JP4321412B2

JP4321412B2 - 電流計測装置

Info

Publication number: JP4321412B2
Application number: JP2004255254A
Authority: JP
Inventors: 知樹伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: JP2006071457A

Description

本発明は、電流路に流れる電流を、電流によって磁性体コアのギャップ中に生じる磁束を磁気センサで検出することにより求める電流計測装置に関するものである。

近年、車両用のバッテリの電流は、電装機器の増加に伴い非常に大きくなり、瞬間的に数百Ａのオーダに達している。一方で、車両の燃料消費を低減するために、加速中は発電機による発電を中止し、減速中に発電量を増やす等のエンジン−充電制御が行われるようになっている。係るエンジン−充電制御においても、バッテリの容量を低下させないよう適切に充電を行うために、バッテリの放電電流−充電電流を正確に検出することが要求されるようになっている。

一般的に、バッテリ電流のような大電流を検出するための電流計測装置では、図９に示すように電流路１２を囲むようにＣ字形状の磁性体コア２０を設け、該磁性体コア２０のギャップＧａに磁気センサ１４を配置し、電流路１２に流れる電流を、電流により磁性体コア２０内に生じる磁束を磁気センサ１４によって検出することにより求めている。
特許文献１には、磁界検知にＭＩ素子を使用し、かつこの素子に交流電流を印加することにより、微弱な直流電流の検知精度を向上させた電流計測装置が開示されている。
特許文献２には、大電流用、小電流用の２つのホールＩＣを用い、電流値に合わせて回路をオン／オフし、大電流用ホールＩＣ、小電流用ホールＩＣを選択使用する電流計測装置が開示されている。
特開２００２−２８６７６４号公報特開２００３−１６７００９号公報

しかしながら、図９に示す磁性体コアを用いる電流計測装置では、強磁性体である磁気センサに発生する磁気ヒステリシスの影響で、電流ゼロの際の誤差を避けることができなかった。即ち、大電流を流した際に磁性体コア２０が磁化して残留磁束が残り、電流ゼロの際にも残留磁束分だけの電流値を検出することになる。ここで、電流路１２に電流を一定方向に流す場合には残留磁束分の補正値を検出回路のＲＯＭに保持することで対応可能であるが、車両用バッテリーのように電流路１２へ双方向（充電電流−放電電流）へ電流を流す場合には、流れる電流の大きさ、向きによって残留磁束値が常に変化するため、予め補正値を保持する方法では対処できない。

更に、図９に示す磁性体コアを用いる電流計測装置では、電流路１２に大電流を流すと、磁性体コア２０の磁束密度が集中し、ヒステリシスが大きくなる。電流路１２に数百Ａオーダの大電流を流すと、磁性体コア内で磁気飽和してしまい、正確に電流を検出できなくなるという課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、電流を正確に測定できる電流計測装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、電流路（バスバー）１２に流れる電流を検出する電流計測装置１０であって、
前記電流路１２を囲むように配置されギャップを備える磁性体コア２０と
前記ギャップに配置される感度の異なる第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂと、
前記第１磁気センサ１４ａの出力と前記第２磁気センサ１４ｂの出力から前記磁性体コア２０の残留磁束密度Ｂｒを補正して前記電流路１２に流れる電流Ｉを検出する電流検出回路３０と、を備えることを技術的特徴とする。

請求項２の発明は、電流路（バスバー）１２に流れる電流を検出する電流計測装置１０であって、
前記電流路１０を囲むように配置され狭ギャップＧａ及び広ギャップＧｂを備える磁性体コア２０と
前記狭ギャップＧａに配置される第１磁気センサ１４ａと
前記広ギャップＧｂに配置される第２磁気センサ１４ｂと、
前記第１磁気センサ１４ａの出力と前記第２磁気センサ１４ｂの出力から前記磁性体コア２０の残留磁束密度Ｂｒを補正して前記電流路１２に流れる電流Ｉを検出する電流検出回路３０と、を備えることを技術的特徴とする。

請求項１の電流計測装置１０では、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとで磁束を検出する際に、同じ値の残留磁束Ｂｒを検出するため、この残留磁束Ｂｒ分を補正してこの影響を無くすことで、正確に電流を検出することができる。

