JP2019191006A - 電流検出システム、蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の電流を高精度に検出する。
【解決手段】第１電流検出部１１は、所定の検出対象に流れる電流を検出する。第２電流検出部１２は、第１電流検出部１１より電流検出範囲が広く、かつ第１電流検出部１１より電流検出精度が低い電流検出部であり、検出対象に流れる電流を、第１電流検出部１１と並行して検出する。補正部１５は、第１電流検出部１１により検出された電流値を積算した第１積算値と、第２電流検出部１２により検出された電流値を積算した第２積算値との差分をもとに、第１電流検出部１１の電流検出範囲を超えた期間における第１電流検出部１１の出力値を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池などの対象物に流れる電流を検出する電流検出システム、蓄電システムに関する。

近年、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。さらにモータ走行による航続距離を伸ばすために、セルやモジュールを並列接続して電池容量が増加された車両が増えてきている。安全性を確保しつつモータ走行による航続距離を伸ばすには、セルのＳＯＣ(State Of Charge)を高精度に管理することが重要となる。セルに電流が流れている期間において、セルのＳＯＣを推定するには、電流積算法を用いることが一般的である。電流積算法は、充放電開始時のセルのＯＣＶ（Open Circuit Voltage）に対応するＳＯＣを初期値として、当該ＳＯＣの初期値に充放電電流の積算値を加算することにより、現在のＳＯＣを推定する方法である。

電流積算法により高精度にＳＯＣを推定するには、電流センサの検出精度を向上させることが重要である（例えば、特許文献１参照）。上述のように車載電池の容量増加に伴い、セルに流れる電流の値が大きくなってきており、広い電流検出範囲を持つ電流センサが必要になってきている。

特開２００４−２２６１５４号公報

しかしながら、広い電流検出範囲を持つ電流センサは、オフセット誤差が大きくなる傾向にある。電流検出範囲が広く検出精度が高い電流センサを汎用品で見つけるのは難しく、仮に存在した場合でも単価が高くなる。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、広範囲の電流を高精度に検出する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電流検出システムは、所定の検出対象に流れる電流を検出する第１電流検出部と、前記第１電流検出部より電流検出範囲が広く、かつ前記第１電流検出部より電流検出精度が低い電流検出部であり、前記検出対象に流れる電流を、前記第１電流検出部と並行して検出する第２電流検出部と、前記第１電流検出部により検出された電流値を積算した第１積算値と、前記第２電流検出部により検出された電流値を積算した第２積算値との差分をもとに、前記第１電流検出部の電流検出範囲を超えた期間における前記第１電流検出部の出力値を補正する補正部と、を備える。

本発明によれば、広範囲の電流を高精度に検出することができる。

本発明の実施の形態に係る電流検出システムの構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１電流検出部の構成例を示す図である。 図３（ａ）−（ｃ）は、第１電流検出部及び第２電流検出部により検出される電流波形の一例を示す図である。 図１の電流検出システムを、車載用の蓄電システムに適用した例を説明するための図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る電流検出システム５０の構成を示す図である。電流検出システム５０は、対象物５に流れる電流を検出するシステムであり、第１電流検出部１１、第２電流検出部１２及び補正部１５を備える。対象物５は、電流経路Ｐｃ上に接続された電池や負荷である。第１電流検出部１１及び第２電流検出部１２は、対象物５が接続された電流経路Ｐｃに流れる電流を同時並行で検出する。第１電流検出部１１は、第２電流検出部１２より検出精度が高いが、第２電流検出部１２より電流検出範囲（以下、レンジという）が狭い。第１電流検出部１１のレンジ外の電流が流れた場合、第１電流検出部１１の保証外の値となるため、第２電流検出部１２で検出された値を使用する必要がある。

