JP2020197384A

JP2020197384A - 電流計測装置、電流計測方法及びプログラム

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Publication number: JP2020197384A
Application number: JP2019101808A
Authority: JP
Inventors: 大村　一郎; Ichiro Omura; 一郎大村
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: JP7299606B2

Abstract

【課題】本発明は、高価な電流センサーを用いることなく、直流電流を直接的に計測する電流計測装置等を提供することを目的とする。【解決手段】電気回路における第１導通部を流れる電流値を計測する電流計測装置であって、コイルと、前記第１導通部と正極同士及び負極同士が接続されている第２導通部と、前記第１導通部及び前記第２導通部のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ部と、前記スイッチ部を制御するスイッチ制御部とを備え、前記コイルは、前記第１導通部又は前記第２導通部を囲んでいる、電流計測装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、電流計測装置、電流計測方法及びプログラムに関し、特に、電気回路における第１導線を流れる電流値を計測する電流計測装置等に関する。

リチウムイオン電池等の２次電池は、過充電、過放電、セル毎のアンバランスにより信頼性や蓄電効率が低下する。そのため、各電池の充電・放電電流、又は、電荷の計測により、充放電を制御することが重要である。現状では、2次電池電極間の電圧を検出して電池の充放電保護などを行っている。

特開２０１８−０３３２６０号公報

しかしながら、直接的に充電電荷量（充放電電流）を計測していないため、十分な充電・放電電荷量の把握ができていなかった。

また、コイルの電磁誘導の原理を応用して電流を計測することが知られているが、電流値の変化に対して応答するものであるため、コイルでは交流を計測できても直流を計測することはできない。直流を計測できる電流センサーも存在するが、非常に高価であり、リチウムイオン電池の保護のために用いることは現実的ではない。

結果として、２次電池を確実に保護できず、電池の寿命を著しく損なうことが生じていた。逆に、マージンを多くとる場合には、保護はできたとしても実効的な充電容量が小さくなるという問題も生じていた。

そこで、本発明は、高価な電流センサーを用いることなく、直流電流を直接的に計測する電流計測装置等を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、電気回路における第１導通部を流れる電流値を計測する電流計測装置であって、コイルと、前記第１導通部と正極同士及び負極同士が接続されている第２導通部と、前記第１導通部及び前記第２導通部のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ部と、前記スイッチ部を制御するスイッチ制御部とを備え、前記コイルは、前記第１導通部又は前記第２導通部を囲んでいる、電流計測装置である。

本発明の第２の観点は、第１の観点の電流計測装置であって、前記コイルは、空芯コイルである。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の電流計測装置であって、前記コイルに接続された積分アンプをさらに備える。

本発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点の電流計測装置であって、前記スイッチ部は、並列に存在する第１トランジスタ及び第２トランジスタを有し、前記第１トランジスタは、前記第１導通部に接続されており、前記第２トランジスタは、前記第２導通部に接続されており、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタは、それぞれ順方向が同じ向きとなるように接続されており、前記スイッチ制御部は、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタに流れる電流を制御するゲート電圧制御部であり、前記ゲート電圧制御部は、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタの両方又はいずれか一方がＯＮとなるように制御する。

本発明の第５の観点は、第４の観点の電流計測装置であって、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタと並列に接続された保護ダイオードをさらに備え、前記保護ダイオードは、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタとは順方向が逆向きとなるように接続されている。

本発明の第６の観点は、第４又は第５の観点の電流計測装置であって、並列に接続された前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタと直列に接続された第３トランジスタをさらに備え、前記第３トランジスタの順方向は、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタの順方向とは逆向きとなるように接続されている。

本発明の第７の観点は、第６の観点の電流計測装置であって、前記第１トランジスタの有効面積及び前記第２トランジスタの有効面積の和は、前記第３トランジスタの有効面積以下である。

本発明の第８の観点は、第６又は第７の観点の電流計測装置であって、前記第３トランジスタと並列に接続された第４トランジスタをさらに備え、前記第４トランジスタの順方向は、前記第３トランジスタと同じ向きであり、前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、及び、前記第４トランジスタの有効面積は、ほぼ同じである。

