JP2016138756A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、測定値の異常を検出するために２つの磁電変換素子を備えると共に集磁コアを備える電流センサを小型化する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電流センサは、集磁コア３２と２つの磁電変換素子３１ａ、３１ｂとセンサコントローラを備える。集磁コア３２は、筒状であり、バスバ２４の一部を囲んでいる。集磁コア３２には、バスバ２４の延設方向に沿って端から端まで延びる切欠き３３が設けられている。２つの磁電変換素子３１ａ、３１ｂは、切欠き３３の内側で延設方向に沿って並んでいる。一方の磁電変換素子３１ａは全体が切欠き３３の内側に位置しており他方の磁電変換素子３１ｂは一部が集磁コア３２の延設方向の一側面３２ａから突出している。センサコントローラは、一方の磁電変換素子３１ａの出力値と他方の磁電変換素子３１ｂの出力値が異なるときに一方の磁電変換素子３１ａの異常を報知する信号を出力する。【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、電流センサに関する。

一般に、モータはモータに入力される電力の電流値に基づいてトルク制御される。そのために、モータに接続される電力供給用のバスバには電流値を測定するための電流センサが備えられる。しかし、電流センサが何等かの原因により故障した場合、モータの制御が不安定となる虞がある。そのため、電流センサの異常を検出する必要がある。例えば、特許文献１の電動車両には、走行用の三相交流モータに接続される３本のバスバの夫々に電流センサが備えられる。特許文献１には、その中の一つの電流センサを異常検出専用のセンサとして用いることが記載されている。

典型的な電流センサは、バスバを囲う筒状の磁性体ブロックとその一部に設けられた切欠きに配置される磁電変換素子で構成される。磁性体ブロックは磁束を集めることから集磁コアと呼ばれる。バスバの周囲に発生する磁束は流れる電流に比例する。集磁コアを有する電流センサは、集磁コアで集められた磁束を磁電変換素子で計測し、計測した磁束の大きさからバスバを流れる電流の大きさを求める。集磁コアを有する電流センサは、集磁コアで磁束を集めることにより高い精度でバスバに流れる電流を測定することができる。

特開２００３−１５３５７９号公報

上述した磁電変換素子と集磁コアを備える電流センサでは、２つの磁電変換素子を備えることにより、一方の磁電変換素子は制御用の電流値を測定するための素子として利用し、他方の磁電変換素子は一方の磁電変換素子の異常を検出するための素子として利用する態様が考えられる。一方の磁電変換素子の異常の検出は、２つの磁電変換素子の出力値を比較することにより実現することができる。しかし、２つの磁電変換素子を集磁コアの切欠きに配置すると、集磁コアの体格は１つの磁電変換素子を配置する場合に比べて大きくなる。本明細書では、測定値の異常を検出するために２つの磁電変換素子を備えると共に集磁コアを備える電流センサを小型化するための技術を提供する。

一方の磁電変換素子の出力値は制御用に用いられるため、高い精度が求められる。しかし、異常の検出において２つの磁電変換素子の出力値の比較には、制御用ほどの高い精度を必要としない。つまり、他方の磁電変換素子の精度を一方の磁電変換素子の精度より低くしてもよい。ここで、磁電変換素子は集磁コアに囲まれることにより高い精度の出力値を実現しているため、磁電変換素子の一部が集磁コアの外側に突出すると、磁電変換素子の出力値の精度は低下する。そこで発明者は、高い精度を必要としない他方の磁電変換素子を集磁コアの外側へ突出させることにより、その突出した分だけ集磁コアの体格を小さくすることを想到した。

本明細書が開示する電流センサは、集磁コアと２つの磁電変換素子とセンサコントローラを備える。集磁コアは、筒状であり、バスバの一部を囲んでいる。集磁コアには、バスバの延設方向（以下、延設方向）に沿って端から端まで延びる切欠きが設けられている。２つの磁電変換素子は、切欠きの内側で延設方向に沿って並んでいる。一方の磁電変換素子は全体が切欠きの内側に位置していると共に他方の磁電変換素子は少なくとも一部が集磁コアの延設方向の一側面から突出している。センサコントローラは、一方の磁電変換素子の出力値と他方の磁電変換素子の出力値が異なるときに一方の磁電変換素子の異常を報知する信号を出力する。

