量の検出誤差は、走行時間と距離が長くなるにしたがって誤差が累積される。累積誤差は、主バッテリの実際の残容量と演算した残容量とを次第に違う残容量とする。この状態になると、主バッテリを好ましい残容量の範囲で使用できなくなる。電気自動車が、主バッテリの残容量を検出して充電や放電を制御しているからである。主バッテリを最適な残容量範囲で使用するのが難しくなると、過充電したり過放電させることがある。主バッテリは、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。自動車用の主バッテリ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。
【０００３】
主バッテリの残容量は、主バッテリ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、主バッテリの電流を正確に検出する必要がある。ところで、主バッテリに流れる電流は、電流センサーで検出される。電流センサー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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
大電流を正確に検出できる電流センサーは、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。
【０００５】
電流センサーのオフセットに起因する誤差は、電流測定において悪い影響を与える。電流センサーのオフセットに起因する誤差は、電流を検出するセンサーとセンサーの出力を増幅するアンプの両方に共通する特性である。センサーは、バッテリ電流が０Ａの状態においてオフセット電圧が出力される。アンプも、入力電圧が０Ｖの状態でオフセット電圧が出力される。センサーもアンプもオフセット電圧を完全に０とすることは極めて難しく、オフセット電圧の小さい素子はコストも高くなる。
【０００６】
本発明は、この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、電流センサーのオフセット値に起因する誤差を少なくして、正確に電流を検出できるモーター駆動電気機器の電流検出方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のモーター駆動電気機器の電流検出方法は、モーター駆動電気機器のバッテリから駆動用モーターを含む負荷回路に供給される電流を電流センサーで検出する方法である。さらに、本発明の方法は、モーター駆動電気機器が、スタート時に始動スイッチをオンにした直後に負荷回路に電流を供給しない時間帯を設けており、この時間帯に第１オフセット値を検出し、その後、始動スイッチをオフにして負荷回路に電流を供給しない停止時に第２オフセット値を検出し、第１オフセット値と第２オフセット値で電流センサーのオフセット値を補正する。
【０００８】
以上の電流検出方法は、第１オフセット値と第２オフセット値からオフセットテーブルを作成し、オフセットテーブルでもって電気自動車の走行時間における電流センサーのオフセット値を補正することができる。また、第１オフセット値と第２オフセット値を直線で補間してオフセット値を求めることができる。さらにまた、第１オフセット値と第２オフセット値から、温度、電流、時間等をパラメーターとしてオフセットテーブルを作成することができる。また、第１オフセット値と第２オフセット値から、始動スイッチをオフにした後に、始動スイッチをオンしてオフにするまでに演算した充放電の容量を補正することもできる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのモーター駆動電気機器の電流検出方法を例示するものであって、本発明は電流検出方法を以下に特定しない。
【００１０】
図１は、バッテリ１で、負荷回路２のモーター（図示せず）に電力を供給して走行する電気自動車の回路図を示す。ただ、本発明の電流検出方法は、電気自動車以外のモーター駆動電気機器、たとえば、電動カート等の電動車両、電動作業機器、電動ロボット等の駆動用モーターで駆動される電気機器に使用することができる。図１の電気自動車は、バッテリ１と、このバッテリ１に始動スイッチ３を介して接続している負荷回路２と、バッテリ１の電流を検出する電流センサー４と、電流センサー４の出力を演算するバッテリーＥＣＵ５と、このバッテリーＥＣＵ５を接続している自動車のメインコントローラ６とを備える。
【００１１】
バッテリ１は、複数の電池モジュールを直列に接続して出力電圧を高くしている。電池モジュールは、ニッケル−水素電池やリチウムイオン二次電池等の複数の二次電池を直列に接続している。電池モジュールの二次電池には、充電できる全ての電池、たとえば、ニッケル−カドミウム電池等も使用できる。