本発明の第９の観点は、第４から第８のいずれかの観点の電流計測装置であって、前記第１導通部は、前記第１トランジスタのソース電極に接続されており前記コイルは、前記第１導通部だけでなく、前記第１トランジスタのゲート電流が流れる第１ゲート導線をも囲むものである。

本発明の第１０の観点は、電気回路における第１導線を流れる電流値を計測する電流計測装置を用いた電流計測方法であって、前記電流計測装置は、コイルと、前記第１導通部と正極同士及び負極同士が接続されている第２導通部と、前記第１導線及び前記第２導線のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ部と、前記スイッチ部を制御するスイッチ制御部と、前記電流値を計測する計測部とを備え、前記コイルは、前記第１導通部又は前記第２導通部を囲んでおり、前記スイッチ制御部が、前記スイッチ部を制御して、前記第１導通部又は前記第２導通部のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御ステップと、前記計測部が、前記第１導通部の電流値として得られたピーク値から前記第１導通部に流れる電流を計測する計測ステップとを含む、電流計測方法である。

本発明の第１１の観点は、前記制御ステップにおいて、前記スイッチ制御部が、前記スイッチ部を制御して、前記第１導通部と前記第２導通部のいずれか一方のみをオフとする制御を行い、前記計測ステップの後に、前記スイッチ制御部が、前記スイッチ部を制御して、第１導通部及び第２導通部の両方に電流を流させる回復ステップをさらに含む。

本発明の第１２の観点は、第１０又は第１１の観点の電流計測方法であって、前記コイルに接続された積分アンプをさらに備え、前記制御ステップにおいて、前記スイッチ制御部が、前記スイッチ部を制御して、前記第１導通部と前記第２導通部のいずれか一方のみをオフとする制御を複数回切り替えて行い、前記計測ステップにおいて、前記計測部が、前記第１導通部の電流値として得られた複数のピーク値から前記第１導通部に流れる電流を計測する。

本発明の第１３の観点は、コンピュータを、第１０から第１２のいずれかの観点に記載の電流計測方法における前記スイッチ制御部及び前記計測部として機能させるためのプログラムである。

本発明の各観点によれば、高価な電流センサーを用いることなく、コイルを用いて直流電流を直接的に計測することが可能となる。

また、本発明の第２の観点によれば、空芯コイルを用いるため、発明者らが開発したプリント基板でも実現可能となる。コイルをプリント技術で形成可能となることにより、本発明に基づく電流計測装置を効率的に生産することが容易となる。特に、二重巻きのロゴスキーコイルを用いることにより、より正確に微分波形を取得でき、正確なピーク値を得ることが可能となる。

さらに、本発明の第３の観点によれば、デルタ関数のようなピークではなく、時間軸に一定の幅を持たせたピークを得ることが可能となる。そのため、ピーク値の計測の見逃しをしにくくなり、正確な電流値を計測することが容易となる。

さらに、本発明の第４の観点によれば、例えば、従来のリチウムイオン電池のようにトランジスタを用いた電流制御回路に本発明の電流計測装置を適用することが容易となる。

さらに、本発明の第５の観点によれば、第１トランジスタや第２トランジスタに内蔵されたダイオードの順方向とは逆方向に大電圧が印加された際に、保護ダイオードに大電流が流れて第１トランジスタや第２トランジスタを保護することが可能となる。

さらに、本発明の第６の観点によれば、本発明に係る電流計測装置を容易に構成できる。例えば、従来のリチウムイオン電池を制御する複数のトランジスタが直列に並んで配置されている場合に、片方のトランジスタに代えて第１トランジスタ及び第２トランジスタの並列回路とすることにより、スムーズに本発明の構成を導入することが可能となる。

さらに、本発明の第７の観点によれば、第６の観点において、片方のトランジスタを第１トランジスタ及び第２トランジスタの並列回路とした場合に、元の構成と抵抗値を大きく変化させずに済む。そのため、スムーズに本発明の構成を導入することがさらに容易となる。

さらに、本発明の第８の観点によれば、例えば、従来のリチウムイオン電池に本発明を導入する際、チップを左右反転させても問題なく機能するため、生産工程で左右を気にする必要がなくなる。そのため、スムーズに本発明の構成を導入することがさらに容易となる。