この構成によれば、他方の磁電変換素子の少なくとも一部が集磁コアの延設方向の一側面から突出していることにより、集磁コアの延設方向の長さを他方の磁電変換素子の少なくとも一部を突出させた分だけ短くすることができる。よって、集磁コアを小型化することができる。

本明細書が開示する技術によれば、集磁コアの切欠きの内側に２つの磁電変換素子を備えることで一方の磁電変換素子の異常を検出する電流センサにおいて、集磁コアを小型化することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電流センサを搭載する電動車両の電力系のブロック図である。 電流センサの斜視図である。 電流センサの正面図である。 電流センサの上面図である。 制御用磁電変換素子の出力値の異常を検出する処理を示すフローチャートである。

図面を参照して実施例の電流センサを説明する。図１に、電流センサを搭載する電気自動車２００の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車２００は、バッテリ２とシステムメインリレー３と電力変換器２０とモータ４を備える。モータ４は、システムメインリレー３と電力変換器２０を介してバッテリ２に接続される。バッテリ２の直流電力は、電力変換器２０により交流電力に変換され、モータ４に供給される。モータ４の回転軸は車軸５に接続されており、モータ４の出力により電気自動車２００は走行する。なお、電気自動車２００は、制動時にモータ４を発電機として利用することで、モータ４の起電力をバッテリ２に充電することができる。この場合、電力変換器２０は、交流電力を直流電力に変換する。

電力変換器２０は、電圧コンバータ回路２１とインバータ回路２２を備えている。電圧コンバータ回路２１はシステムメインリレー３を介してバッテリ２に接続されており、インバータ回路２２はモータ４に接続されている。電圧コンバータ回路２１は、２つのスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８とリアクトルＬ１とフィルタコンデンサＣ１により構成されている。電圧コンバータ回路２１は、走行時には昇圧コンバータ回路として機能し、制動時には降圧コンバータ回路として機能する双方向コンバータ回路である。また、インバータ回路２２は、６つのスイッチング素子（Ｔ１−Ｔ６）により構成されている。インバータ回路２２は、電圧コンバータ回路２１から入力された直流電力を交流電力に変換してモータ４に出力する。上述したように、インバータ回路２２は、モータ４からの起電力を直流電力に変換する場合もある。電圧コンバータ回路２１とインバータ回路２２は、よく知られた技術であるので詳細な説明は省略する。なお、電圧コンバータ回路２１とインバータ回路２２の間には平滑コンデンサＣ２が接続されている。

モータ４のトルクは電力変換器２０の出力電力により制御され、電力変換器２０の出力電力は電流フィードバック制御により制御される。そのため、電力変換器２０には、電流センサが備えられる。電圧コンバータ回路２１とシステムメインリレー３を接続するバスバ２４には、電力変換器２０に入力される電力の電流値を測定するための電流センサ２３が備えられる。また、インバータ回路２２とモータを接続するバスバ２６にも、電力変換器２０から出力される電力の電流値を測定するための電流センサ２５が備えられる。そして、電気自動車２００には、電流センサ２３、２５の測定値を基に電流フィードバック制御を行い、電力変換器２０に指令を与える制御コントローラ（不図示）が備えられる。本明細書で開示する技術は、電流センサに関する。以下では、代表して電流センサ２３について説明を続ける。

電流センサ２３は、電流センサ本体２３ａとセンサコントローラ２３ｂを備えている。センサコントローラ２３ｂは、電流センサ本体２３ａに備えられる２つの磁電変換素子３１ａ、３１ｂからの出力値を演算するコントローラである。詳細は後述するが、センサコントローラ２３ｂは、２つの磁電変換素子の一方である制御用磁電変換素子３１ａの出力値に異常がある場合に、その異常を報知する信号（以下、異常信号）を出力する。センサコントローラ２３ｂからの異常信号は、電気自動車２００に搭載されるインストルメントパネル６とダイアグ用メモリ７に出力される。インストルメントパネル６に出力された異常信号によりインストルメントパネル６に備えられた警告灯が点灯する。これにより、ドライバは制御用磁電変換素子３１ａの出力値に異常があることを知ることができる。また、ダイアグ用メモリ７に出力された異常信号により、ダイアグ用メモリ７に異常信号が出力されたことが記憶される。電気自動車２００の点検時に作業者がダイアグ用メモリ７の記憶を読み出すことで、作業者は制御用磁電変換素子３１ａの出力値に異常があることを知ることができる。