図２（ａ）、（ｂ）は、第１電流検出部１１の構成例を示す図である。図２（ａ）に示す構成例１は、第１電流検出部１１を、ホール素子１１ａ、差動アンプ１１ｂ及びＡ／Ｄ変換器１１ｃで構成する例である。ホール素子１１ａはホール効果を利用して、電流経路Ｐｃに流れる電流により発生する磁界を電圧に変換して出力する。ホール素子１１ａは例えば、電流経路Ｐｃの近傍に設置された磁気コアのギャップ内に設置される。磁気コアは電流配線を囲むように設置されてもよい。ホール素子１１ａには定電流が供給されており、ホール素子１１ａは磁気コアに発生した磁界に応じた電圧を出力する。

差動アンプ１１ｂはホール素子１１ａから入力される電圧を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器１１ｃは、差動アンプ１１ｂから入力されるアナログ電圧をデジタル値に変換して出力する。

図２（ｂ）に示す構成例２は、第１電流検出部１１を、シャント抵抗Ｒｓ、差動アンプ１１ｂ及びＡ／Ｄ変換器１１ｃで構成する例である。シャント抵抗Ｒｓは電流経路Ｐｃを構成する配線に挿入される。差動アンプ１１ｂはシャント抵抗Ｒｓの両端電圧を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器１１ｃは、差動アンプ１１ｂから入力されるアナログ電圧をデジタル値に変換して出力する。

図２（ａ）に示す構成例１及び図２（ｂ）に示す構成例２のいずれにおいても、第１電流検出部１１の出力値にオフセット誤差が発生し得る。差動アンプ１１ｂ及びＡ／Ｄ変換器１１ｃでは、レンジが広いものほどオフセット誤差が発生しやすく、発生したオフセット誤差も大きなものとなる。特にＡ／Ｄ変換器はレンジが広く、高分解能・高精度なものを実現することが難しい。レンジが広いＡ／Ｄ変換器は、検出精度が低くなる傾向にある。またホール素子１１ａ及びシャント抵抗Ｒｓについても、プロセスや環境条件などにより、無視できないオフセット誤差が発生することがある。

第１電流検出部１１と第２電流検出部１２は、同じ構成例のものが用いられてもよいし、異なる構成例のものが用いられてもよい。いずれにしても、第２電流検出部１２の方が第１電流検出部１１よりレンジが広く、検出精度が低いものが用いられる。

図３（ａ）−（ｃ）は、第１電流検出部１１及び第２電流検出部１２により検出される電流波形の一例を示す図である。図３（ａ）−（ｃ）は、電流経路Ｐｃに、振幅が±６００Ａの正弦波電流が流れている場合のシミュレーション結果である。縦軸は電流を示し、横軸は時間を示す。第１レンジは第１電流検出部１１の電流検出範囲を示し、第２レンジは第２電流検出部１２の電流検出範囲を示す。図３（ａ）−（ｃ）に示す例では第１レンジが±４００Ａに設定されており、第２レンジが±８００Ａ以上に設定されている。第１電流検出部１１のオフセット誤差は０Ａ、第２電流検出部１２のオフセット誤差は−４０Ａとしている。

図３（ｂ）は、第１電流検出部１１で検出された電流波形を示している。図３（ｂ）では±４００Ａを超えるレンジについても正しく電流波形が描かれているが、実測する場合には±４００Ａを超えるレンジについては、値が保証されない。図３（ｃ）は、第２電流検出部１２により検出された電流波形を示している。第２電流検出部１２はオフセット誤差により、実際の電流値より４０Ａ低い電流値を出力している。図３（ａ）は、後述する選択部１５ｂから出力される電流値の波形を示している。第１レンジ内の電流値にはオフセット誤差がなく、第１レンジ外で第２レンジ内の電流値にはオフセット誤差が含まれるが、値は保証される。

図１に戻る。第１電流検出部１１及び第２電流検出部１２により検出された電流値は、それぞれ補正部１５に出力される。補正部１５は、第１電流検出部１１により検出された電流値を積算した第１積算値と、第２電流検出部１２により検出された電流値を積算した第２積算値との差分をもとに、第１レンジを超えた期間における第１電流検出部１１の出力値を補正する。以下、補正部１５の具体的な構成例を説明する。

