JP2011047721A - シャント抵抗及びシャント抵抗を備える車両用の電源装置並びに車両 - Google Patents

Abstract

【課題】温度差の発生を抑制して高精度な電流検出を可能とする。
【解決手段】一対の電流端子１１と、前記一対の電流端子１１間に通電される電流によって発生する電圧降下を検出するための一対の電圧端子１２とを有し、略一様な金属板で構成されたシャント抵抗１０であって、各電流端子１１と電圧端子１２との間で、熱的影響を阻害するための伝熱阻害手段２１を、前記電流端子１１と電圧端子１２との間に各々設ける。これにより、電流端子１１と電圧端子１２との間の熱抵抗を伝熱阻害手段２１で高めて、電流端子１１から電圧端子１２への熱伝導を抑制し、熱起電力に起因する温度差の発生を抑制して検出誤差を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出抵抗に使用されるシャント抵抗と、このシャント抵抗を備える車両用の電源装置及び車両に関する。

所定の電気抵抗を有する金属板からなるシャント抵抗は、流れる電流に比例する電圧が発生する（例えば特許文献１）。したがって、シャント抵抗の両端に発生する電圧を検出して、シャント抵抗に流れる電流を検出できる。特に、金属板からなるシャント抵抗は、放熱特性に優れることから、大電流の検出に適しており、車両用の電源装置を構成する電池に流れる電流検出に使用される。

特開平４−８３１７５号公報

図６に、全体を金属板で構成したシャント抵抗３０の一例を示す。このシャント抵抗３０は、一対の電流端子３１と、この電流端子３１間に通電される電流によって発生する電圧降下を検出する一対の電圧端子３２とを有する金属板からなる。電圧検出用の電圧端子３２を電流端子３１と個別に設けることにより、通電部分の接触抵抗などの影響を回避している。このようなシャント抵抗３０を用いて電流量を検出する場合、シャント抵抗３０の電圧端子３２に接続端子を取り付けてその電位差を測定し、該電位差を電流値に変換する。

シャント抵抗は、所望の抵抗値を得るために銅や銅ニッケル合金などの金属板で一様に構成される。一方、シャント抵抗を接続するための端子は、導電性や接触抵抗低減の観点から、シャント抵抗とは異なる金属で構成されることが多い。このようなシャント抵抗を使用する際は、電圧端子を接続する部分で、シャント抵抗を構成する金属とは異種の金属を接合させて電気接続を得ることになる。このシャント抵抗に通電して実際の電流検出を行う際には、電圧端子間で温度差が生じ、ゼーベック効果により熱起電力が発生する。この熱起電力が、測定する電位差に誤差を生じさせるため、該電位差から得られる電流値にも誤差が生じる。

また異種金属の組み合わせに起因する問題は、電流端子間の通電ラインにおいても存在する。ここではペルチェ効果が発生するため、通電方向において温度分布が大きく変化する。温度分布の変化は、大電流を通電するほど大きくなる。この結果、電流端子に近接する電圧端子にも熱伝導して、各電圧端子が各々逆方向に伝熱される結果、電圧端子間の温度差が一層大きくなる。このため熱起電力がさらに大きくなって、電流誤差に影響を与えることとなる。

このような誤差の発生は、用途によっては問題とならない程度の誤差として無視できるものの、正確な電流値の検出が求められる用途においては問題となる。例えばハイブリッドカーや電気自動車等の電動車両に搭載されて、電池のＳＯＣ（State Of Charge）を検出するための電流検出回路に使用される場合は、充放電が頻繁に切り替わり、通電パターンによっては充電側と放電側の電流検出値に差が生じるため、無視できないほどのＳＯＣ誤差となる。特に最近はＳＯＣを厳密に管理することが求められるため、より高精度な電流検出が求められていた。