図面を参照して、電流センサ本体２３ａの構成について説明する。図２は、電流センサ本体２３ａとバスバ２４の斜視図である。図２には、ＸＹＺ座標系が示されている。図３は、電流センサ本体２３ａとバスバ２４をＹ軸方向から見た正面図である。図４は、電流センサ本体２３ａとバスバ２４をＺ軸方向から見た上面図である。図３、図４にも同様のＸＹＺ座標系が示されており、以下では適宜ＸＹＺ座標系を用いて構成を説明する。図２に示すように、バスバ２４は長く延ばされた金属製の板である。Ｙ軸はバスバ２４の延設方向に一致する。なお、図２では、バスバ２４の一部が描かれていることに留意されたい。また、図２に示すように、電流センサ本体２３ａは、集磁コア３２と制御用磁電変換素子３１ａと検証用磁電変換素子３１ｂを備えている。集磁コア３２はバスバ２４の一部を囲んでおり、その形状は筒状である。即ち、バスバ２４は、筒状の集磁コア３２の内側を貫通している。そして、集磁コア３２には、外周の一部にバスバ２４の延設方向に沿って端から端まで延びる切欠き３３が設けられている。切欠き３３は、集磁コア３２の外周面から内周面まで貫通している。即ち、集磁コア３２は、延設方向（即ち、Ｙ軸方向）から見たときに、Ｃ字形状となるように形成されている。延設方向から見たとき、切欠き３３はＣ字形状の切れ目に相当する。

図３に示すように、制御用磁電変換素子３１ａと検証用磁電変換素子３１ｂは、Ｚ軸方向において切欠き３３の内側に配置される。また、図４に示すように、制御用磁電変換素子３１ａと検証用磁電変換素子３１ｂは、バスバ２４の延設方向（即ち、Ｙ軸方向）に沿って並んでいる。ここで、制御用磁電変換素子３１ａは、Ｙ軸方向においても切欠き３３の内側に位置している。即ち、制御用磁電変換素子３１ａは、全体が切欠き３３の内側に位置している。一方、検証用磁電変換素子３１ｂは、Ｙ軸方向において、その一部が集磁コア３２のＹ軸方向における側面３２ａから突出している。以下、制御用磁電変換素子３１ａと検証用磁電変換素子３１ｂを区別なく説明する場合、磁電変換素子３１ａ、３１ｂと称する。

磁電変換素子３１ａ、３１ｂは、Ｘ軸方向の側面に夫々感磁面３４ａ、３４ｂを有している。磁電変換素子３１ａ、３１ｂは、その感磁面３４ａ、３４ｂを通過する磁束の大きさに比例した電圧値を出力する。バスバ２４の周囲に発生する磁束の大きさは、バスバ２４を流れる電流の大きさに比例するので、磁電変換素子３１ａ、３１ｂは、バスバ２４を流れる電流の大きさに比例した電圧値を出力する。ここで、磁電変換素子３１ａ、３１ｂは同性能の磁電変換素子である。磁電変換素子３１ａ、３１ｂから出力される電圧値は、同じ換算式により、電流値に換算される。以下、磁電変換素子３１ａ、３１ｂから出力される電圧値を出力値と称する。