ここで、本当に計測したいのはドレイン電流であるが、直列に配置された２つの電解効果トランジスタのコモンドレインがチップの内部で接続されてコイルでドレイン電極に接続された導線を囲むことができないことも想定される。この場合、ソース電極に接続された導線をコイルで囲む必要がある。しかし、ソース電極に接続された第１導線には、ソース電流に加えてスイッチングの際のゲート電流も流れていて計測に誤差が生じてしまう。

そこで、本発明の第９の観点によれば、第１導通部に加えて第１ゲート導線も囲むことにより、第１導通部に流れるゲート電流分をキャンセルして、純粋にドレイン電流に対応する電流値を計測することが可能となる。

さらに、本発明の第１１の観点によれば、電流値を測定する時以外は第１導通部及び第２導通部の両方をＯＮとすることにより、第１導通部及び第２導通部の導通損失を低減することが可能となる。

本発明に係る電流計測装置の概要を示すブロック図である。本発明に係る電流計測装置１の動作の概要を示す図である。実施例１に係る電流計測装置１の回路の一例を示す図である。実施例１に係るゲート電圧制御部の回路の一例を示す図である。本発明に係る空芯コイルの使用方法の一例を示す図である。実施例２に係る電流計測装置におけるトランジスタの配置の一例を示す図である。従来のリチウムイオン電池を含む保護回路の一例を示す図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の実施の形態は、以下の内容に限定されるわけではない。

図７は、従来のリチウムイオン電池を含む保護回路の一例を示す図である。従来の保護回路１０１は、リチウムイオン電池１０３と、キャパシタ１０５と、抵抗１０７と、抵抗１０９と、トランジスタ１１１と、トランジスタ１１３と、保護ＩＣ１１５と、抵抗１１７とを備える。

リチウムイオン電池１０３は、キャパシタ１０５及び抵抗１０７と、キャパシタ１０５に近い接続点１１８、及び、抵抗１０７に近い接続点１１９とにおいて、並列に接続されている。また、リチウムイオン電池１０３、キャパシタ１０５及び抵抗１０７の並列回路部は、抵抗１０９、トランジスタ１１１、トランジスタ１１３と順に直列に接続されている。

保護ＩＣ１１５は、端子Ｖ_ＤＤ、端子Ｖ_ＳＳ、端子Ｒ_{ＳＥＮＳＥ}、端子Ｄ_ｏｕｔ、端子Ｃ_ｏｕｔ、端子Ｖ₋を有する。保護ＩＣ１１５は、キャパシタ１０５と並列に接続されている。具体的には、端子Ｖ_ＳＳが、キャパシタ１０５と接続点１１８の間の接続点１２１と接続されており、端子Ｖ_ＤＤが、キャパシタ１０５と抵抗１０７の間の接続点１２３と接続されている。また、端子Ｒ_{ＳＥＮＳＥ}が、抵抗１０９とトランジスタ１１１の間の接続点１２５と接続されている。端子Ｄ_ｏｕｔ、端子Ｃ_ｏｕｔは、それぞれ、トランジスタ１１１及びトランジスタ１１３のゲート電極と接続されている。端子Ｖ₋は、抵抗１１７を介して、トランジスタ１１３と接続された接続点１２７に接続されている。

図１は、本実施例に係る電流計測装置１（本願請求項における「電流計測装置」の一例である）の概要を示すブロック図である。図１を参照して、電流計測装置１は、空芯コイル３（本願請求項における「コイル」の一例である）と、不完全積分アンプ５（本願請求項における「積分アンプ」の一例である）と、計測部７と、第１トランジスタ９（本願請求項における「第１トランジスタ」の一例である）と、第２トランジスタ１１（本願請求項における「第２トランジスタ」の一例である）と、第３トランジスタ１３（本願請求項における「第３トランジスタ」の一例である）と、ゲート電圧制御部１５と、保護ダイオード１７（本願請求項における「保護ダイオード」の一例である）を備える。