補正部１５は、レンジ判定部１５ａ、選択部１５ｂ、補償値加算部１５ｃ、第１積算部１５ｄ、第２積算部１５ｅ、差分算出部１５ｆ及び補償部１５ｇを含む。補正部１５は例えば、マイクロコンピュータなどを用いたデジタル信号処理で実現できる。なお補正部１５の全体または一部の機能をハードウェア素子で実現してもよい。

レンジ判定部１５ａは、第１電流検出部１１及び／又は第２電流検出部１２により検出された電流値をもとに、電流経路Ｐｃに流れている電流が第１レンジに収まっているか否か判定する。レンジ判定部１５ａは、判定結果を選択部１５ｂに出力する。

選択部１５ｂは、当該判定結果が第１レンジ内を示す場合は第１電流検出部１１の出力値を第１積算部１５ｄに出力し、当該判定結果がレンジ外を示す場合は、補償値加算部１５ｃの出力値を第１積算部１５ｄに出力する。

第１積算部１５ｄは原則として、第１電流検出部１１により検出された電流値を積算する。第２積算部１５ｅは原則として、第２電流検出部１２により検出された電流値を積算する。差分算出部１５ｆは、第１積算部１５ｄに積算された第１積算値と、第２積算部１５ｅにより積算された第２積算値との差分を算出する。図１に示す例では、差分算出部１５ｆは、第１積算値から第２積算値を減算して生成した差分値を補償部１５ｇに出力する。

補償部１５ｇは、差分算出部１５ｆにより算出された差分値をもとに、ＰＩ補償により補償値を生成する。なお、ＰＩ補償の代わりにＰ補償やＰＩＤ補償を用いてもよい。補償値加算部１５ｃは、第２電流検出部１２の出力値に、補償部１５ｇにより生成された補償値を加算する。当該補償値は、第１電流検出部１１の検出値と第２電流検出部１２の検出値が理想的に同じ値であり続ければ０になる。補償値加算部１５ｃの出力値は、選択部１５ｂ及び第２積算部１５ｅに出力される。

電流経路Ｐｃに流れている電流が第１レンジ内である場合、第１積算部１５ｄは、第１電流検出部１１により検出された電流値を積算し続ける。第２積算部１５ｅは、補償値加算部１５ｃにより補正された、第２電流検出部１２により検出された電流値を積算し続ける。第２電流検出部１２の出力値の方が第１電流検出部１１の出力値よりオフセット誤差が大きくなるが、当該オフセット誤差が補償値加算部１５ｃにより補正され、第２積算部１５ｅに入力される電流値の精度が向上する。

電流経路Ｐｃに流れている電流が第１レンジ外である場合、第１積算部１５ｄは、第１電流検出部１１により検出された電流値ではなく、補償値加算部１５ｃにより補正された第２電流検出部１２により検出された電流値を、第１積算値に加算する。従って、電流経路Ｐｃに流れている電流が第１レンジを超えた場合における、第１積算値の精度が向上する。

補正部１５は、第１電流検出部１１の出力値（瞬時値１）、第１積算部１５ｄの出力値（積算値１）、第２電流検出部１２の出力値（瞬時値２）及び第２積算部１５ｅの出力値（積算値２）を後段の処理部（不図示）に出力する。当該処理部は各種のアプリケーション処理において、電流経路Ｐｃに流れている電流が第１レンジ内である場合は瞬時値１を使用し、第１レンジ外である場合は瞬時値２を使用する。積算値を使用する場合は当該処理部は、積算値１を使用してもよいし、積算値２を使用してもよいし、両者を平均化した値を使用してもよい。