請求項２の電流計測装置では、狭ギャップＧａに配置される第１磁気センサ１４ａと、広ギャップＧｂに配置される第２磁気センサ１４ｂとでは、狭ギャップＧａと広ギャップＧｂとで磁束密度が異なり感度が違っている。しかし、残留磁束Ｂｒ分は同じ値となる。このため、感度の異なる第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとで磁束を検出することで、同じ値の残留磁束Ｂｒ分を補正してこの影響を無くすことが可能となり、これにより、正確に電流を検出することができる。請求項２の構成では、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとを同一の物を用いることができる。

請求項３では、広ギャップＧｂを、狭ギャップＧａにより最も磁束密度の高くなる狭ギャップＧａの反対側に設けてあるので、広ギャップＧｂで磁気漏れが生じ、磁性体コア２０での磁気飽和を防止でき、大電流を正確に測定することが可能になる。

請求項４では、狭ギャップＧａ及び広ギャップＧｂを１のギャップＧに設けてあるので、磁性体コア２０を分割する必要が無く、磁性体コア２０の構造を簡略化できる。請求項４の構成では、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとを同一の物を用いることができる。

請求項５では、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとでは感度が違っている。しかし、残留磁束Ｂｒ分は同じ値を検出することになる。このため、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとで磁束を検出する際に、同じ値の残留磁束Ｂｒ分を補正してこの影響を無くすことが可能となり、これにより、正確に電流を検出することができる。請求項５の構成では、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとを同一のギャップＧに配置できるので、磁性体コア２０の構造を簡略化できる。

請求項６では、磁性体コア２０に、磁束測定用のギャップＧａに加えて、磁気飽和防止用のギャップＧｃを設けてあるので、当該磁気飽和防止用のギャップＧｃで磁束が漏れることにより、磁性体コア２０での磁気飽和を防止でき、大電流を正確に測定することが可能になる。

以下本発明の実施形態に係る電流計測装置について図を参照して説明する。
[第１実施形態]
図１及び図２を参照して本発明の第１実施形態に係る電流計測装置について説明する。図１（Ａ）は、第１実施形態に係る電流計測装置の構成を示す斜視図である。
電流計測装置１０は、車両用のバッテリの放電電流−充電電流を測定するためのものであり、バッテリに接続されたバスバー１２と、バスバー１２を取り囲むように配置された磁性体コア２０とを備える。板状の磁性体コア２０は、バスバー１２に対して垂直面上に配置される。磁性体コア２０には、中央にバスバー１２を挿通させるための通孔２１と、ギャップの間隔の狭い狭ギャップＧａと、間隔の広い広ギャップＧｂとが形成されている。広ギャップＧｂは、バスバー１２を挟んだ狭ギャップＧａの反対側に設けられ、広ギャップＧｂは幅（間隔）２mmに、狭ギャップＧａは幅１mmに設定されている。狭ギャップＧａには、該バスバー１２を流れる電流Ｉによって発生する磁束Ｂを検出するホール素子からなる第１磁気センサ１４ａが、広ギャップＧｂに第１磁気センサ１４ａと同じ磁気センサから成る第２磁気センサ１４ｂが配置されている。

バスバー１２は、黄銅等の良導電性金属からなり、幅Ｗ１は２０mm、厚みＨ１は２mmに形成されている。バスバー１２及び第１、第２磁気センサ１４ａ、１４ｂを搭載する磁性体コア２０は、図示しないケーシング内に収容されている。

図１（Ｂ）に、狭ギャップＧａと広ギャップＧｂとの電流と磁界強度との関係グラフを示す。
ここで、狭ギャップＧａでは磁束強度が高く、広ギャップＧｂでは磁束強度が低くなる。一方、バスバー１２を流れる電流がゼロの際には、狭ギャップＧａも広ギャップＧｂも同じ残留磁束Ｂｒ値になる。この残留磁束Ｂｒ分により、電流ゼロの際にも、広ギャップＧｂ側の第２磁気センサ１４ｂでは、電流Ｉｒが検出されることになる。例えば、広ギャップＧｂの第２磁気センサ１４ｂで磁束強度Ｂβを測定した際の電流値Ｉexpは、残留磁束Ｂｒによる電流値Ｉｒ分が誤差となり、電流値Ｉexpから電流値Ｉｒを減じた電流値Ｉ＊が正しい値となる。

