JP2013096880A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】常時または高い頻度で電流を監視する必要があり、その電流も変動するような用途に特に適した電流検出技術を提供する。
【解決手段】シャント抵抗の両端電圧を検出する電圧計と、シャント抵抗に基準電流を流入させる定電流源と、シャント抵抗と定電流源との間の接続状態を切り替えるスイッチング部と、実質的にランダムな複数の時期に、シャント抵抗と定電流源が接続された状態で電圧計によって検出される第１の両端電圧、シャント抵抗と定電流源が接続されていない状態で電圧計によって検出される第２の両端電圧及び基準電流に基づいてシャント抵抗の抵抗値を演算する抵抗値演算部と、演算部によって複数の時期に演算される抵抗値のそれぞれを記憶するメモリと、メモリに記憶された抵抗値の平均値を求める平均値演算部を備える電流センサである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に大電流を検出する用途に適した電流検出技術に関する。

例えば、車両に搭載されたバッテリーに流れる電流を監視する場合には、バッテリーのマイナス端子と車両のアース端子との間に抵抗値が既知のシャント抵抗を接続し、このシャント抵抗の両端電圧を測定することにより電流を求める方法が一般的である。このように計測対象が比較的に大電流となる用途においてはシャント抵抗の経時劣化が大きくなるため、時間経過とともにシャント抵抗の抵抗値が変動する可能性がある。抵抗値が変動すると、これが一定値であることを前提にして演算により求められた電流には誤差が生じる。

これに対して、例えば特開平５−３２８７３３号公報（特許文献１）には、空気調和機における直流モータのインバータの電流検出調整時に検出電流と実電流との検出誤差比率を不揮発性記憶媒体に記憶させて、運転時にはこの検出誤差比率を基に検出電流値の補正を行うという電流制御技術が開示されている。この先行例は、空気調和機の製造工程において、インバータに電力が供給されない状態で、電流検出用抵抗に定電流源から調整用の基準電流を流してその両端電圧を検出し、所定の基準電圧との検出誤差比率を求めて不揮発性記憶媒体に記憶しておき、その後の空気調和機の運転時にはこの検出誤差比率を用いて電流制御を行う。しかしながら、この先行例では、電流検出用抵抗の両端電圧を増幅する増幅部の増幅率のバラツキによる影響を抑えることができるものの、電流検出用抵抗そのものの抵抗値の変化は考慮されていない。また、製造工程における実施を前提としているため、例えば上記に例示した車両のバッテリーに流れる電流を計測する場合のように常時または高い頻度で電流を監視する必要があり、またその大きさも変動するような用途には適していない。

他方で、特開２０１０−８１２１号公報（特許文献２）には、検出信号を電圧変化信号に変換するシャント抵抗を有し、その電圧変化信号を出力する２つの出力回路と、検出信号の変動に拘わらずシャント抵抗を流れる電流を一定の基準電流に調整する基準電流回路と、基準電流回路による調整の機能を停止させて検出信号の変動に応じてシャント抵抗を流れる電流値を変動させる出力処理モードと基準電流回路による調整の機能を作動させる測定モードとを切り替える切替回路を備えるセンサ出力処理装置が開示されている。この先行例では、切替回路により測定モードに切り替えた状態において、基準電流回路は、検出信号の変動に拘わらずシャント抵抗を流れる電流を一定の基準電流にするよう機能するので、基準電流に対する出力回路の出力値を補正用測定値として精度良く測定できる。よって、この補正用測定値を用いれば、検出信号に対する出力回路の出力値ズレを高精度に補正できる。しかしながら、この先行例は、検出電流（被測定電流）と等しい大きさの基準電流を発生させる必要があり、かつ検出用の基準抵抗にはシャント抵抗に流れる電流と等しい電流が流れるため、基準抵抗にはシャント抵抗と同等の電流容量が必要となり、電圧降下も増加する。そのため、上記に例示したような比較的に大電流を監視する用途においては、基準電流を発生させる定電流源の能力的制限および基準抵抗における電圧降下による損失増加という不都合がある。