電流計測装置１は、直流電流を計測する。空芯コイル３は、導線等の直流電流の経路を囲んで、直流電流の計測に用いられる。不完全積分アンプ５は、電流のピーク幅を拡げるために用いられる。計測部７は、電流のピーク値を計測する。第１トランジスタ９は、第１導線に接続されており、第１導線に流れる電流を制御する。第２トランジスタ１１は、第２導線に接続されており、第２導線に流れる電流を制御する。なお、第１トランジスタ９と第２トランジスタ１１とは、並列に接続されている。すなわち、電源が接続された場合の第１導線と第２導線の正極側の端同士と、負極側の端同士が、それぞれ接続されている。第１トランジスタ９がオンで第２トランジスタがオフとなったときに第１導線に流れる電流の大きさと、第１トランジスタがオフで第２トランジスタ１１がオンとなったときに第２導線に流れる電流の大きさは同じである。第１導線と第２導線をそれぞれ電気回路の部位とみると、少なくともそれぞれＯＮとなっているときには、それぞれの部位が両端で電気的に接続されているという意味で、第１導線と第２導線は並列に接続されているといえる。第３トランジスタ１３は、第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１と直列に接続されている。ゲート電圧制御部１５は、第１トランジスタ９、第２トランジスタ１１、第３トランジスタ１３のゲート電極に印加するゲート電圧を制御して、各トランジスタのオン／オフを制御する。保護ダイオード１７は、第１トランジスタ及び第２トランジスタと並列に接続されており、第１トランジスタ及び第２トランジスタとは順方向が逆向きとなるように接続されている。少なくとも第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１は、本願請求項における「スイッチ部」の一例である。また、ゲート電圧制御部１５は、本願請求項における「スイッチ制御部」及び「ゲート電圧制御部」の一例である。

図２は、本実施例に係る電流計測装置１の動作の概要を示す図である。図２を参照して、スイッチ部ＳＷ、第１導線２１（本願請求項における「第１導通部」の一例である）、第２導線２３（本願請求項における「第２導通部」の一例である）を含む回路において、第１導線２１に流れる電流を計測するとする。第１導線２１をロゴスキーコイル等の空芯コイル３が囲んでおり、空芯コイル３に不完全積分アンプが接続されている。なお、発明者らは、プリント基板を貫通する形で空芯コイルを搭載可能とした。このため、サイズ、高さ、発熱が問題とならずにコイルを回路に組み込むことが可能となる。

図２（ａ）に示す向きに直流電流が流れている状態で、スイッチ部ＳＷが接続を切り替えた瞬間には、電流のオン／オフが生じるため、コイルが電流の変化を受けて電磁誘導によりコイルに電圧が生じる。図２（ｂ）に示すように、切り替える度に不完全積分アンプの出力電圧が生じ、A,B切り替えのスイッチング時間が不完全積分アンプの時定数に比べて十分高速であれば、電圧の振幅は流れる電流値に正確に比例する。また、流れる直流電流の向きを反対にすると、生じる電圧の位相が反転する。

続いて、本実施例の電流計測装置１の具体的な回路について述べる。図３は、本実施例に係る電流計測装置１の回路の一例を示す図である。図３に示すように、本実施例に係る電流計測装置１は、例えば図７に示す２つのトランジスタと置き換えることにより、リチウムイオン電池等の保護用回路に内蔵することが可能である。

図３（ａ）に示す電流計測装置１は、空芯コイル３と、不完全積分アンプ５と、計測部７と、第１トランジスタ９と、第２トランジスタ１１と、第３トランジスタ１３と、図示しないゲート電圧制御部と、アナログ・デジタル・コンバータ２５とを備える。第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１は並列に接続されており、これらが第３トランジスタ１３に直列に接続されている。さらに、第３トランジスタ１３は、リチウムイオン電池等の直流電源２７に直列に接続されている。第1トランジスタ、第2トランジスタ及び第3トランジスタをすべてオフすると、リチウムイオン電池を保護できる。第１導線を囲む空芯コイル３は、不完全積分アンプ５、計測部７、デジタル・アナログ・コンバータ２５に順に直列に接続されている。