第１実施形態の電流計測装置では、狭ギャップＧａに配置される第１磁気センサ１４ａと、広ギャップＧｂに配置される第２磁気センサ１４ｂとでは、磁束密度が異なり感度が違っている。しかし、残留磁束Ｂｒ分は同じ値となる。このため、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとで磁束を検出し、同じ値の残留磁束Ｂｒ分を補正してこの影響を無くすことで、正確に電流を検出する。

第１実施形態の電流計測装置の電流補正についてのブロック図を図２に示す。
図１中に示す第１磁気センサ１４ａ及び第２磁気センサ１４ｂは、電流検出回路３０に接続されている。磁性体コア２０に設けられた狭ギャップＧａでは、バスバー１２の電流Ｉが磁束密度Ｂ1に変換され、広ギャップＧｂでは、バスバー１２の電流Ｉが磁束密度Ｂ2に変換される。狭ギャップＧａに設けられる第１磁気センサ１４ａでは、狭ギャップＧａの磁束密度を値Ｂ1として検出する。広ギャップＧｂに設けられる第２磁気センサ１４ｂでは、広ギャップＧｂの磁束密度を値Ｂ2として検出する。電流検出回路３０は、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとの出力から、正しい電流値Ｉ＊を計算により求める。

即ち、狭ギャップＧａの磁束密度Ｂ1、広ギャップＧｂの磁束密度Ｂ2としたとき、磁束密度Ｂ1、磁束密度Ｂ2は次式で表される。

ここで、Ｉ＊は実測の電流値、ａは狭ギャップＧａの第１磁気センサ１４ａの磁気感度、ｂは広ギャップＧｂの第２磁気センサ１４ｂの磁気感度、Ｂｒは残留磁束密度である。

電流値Ｉ＊は、上記数１を基に次式により求めることができる。
Ｉ＊＝（Ｂ2−Ｂ1）／（ｂ−ａ）

ここで、図９に示す従来技術のように狭ギャップＧａのみを設けた場合には、狭ギャップＧａのバスバー１２を挟んだ反対側で磁性体コア２０内の磁束が最大になる。このため、第１実施形態では、磁気飽和防止用のギャップＧｂを、磁束測定用のギャップＧａにより最も磁束密度の高くなる反対側に設けてあるので、磁性体コア２０での磁気飽和を防止でき、大電流を正確に測定することが可能になる。

図３を参照して第１実施形態の磁性体コア２０の製造方法について説明する。
図３（Ａ）に示すようにニッケル−鉄から主としてなる強磁性体の所定形状のコア板２４を用意し、図３（Ｂ）に示すように例えば３枚重ねてカシメて磁性体コア上片２４Ａを製造する。同様にして磁性体コア下片２４Ｂを製造する（図３（Ｃ））。そして、図１（Ａ）に示すように、バスバー１２の上側に磁性体コア上片２４Ａを、下側に磁性体コア下片２４Ｂを配置させた状態で、狭ギャップＧａ側に第１磁気センサ１４ａを、広ギャップＧｂ側に第２磁気センサ１４ｂを配置させる。

[第１実施形態の第１改変例]
引き続き、第１実施形態の第１改変例に係る電流計測装置について図４を参照して説明する。
上述した第１実施形態では、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとの出力から電流値Ｉ＊を算出した。これに対して、第１実施形態の改変例では、電流値が小さい場合には感度が高い第１磁気センサ１４ａを用い、電流値が大きい場合には感度が低い第２磁気センサ１４ｂを用いる。

図４は、第１実施形態の第１改変例に係る電流検出回路３０での処理を示すフローチャートである。
まず、所定周期に成ったか（例えば１００ms）かを判断し（Ｓ１１２）、所定周期になった際には（Ｓ１１２：Ｙｅｓ）、第１磁気センサ１４ａ及び第２磁気センサ１４ｂの出力から磁性体コア２０の残留磁束密度Ｂｒを測定する（Ｓ１１４）。そして、広ギャップＧｂからの出力に基づき、大電流（例えば１０Ａ以上）を測定するか否かを判断する（Ｓ１１６）。ここで、大電流では無い場合には（Ｓ１１６：Ｎｏ）、第１磁気センサ１４ａの出力を測定した残留磁束密度Ｂｒにより補正することで電流を検出する（Ｓ１２０）。他方、大電流の場合には（Ｓ１１６：Ｙｅｓ）、第２磁気センサ１４ｂの出力を測定した残留磁束密度Ｂｒにより補正することで電流を検出する（Ｓ１２０）。