特開平５−３２８７３３号公報 特開２０１０−８１２１号公報

本発明に係る具体的態様は、常時または高い頻度で電流を監視する必要があり、その電流も変動するような用途に特に適した電流検出技術を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の電流センサは、計測対象電流が流れる電流路上に接続されたシャント抵抗の両端電圧を検出し、当該両端電圧とシャント抵抗の抵抗値に基づいて計測対象電流を検出する電流センサであって、（ａ）シャント抵抗の両端電圧を検出する電圧計と、（ｂ）シャント抵抗に基準電流を流入させる定電流源と、（ｃ）シャント抵抗と定電流源との間の接続状態を切り替えるスイッチング部と、（ｄ）実質的にランダムな複数の時期に、シャント抵抗と定電流源が接続された状態で電圧計によって検出される第１の両端電圧、シャント抵抗と定電流源が接続されていない状態で電圧計によって検出される第２の両端電圧及び基準電流に基づいてシャント抵抗の抵抗値を演算する抵抗値演算部と、（ｅ）演算部によって複数の時期に演算される抵抗値のそれぞれを記憶するメモリと、（ｆ）メモリに記憶された抵抗値の平均値を求める平均値演算部を備えることを特徴とする。ここで、「実質的にランダムな複数の時期」とは、必ずしも数学的な観点等から完全なランダム性を有するものである必要はなく、実用上十分な程度にランダム性を有するものであればよいという意味であり、例えば疑似乱数を用いて設定することができる。

上記の電流センサでは、シャント抵抗の抵抗値を定期的に計測してメモリに書き込んでおいてそれらの平均値を求めているので、常に精度の高いシャント抵抗の抵抗値を得ることができる。このため、経年劣化等によってシャント抵抗の抵抗値が変化しても、これに影響を受けることなく電流検出を精度よく実行することができる。この電流センサは、計測対象電流が常に通電状態にある場合であってもシャント抵抗の抵抗値を測定することが可能である。さらに、シャント抵抗の抵抗値を計測するタイミングとして実質的にランダムな複数の時期を設定することにより、抵抗値の計測精度を高めることが可能となる。

上記の電流センサにおいては、例えば計測対象電流が車両のバッテリー電流であってもよい。この場合に、抵抗値演算部は、車両のイグニッションがオフ状態であるときにのみシャント抵抗の抵抗値を演算することがより好ましい。この場合に、抵抗値演算部は、例えば計測対象電流が所定値より小さいときにイグニッションがオフ状態であると判定することができる。

車両のイグニッションがオフ状態である場合には、計測対象電流の変化量および変化速度（周期）がより小さくなるため、抵抗値の計測精度をより高めることができる。

一実施形態の電流センサの構成を示すブロック図である。 シャント抵抗の抵抗値を求める方法を説明するための波形図である。 計測対象電流が変動する場合において、シャント抵抗の抵抗値を求める方法を説明するための波形図である。 シャント抵抗の抵抗値に大きく誤差が生じる場合について説明するための波形図である。 抵抗値の計測を実施する複数の時期の発生タイミングをランダムにする方法について説明するための波形図である。 抵抗値の計測誤差を評価した結果について説明するための図である。 抵抗値の計測誤差を評価した結果について説明するための図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の電流センサの構成を示すブロック図である。図１に示す電流センサは、車両に搭載され、車両のバッテリー１と車両側回路部２の間に流れる計測対象電流（バッテリー電流）Ｉ１を計測するためのものである。具体的には、本実施形態の電流センサは、計測対象電流Ｉ１が流れる電流路上に接続されたシャント抵抗３の両端電圧を検出し、この両端電圧とシャント抵抗３の抵抗値に基づいて計測対象電流Ｉ１を検出するものであり、電圧計４、定電流源５、スイッチング部６、演算部７、メモリ８を含んで構成されている。なお、シャント抵抗３も電流センサの構成の一部としてもよい。