上述した配置により、磁電変換素子３１ａ、３１ｂの出力値は精度が異なる。上述した磁電変換素子３１ａ、３１ｂの配置について別言すれば、制御用磁電変換素子３１ａの感磁面３４ａは、全体が切欠き３３を形成する内面と対向しており、検証用磁電変換素子３１ｂの感磁面３４ｂは、一部が切欠き３３を形成する内面と対向している。集磁コア３２はバスバ２４の周囲に発生する磁束を集め、切欠き３３を形成する内面からは、集磁コア３２により強められた磁束が発生する。制御用磁電変換素子３１ａの感磁面３４ａは、全体が切欠き３３を形成する内面と対向しているので、感磁面３４ａの全面に上述した強められた磁束が通過する。感磁面の全面に磁束が通過するので、制御用磁電変換素子３１ａの出力値は真値に対する精度が高い。制御用磁電変換素子３１ａの出力値は、上述した制御コントローラに出力され、高い精度が要求される電流フィードバック制御に利用される。一方、検証用磁電変換素子３１ｂの感磁面３４ｂは、一部が切欠き３３を形成する内面と対向しているので、その一部にしか上述した強められた磁束が通過しない。そのため、検証用磁電変換素子３１ｂの出力値の真値に対する精度は、制御用磁電変換素子３１ａの出力値の真値に対する精度より低下する。検証用磁電変換素子３１ｂの出力値は、上述したセンサコントローラ２３ｂに出力され、制御用磁電変換素子３１ａの出力値の異常を検出するために利用される。センサコントローラ２３ｂは、制御用磁電変換素子３１ａの出力値と検証用磁電変換素子３１ｂの出力値を比較し、それらが異なる場合に制御用磁電変換素子３１ａの出力値に異常があることを報知する異常信号を出力する。

効果について説明する。異常を検出するために磁電変換素子３１ａ、３１ｂの出力値を比較する場合、制御用磁電変換素子３１ａほどの高い精度は必要ではない。つまり、異常を検出するために利用される検証用磁電変換素子３１ｂの出力値の精度は、制御用磁電変換素子３１ａの出力値の精度より低くても良い。ここで、比較のために、磁電変換素子３１ａ、３１ｂの双方の出力値が同じ精度を有するようにする場合について説明する。この場合、集磁コアは、検証用磁電変換素子３１ｂの全体が集磁コアの切欠きの内側に位置するように形成される。そのように形成された集磁コアは、例えば、図４の符号１３２を付した一点鎖線で示される。集磁コア１３２と集磁コア３２を比較すると、集磁コア３２の延設方向の長さＬ１は、集磁コア１３２の延設方向の長さＬ２より検証用磁電変換素子３１ｂが側面３２ａから突出する分だけ短くなる。即ち、検証用磁電変換素子３１ｂの出力値の精度を低下させることと引き換えに、集磁コア３２を延設方向に小型化することができる。したがって、制御用磁電変換素子の出力値の異常を検出するために２つの磁電変換素子を備える電流センサを小型に実現することができる。

検証用磁電変換素子３１ｂが集磁コア３２の延設方向の側面３２ａから突出する長さは、検証用磁電変換素子３１ｂの出力値の真値に対する精度が異常を検出するために最低限必要な精度となるように適宜設計される。出力値の真値に対する精度は、例えば、出力値の誤差で定義される。例えば、制御用磁電変換素子３１ａは、出力値の誤差が１％から３％となるように設計されるのに対して、検証用磁電変換素子３１ｂは、出力値の誤差が１０％から１２％となるように設計される。

図５を参照して、制御用磁電変換素子３１ａの出力値の異常を検出する処理について説明する。図５は、その処理を示すフローチャートである。図５に示す処理は、電気自動車２００の稼働中（即ち、システムメインリレー３が導通しているとき）にセンサコントローラ２３ｂにより適時実行される。