図４は、図１の電流検出システムを、車載用の蓄電システム１に適用した例を説明するための図である。蓄電システム１は蓄電モジュール２０及び管理装置１０を備える。図４に示す例では、図１に示した電流検出の対象物５は、蓄電モジュール２０となる。蓄電システム１は、コンタクタリレー４及びインバータ３を介してモータ２に接続される。インバータ３は力行時、蓄電システム１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ２に供給する。回生時、モータ２から供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電システム１に供給する。モータ２は三相交流モータであり、力行時、インバータ３から供給される交流電力に応じて回転する。回生時、減速による回転エネルギーを交流電力に変換してインバータ３に供給する。

コンタクタリレー４は蓄電システム１の蓄電モジュール２０とインバータ３を繋ぐ配線間に挿入される。管理装置１０は走行時、コンタクタリレー４をオン状態（閉状態）に制御し、蓄電モジュール２０と車両の動力系を電気的に接続する。管理装置１０は非走行時、原則としてコンタクタリレー４をオフ状態（開状態）に制御し、蓄電モジュール２０と車両の動力系を電気的に遮断する。

蓄電モジュール２０は複数のセルＥ１−Ｅｍが直列接続されて形成される。セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、鉛電池セル、電気二重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル（公称電圧：３．６−３．７Ｖ）を使用する例を想定する。セルＥ１−Ｅｍの直列数は、モータ２の駆動電圧に応じて決定される。

なおプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）の場合、外部の充電器と蓄電システム１を充電ケーブルで接続することにより、蓄電モジュール２０を外部から充電することができる。

管理装置１０は、第１電流検出部１１、第２電流検出部１２、電圧検出部１３、制御部１４及び駆動部１７を備える。第１電流検出部１１及び第２電流検出部１２は、図１に示した第１電流検出部１１及び第２電流検出部１２と同様であり、蓄電モジュール２０に流れる電流を同時並行で検出する。

電圧検出部１３は、直列接続された複数のセルＥ１−Ｅｍの各ノードと複数の電圧線で接続され、隣接する２本の電圧線間の電圧をそれぞれ検出することにより、各セルＥ１−Ｅｍの電圧を検出する。電圧検出部１３は、検出した各セルＥ１−Ｅｍの電圧を制御部１４に送信する。

電圧検出部１３は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）または汎用のアナログフロントエンドＩＣで構成することができる。電圧検出部１３はマルチプレクサ及びＡ／Ｄ変換器を含む。マルチプレクサは、隣接する２本の電圧線間の電圧を上から順番にＡ／Ｄ変換器に出力する。Ａ／Ｄ変換器は、マルチプレクサから入力されるアナログ電圧をデジタル値に変換する。

駆動部１７は、制御部１４からの制御信号をもとにコンタクタリレー４を開／閉するための駆動信号を生成し、コンタクタリレー４に供給する。

制御部１４は、マイクロコンピュータ及び不揮発メモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ）により構成することができる。制御部１４は、電圧検出部１３、第１電流検出部１１、第２電流検出部１２及び図示しない温度検出部により検出された複数のセルＥ１−Ｅｍの各電圧、電流、及び温度をもとに蓄電モジュール２０を管理する。例えば制御部１４は、複数のセルＥ１−Ｅｍの少なくとも１つに過電圧、過小電圧、過電流、温度異常が発生すると、駆動部１７を制御してコンタクタリレー４を遮断させ、複数のセルＥ１−Ｅｍを保護する。

制御部１４は、補正部１５及びＳＯＣ推定部１６を含む。補正部１５は、図１に示した補正部と同様である。ＳＯＣ推定部１６は、複数のセルＥ１−ＥｍのそれぞれのＳＯＣを推定する。ＳＯＣは、ＯＣＶ法または電流積算法により推定できる。ＯＣＶ法で推定する場合、ＳＯＣ推定部１６は、電圧検出部１３により検出される各セルＥ１−ＥｍのＯＣＶと、不揮発メモリに保持されるＳＯＣ−ＯＣＶカーブの特性データをもとに各セルＥ１−ＥｍのＳＯＣを推定する。電流積算法で推定する場合、ＳＯＣ推定部１６は、電圧検出部１３により検出される各セルＥ１−Ｅｍの充放電開始時のＯＣＶと、補正部１５から入力される複数のセルＥ１−Ｅｍに流れる電流の積算値をもとにＳＯＣを推定する。