本発明は、従来のこのような問題を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、温度差の発生を抑制して高精度な電流検出が可能なシャント抵抗及びシャント抵抗を備える車両用の電源装置並びに車両を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を解決するために、本発明の第１の側面に係るシャント抵抗によれば、一対の電流端子と、前記一対の電流端子間に通電される電流によって発生する電圧降下を検出するための一対の電圧端子と、を有し、略一様な金属板で構成されたシャント抵抗であって、各電流端子と電圧端子との間で、熱的影響を阻害するための伝熱阻害手段を、前記電流端子と電圧端子との間に各々設けることができる。これにより、電流端子と電圧端子との間の熱抵抗を伝熱阻害手段で高めて、電流端子から電圧端子への熱伝導を抑制し、熱起電力に起因する温度差の発生を抑制して検出誤差を低減できる。

また第２の側面に係るシャント抵抗によれば、前記伝熱阻害手段が、前記電圧端子を前記電流端子から物理的に離間させるよう、細長く延長されたブランチであり、前記ブランチの端部に電圧端子を設けることができる。これにより、簡易な構成で電流端子と電圧端子との間の熱抵抗を効果的に増大させることができる。

さらに第３の側面に係るシャント抵抗によれば、前記伝熱阻害手段が、前記一対の電流端子同士を結ぶ線と略直交する方向に突出させることができる。これにより、伝熱阻害手段の構造を簡素化して容易に熱抵抗を高めることができる。

さらにまた第４の側面に係るシャント抵抗によれば、前記伝熱阻害手段を、略Ｕ字状に折曲させることができる。これにより、伝熱阻害手段の経路長を限られたスペースで延長して、熱抵抗を効果的に増大できる。

さらにまた第５の側面に係るシャント抵抗によれば、前記シャント抵抗を、左右略対称に形成することができる。これにより、伝熱阻害手段の構造を簡素化して製造コストを低減できる。

さらにまた第６の側面に係るシャント抵抗によれば、さらに前記伝熱阻害手段と熱伝導状態に接続された放熱部材を備えることができる。これにより、伝熱阻害手段同士の間で均熱効果を高め、電圧端子間の温度差の発生を低減して正確な電流検出が実現できる。

さらにまた第７の側面に係るシャント抵抗によれば、さらに前記一対の伝熱阻害手段同士を熱伝導状態に接続する絶縁性の伝熱シートを備えることができる。これにより、伝熱阻害手段同士の間で均熱効果を高め、電圧端子間の温度差の発生を低減して正確な電流検出が実現できる。

さらにまた第８の側面に係るシャント抵抗によれば、前記伝熱シートを、シリコーン製とできる。これにより、シリコーンなどの吸熱材で構成して、電圧端子間の温度差を抑制できる

さらにまた第９の側面に係るシャント抵抗によれば、前記電圧端子と電流端子との間の抵抗値が、前記電流端子間の抵抗値よりも高くすることができる。これにより、電圧端子と電流端子との間の熱抵抗を高めて、電流端子の熱が電圧端子に及ぼす影響を効果的に低減できる。

さらにまた第１０の側面に係るシャント抵抗によれば、前記電流端子に接続される外部の接続端子を構成する金属とは異なる金属で、シャント抵抗を構成することができる。これにより、電流端子と接続端子とが異種金属接合により熱起電力が発生しても、これを効果的に抑制して正確な電流検出が実現できる。

さらにまた第１１の側面に係る車両用の電源装置によれば、車両を走行させるモータに電力を供給する電池と、前記電池と直列に接続してなるシャント抵抗と、前記シャント抵抗の両端に発生する電圧を検出して、前記電池の電流を検出する電流検出回路とを備える車両用の電源装置であって、前記シャント抵抗を、上記いずれかのシャント抵抗とすることができる。

