JP2020148502A - 電流計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被計測電流の計測精度を向上し得る技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電流計測装置２は、電流センサ３と、伝送路４と、コントローラ５と、高周波検出器６と、可変コンデンサ７を備えている。電流センサ３は被計測電流に基づいて電気信号を出力する。伝送路４は電気信号を伝送する。コントローラ５は電気信号から被計測電流を算出する。高周波検出器６は、電気信号に含まれる所定の周波数よりも高い周波数成分を検出する。可変コンデンサ７は伝送路の正極線と負極線の間に接続されている。コントローラ５は、高周波検出器６の検出結果に基づいて可変コンデンサ７の静電容量を調整する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電流計測装置に関する。

例えば特許文献１に、電流センサが被計測電流に基づいて出力する電気信号から高周波ノイズを除去する電流計測装置が開示されている。特許文献１においては、高周波ノイズを除去するフィルタとして定インピーダンスフィルタを用いている。これにより、被計測電流を高精度で計測可能な電流計測装置を実現している。

特開２０１６−１１４５８５号公報

ところが特許文献１においては、伝送路とグランド（例えば電流センサやコントローラが格納される筐体）の間の浮遊静電容量に起因して発生するノイズ（コモンモードノイズ）については考慮されていない。伝送路には微小なインダクタ成分やコンデンサ成分が含まれており、コモンモードノイズの周波数により伝送路を含む回路において共振が起こる可能性がある。伝送路を含む回路において共振が起こると伝送路の正極線と負極線には電位差が生じるため、伝送路には電流（ノーマルモードノイズ）が流れる。このノーマルモードノイズにより、電流センサが出力する電気信号に誤差が上乗せされるおそれがある。すなわちコントローラは、電流センサが出力する電気信号に誤差が上乗せされた信号を受け取ってしまうおそれがある。電流センサが出力する電気信号に重畳するノイズは電流計測装置の計測精度の低下を招く。特に、伝送路とグランド間の浮遊静電容量の大きさが予め不明であるときには特許文献１の定インピーダンスフィルタの定数が最適であるとは限らない。本明細書では、伝送路とグランドの間の浮遊静電容量が不明な場合であってもセンサが出力する電気信号に重畳するノイズを効果的に抑える技術を提供する。

本明細書が開示する電流計測装置は、電流センサと、伝送路と、コントローラと、高周波検出器と、可変コンデンサを備えている。電流センサは被計測電流に基づいて電気信号を出力する。伝送路は電気信号を伝送する。コントローラは、伝送路を介して電流センサに接続されている。コントローラは電気信号から被計測電流を算出する。高周波検出器は、電気信号に含まれる所定の周波数よりも高い周波数成分を検出する。可変コンデンサは伝送路の正極線と負極線の間に接続されている。コントローラは、高周波検出器の検出結果に基づいて可変コンデンサの静電容量を調整する。

上記の構成によれば、高周波検出器は電流センサが出力する電気信号に含まれる所定の周波数以上の高周波成分を検出する。高周波成分は、伝送路を含む回路において、コモンモードノイズの周波数により共振が起こることに起因して発生する。高周波検出器が、電流センサが出力する電気信号に高周波成分が含まれることを検出したら、コントローラは可変コンデンサの静電容量を調整する。すなわちコントローラは、伝送路の正極線と負極線の間の静電容量を調整する。これにより伝送路を含む回路の共振周波数が変化するため、伝送路を含む回路において、コモンモードノイズの周波数により共振が起こることを抑制し得る。すなわち、電流センサが出力する電気信号に重畳するノイズを効果的に抑制することができ、被計測電流の計測精度が向上する。

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。

実施例の電流計測装置の回路図である。

図面を参照して実施例の電流計測装置２を説明する。本実施例の電流計測装置２は電気自動車やハイブリッド車に搭載されており、インバータのモータ出力電流値を計測する。但し本明細書が開示する技術は、電気自動車に搭載される電流計測装置には限定されない。また、インバータの出力は三相交流であるが、説明を簡単にするため、以下では１相の電流を計測する装置として電流計測装置２を説明する。