【００１２】
始動スイッチ３は、自動車を走行させるときにオンに切り換えて、停止させるときにオフに切り換えられる。ドライバーは、電気自動車に乗って走行させるときに、始動スイッチ３をオンする。始動スイッチ３がオンになると、バッテリ１は負荷回路２に接続される。ただし、始動スイッチ３がオンになった直後に、無負荷状態が設けられる。無負荷状態は、モーターを回転させることなく、バッテリ１から負荷回路２に電流を供給しない時間帯である。このタイミングで無負荷状態を設ける制御は、バッテリーＥＣＵ５がする。バッテリーＥＣＵ５は、始動スイッチ３がオンに切り換えられたことを検出して、その後に無負荷状態を設けるように制御する。このタイミングに無負荷状態を設けることは、ドライバーに不自然な感覚を与えることはない。内燃機関だけで駆動される通常の自動車にしても、イグニッションＳＷをオンしたときに、セルモーターでエンジンをスタートさせる時間帯があるので、この時間帯に無負荷状態を設けることができるからである。無負荷状態におけるバッテリ１の電流は０Ａとなる。したがって、誤差のない電流センサー４のこのときの出力が０となる。ただ、現実の電流センサー４は、オフセット値が原因で出力が現れる。このときの出力から、電流センサー４の第１オフセット値が検出される。
【００１３】
始動スイッチ３は、ドライバーが自動車を下りるときにオフに切り換えられる。オフに切り換えられた始動スイッチ３は、負荷回路２をバッテリ１から切り離す。したがって、この状態においても、バッテリ１の電流は０Ａとなる。すなわち、このときにも無負荷状態が設けられる。この無負荷状態において、電流センサー４の第２オフセット値が検出される。
【００１４】
第１オフセット値と第２オフセット値はバッテリーＥＣＵ５で検出される。バッテリ１からバッテリーＥＣＵ５に電力を供給する装置は、無負荷状態において、バッテリ１の電流を完全に０Ａにできない。この弊害は、バッテリーＥＣＵ５の電源を、バッテリ１ではなくて補助バッテリ（図示せず）として解消できる。補助バッテリは、電圧が低くバッテリーＥＣＵの電源として最適である。ただ、無負荷状態においては、負荷回路２の電流が遮断されるので、バッテリーＥＣＵ５が消費する電流は極めて小さく、またほぼ一定の電流値となる。したがって、バッテリ１からバッテリーＥＣＵ５に電力を供給する状態で、第１オフセット値と第２オフセット値を検出することもできる。
【００１５】
負荷回路２は、インバータとモーターを備える。インバータは、バッテリ１からモーターに供給する電力を制御する。モーターは供給電力に比例した出力で電気自動車の車輪を駆動する。ハイブリッドカーは、負荷回路２に発電機（図示せず）を備える。発電機はモーターで併用され、あるいはモーターとは別に設けられる。
【００１６】
電流センサー４は、バッテリ１に流れる電流を検出して電圧に変換して出力する。電流センサー４は、たとえば、リード線に流れる電流によってできる磁束を検出するホール素子をセンサーとして内蔵している。電流センサーは、センサーの信号を増幅するアンプ（図示せず）も内蔵する。ただし、電流センサーのアンプは外付とすることもできる。
【００１７】
バッテリーＥＣＵ５は、Ａ／Ｄコンバータ７と、電流補正回路８と、温度センサー９と、残容量演算回路１０を備える。Ａ／Ｄコンバータ７は、電流センサー４から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。電流補正回路８がデジタル値で電流を補正するからである。
【００１８】
電流補正回路８は、第１オフセット値と第２オフセット値から、電流センサー４の検出電流を補正する。電流センサー４の検出値は、オフセット電圧が原因で誤差を含んでいる。電流センサー４のオフセット値はつねに一定ではなく、時間、温度、電流等によって変化する。温度センサー９は、バッテリ１の表面温度や周囲温度、あるいは外気温度を検出する。温度センサー９が検出した温度は、電流補正回路８に入力される。
【００１９】
図２は、オフセット値が時間と共に変化する特性を例示するグラフである。このグラフに示す電流センサーのオフセット値は、時間が経過するにしたがって直線的に変化する。始動スイッチ３をオンした直後の無負荷状態に第１オフセット値（Ｉ1）が検出される。始動スイッチ３をオフにした無負荷状態に第２オフセット値（Ｉ2）が検出される。無負荷状態においてバッテリ１の電流が０Ａであるから、このときに電流センサー４が検出する検出値がオフセット値となる。時間によって直線的に変化するオフセット値は、時間をパラメーターとする一次関数となる。一次関数は、第１オフセット値と第２オフセット値から全体を特定できる。したがって、図に示すようにオフセット値が直線的に変化する電流センサー４は、第１オフセット値（Ｉ1）と第２オフセット値（Ｉ2）から簡単に全体のオフセット値を演算できる。