さらにまた第１２の側面に係る車両によれば、上記車両用の電源装置を備えることができる。

本発明の実施例１に係るシャント抵抗を示す平面図である。 本発明の実施例２に係るシャント抵抗を示す平面図である。 シャント抵抗を用いた車両用の電源装置を示す概略ブロック図である。 電源装置を搭載した車両の一例を示す模式断面図である。 電源装置を搭載した車両の他の例を示す模式断面図である。 シャント抵抗の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのシャント抵抗及びシャント抵抗を備える車両用の電源装置並びに車両を例示するものであって、本発明はシャント抵抗及びシャント抵抗を備える車両用の電源装置並びに車両を以下のものに特定しない。また特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（実施例１）

実施例１に係るシャント抵抗の外観を図１に示す。この図に示すシャント抵抗１０は、板状の金属板で構成され、本体部１０Ａを構成する略長方形の両端部に一対の電流端子１１を設けている。また中間に、電流端子１１間に通電される電流によって発生する電圧降下を検出する一対の電圧端子１２を設けている。各端子１１、１２は、シャント抵抗１０を構成する金属板に開口された貫通孔１３、１４を用いて、外部の接続端子１９（図３参照）と固定される。

シャント抵抗１０は所定の電気抵抗を有する略一様な金属板で構成される。例えば銅や銅ニッケルの合金が好適に利用される。シャント抵抗１０を構成する金属は、このシャント抵抗１０の電流端子１１と接続する接続端子１９の金属と異なる。逆に言えば、異種金属の接合がない場合、例えば同種の金属同士を接続する場合は、熱起電力が生じない。よって本発明の構成は、異種金属を接続する場合であって、さらに熱起電力が大きい金属同士の組み合わせに対して有効となる。例えば、シャント抵抗１０の電圧端子１２が銅で構成され、ここに接続する接続端子１９がニッケルで構成される場合は、シャント抵抗１０と異種金属となるため、熱起電力が発生し、本発明の作用効果が発揮される。
（伝熱阻害手段２１）

電流端子１１と電圧端子１２との間には、熱的影響を阻害するための伝熱阻害手段２１が各々設けられる。図１の例では、伝熱阻害手段２１は本体部１０Ａから垂直に突出された一対のブランチ２２で構成される。ブランチ２２は、細長く延長され、先端に電圧端子１２を貫通孔１４として開口している。ブランチ２２の先端は、電圧端子１２を開口するために若干大きく形成される。図１の例では、面取りした矩形状に形成される。一方本体部１０Ａも、両端の電流端子１１を貫通孔１３として設ける部分は一回り大きく形成しており、ブランチ２２を突出させる部分は、矩形状に切り欠いて、本体部１０Ａ全体をコ字状に形成している。

以上の構成により、電圧端子１２を電流端子１１から物理的に離間させることができる。さらに細長い形状とすることで、断面積を小さく、かつ全長を長くしてこの部分の熱抵抗を向上でき、伝熱を阻害する効果も得られる。具体的には、電圧端子１２と電流端子１１との間の抵抗値が、電流端子１１間の抵抗値よりも高くなるように構成することが好ましい。このブランチ２２は本体部１０Ａと一体的に構成されており、容易にかつ安価に形成できる。各ブランチ２２は直線状に延長されており、またブランチ２２の突出方向は、一対の電流端子１１同士を結ぶ線と略直交する方向としている。さらにシャント抵抗１０は、左右略対称に形成しており、反対姿勢でも使用可能として組立時の作業能率向上に寄与できる。

このようにして、電圧端子の検出ラインが電流端子の温度の影響を受け難くすることができ、電圧端子における検出誤差を低減してより正確な電流検出が可能となる。特に電流端子間に大電流を通電する場合は、接続端子との異種金属間で熱起電力が発生して、測定誤差を生じる。これに対して伝熱阻害手段を設けて電流端子から電圧端子への熱的な影響を阻害する。具体的には、物理的に両者間を離間させると共に、熱抵抗を増加させて伝熱を低減している。
（実施例２）