図１に、電流計測装置２の回路図を示す。電流計測装置２は、電流センサ３、伝送路４、コントローラ５、高周波検出器６、可変コンデンサ７を備えている。電流計測装置２は、金属製の筐体に格納されており、筐体は金属製の車両ボディに搭載されている。車両ボディが電流計測装置２のグランドＧに相当する。

電流センサ３は、インバータ（不図示）の出力電流が流れるバスバ５０（金属導体棒）に近接配置されている。電流センサ３は、バスバ５０を流れる被計測電流を検出し、当該被計測電流に基づいて電気信号を出力する。電流センサ３は例えば、ホール素子を用いて被計測電流に基づいて電気信号を出力するホール式電流センサである。電流センサ３には抵抗成分３１と静電容量成分３２が内在する。抵抗成分３１は電流センサ３の出力インピーダンスに相当する。静電容量成分３２は電流センサ３に内在する寄生静電容量である。すなわち、抵抗成分３１と静電容量成分３２は意図的に取り付けられた抵抗器又はコンデンサではないことに留意されたい。

伝送路４は、正極線４ａと負極線４ｂを備えている。伝送路４は例えば銅線である。伝送路４の一端は電流センサ３に接続されている。伝送路４の他端はコントローラ５に接続されている。すなわち、電流センサ３とコントローラ５は伝送路４を介して接続されている。伝送路４は、電流センサ３が被計測電流に基づいて出力した電気信号を、コントローラ５に伝送する。

正極線４ａには抵抗成分４１ａとインダクタ成分４２ａが内在する。抵抗成分４１ａは正極線４ａに内在する寄生抵抗である。インダクタ成分４２ａは正極線４ａに内在する寄生インダクタである。同様に負極線４ｂにも抵抗成分４１ｂとインダクタ成分４２ｂが内在する。抵抗成分４１ｂは負極線４ｂに内在する寄生抵抗である。インダクタ成分４２ｂは負極線４ｂに内在する寄生インダクタである。また正極線４ａと負極線４ｂは向かい合って配置されているため、正極線４ａと負極線４ｂの間には静電容量成分４３が存在する。すなわち、抵抗成分４１ａ、４１ｂは意図的に取り付けられた抵抗器ではなく、同様にインダクタ成分４２ａ、４２ｂは意図的に取り付けられたインダクタではないことに留意されたい。さらに静電容量成分４３も、意図的に取り付けられたコンデンサではない。

コントローラ５は、電流センサ３が出力する電気信号に基づいて、計測対象を流れる被計測電流を算出する。またコントローラ５は高周波検出器６の検出結果に基づいて、可変コンデンサ７の静電容量を調整する。詳しくは後述する。コントローラ５の出力端５ａ、５ｂは、不図示の上位コントローラに接続されており、算出した被計測電流を上位コントローラに伝達する。被計測電流が所定の閾値電流を超えている場合において、上位コントローラはモータに流れる電流を制限する制御を実行する。

電流センサ３が出力する電気信号には、周波数の高いノイズが含まれている可能性がある。電気信号にノイズが含まれていると、コントローラ５は被計測電流を正確に算出できないおそれがある。そこで本実施例の電流計測装置２には、ノイズを検出するために高周波検出器６が備えられている。

高周波検出器６は正極線４ａ上に備えられている。高周波検出器６は、電流センサ３が出力する電気信号に含まれる所定の周波数よりも高い周波数成分を検出する。ここでいう「所定の周波数よりも高い周波数」とは、例えば電流センサ３の計測帯域よりも高い周波数のことを意味する。高周波検出器６は、典型的には、抵抗素子とインダクタ素子とコンデンサ素子が組み合わされたハイパスフィルタである。そのカットオフ周波数が、電流センサ３の帯域の上限値に設定されている。なお、図１の破線矢印は信号の流れを表している。