電圧計４は、シャント抵抗３の両端電圧を検出する。定電流源５は、シャント抵抗３の一端（高電位側の一端）に基準電流Ｉ２を流入させる。

スイッチング部６は、シャント抵抗３の一端と定電流源５の間に接続されたスイッチとこのスイッチの開閉を制御する制御部を有しており、シャント抵抗３と定電流源５との間の接続状態（接続／遮断）を切り替える。このスイッチング部６による切り替え動作は、演算部７からの制御信号に基づいて実質的にランダムな複数の時期に実行される。

演算部７は、疑似乱数などの既知の手法を用いて実質的にランダムな複数の時期を設定し、これら複数の時期のそれぞれにおいてシャント抵抗３の抵抗値を演算する。この演算部７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるマイクロコンピュータであり、所定のプログラムを実行することにより抵抗値の演算等の処理を行う。このようにして複数の時期に演算された複数の抵抗値はそれぞれメモリ８に記憶される。ここでのメモリ８は、例えばＥＥＰＲＯＭ（electrically erasable programmable read only memory）などの不揮発性メモリである。

また、演算部７は、メモリ８に記憶された複数の抵抗値の平均値を求める。この平均値は、本実施形態の電流センサが通常の電流監視動作時において計測対象電流Ｉ１の大きさをシャント抵抗３の両端電圧に基づいて演算する際に用いられる。

なお、演算部７が本発明における「抵抗値演算部」および「平均値演算部」に相当する。

図２は、シャント抵抗の抵抗値を求める方法を説明するための波形図である。詳細には図２（Ａ）はスイッチング部６において制御部からスイッチへ与えられる制御信号を示し、図２（Ｂ）はシャント抵抗３を流れるシャント抵抗電流Ｉ３を示す。まず、スイッチング部６は図示のようにスイッチのオン／オフを切り替える。このとき、計測対象電流Ｉ１は一定値であるものとする。また、基準電流Ｉ２は定電流源５から供給される既知の値である。このため、シャント抵抗３の一端と定電流源５が接続されていない状態の時刻ｔ１におけるシャント抵抗電流Ｉ３はＩ１に等しくなる。このときに電圧計４によって検出される両端電圧をＶ１とする。また、シャント抵抗３の一端と定電流源５が接続され、基準電流Ｉ２が流された状態の時刻ｔ２におけるシャント抵抗電流Ｉ３は（Ｉ１＋Ｉ２）となる。このときに電圧計４によって検出される両端電圧をＶ２とする。すると、シャント抵抗３の抵抗値Ｒ１は以下のように求めることができる。
Ｒ１＝（Ｖ２−Ｖ１）／Ｉ２ ・・・（１）

このように本実施形態の電流センサでは、シャント抵抗の抵抗値Ｒ１を定期的に計測してメモリ８に書き込んでおいてそれらの平均値を求めているので、常に精度の高いシャント抵抗の抵抗値を得ることができる。このため、経年劣化等によってシャント抵抗３の抵抗値が変化しても、これに影響を受けることなく電流検出を精度よく実行することができる。

また、本実施形態の電流センサは、バッテリー１と車両側回路部２の間が通電状態にある場合であってもシャント抵抗の抵抗値を測定することが可能である。

また、本実施形態の電流センサは、シャント抵抗３の抵抗値を計測するタイミングとして実質的にランダムな複数の時期を設定することにより、抵抗値の計測精度を高めている。以下、これによる効果について詳細に説明する。

上記した説明では便宜上、計測対象電流Ｉ１は一定値であるものとしたが、実際には計測対象電流Ｉ１は常に変化する可能性がある。このため、計測対象電流Ｉ１の変動がシャント抵抗の抵抗値の計測誤差となって表れる。図３は、計測対象電流が変動する場合において、シャント抵抗の抵抗値を求める方法を説明するための波形図である。詳細には図３（Ａ）はスイッチング部６において制御部からスイッチへ与えられる制御信号を示す波形図であり、図３（Ｂ）は計測対象電流を示す波形図であり、図３（Ｃ）はシャント抵抗３を流れるシャント抵抗電流を示す波形図である。