この第１実施形態の第１改変例では、小電流を感度の高い第１磁気センサ１４ａを用い、大電流を感度が低い第２磁気センサ１４ｂを用いて測定するため、小電流から大電流まで高精度で検出できる利点がある。

[第１実施形態の第２改変例]
引き続き、第１実施形態の第２改変例に係る電流計測装置について図５（Ａ）を参照して説明する。
図５（Ａ）は、第１実施形態の第２改変例に係る電流計測装置を示す斜視図である。図１（Ａ）を参照して上述した第１実施形態では、狭ギャップＧａに第１磁気センサ１４ａを、広ギャップＧｂに第２磁気センサ１４ｂを配置した。これに対して、第１実施形態の第２改変例では、第１磁気センサ１４ａが狭ギャップＧａの幅（間隔１mm）に合わせた立方形状に形成され、第２磁気センサ１４ｂが広ギャップＧｂの幅（間隔２mm）に合わせた立方形状に形成されている。

第１実施形態の第２改変例では、図３（Ｃ）に示す磁性体コア上片２４Ａと下側に磁性体コア下片２４Ｂとの間に第１磁気センサ１４ａ及び第２磁気センサ１４ｂの上下面に接着剤を塗布して介挿させることで、磁性体コア２０を完成させる。第１実施形態の第２改変例では、第１磁気センサ１４ａ及び第２磁気センサ１４ｂにスペーサ及び接合部材としての役割を果たさせることで、狭ギャップＧａ、広ギャップＧｂのギャップ幅を正確に規定できる。

[第１実施形態の第３改変例]
第１実施形態の第３改変例に係る電流計測装置について図５（Ｂ）を参照して説明する。
図５（Ｂ）は、第１実施形態の第３改変例に係る電流計測装置を示す斜視図である。図５（Ａ）を参照して上述した第１実施形態の第２改変例では、磁性体コア２０に狭ギャップＧａ及び広ギャップＧｂを配置した。これに対して、第１実施形態の第３改変例では、狭ギャップＧａ及び広ギャップＧｂに加えて、磁気飽和を防止するため磁気漏れを起こさせるための磁気飽和防止用ギャップＧｃを備えている。磁気飽和防止用ギャップＧｃ内には絶縁性樹脂から成る接合部材２２が配置されている。

図６は磁性体コアの分割数（即ち、狭ギャップＧａと広ギャップＧｂと磁気飽和防止用ギャップＧｃと合わせたギャップ数）と磁性体コア内での最大磁束との関係を示すグラフである。
図９を参照して上述した従来技術の狭ギャップＧａのみの場合（コア分割数１）での最大磁束に対して、図５（Ａ）に示す狭ギャップＧａと共に広ギャップＧｂを設けた場合（コア分割数２）には１／２になっている。狭ギャップＧａ、広ギャップＧｂと共に磁気飽和防止用ギャップＧｃを１個設けた場合（コア分割数３）には１／３になっている。狭ギャップＧａ、広ギャップＧｂと共に磁気飽和防止用ギャップＧｃを２個設けた図５（Ｂ）に示す第１実施形態の第３改変例に係る磁性体コア２０の場合（コア分割数４）には１／４になっている。

第１実施形態の第３改変例では、磁性体コア２０に、磁束測定用のギャップＧａに加えて、磁気飽和防止用のギャップＧｃを設けてあるので、当該磁気飽和防止用のギャップＧｃで磁束が漏れることにより、磁性体コア２０での磁気飽和を防止でき、大電流を正確に測定することが可能になる。

[第２実施形態]
引き続き、本発明の第２実施形態に係る電流計測装置について図７を参照して説明する。
図１（Ａ）を参照して上述した第１実施形態では、磁性体コア２０の狭ギャップＧａと広ギャップＧｂとを別々に設けた。これに対して、第２実施形態では、磁性体コア２０の狭ギャップ部Ｇαと広ギャップ部Ｇβとを有する１のギャップＧを設け、狭ギャップ部Ｇαに第１磁気センサ１４ａを広ギャップ部Ｇβに第２磁気センサ１４ｂを配置している。ここで、第１磁気センサ１４ａと第２磁気センサ１４ｂとは同一のホールＩＣを用いることができる。この第２実施形態においても第１実施形態と同様に、残留磁束密度Ｂｒを補正して正確に電流を検出することが可能である。この第２実施形態では、磁性体コア２０を２分割しないので簡易に構成できる利点があり、第１実施形態に比して、磁気飽和が発生し難い小電流を測定する際に好適に用いることができる。