可変コンデンサ７は正極線４ａと負極線４ｂの間に接続されている。コントローラ５は高周波検出器６の検出結果に基づいて、可変コンデンサ７の静電容量を調整する。すなわち、コントローラ５は高周波検出器６の検出結果に基づいて、正極線４ａと負極線４ｂの間の静電容量を調整する。詳細は後述する。

伝送路４は例えば銅線であり、先に述べたように、電流計測装置２が収容される筐体と、筐体が固定される車両ボディは金属製であり、それらがグランドＧに相当する。グランドＧを実現する筐体と車両ボディにも浮遊容量が存在する。図１では、伝送路４とグランドＧの間の浮遊静電容量を静電容量成分４８ａ、４８ｂで表している。静電容量成分４８ａは、正極線４ａとグランドＧの間の浮遊静電容量である。静電容量成分４８ｂは、負極線４ｂとグランドＧ間の浮遊静電容量である。

伝送路４とグランドＧの間の浮遊静電容量である静電容量成分４８ａ、４８ｂなどにより、伝送路４を含む回路にはノイズが発生する。このようなノイズのノイズ源は、伝送路４を含む回路とグランドＧの間に存在する。ノイズ源が伝送路４を含む回路とグランドＧの間に存在することにより発生するノイズは、コモンモードノイズと呼ばれる。

上記の通り伝送路４には、寄生インダクタであるインダクタ成分４２ａ、４２ｂ、寄生抵抗である抵抗成分４１ａ、４１ｂ、寄生静電容量である静電容量成分４３が存在する。すなわち、伝送路４を含む回路に特定の周波数の電圧が印加されると、伝送路４を含む回路では共振が起こる。上記の特定の周波数は共振周波数と呼ばれる。共振周波数は、伝送路４を含む回路のインダクタンスと、正極線４ａと負極線４ｂの間の静電容量で決まる。

コモンモードノイズが伝送路４を流れる際に、コモンモードノイズの周波数により、伝送路４を含む回路で共振が発生する可能性がある。つまり、コモンモードノイズの周波数と、伝送路４を含む回路の共振周波数が一致していれば、コモンモードノイズの信号（電圧）が伝送路４に印加されることにより共振が発生する。共振が発生することにより伝送路４には共振電流が流れる。ここで「共振電流」とは、コモンモードノイズの信号（電圧）によって伝送路４を流れる電流であって、コモンモードノイズの周波数により、伝送路４を含む回路で共振が発生する場合において伝送路４を流れる電流のことを意味する。共振電流が流れることにより、正極線４ａと負極線４ｂの間には電位差が生じ、さらにこの電位差により伝送路４には電流が流れる。この電流は、正極線４ａと負極線４ｂを逆向きに流れる電流であり、このような電流はノーマルモード電流と呼ばれる。ノーマルモード電流は電流センサ３が出力する電気信号に誤差として上乗せされ、コントローラ５に伝達される。誤差が上乗せされた電気信号をコントローラ５が受け取ってしまうと、被計測電流の計測精度が下がるおそれがある。本明細書では、伝送路４を含む回路で共振が起こることを抑制し、被計測電流の計測精度を向上し得る技術を提供する。

以下では、伝送路４を含む回路の共振周波数と、コモンモードノイズの周波数が一致している場合について説明する。なお、コモンモードノイズは複数の周波数を含む可能性があるため、「共振周波数とコモンモードノイズの周波数が一致」とは、コモンモードノイズに含まれる周波数のうちの１つが、伝送路４を含む回路の共振周波数と一致することを意味する。

高周波検出器６は電流センサ３が出力する電気信号に含まれる所定の周波数よりも高い周波数成分を検出する。ここで検出される所定の周波数よりも高い周波数成分の信号は、コモンモードノイズの信号（電圧）によって伝送路４を流れる電流、すなわち共振電流である。上記の通り、伝送路４に共振電流が流れることにより正極線４ａと負極線４ｂの間に電位差が発生するため、伝送路４にノーマルモード電流が流れる。このノーマルモード電流により、被計測電流の計測精度が下がるおそれがある。