図３（ｂ）を参照して、第１導線に流れる直流電流の電流値を計測するフローについて説明する。まず、第２トランジスタ１１が短時間だけ第２導線２３に流れる電流をＯＦＦにする。このとき、第１導線２１に流れる直流電流の増加を受けて、空芯コイル３に電磁誘導により電圧が生じる。この電圧ピークは、不完全積分アンプにより一定の時間をかけて減衰していく。続いて、第２トランジスタ１１が第２導線２３に流れる電流をＯＮにすると同時に、第１トランジスタ９が第１導線２１に流れる電流をＯＦＦにする。このとき、第１導線２１に流れる直流電流の減少を受けて、空芯コイル３に電磁誘導により先ほどとは逆向きの電圧が生じる。このように、切替ステップを複数回繰り返すことにより、複数の電圧ピークが得られ、正確なピーク値を得ることが容易となる。

また、電流を計測する以外の時間は、常時、第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１の両方をＯＮにしておく。これにより、導通損失を低減できる。なお、第３トランジスタ１３は、リチウムイオン電池を保護する場合以外は常時ＯＮとなっている。このように、本検出回路はもともとリチウムイオン電池に付加されている従来の保護回路に用いられている第２トランジスタ及び第３トランジスタに、第２トランジスタ又は第３トランジスタと並列に接続されている第１トランジスタ、第１トランジスタが接続されている第１導線を囲む空芯コイル３、不完全積分アンプ５、計測部７、デジタル・アナログ・コンバータ２５及び図示していない制御回路を付加することで容易に構成できる。

ここで、非常に良い積分アンプであれば高精度になる。ただし、時定数が非常に長くなるため、リセット回路を付加する。リセット回路は、一定時間後に積分回路の出力を０Ｖに戻すための回路であり、オペアンプの帰還回路のコンデンサにたまった電荷を放電するスイッチ回路である。不完全積分回路であっても、精度を上げるためには時定数を長くして、リセット回路を付けることとなる。その分、回路は複雑になる。

リセット回路がない不完全積分回路の場合、回路が単純になるメリットがある。この場合、不完全積分回路の時定数は、スイッチ部の切り替えの間隔（図２におけるＡやＢの期間）より十分に短くする必要がある。また、ＯＮからＯＦＦ、ＯＦＦからＯＮへの遷移時間よりは十分に長い必要がある。

例えば、ＯＮ／ＯＦＦの遷移期間をＴ１、不完全積分回路の時定数をＴ２、スイッチ部の切り替えと切り替えの間隔をＴ３とすると、リセット回路を付けない積分アンプを用いる場合の誤差の最大値は、Ｔ１／Ｔ２＋ＥＸＰ（−Ｔ３／Ｔ２）となる。電池の電荷を計測する場合の誤差を１％以下とするには、上記の値を0.01以下とすることになる。

リチウムイオン電池の保護回路とは別に電流検出装置とするときは、第３トランジスタ１３を用いず、保護用のダイオード１７を付加して、必ず電流導通が確保できるようにする。なお保護ダイオードはPN接合ダイオードやショットキーバリアダイオードであり、順方向導通の閾値電圧（電流が流れ始める順方向電圧）が0.1V以上１V未満のものを用いると良い。0.1Vより低いと、保護が必要ない場合でも若干の電流が保護ダイオードに流れて測定精度を低下させる。１V以上であると、保護時の発熱が大きい。

ここで、第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１が同時にＯＦＦとなると、電流が流れないこととなる。これは、ペースメーカーのように常時ＯＮであることを前提とする機器にとって問題となり得る。

そこで、図４を参照して、第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１の両方がＯＦＦとならないための制御回路について述べる。図４は、本実施例に係るゲート電圧制御部の回路の一例を示す図である。

第１トランジスタ９のゲート電極Ｇ１には、ゲート駆動回路ＧＤ１の出力線が接続されている。ゲート駆動回路ＧＤ１の入力側にはＡＮＤ回路Ａ１の出力線が接続されている。ＡＮＤ回路Ａ１の入力側には、図７にＤ_ｏｕｔで示されているコントロールＩＣの出力線と、ＯＲ回路Ｏ１の出力線が接続されている。ＯＲ回路Ｏ１の入力側には、ＮＯＴ回路Ｎ１の出力線と、電流検出時の第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１への信号線とが接続されている。ＮＯＴ回路Ｎ１の入力側は、電流検出時の第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１への信号線に接続されている。