伝熱阻害手段は以上の構成に限られず、電圧端子が電流端子の熱的影響を受け難くする構成が適宜利用できる。すなわち、両端子を物理的に離間させる他、両者間を断熱したり、電圧端子に放熱部材を設けたり、電圧端子間の温度差を低減する伝熱部材を設けたり、あるいはこれらを適宜組み合わせてもよい。図２に、実施例２に係るシャント抵抗２０の外観を示す。この図に示すシャント抵抗２０は、伝熱阻害手段２１を構成するブランチ２２Ｂの中間部分を、略Ｕ字状に折曲している。具体的には、図１の状態から、相互の電圧端子１２側に接近させるように左右対称にブランチ２２Ｂを折曲させている。このように一対の伝熱阻害手段２１同士を物理的に接近させることで、輻射熱によって両者間の温度差を低減でき、熱起電力の抑制に貢献できる。またブランチを長くして熱伝導経路を延長することによる熱的影響の抑制効果を享受しつつ、Ｕ字状に折曲することでブランチを直線状に突出させることを防ぎ、シャント抵抗の大型化を回避できる。すなわち限られたスペースで伝熱阻害手段の経路長を延長して、熱抵抗を効果的に増大できる。
（伝熱シート２３）

さらに図２のシャント抵抗２０は、ブランチ２２Ｂ間を熱伝導状態に接続する伝熱部材として、絶縁性の伝熱シート２３を設けている。伝熱シート２３は、電気絶縁性を有しつつ、熱伝導性に優れた材質が利用でき、シリコーン性シートや表面にシリコーンを被覆したプラスチックシート等が好適に利用できる。これにより、電圧端子間で熱均等性を高め、熱起電力による温度差を抑制して正確な電流検出が実現できる。伝熱シート２３は、例えば２枚のシートでブランチ２２Ｂの近接部分を表裏両面から挟み込むようにして、ブランチ２２Ｂ同士を熱的に接続する。

以上のようにして、伝熱阻害手段を各電流端子と電圧端子との間に介在させることで、特に通電により電圧端子間に発生する温度差の影響を低減できるので、正確な電圧検出、ひいては電流検出が図られる。このような対策を行うことで、例えば電気自動車の電流検出に利用する場合、シャント抵抗を用いたＳＯＣ積算の精度向上を図ることが可能となり、電池性能を最大限に引き出すことができる上、電池の長寿命化も実現される。
（車両用の電源装置）

以下、車載用の電源装置のＳＯＣ検出にシャント抵抗を利用する例を、図３のブロック図に基づいて説明する。図３は、ハイブリッドカーに搭載される車両用の電源装置１００を示す。ただ、本発明の電源装置は、ハイブリッドカーのみでなく電気自動車に搭載することもできる。図に示す車両用の電源装置１００は、車両を走行させるモータ３にＤＣ／ＡＣインバータ２を介して電力を供給する電池１と、この電池１と直列に接続しているシャント抵抗１０と、このシャント抵抗１０の両端に発生する電圧を検出して電池１の電流を検出する電流検出回路１５とを備える。

電池１は、充電できる電池、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などを直列に接続して出力電圧を高く、例えば２００Ｖないし３００Ｖとしている。電池１は、過充電や過放電によって電気性能が低下しないように、また電池の寿命を長くするために、所定の残容量となるように充放電の電流が制御される。電池１の残容量は、電池１に流れる充電電流と放電電流の積算値から演算される。すなわち、充電電流の積算値を加算し、放電電流の積算値を減算して変動する電池１の残容量が演算される。

ＤＣ／ＡＣインバータ２は、電池１から供給される直流を三相交流に変換してモータ３に供給し、また発電機４の交流電力を直流に変換して電池１を充電する。このＤＣ／ＡＣインバータ２は、制御回路５に制御されて、電池１からモータ３に電力を供給してモータ３で車両を走行または加速し、エンジンで発電機４を駆動し、あるいは回生制動で発電機４を駆動して、発電機４の電力を直流に変換して電池１を充電する。制御回路５は、ＤＣ／ＡＣインバータ２を制御して、電池１からモータ３に供給する電力をコントロールし、また、発電機４から電池１を充電する電力をコントロールして、電池１を所定の残容量となるように制御する。