図３（Ｂ）に示すように、シャント抵抗３と定電流源５が接続されていない時刻ｔ１における計測対象電流をＩ４とし、このときのシャント抵抗３の両端電圧をＶ４とする。また、シャント抵抗３と定電流源５が接続されている時刻ｔ２における計測対象電流をＩ５とし、このときのシャント抵抗３の両端電圧をＶ５とする。また、シャント抵抗３の抵抗値をＲ２とする。この場合に、両端電圧Ｖ４、Ｖ５はそれぞれ以下のように表せる。
Ｖ４＝Ｉ４×Ｒ２ ・・・（２）
Ｖ５＝（Ｉ２＋Ｉ５）×Ｒ２ ・・・（３）
この条件における、シャント抵抗３の測定抵抗値をＲ３とすると、上記した（１）式からＲ３は以下のように表せる。
Ｒ３＝（Ｖ５−Ｖ４）／Ｉ２
＝｛１＋（Ｉ５−Ｉ４）／Ｉ２）×Ｒ２ ・・・（４）
したがって、シャント抵抗３の抵抗値Ｒ２と測定抵抗値Ｒ３の誤差は次式で表せる。
Ｒ３／Ｒ２＝（Ｉ５−Ｉ４）／Ｉ２ ・・・（５）
このＲ２とＲ３の差が、測定値と実際の値の差となる。

図４は、シャント抵抗の抵抗値に大きく誤差が生じる場合について説明するための波形図である。詳細には図４（Ａ）はスイッチング部６において制御部からスイッチへ与えられる制御信号を示す図であり、図４（Ｂ）は計測対象電流の一例を示す図である。基準電流Ｉ２をシャント抵抗３へ流入させているときの計測対象電流の平均値と、基準電流Ｉ２をシャント抵抗３へ流入させていないときの計測対象電流の平均値とが等しい場合、複数回の測定による平均を求めることでＩ４＝Ｉ５となるため、誤差は低下する。しかし、抵抗値の計測周期（図４（Ａ）参照）が計測対象電流の変動周期の整数倍に近い場合（図４（Ｂ）参照）には、計測対象電流の変動周期と抵抗値の計測周期の位相関係の変化が小さいため、複数回の計測を実施したとしても誤差を改善する効果が得られない場合がある。このような不都合を改善するために、抵抗値の計測を実施する時期にランダム性を与えることで、抵抗値の計測周期と計測対象電流の変動周期の間の相関性を低くする。これらの相関性が低い場合、抵抗値の計測において計測対象電流はランダムノイズのようにみなせるので、複数回の測定抵抗値を平均することで誤差を低減することができる。

図５は、抵抗値の計測を実施する複数の時期の発生タイミングをランダムにする方法について説明するための波形図である。詳細には図５（Ａ）は計測周期を説明するための図であり、図５（Ｂ）はスイッチング部６において制御部からスイッチへ与えられる制御信号を示す図であり、図５（Ｃ）は計測対象電流の一例を示す図であり、図５（Ｄ）は図５（Ｂ）に示す制御信号の部分拡大図である。図５（Ａ）に示すように計測周期をＴ１とし、この計測周期Ｔ１を（ｎ０＋１）個の区間に分割する。この分割された各期間をΔｔ１とする。一方、演算部７は、１〜ｎ０の値をもつ、整数の疑似乱数を生成するものとする。疑似乱数の生成方法については公知の種々の方法を利用できる。ここで、演算部７が生成した乱数値がｎである場合、測定周期の開始後、（ｎ−１）×Δｔ１のタイミングではスイッチング部６のスイッチが開状態（非導通状態）となって基準電流Ｉ２は流れない状態（Ｉ２オフ）であり、ｎ×Δｔ１のタイミングではスイッチング部６のスイッチが閉状態（導通状態）となって基準電流Ｉ２が流れる状態（Ｉ２オン）である。これらのタイミングでシャント抵抗３を流れるシャント抵抗電流Ｉ３が測定され（具体的には両端電圧が測定され）、その抵抗値が求められる（図５（Ｄ）参照）。このため、計測対象電流が図５（Ｃ）に示すように周期的な変動をしていたとしても、この変動周期に対して抵抗値の計測時期はランダムに変動する。このため、複数回の測定抵抗値を平均することで誤差を低減することができる。なお、平均値を求める際の測定回数を増加させ、あるいは基準電流をより大きい値に設定することにより、誤差をさらに低減することができる。