第２トランジスタ１１のゲート電極Ｇ２には、ゲート駆動回路ＧＤ２の出力線が接続されている。ゲート駆動回路ＧＤ２の入力側にはＡＮＤ回路Ａ２の出力線接続されている。ＡＮＤ回路Ａ２の入力側には、コントロールＩＣの出力線と、電流検出時の第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１への信号線とが接続されている。

コントロールＩＣの出力線は、通常動作時はHigh、保護時にLowの信号を出力する。そのため、通常動作時に第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１への制御信号が両方Lowの誤信号の場合、ＮＯＴ回路Ｎ１の出力がHighになり、ＯＲ回路Ｏ１の出力もHighになる。その結果、ＡＮＤ回路Ａ１がHighを出力して第１トランジスタ９をＯＮにする。通常動作のその他の場合は、電流検出時の第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１への信号に従って、ゲート電極Ｇ１及びＧ２にゲート信号が出力される。したがって、ＡＮＤ回路Ａ１及びＡＮＤ回路Ａ２が同時にLowを出力しない構成である。結果として、第１トランジスタ９と第２トランジスタ１１とが通常動作時には同時にＯＦＦとならないようになっている。

保護時には、コントロールＩＣの出力に基いてＡＮＤ回路Ａ１及びＡＮＤ回路Ａ２の出力が両方Lowになり、第１トランジスタ９及び第２トランジスタ１１が両方OFFとされ、リチウムイオン電池に流れる電流が遮断される。

図５は、本実施例に係る空芯コイル３の使用方法の一例を示す図である。一般に、複数のＭＯＳＦＥＴが１チップに共通ドレインで形成されている場合、ＭＯＳＦＥＴのパッケージからドレイン端子が引き出されていない。この場合、ドレイン電流を求めるには、ソース側にセンサを入れることをまず考える。しかし、電池に流れている電流には、ソース電流とゲート電流が含まれている。そのため、ソース電流が流れる導線のみを計測すると、電池に流れている電流のうち、ゲートに流れる電流分だけ誤差が生じてしまう。

そこで、図５（ａ）に示すように、ソース電流が流れる導線とゲート電流が流れる導線（本願請求項における「第１ゲート導線」の一例）を両方含むように空芯コイル３に囲ませる。こうすると、ゲート電流が流れる導線内のゲート電流と、ソース電流が流れる導線に流れる電流のうちゲート電流成分が反対向きであるため、お互いにキャンセルされる。結果として、ドレイン電流に対応する電流成分を正確に計測することが可能となる。

また、ＭＯＳＦＥＴがドライバを内蔵する場合や、ドライバをＭＯＳＦＥＴの直近に配置する場合は、図５（ｂ）に示すように、ドライバのＶ＋配線、スイッチング信号線を空芯コイル３の中に通す。このようにすることで、特に小電流の際の精度が向上する。

図６は、本実施例に係る電流計測装置におけるトランジスタの配置の一例を示す図である。図３において、第３トランジスタ１３のみだった部分を、第３トランジスタ１３及び第４トランジスタ３１の並列配置とした。

このような配置とすることで、対称性が高くなるため、装置の取り付けの際に部品を反転させても製造エラーを生じるリスクを低減することが可能となる。

なお、本実施例では、リチウムイオン二次電池の保護回路を例示したが、他の用途に応用されてもよい。例えば、一般的な二次電池の保護回路、太陽光発電の発電電流計測や太陽光パネルの保護回路に応用されてもよい。また、将来、家庭、ビル、データセンターなどで直流配電が使われるようになる場合には、分電盤での電流計測に用いることも可能である。さらに、産業用モータ等の巻き線電流計測や、半導体によるブレーカ機器に電流計測機能を組み込むことに用いることも可能である。