【００２０】
ところで、図２は、オフセット値をオフセット電流で示している。電流センサーは検出する電流を電圧として出力する。電流センサーの出力電圧と電流とは直線の関係にあり、出力電圧から電流が特定される。したがって、電圧が特定されると電流が特定される。このため、オフセット電圧とオフセット電流は実質的には同じである。オフセット電圧が特定されると、オフセット電流も特定されるからである。残容量の演算回路は、バッテリ１の電流を演算して残容量を演算する。いいかえると、電流から残容量を演算するので、図２はオフセット値を電流で示している。この図に示すように、直線的に変化するオフセット値は、第１オフセット値（Ｉ1）と第２オフセット値（Ｉ2）からその間のオフセット値を演算できる。
【００２１】
電流センサー４のオフセット値は、必ずしも時間のみをパラメーターとして直線的に変化しない。オフセット値は、温度や電流によっても変化する。温度や電流で変化するオフセット値は、第１オフセット値と第２オフセット値を検出する無負荷状態における温度や電流を検出して検出できる。電流をパラメーターとするオフセット値は、始動スイッチ３をオフにするときの第２オフセット値で検出できる。第２オフセット値は、始動スイッチ３をオフにして検出されるので、始動スイッチ３をオフにする前の平均電流を検出して、電流に対するオフセット値とする。
【００２２】
電流補正回路８は、始動スイッチ３をオンオフにする毎に、第１オフセット値と第２オフセット値を検出する。第１オフセット値と第２オフセット値を検出するときの温度や電流は、検出の度に変化する。このため、ドライバーが何回も電気自動車を運転すると、始動スイッチ３をオンオフにする毎に、温度や電流が異なる環境となる。したがって、温度や電流を異なる条件とする第１オフセット値と第２オフセット値が検出される。運転回数が多くなる、言いかえると、始動スイッチ３のオンオフを繰り返す回数が多くなるにしたがって、温度や電流が異なる複数の第１オフセット値と第２オフセット値が検出される。
【００２３】
電流補正回路８は、温度や電流が異なる状態で検出された多数の第１オフセット値と第２オフセット値から、時間、温度、電流をパラメーターとするオフセット値を特定するオフセットテーブルを作成する。オフセットテーブルは、第１オフセット値と第２オフセット値を検出するときの時間、温度、電流をパラメーターとして作成する。作成されたオフセットテーブルは、電流補正回路８の記憶回路（図示せず）に記憶させる。さらに、記憶しているオフセットテーブルは、次々と検出する第１オフセット値と第２オフセット値で修正する。このように、温度や電流でオフセット値を補正する方法は、始動スイッチ３をオンにしてからオフにするまでの間のオフセット値を正確に検出できる。
【００２４】
オフセットテーブルが作成されると、電流補正回路８は、始動スイッチ３をオンにしてからオフするまでの間のオフセット値を、オフセットテーブルから演算できる。この間のオフセット値は、時間、温度、電流等をパラメーターとして特定される。オフセット値が特定されると、電流補正回路８は、電流センサー４の検出値をオフセット値で補正して正確な電流を検出する。
【００２５】
残容量演算回路１０は、電流補正回路８から出力される電流値を積算してバッテリ１の残容量を演算する。残容量は、充電容量から放電容量を減算して演算される。充電容量は、充電電流の積算値に充電効率を掛けて計算される。放電容量は、放電電流の積算値に放電効率を掛けて計算される。
【００２６】
バッテリ１の残容量をオフセット値で補正して正確に演算する方法は、大別してふたつある。第１の方法は、電流センサー４が電流を検出するときに、オフセットテーブルからオフセット値を求めて検出した電流を補正し、補正した電流を積算して残容量を演算する方法である。この方法は、電流補正回路８からオフセット値を補正した正確な電流を残容量演算回路１０に出力する。第２の方法は、始動スイッチ３をオンにしてから次にオフにするまでの間に演算した充放電の容量を、始動スイッチ３をオフにしたときに、オフセット値で補正する。この方法は、始動スイッチ３をオンにする状態では、電流をオフセット値で補正しない。オフセット値で補正しない電流で充放電した容量を演算する。したがって、この間に演算された充放電の容量は、オフセットによる誤差を含んでいる。オフセット値による誤差は、始動スイッチ３をオフにした後に補正する。
【００２７】
たとえば、オフセット値が図２に示すように直線で変化するとするとき、以下のステップで残容量を補正する。
［ｎ＝１のステップ］