以上説明したように本実施の形態によれば、レンジが狭く高精度の第１電流検出部１１と、レンジが広く低精度の第２電流検出部１２を併用し、第１積算値と第２積算値の差分をもとにフィードバック制御によりオフセット誤差を補正する。これにより、広範囲の電流を高精度に検出することができる。また、レンジが狭く高精度の第１電流検出部１１と、レンジが広く低精度の第２電流検出部１２を併用する方が、レンジが広く高精度の１つの電流検出部を採用する場合より、コストを抑えることができ、冗長性も高い。

このように本実施の形態によれば、広範囲の電流を低コストで高精度に検出することができる。車載用の蓄電システムに用いた場合、ＳＯＣの推定精度が向上するため、蓄電システム内の容量を効率的に使用することができ、モータ走行による航続距離を伸ばすことができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では電流検出システムを、車載用途の蓄電システム１に適用する例を説明した。この点、定置型蓄電用途の蓄電システムにも適用可能である。またノート型ＰＣやスマートフォンなどの電子機器用途の蓄電システムにも適用可能である。

また本実施の形態に係る電流検出システムは、電池に流れる電流を検出する用途に限らず、積算電流を検出する用途全般に適用可能である。例えば、太陽光発電システムの発電量を計測する用途、負荷の所定時間における消費電力を計測する用途などに適用可能である。例えば、スマートメータにも適用可能である。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
所定の検出対象（５）に流れる電流を検出する第１電流検出部（１１）と、
前記第１電流検出部（１１）より電流検出範囲が広く、かつ前記第１電流検出部（１１）より電流検出精度が低い電流検出部であり、前記検出対象（５）に流れる電流を、前記第１電流検出部（１１）と並行して検出する第２電流検出部（１２）と、
前記第１電流検出部（１１）により検出された電流値を積算した第１積算値と、前記第２電流検出部（１２）により検出された電流値を積算した第２積算値との差分をもとに、前記第１電流検出部（１１）の電流検出範囲を超えた期間における前記第１電流検出部（１１）の出力値を補正する補正部（１５）と、
を備えることを特徴とする電流検出システム（５０）。
これによれば、広範囲の電流を高精度に検出することができる。
［項目２］
前記補正部（１５）は、
前記第１電流検出部（１１）により検出された電流値を積算するための第１積算部（１５ｄ）と、
前記第２電流検出部（１２）により検出された電流値を積算するための第２積算部（１５ｅ）と、
前記第１積算部（１５ｄ）に積算された第１積算値と、前記第２積算部（１５ｅ）により積算された第２積算値との差分を算出する差分算出部（１５ｆ）と、
前記差分算出部（１５ｆ）により算出された差分に応じた補償値を生成する補償部（１５ｇ）と、
前記補償部（１５ｇ）により生成された補償値を、前記第２電流検出部（１２）により検出された電流値に加算する補償値加算部（１５ｃ）と、
前記検出対象（５）の電流値が前記第１電流検出部（１１）の電流検出範囲に収まっているか否か判定する判定部（１５ａ）と、
前記判定部（１５ａ）による判定の結果、前記電流値が前記第１電流検出部（１１）の電流検出範囲内のとき前記第１電流検出部（１１）の出力値を前記第１積算部に出力し、前記電流値が前記第１電流検出部（１１）の電流検出範囲外のとき前記補償値加算部の出力値を前記第１積算部に出力する選択部（１５ｂ）と、
を含むことを特徴とする項目１に記載の電流検出システム（５０）。
これによれば、電流値が第１電流検出部（１１）の電流検出範囲を超えた場合における、第１積算値の精度を向上させることができる。
［項目３］
前記検出対象（５）は、蓄電可能なセル（Ｅ１−Ｅｍ）であり、
前記第１積算値または前記第２積算値をもとに前記セル（Ｅ１−Ｅｍ）のＳＯＣ(State Of Charge)が算出されることを特徴とする項目１または２に記載の電流検出システム（５０）。
これによれば、高精度なＳＯＣを推定することができる。
［項目４］
直列接続された複数のセル（Ｅ１−Ｅｍ）と、
前記複数のセル（Ｅ１−Ｅｍ）のそれぞれの電圧を検出する電圧検出部（１３）と、
前記複数のセル（Ｅ１−Ｅｍ）に流れる電流を検出する項目１または２に記載の電流検出システム（５０）と、
前記電圧検出部（１３）により検出された各セル（Ｅ１−Ｅｍ）の電圧と、前記電流検出システム（５０）により検出された前記複数のセル（Ｅ１−Ｅｍ）に流れる電流をもとに、各セルのＳＯＣ(State Of Charge)を推定するＳＯＣ推定部（１６）と、
を備えることを特徴とする蓄電システム（１）。
これによれば、蓄電システム（１）に流れる電流を、高精度に検出することができる。