電池１に流れる充放電の電流を検出するために、電池１と直列にシャント抵抗１０を接続している。シャント抵抗１０は所定の電気抵抗を有する金属板で、電池１の電流に比例して電圧降下を発生する。すなわち、シャント抵抗１０に発生する電圧降下（Ｅ）は、シャント抵抗１０の電気抵抗（Ｒ）と流れる電流（Ｉ）から以下の式で特定される。
Ｅ＝Ｒ×Ｉ

この式から、シャント抵抗１０の電圧降下を検出して電池１の電流が検出される。シャント抵抗１０の電気抵抗（Ｒ）は、できるかぎり小さく設定される。それは、シャント抵抗が消費する電力が、電気抵抗（Ｒ）と電流（Ｉ）の二乗の積に比例して大きくなるからである。また、消費電力が大きくなるシャント抵抗は発熱量も大きくなることから、電気抵抗（Ｒ）を小さく設定している。電気抵抗（Ｒ）の小さいシャント抵抗１０は、電力損失は小さいが、電流に対する発生電圧も小さくなる。

シャント抵抗１０の小さい発生電圧を増幅するために、電流検出回路１５は、シャント抵抗１０の電圧を増幅するアンプ１６を入力側に設けている。アンプ１６で増幅された信号は、演算部１７に入力される。演算部１７は、アンプ１６から入力される信号をＡ／Ｄコンバータ１８でデジタル信号に変換して、シャント抵抗１０の電気抵抗とアンプ１６の増幅率から電池１の電流を演算する。例えば、Ａ／Ｄコンバータ１８から出力される電圧をＥ、アンプ１６の増幅率をＡ、シャント抵抗１０の電気抵抗をＲ、とするとき、演算部１７は以下の式で電流Ｉを演算する。

Ｉ＝Ｅ／ＡＲ

さらに、演算部１７は、Ａ／Ｄコンバータ１８から出力される電圧のプラスマイナスで放電電流と充電電流を識別する。

電池１の電流を検出するシャント抵抗１０は、電池１と車両側に接続される一対の電流端子１１と、この電流端子１１間に通電される電流によって発生する電圧降下を検出する一対の電圧端子１２とを備える。一方の電流端子１１は電池１に、他方の電流端子１１は車両側に接続される。また一対の電圧端子１２は電流検出回路１５に接続される。電流端子１１と電圧端子１２は、リード線やリード板を接続する止ネジ（図示せず）を挿通する貫通孔１３、１４を開口している。電流端子１１と電圧端子１２は、貫通孔１３、１４に挿入される止ネジでもって、リード板やリード線を電気接続するように固定する。このようにして、シャント抵抗１０を用いて電流値を高精度に検出でき、より正確なＳＯＣ積算が実現できる。

以上の電源装置は、車載用のバッテリシステムとして利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいはモータのみで走行する電気自動車などの電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。

図４に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーに電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン６及び走行用のモータ３と、モータ３に電力を供給するバッテリシステム１００Ｂと、バッテリシステム１００Ｂの電池を充電する発電機４とを備えている。バッテリシステム１００Ｂは、ＤＣ／ＡＣインバータ２を介してモータ３と発電機４に接続している。車両ＨＶは、バッテリシステム１００Ｂの電池を充放電しながらモータ３とエンジン６の両方で走行する。モータ３は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ３は、バッテリシステム１００Ｂから電力が供給されて駆動する。発電機４は、エンジン６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、バッテリシステム１００Ｂの電池を充電する。