図６および図７は、抵抗値の計測誤差を評価した結果について説明するための図である。ここでは以下の条件で誤差評価を実施した。
(a)計測対象電流：0.1×sin(2πft) [A]
(b)基準電流：0.01 [A]
(c)測定周期：Ｔ１
(d)疑似乱数パターン：８bitＭ系列
(e)測定回数Ｎ：100，800
なお、図６および図７では、計測対象電流の周波数ｆを測定周波数１／Ｔ１により正規化しし、この正規化周波数ｆ×Ｔ１を横軸とし、誤差（％）を縦軸とした。誤差は上記した（５）式に基づいて求めた。

図６は測定回数が１００回の場合に対応し、図７は測定回数が８００回の場合に対応している。また、図６および図７のそれぞれにおいて、実線は抵抗値の計測をランダムな時期に実行した場合であり、破線は一定の時期に実行した場合である。これらの結果から、一定の時期に抵抗値の計測を実施した場合には、計測対象電流が特定の周波数成分を含む場合、測定回数を増加しても誤差を低減する効果がみられないことが分かる。実際の車両側回路部２においては計測対象電流にスイッチングノイズのように高調波成分を含む場合が多いので、この影響を強く受ける可能性がある。一方、ランダムな時期に測定を行うと、誤差が広い帯域に拡散されるので、計測対象電流が特定の周波数成分を含んでいても誤差を抑えることができる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。

例えば、上記のように車両用のバッテリーの電流測定を想定した場合には車両のイグニッションがオン状態の場合には電流の変化量および変化速度がより大きいので、車両のイグニッションがオフ状態の場合にのみシャント抵抗の抵抗値を計測してもよい。この場合には、例えば、シャント抵抗３を流れる計測対象電流が所定値より小さいか否かを演算部７において判定し、所定値より小さい場合にイグニッションがオフ状態であると判定することができる。もちろん、車両側からイグニッション信号を取得し、これに基づいて判定してもよい。

また、上記した実施形態では本発明に係る電流センサを車両に搭載する用途に適用した場合について例示したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。

１：バッテリー
２：車両側回路部
３：シャント抵抗
４：電圧計
５：定電流源
６：スイッチング部
７：演算部
８：メモリ

Claims (4)

1. 計測対象電流が流れる電流路上に接続されたシャント抵抗の両端電圧を検出し、当該両端電圧と前記シャント抵抗の抵抗値に基づいて前記計測対象電流を検出する電流センサであって、
   前記シャント抵抗の前記両端電圧を検出する電圧計と、
   前記シャント抵抗に基準電流を流入させる定電流源と、
   前記シャント抵抗と前記定電流源との間の接続状態を切り替えるスイッチング部と、
   実質的にランダムな複数の時期に、前記シャント抵抗と前記定電流源が接続された状態で前記電圧計によって検出される第１の両端電圧、前記シャント抵抗と前記定電流源が接続されていない状態で前記電圧計によって検出される第２の両端電圧及び前記基準電流に基づいて前記シャント抵抗の抵抗値を演算する抵抗値演算部と、
   前記演算部によって前記複数の時期に演算される前記抵抗値のそれぞれを記憶するメモリと、
   前記メモリに記憶された前記抵抗値の平均値を求める平均値演算部、
   を含む、電流センサ。
2. 前記抵抗値演算部は、疑似乱数を用いて前記実質的にランダムな複数の時期を設定する、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記計測対象電流が車両のバッテリー電流であり、
   前記抵抗値演算部は、前記車両のイグニッションがオフ状態であるときにのみ前記シャント抵抗の抵抗値を演算する、請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記抵抗値演算部は、前記計測対象電流が所定値より小さいときに前記イグニッションがオフ状態であると判定する、請求項３に記載の電流センサ。
   

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