１ 蓄電システム、 １１ 第１電流検出部、 １２ 第２電流検出部、 １３ 電圧検出部、 １５ 補正部、 １５ｂ 選択部、 １５ｃ 補償値加算部、 １５ｄ 第１積算部、 １５ｅ 第２積算部、 １５ｆ 差分算出部、 １５ｇ 補償部、 １６ ＳＯＣ推定部、 Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅｍ セル、 ５０ 電流検出システム。

Claims (4)

1. 所定の検出対象に流れる電流を検出する第１電流検出部と、
   前記第１電流検出部より電流検出範囲が広く、かつ前記第１電流検出部より電流検出精度が低い電流検出部であり、前記検出対象に流れる電流を、前記第１電流検出部と並行して検出する第２電流検出部と、
   前記第１電流検出部により検出された電流値を積算した第１積算値と、前記第２電流検出部により検出された電流値を積算した第２積算値との差分をもとに、前記第１電流検出部の電流検出範囲を超えた期間における前記第１電流検出部の出力値を補正する補正部と、
   を備えることを特徴とする電流検出システム。
2. 前記補正部は、
   前記第１電流検出部により検出された電流値を積算するための第１積算部と、
   前記第２電流検出部により検出された電流値を積算するための第２積算部と、
   前記第１積算部に積算された第１積算値と、前記第２積算部により積算された第２積算値との差分を算出する差分算出部と、
   前記差分算出部により算出された差分に応じた補償値を生成する補償部と、
   前記補償部により生成された補償値を、前記第２電流検出部により検出された電流値に加算する補償値加算部と、
   前記検出対象の電流値が前記第１電流検出部の電流検出範囲に収まっているか否か判定する判定部と、
   前記判定部による判定の結果、前記電流値が前記第１電流検出部の電流検出範囲内のとき前記第１電流検出部の出力値を前記第１積算部に出力し、前記電流値が前記第１電流検出部の電流検出範囲外のとき前記補償値加算部の出力値を前記第１積算部に出力する選択部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の電流検出システム。
3. 前記検出対象は、蓄電可能なセルであり、
   前記第１積算値または前記第２積算値をもとに前記セルのＳＯＣ(State Of Charge)が算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の電流検出システム。
4. 直列接続された複数のセルと、
   前記複数のセルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記複数のセルに流れる電流を検出する請求項１または２に記載の電流検出システムと、
   前記電圧検出部により検出された各セルの電圧と、前記電流検出システムにより検出された前記複数のセルに流れる電流をもとに、各セルのＳＯＣ(State Of Charge)を推定するＳＯＣ推定部と、
   を備えることを特徴とする蓄電システム。

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