また図５に、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ３と、このモータ３に電力を供給するバッテリシステム１００Ｃと、このバッテリシステム１００Ｃの電池を充電する発電機４とを備えている。モータ３は、バッテリシステム１００Ｃから電力が供給されて駆動する。発電機４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、バッテリシステム１００Ｃの電池を充電する。

本発明に係るシャント抵抗及びシャント抵抗を備える車両用の電源装置並びに車両は、電気自動車やハイブリッド自動車の車載用バッテリシステムとして好適に利用できる。また車載用以外の電源装置としても、好適に利用できる。

１００…電源装置
１００Ｂ、１００Ｃ…バッテリシステム
１…電池
２…ＤＣ／ＡＣインバータ
３…モータ
４…発電機
５…制御回路
６…エンジン
１０、２０、３０…シャント抵抗
１０Ａ…本体部
１１、３１…電流端子
１２、３２…電圧端子
１３、１４…貫通孔
１５…電流検出回路
１６…アンプ
１７…演算部
１８…Ａ／Ｄコンバータ
１９…接続端子
２１…伝熱阻害手段
２２、２２Ｂ…ブランチ
２３…伝熱シート
ＨＶ、ＥＶ…車両

Claims (12)

1. 一対の電流端子と、
   前記一対の電流端子間に通電される電流によって発生する電圧降下を検出するための一対の電圧端子と、
   を有し、
   略一様な金属板で構成されたシャント抵抗であって、
   各電流端子と電圧端子との間で、熱的影響を阻害するための伝熱阻害手段を、前記電流端子と電圧端子との間に各々設けてなることを特徴とするシャント抵抗。
2. 請求項１に記載のシャント抵抗であって、
   前記伝熱阻害手段が、前記電圧端子を前記電流端子から物理的に離間させるよう、細長く延長されたブランチであり、前記ブランチの端部に電圧端子を設けてなることを特徴とするシャント抵抗。
3. 請求項１又は２に記載のシャント抵抗であって、
   前記伝熱阻害手段が、前記一対の電流端子同士を結ぶ線と略直交する方向に突出されてなることを特徴とするシャント抵抗。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載のシャント抵抗であって、
   前記伝熱阻害手段が、略Ｕ字状に折曲されてなることを特徴とするシャント抵抗。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載のシャント抵抗であって、
   前記シャント抵抗は、左右略対称に形成されてなることを特徴とするシャント抵抗。
6. 請求項１から５のいずれか一に記載のシャント抵抗であって、さらに
   前記伝熱阻害手段と熱伝導状態に接続された放熱部材を備えてなることを特徴とするシャント抵抗。
7. 請求項１から６のいずれか一に記載のシャント抵抗であって、さらに
   前記一対の伝熱阻害手段同士を熱伝導状態に接続する絶縁性の伝熱シートを備えてなることを特徴とするシャント抵抗。
8. 請求項７に記載のシャント抵抗であって、
   前記伝熱シートが、シリコーン製であることを特徴とするシャント抵抗。
9. 請求項１から８のいずれか一に記載のシャント抵抗であって、
   前記電圧端子と電流端子との間の抵抗値が、前記電流端子間の抵抗値よりも高くされてなることを特徴とするシャント抵抗。
10. 請求項１から９のいずれか一に記載のシャント抵抗であって、
    前記電流端子に接続される外部の接続端子を構成する金属とは異なる金属で、シャント抵抗が構成されてなることを特徴とするシャント抵抗。
11. 車両を走行させるモータに電力を供給する電池と、
    前記電池と直列に接続してなるシャント抵抗と、
    前記シャント抵抗の両端に発生する電圧を検出して、前記電池の電流を検出する電流検出回路と
    を備える車両用の電源装置であって、
    前記シャント抵抗が、請求項１から１０のいずれか一に記載のシャント抵抗であることを特徴とする車両用の電源装置。
12. 請求項１１に記載の電源装置を備える車両。

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