そこでコントローラ５は、可変コンデンサ７の静電容量を調整することにより、正極線４ａと負極線４ｂの間の静電容量を調整する制御を実行する。上記の通り、伝送路４を含む回路の共振周波数は、伝送路４を含む回路のインダクタンスと、正極線４ａと負極線４ｂの間の静電容量で決まる。従ってコントローラ５が可変コンデンサ７の静電容量を調整することにより、伝送路４を含む回路の共振周波数が変化する。よって伝送路４を含む回路の共振周波数と、コモンモードノイズの周波数（静電容量調整前の共振周波数と一致していたコモンモードノイズの周波数）が異なるようになるため、共振が生じなくなる。

なお、上記のように可変コンデンサ７の静電容量を調整した後における伝送路４を含む回路の共振周波数が、コモンモードノイズに含まれる他の周波数と一致する場合も考えられる。この場合は、コントローラ５は可変コンデンサ７の静電容量を再度調整する。コントローラ５は、伝送路４を含む回路の共振周波数が、コモンモードノイズに含まれるすべての周波数と一致しないように、可変コンデンサ７の静電容量を調整する。

例えばコントローラ５は、可変コンデンサ７の容量を最小値から漸増させる。すなわち、コントローラ５は、可変コンデンサ７の容量を周波数スイープさせる。コントローラ５は、容量を漸増させつつ、高周波検知器６が検知するノイズ信号の振幅をモニタする。コントローラ５は、可変コンデンサ７の容量を、高周波検出器６が検出した信号の振幅が最小となる時点における容量に固定する。そのように静電容量に調整することにより、コモンモードノイズの信号（電圧）によって伝送路４を流れる電流が、共振電流よりも小さくなり、従って伝送路４を流れるノーマルモード電流が、共振が起こった時に流れるノーマルモード電流より小さくなる。

以上により、高周波検出器６が検出した所定の周波数よりも高い周波数成分（すなわちコモンモードノイズの周波数）に基づいて、コントローラ５は伝送路４を含む回路において共振が起こらないように、可変コンデンサ７の静電容量を調整する。これにより伝送路４を含む回路の共振周波数は変化するため、伝送路４を含む回路においてコモンモードノイズの周波数により共振が起こることを抑制し得る。従って、伝送路４を流れるノーマルモード電流が、共振が起こった時に流れるノーマルモード電流よりも小さくなるため、電流センサ３が出力する電気信号に誤差が上乗せされることを抑制し、被計測電流の計測精度を向上し得る。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本実施例においては、伝送路４を含む回路の共振周波数とコモンモードノイズの周波数が一致している場合について述べた。しかし、伝送路４を含む回路の共振周波数とコモンモードノイズの周波数が一致していなくても、近い値であれば伝送路４を含む回路に流れる電流は大きくなる。従ってコントローラ５は、伝送路４を含む回路の共振周波数とコモンモードノイズの周波数の差分が所定の値より小さければ、伝送路４を含む回路において共振が起こっていると判断してもよい。この場合においても、コントローラ５は、コモンモードノイズの信号（電圧）によって伝送路４を流れる電流の振幅が最も小さくなるように可変コンデンサ７の静電容量を調整する。これにより、伝送路４を流れるノーマルモード電流が小さくなるため、電流センサ３が出力する電気信号に誤差が上乗せされることを抑制し、被計測電流の計測精度を向上し得る。

以上、本明細書が開示する技術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：電流計測装置
３：電流センサ
４：伝送路
５：高周波検出器
６：可変コンデンサ
７：コントローラ
Ｇ：グランド

Claims (1)

1. 被計測電流に基づいて電気信号を出力する電流センサと、
   前記電気信号を伝送する伝送路と、
   前記伝送路を介して前記電流センサに接続されており、前記電気信号から前記被計測電流を算出するコントローラと、
   前記電気信号に含まれる所定の周波数よりも高い周波数成分を検出する高周波検出器と、
   前記伝送路の正極線と負極線の間に接続されている可変コンデンサと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記高周波検出器の検出結果に基づいて前記可変コンデンサの静電容量を調整する、電流計測装置。

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