JP5407346B2

JP5407346B2 - 電流検出装置

Info

Publication number: JP5407346B2
Application number: JP2009005324A
Authority: JP
Inventors: 容章杉山
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: JP2010166652A

Description

本発明は、電気自動車のモータの駆動に用いられるインバータの電流検出装置に関するものである。

モータを備えたＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、ＨＥＶ（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）では、バッテリの直流電力を三相インバータ回路を用いて三相交流電力に変換し、モータを駆動している。

この場合、モータに流れる駆動電流を電流センサにより検出し、制御回路によりその駆動電流を制御している。このようなインバータ回路の構成例を図４に示す。このインバータ回路１は、バッテリ２、電解コンデンサ３、主回路４、電流センサ５ａ，５ｂ、モータ６、および制御回路７を備えている。

バッテリ２は、例えば車載バッテリである。

主回路４は、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子を三相ブリッジ接続して構成され、直流電力を交流電力に変換するものである。

電流センサ５ａ，５ｂは、例えば、ホール効果に基づいて磁束密度から電流を計測するホールＣＴ（ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）である。

モータ６は、例えば三相誘導電動機である。

制御回路７は、電流検出装置７０ａ，７０ｂ、ＣＰＵ８、およびゲート回路９を備えており、電流センサ５ａ、５ｂの計測値に基づいてモータ６に流れる電流が適正値になるように主回路４を制御するものである。

電流検出装置７０ａ，７０ｂは、電流センサ５ａ、５ｂの計測値に基づいて電流検出を行うものである。

このように、モータに流れる電流を計測して制御するものが、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００１−１５７４６０号公報。

インバータにおける電流検出としては、電流センサを用いるのが一般的である。この場合、電流センサと制御回路基板との接続はハーネスにより接続されるため、コネクタの抜けや断線などが発生するおそれがある。従来の回路では、このような電流センサの断線検出ができず、この状態にてインバータを作動させると電流センサの出力が常にゼロであるため、電流制御が正常に作動せず主回路に過大な電流が流れ、ＩＧＢＴを破損させるおそれがあった。

図５の電流検出回路１０は、電流検出装置７０ａ，７０ｂに搭載された回路のうち、電流検出を行う回路である。電流センサ５ａまたは５ｂに相当する電流センサ５の出力信号は、電流検出回路１０を介してＣＰＵ８に入力される。すなわち、図５は、１相分についての、電流センサ５からＣＰＵ８までの信号の流れを簡略化して示したものである。

電流検出回路１０の構成は次の通りである。オペアンプ１１は、正側の入力端子が接地され、負側の入力端子と出力端子との間には、コンデンサ１２および抵抗１３が並列に接続されている。また、オペアンプ１１の負側の入力端子には、抵抗１４，１５の一端がそれぞれ接続されている。また、抵抗１４の他端は電流センサ５に接続されており、抵抗１５の他端は、２．５Ｖの直流電源１６に接続されている。また、オペアンプ１１の出力端子はＣＰＵ８の入力端子に接続されている。

電流検出回路１０では電流センサ５からの出力をオペアンプ１１にてゲイン調整し、ＣＰＵ８へ送信している。なお、電流センサ５は交流電流を検出するためマイナスの電圧も出力されるが、ＣＰＵ８の入力範囲は０〜５Ｖであるため、直流電源１６の２．５Ｖのオフセットを乗せてマイナスの信号に対応している。すなわち、ＣＰＵ８の入力が２．５Ｖの場合に検出電流は０Ａとなる。

ここで、電流センサ５のコネクタ抜けや断線が発生した場合、電流センサ５からの出力はなくなり、回路には２．５Ｖのオフセット分しか入力されない。したがって、この状態ではＣＰＵ８はモータ６に流れる電流を常に０Ａと認識する。この状態でインバータ回路１を作動させると、ＣＰＵ８の指令に対し電流センサ５の検出電流が常に０Ａであるため、電流ＰＩ制御が正常に作動せずインバータ回路１は指令された電流を流すべく電流を流し続けることとなる。その結果、インバータ回路１の主回路４に過大な電流が流れることとなりＩＧＢＴを破損させるおそれがある。