先ず、センサコントローラ２３ｂは、制御用磁電変換素子３１ａの出力値Ｖ１を取得する（Ｓ１）。次に、センサコントローラ２３ｂは、検証用磁電変換素子３１ｂの出力値Ｖ２を取得する（Ｓ２）。次に、センサコントローラ２３ｂは、出力値Ｖ１と出力値Ｖ２が異なるか否かを判断する（Ｓ３）。しかし、上述したように出力値Ｖ１と出力値Ｖ２では、精度が異なる。本実施例では、センサコントローラ２３ｂは、ステップＳ３の判断を以下のように行う。センサコントローラ２３ｂは、出力値Ｖ２のばらつきの範囲に出力値Ｖ１のばらつきの範囲が含まれない場合、出力値Ｖ１と出力値Ｖ２は異なると判断する。一方、センサコントローラ２３ｂは、出力値Ｖ２のばらつきの範囲に出力値Ｖ１のばらつきの範囲が含まれる場合、出力値Ｖ１と出力値Ｖ２は同じであると判断する。例えば、出力値Ｖ１の誤差が１％であり、Ｖ１＝１００ｍＶである場合、出力値Ｖ１のばらつきは、９９．５ｍＶから１００．５ｍＶとなる。そして、出力値Ｖ２の誤差が１０％であり、Ｖ２＝１０５ｍＶである場合、出力値Ｖ２のばらつきは、９９．７５ｍＶから１１０．２５ｍＶとなる。この場合、出力値Ｖ１のばらつきの範囲は出力値Ｖ２のばらつきの範囲に含まれないで、センサコントローラ２３ｂは、出力値Ｖ１と出力値Ｖ２が異なると判断する。一方、出力値Ｖ１の誤差が１％であり、Ｖ１＝１００ｍＶにおいて、出力値Ｖ２の誤差が１０％であり、Ｖ２＝１０２ｍＶである場合、出力値Ｖ２のばらつきは、９６．９ｍＶから１０７．１ｍＶとなる。この場合、出力値Ｖ１のばらつきの範囲は出力値Ｖ２のばらつきの範囲に含まれるので、センサコントローラ２３ｂは、出力値Ｖ１と出力値Ｖ２が同じであると判断する。このように、センサコントローラ２３ｂが出力値Ｖ１と出力値Ｖ２が異なると判断した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、センサコントローラ２３ｂは異常信号を出力する（Ｓ４）。また、センサコントローラ２３ｂが出力値Ｖ１と出力値Ｖ２が同じであると判断した場合（Ｓ３：ＮＯ）、センサコントローラ２３ｂは、制御用磁電変換素子３１ａの出力値が正常であると判断し、処理を終了する。

「制御用磁電変換素子３１ａ」が「一方の磁電変換素子」の一例であり、「検証用磁電変換素子３１ｂ」が「他方の磁電変換素子」の一例である。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。検証用磁電変換素子３１ｂは、少なくとも一部が集磁コア３２の延設方向の側面３２ａから突出していればよい。即ち、検証用磁電変換素子３１ｂが、切欠き３３の延設方向における外側に位置してもよい。ただし、この場合、検証用磁電変換素子３１ｂは、切欠き３３の延設方向における外側で切欠き３３を跨ぐように形成される磁束の範囲内に位置される。

図５に示す処理で比較する磁電変換素子３１ａ、３１ｂの出力値は電圧値であったが、この処理で比較する磁電変換素子３１ａ、３１ｂの出力値は電圧値から換算される電流値を利用してもよい。また、実施例におけるステップＳ３での判断方法は一例であり、実施例で示す方法に限る物ではない。例えば、磁電変換素子３１ａ、３１ｂの出力値の真値に対する精度は、出力値の有効桁数により定義してもよい。この場合、ステップＳ３では、制御用磁電変換素子の出力値を検証用磁電変換素子の有効桁数で丸めることで互いの出力値を比較して判断することができる。

集磁コア３２の切欠き３３は、外周面から内周面まで貫通していなくても良い。例えば、切欠き３３は、集磁コア３２の外周面に設けられた溝であっても良い。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：バッテリ
３：システムメインリレー
４：モータ
５：車軸
６：インストルメントパネル
７：ダイアグ用メモリ
２０：電力変換器
２１：電圧コンバータ回路
２２：インバータ回路
２３、２５：電流センサ
２３ａ：電流センサ本体
２３ｂ：センサコントローラ
２４、２６：バスバ
３１ａ：制御用磁電変換素子
３１ｂ：検証用磁電変換素子
３２：集磁コア
３２ａ：側面
３３：切欠き
３４ａ、３４ｂ：感磁面
２００：電気自動車

Claims (1)

1. バスバの一部を囲んでいる筒状の集磁コアであって前記バスバの延設方向に沿って端から端まで延びる切欠きが設けられている前記集磁コアと、
   前記切欠きの内側で前記延設方向に沿って並んでいる２つの磁電変換素子であって、一方の磁電変換素子は全体が前記切欠きの内側に位置しており、他方の磁電変換素子は少なくとも一部が前記集磁コアの前記延設方向の一側面から突出している前記２つの磁電変換素子と、
   前記一方の磁電変換素子の出力値と前記他方の磁電変換素子の出力値が異なるときに前記一方の磁電変換素子の異常を報知する信号を出力するセンサコントローラと、
   を備えることを特徴とする電流センサ。

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