１；電流計測装置、３；空芯コイル、５；不完全積分アンプ、７；計測部、９；第１トランジスタ、１１；第２トランジスタ、１３；第３トランジスタ、１５；ゲート電圧制御部、１７；保護ダイオード、２１；第１導線、２３；第２導線、２５；アナログ・デジタル・コンバータ、２７；直流電源、３１；第４トランジスタ

Claims

電気回路における第１導通部を流れる電流値を計測する電流計測装置であって、
コイルと、
前記第１導通部と正極同士及び負極同士が接続されている第２導通部と、
前記第１導通部及び前記第２導通部のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ部と、
前記スイッチ部を制御するスイッチ制御部とを備え、
前記コイルは、前記第１導通部又は前記第２導通部を囲んでいる、電流計測装置。
前記コイルは、ロゴスキーコイルである、請求項１記載の電流計測装置。
前記コイルに接続された積分アンプをさらに備える、請求項１又は２記載の電流計測装置。
前記スイッチ部は、並列に存在する第１トランジスタ及び第２トランジスタを有し、
前記第１トランジスタは、前記第１導通部に接続されており、
前記第２トランジスタは、前記第２導通部に接続されており、
前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタは、それぞれ順方向に直列接続されており、
前記スイッチ制御部は、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタにゲート電圧を印加するゲート電圧制御部であり、
前記ゲート電圧制御部は、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタの両方又はいずれか一方がＯＮとなるように制御する、請求項１から３のいずれかに記載の電流計測装置。
前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタと並列に接続された保護ダイオードをさらに備え、
前記保護ダイオードは、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタとは順方向が逆向きとなるように接続されている、請求項４記載の電流計測装置。
並列に接続された前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタと逆方向に直列接続された第３トランジスタをさらに備える、請求項４又は５記載の電流計測装置。
前記第１トランジスタの有効面積及び前記第２トランジスタの有効面積の和は、前記第３トランジスタの有効面積以下である、請求項６記載の電流計測装置。
前記第３トランジスタと並列に接続された第４トランジスタをさらに備え、
前記第４トランジスタの順方向は、前記第３トランジスタと同じ向きであり、
前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、及び、前記第４トランジスタの有効面積は、ほぼ同じである、請求項６又は７記載の電流計測装置。
前記第１導通部は、前記第１トランジスタのソース電極に接続されており
前記コイルは、前記第１導通部だけでなく、前記第１トランジスタのゲート電流が流れる第１ゲート導線をも囲むものである、請求項４から８のいずれかに記載の電流計測装置。
電気回路における第１導線を流れる電流値を計測する電流計測装置を用いた電流計測方法であって、
前記電流計測装置は、
コイルと、
前記第１導通部と正極同士及び負極同士が接続されている第２導通部と、
前記第１導線及び前記第２導線のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ部と、
前記スイッチ部を制御するスイッチ制御部と、
前記電流値を計測する計測部とを備え、
前記コイルは、前記第１導通部又は前記第２導通部を囲んでおり、
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ部を制御して、前記第１導通部又は前記第２導通部のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御ステップと、
前記計測部が、前記第１導通部の電流値として得られたピーク値から前記第１導通部に流れる電流を計測する計測ステップとを含む、電流計測方法。
前記制御ステップにおいて、前記スイッチ制御部が、前記スイッチ部を制御して、前記第１導通部と前記第２導通部のいずれか一方のみをオフとする制御を行い、
前記計測ステップの後に、前記スイッチ制御部が、前記スイッチ部を制御して、第１導通部及び第２導通部の両方に電流を流させる回復ステップをさらに含む、請求項１０記載の電流計測方法。
前記コイルに接続された積分アンプをさらに備え、
前記制御ステップにおいて、前記スイッチ制御部が、前記スイッチ部を制御して、前記第１導通部と前記第２導通部のいずれか一方のみをオフとする制御を複数回切り替えて行い、
前記計測ステップにおいて、前記計測部が、前記第１導通部の電流値として得られた複数のピーク値から前記第１導通部に流れる電流を計測する、請求項１０又は１１記載の電流計測方法。
コンピュータを、請求項１０から１２のいずれかに記載の電流計測方法における前記スイッチ制御部及び前記計測部として機能させるためのプログラム。