JP2012002710A - Current detection device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a current detection device that detects a load current flowing in a battery module of a motor-driven electric device such as an electric vehicle.
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。 A battery module for running an electric vehicle is composed of a secondary battery such as a lithium ion secondary battery. It is important to accurately calculate the remaining capacity of the secondary battery. If an error occurs in the detection of the remaining capacity, the error is accumulated as the traveling time becomes longer. Accumulated error is due to the fact that the actual remaining capacity of the battery module differs from the calculated remaining capacity, making it difficult to use the battery module in the optimal remaining capacity range, causing overcharge and overdischarge. Become. The battery module can be used for a long life by being charged and discharged within a preferable remaining capacity range, but the electrical performance is remarkably deteriorated due to overcharge and overdischarge, and the life is shortened. Since battery modules for automobiles are extremely expensive, it is important that they can be used for as long as possible.
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。 The remaining capacity of the battery module is calculated by integrating the current flowing through the battery module. The remaining capacity is calculated by subtracting the integrated value of the discharge current from the integrated value of the charging current while considering the charging efficiency and the discharging efficiency. In order to accurately calculate the remaining capacity, it is necessary to accurately detect the battery module current. By the way, the load current flowing through the battery module is detected by a current sensor. The current sensor is designed so that a large current can be accurately detected. This is because the calculation error of the remaining capacity increases when the detection error of the large current is large.
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。 A current sensor that can detect a large current accurately makes it difficult to accurately detect a small current. Ideally, it can be detected accurately from minute current to full scale, but it is extremely difficult to detect load current with high accuracy in the entire measurement range. The measurement error of the minute current also adversely affects the calculation of the remaining capacity. This is because the time spent with a small load current is so long that errors accumulate over time.
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。 In order to eliminate this drawback, an apparatus that detects a battery current by switching between a small current and a large current has been developed (see Patent Document 1). In this apparatus, as shown in FIG. 4, a large current sensor and a minute current sensor are connected in parallel, and are switched by a load current.
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 In addition, battery current value measurement in a battery system including a high-voltage battery, a current sensor, and a precharge resistor disposed in the vicinity thereof has been developed (see Patent Document 2). As shown in FIG. 5, this apparatus corrects a current value for measuring an input / output current value of a high-voltage battery by a current sensor with a current value measured based on a resistance value of a precharge resistor. Has been developed
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。
However, in the conventional configuration in
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。
In the conventional configuration in
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。 The present invention has been developed for the purpose of solving such drawbacks. An important object of the present invention is to accurately detect the load current of a battery module without providing a dedicated changeover switch and without causing a change in resistance value due to a temperature change of the resistance when a current flows. The object is to provide a current detection device.
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。 The current detection device of the present invention includes a battery module, a main relay contact connected from the battery module to a load circuit, a first current detection circuit for detecting a load current flowing through the battery module, and a main relay contact in parallel. Connected precharge relay contact, precharge resistor, precharge circuit with precision resistor, control circuit to control main relay contact and precharge relay contact on / off, and voltage across precision resistor are detected And a control unit connected to the first current detection circuit and the second current detection circuit, wherein the control unit is a load current detected by the second current detection circuit. The load current detected by the first current detection circuit is corrected.
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。 With this configuration, the measurement error of the current detection circuit due to the flow of the load current can be removed.
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。 According to the current detection device of the present invention, accurate current detection with a precision resistor is possible, and the detection current of the first current detection circuit can be corrected with the detection current with the precision resistor.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 shows a circuit diagram of an automobile current detection device. The automobile shown in this circuit diagram is configured to drive a battery module 11 for driving a motor by driving a motor via a
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。
The large-
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。
An automobile equipped with the large-
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。
When the current detection circuit of the present invention discharges current from the battery module 11 to the
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。
In the current detection circuit of the present invention, when discharging current from the battery module 11 to the large-
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、402×10=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。
The
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。
The
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、402×0.001=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。
For example, assuming that 1 mΩ of 1/1000 of 10Ω of the
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。
Further, the current detection circuit of the present invention detects the load current flowing through the battery module 11 of the electric vehicle by the first
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。
The first
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。
Further, the first
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。
The second
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。
The
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。
When the load current is large (for example, exceeding 1 A), the
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。
When the load current is small (for example, 1 A or less), the
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。
When the
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。
Furthermore, the current value detected by the second
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。 According to such a configuration, by connecting a precharge resistor and a precision resistor having good temperature characteristics in series to the precharge circuit, it is possible to accurately detect a current with a precision resistor, and the first current detection circuit with a detection current by the precision resistor. The detected current can be corrected.
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。
In this embodiment, since the direction of discharge from the battery module 11 to the
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。
In addition, since a circuit that repeats charging and discharging, such as an electric vehicle, flows in both directions, when the
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。
In the present embodiment, the
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。 The present invention is useful as a power source for driving automobiles, electric motorcycles, electric playground equipment and the like.
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
11
34 Control circuit
Claims (3)
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。 A battery module;
A main relay contact connected to the load circuit from the battery module;
A first current detection circuit for detecting a load current flowing through the battery module;
A precharge relay contact connected in series in parallel with the main relay contact; a precharge resistor; and a precharge circuit having a precision resistor;
A control circuit for controlling the main relay contact and the precharge relay contact on and off;
A second current detection circuit for detecting a load current by detecting a voltage across the precision resistor;
A control unit connected to the first current detection circuit and the second current detection circuit;
The control unit corrects the load current detected by the first current detection circuit with the load current detected by the second current detection circuit.
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