[第３実施形態]
引き続き、本発明の第３実施形態に係る電流計測装置について図８を参照して説明する。
図７を参照して上述した第２実施形態では、磁性体コア２０の１のギャップＧに狭ギャップ部Ｇαと広ギャップ部Ｇβとを設け、同一感度の第１磁気センサ１４ａ、第２磁気センサ１４ｂを用いた。これに対して、第３実施形態では、感度の異なる第１磁気センサ１４ａ、第２磁気センサ１４ｂを均一間隔のギャップＧに設けてある。この第３実施形態においても第１実施形態、第２磁気センサと同様に、残留磁束密度Ｂｒを補正して正確に電流を検出することができる。この第２実施形態では、磁性体コア２０を２分割しないので簡易に構成できる利点があり、第１実施形態に比して、磁気飽和が発生し難い小電流を測定する際に好適に用いることができる。

なお、上述した実施形態では、磁気センサとしてホール素子を用いる例を挙げたが、ＭＲ素子を用いて本発明の電流計測装置を構成し得ることは言うまでもない。

図１（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る電流計測装置の構成を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、広ギャップＧｂと狭ギャップＧａとの電流と磁界強度との関係グラフである。第１実施形態の電流計測装置での電流補正について示すブロック図である。磁性体コアの製造方法を示す工程図である。第１実施形態の第１改変例に係る電流検出回路での処理を示すフローチャートである。図５（Ａ）は、第１実施形態の第２改変例に係る電流計測装置を示す斜視図であり、図５（Ｂ）は第１実施形態の第３改変例に係る電流計測装置を示す斜視図である。磁性体コアの分割数（即ち、狭ギャップＧａと広ギャップＧｂと磁気飽和防止用ギャップＧｃと合わせたギャップ数）と磁性体コア内での最大磁束との関係を示すグラフである。第２実施形態に係る電流計測装置を示す斜視図である。第３実施形態に係る電流計測装置を示す斜視図である。図９は従来技術の電流計測装置を示す説明図である。

符号の説明

１０電流計測装置
１２バスバー
１４ａ第１磁気センサ
１４ｂ第２磁気センサ
２０磁性体コア
２２接合部材
２４コア板
３０電流検出回路
Ｇａ狭ギャップ
Ｇｂ広ギャップ
Ｇｃ磁気飽和防止用ギャップ

Claims

電流路に流れる電流を検出する電流計測装置であって、
前記電流路を囲むように配置されギャップを備える磁性体コアと
前記ギャップに配置される感度の異なる第１磁気センサと第２磁気センサと、
前記第１磁気センサの出力と前記第２磁気センサの出力から前記磁性体コアの残留磁束密度を補正して前記電流路に流れる電流を検出する電流検出回路と、を備えることを特徴とする電流計測装置。
電流路に流れる電流を検出する電流計測装置であって、
前記電流路を囲むように配置され狭ギャップ及び広ギャップを備える磁性体コアと
前記狭ギャップに配置される第１磁気センサと
前記広ギャップに配置される第２磁気センサと、
前記第１磁気センサの出力と前記第２磁気センサの出力から前記磁性体コアの残留磁束密度を補正して前記電流路に流れる電流を検出する電流検出回路と、を備えることを特徴とする電流計測装置。
前記狭ギャップを、前記広ギャップの反対側に設けたことを特徴とする請求項２の電流計測装置。
前記狭ギャップ及び前記広ギャップを１のギャップ中に設けたことを特徴とする請求項２の電流計測装置。
前記第１磁気センサと前記第２磁気センサとの感度を異ならせ１のギャップ中に設けたことを特徴とする請求項１の電流計測装置。
前記狭ギャップ及び前記広ギャップに加えて、磁気飽和防止用のギャップを設けたことを特徴とする請求項２又は請求項３の電流計測装置。