電流補正回路８が、始動スイッチ３をオンにしたときの無負荷状態において第１オフセット値（Ｉ1）を検出する。
［ｎ＝２のステップ］
残容量演算回路１０が、始動スイッチ３をオンにしてからオフにするまでの間の充放電容量（Ｓ1）を第１オフセット値（Ｉ1）から演算する。
［ｎ＝３のステップ］
始動スイッチ３がオフになると、無負荷状態を設けて第２オフセット値（Ｉ2）を検出する。
［ｎ＝４のステップ］
第１オフセット値（Ｉ1）と第２オフセット値（Ｉ2）から、充放電した容量を補正する。充放電の容量は、以下の式で補正される。
補正した充放電容量（Ｓ）＝演算した充放電容量（Ｓ1）
−オフセット電流の積算値（Ｓ2）
オフセット電流の積算値（Ｓ2）は、以下の式で演算する。
Ｓ2＝ｋ×（Ｉ2−Ｉ1）×Ｔ
ただし、ｋは始動スイッチ３をオンにしてからオフにするまでの補正係数であり、ｋの範囲は、０＜ｋ＜１である。また、Ｔは始動スイッチ３をオンにしてからオフにするまでの時間である。
図２に示すように、オフセット値が直線で変化するとき、ｋの値は０．５となる。ただ、オフセット値は、図３に示す特性で変化する場合もある。このときのｋの値は０．５よりも大きくなる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のモーター駆動電気機器の電流検出方法は、電流センサーのオフセット値に起因する誤差を少なくして、正確に電流を検出できる特長がある。それは、本発明の電流検出方法が、スタート時に始動スイッチをオンにした直後に負荷回路に電流を供給しない時間帯を設けており、この時間帯に第１オフセット値を検出し、さらに、始動スイッチをオフにしたときにも第２オフセット値を検出し、第１オフセット値と第２オフセット値の両方で電流センサーのオフセット値を補正するからである。とくに、本発明の方法は、駆動用モーターの運転に影響を与えることなく、第１オフセット値と第２オフセット値を検出できるので、モーター駆動電気機器の使用状態を不自然にすることなく、電流を正確に補正できる特長がある。それは、モーター駆動電気機器は、始動スイッチをオンにしたときとオフにしたときに電流を流さない時間帯があるので、この時間帯を利用して第１オフセット値と第２オフセット値を検出できるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の方法に使用する電流検出回路のブロック図
【図２】第１オフセット値と第２オフセット値からオフセット値を演算する特性を示すグラフ
【図３】第１オフセット値と第２オフセット値からオフセット値を演算する特性の他の一例を示すグラフ
【符号の説明】
１…バッテリ
２…負荷回路
３…始動スイッチ
４…電流センサー
５…バッテリーＥＣＵ
６…メインコントローラ
７…Ａ／Ｄコンバータ
８…電流補正回路
９…温度センサー
１０…残容量演算回路

Claims (7)

1. モーター駆動電気機器のバッテリから駆動用モーターを含む負荷回路に供給される電流を電流センサーで検出する方法において、
   モーター駆動電気機器は、スタート時に始動スイッチをオンにした直後に負荷回路に電流が供給されない時間帯を設けており、この時間帯に第１オフセット値を検出し、さらに、始動スイッチをオフにして負荷回路に電流が供給されない停止時に第２オフセット値を検出し、第１オフセット値と第２オフセット値とで電流センサーのオフセット値を補正することを特徴とするモーター駆動電気機器の電流検出方法。
2. 第１オフセット値と第２オフセット値からオフセットテーブルを作成し、オフセットテーブルでもって電気自動車の走行時間における電流センサーのオフセット値を補正する請求項１に記載されるモーター駆動電気機器の電流検出方法。
3. 第１オフセット値と第２オフセット値を直線で補間してオフセット値を求める請求項１に記載されるモーター駆動電気機器の電流検出方法。
4. 第１オフセット値と第２オフセット値と温度をパラメーターとしてオフセットテーブルを作成する請求項２に記載されるモーター駆動電気機器の電流検出方法。
5. 第１オフセット値と第２オフセット値と電流センサーで検出した電流とをパラメーターとしてオフセットテーブルを作成する請求項２に記載されるモーター駆動電気機器の電流検出方法。
6. 第１オフセット値と第２オフセット値と時間とをパラメーターとしてオフセットテーブルを作成する請求項２に記載されるモーター駆動電気機器の電流検出方法。
7. 第１オフセット値と第２オフセット値から、始動スイッチをオフにした後に、始動スイッチをオンしてオフにするまでに演算した充放電の容量を補正する請求項１に記載されるモーター駆動電気機器の電流検出方法。

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