本発明は、前記課題に基づいてなされたものであり、電流センサと制御回路との接続が断線した場合でも故障検出する電流検出装置を提供することにある。

本発明は、前記課題の解決を図るために、負荷に流れる電流を計測する電流センサであって、過電流ではない通常の動作電流であるときの負荷電流を計測したときの計測信号に基づく電圧をＥ₁とする電流センサと、前記電流センサからの出力信号をゲイン調整する電流検出手段と、前記電流センサと前記電流検出手段との共通接続点に接続され、直流電源を含む安定化手段と、前記負荷に流れる電流が過電流か否かを検出する過電流検出手段と、前記共通接続点と前記過電流検出手段とを結ぶ電路に設けられたインピーダンスバッファと、を備え、前記電流センサと前記電流検出手段との接続が断線した場合にＥ₀・Ｒ／（Ｒ＋Ｒ_p）＞｜Ｅ₁｜（ただし、Ｅ₀は前記安定化手段に含まれる直流電源の出力電圧、Ｒは前記電流検出手段に含まれる抵抗成分、Ｒ_pは前記安定化手段に含まれる抵抗成分であり、前記Ｒ _p およびＲは、電流センサの内部抵抗Ｒ ₀ に対してＲ ₀ ≪Ｒ _p 、Ｒ ₀ ≪Ｒの関係にある）なる条件で前記過電流検出手段により断線検出するように構成したことを特徴とする。

上記構成によれば、安定化手段が電流センサと電流検出手段との共通接続点に接続され、該共通接続点には、常に安定化手段から電位が印加されている。したがって、電流センサと電流検出手段との接続が断線しても、前記共通接続点には、前記電圧Ｅ₁の絶対値よりも大きい、前記過電流検出手段により過電流検出され得るレベルの電位が印加されることになる。これによって、過電流検出手段に過電流レベルの電位を検出させることが可能となる。

このようにすることで、例えば負荷に電力を供給するインバータの動作前に電流センサと電流検出手段との接続が断線しても、過電流検出手段が電流センサの断線故障として検出してインバータの主回路を保護することが可能となり、インバータの主回路の破損を未然に防ぐことができる。

また、インバータの作動後に過電流が発生した場合は、前記共通接続点の電位が上昇するため、過電流検出手段が当該過電流を検出する、というようにインバータ動作状態により故障内容を切り分け、故障箇所をより詳細に特定することができる。

また、インピーダンスバッファが前記共通接続点と過電流検出手段とを結ぶ電路に設けられている。これにより過電流検出手段の回路定数の影響を受けなくすることで、前記電流センサと前記電流検出手段との接続が断線した場合に、電圧Ｅ₁の絶対値よりも大きい、過電流検出手段により過電流検出され得るレベルの、前記共通接続点の電位を上記条件式の左辺のように、Ｅ₀、ＲおよびＲ_pによる簡単な分圧式によって平易に求めることができる。

請求項１の発明によれば、安定化手段が電流センサと電流検出手段との共通接続点に接続され、該共通接続点には、常に安定化手段から電位が印加されている。したがって、電流センサと電流検出手段との接続が断線しても、前記共通接続点には、前記電圧Ｅ₁の絶対値よりも大きい、前記過電流検出手段により過電流検出され得るレベルの電位が印加されることになる。これによって、過電流検出手段に過電流レベルの電位を検出させることが可能となる。

本実施の形態における電流検出装置の構成図。プルアップ回路を設けた場合の電流検出装置の説明図。プルアップ回路およびインピーダンスバッファを設けた場合の電流検出装置の説明図。インバータ回路の構成図。従来の電流検出装置の説明図。

以下、本発明の実施の形態におけるインバータの電流検出装置を図面等に基づいて詳細に説明する。なお、インバータ回路の構成は、電流検出装置７０ａ、７０ｂ以外は図４のものと同じである。また、図５と同一部分には同一の符号を付し説明を省略する。

図１より、本実施の形態における電流検出装置２０は、Ｕ相の電流センサ５ａ、Ｗ相の電流センサ５ｂ、電流検出部２１、反転加算部４０、ピーク値検出部５０、過電流検出部６０を備えており、電流センサ５ａ，５ｂから信号が入力され、電流検出部２１等を介してＣＰＵ８へ信号が出力される。

電流検出部２１は、図５で説明した電流検出回路１０に相当する電流検出回路１０ａ，１０ｂをＵ相の電流センサ５ａ、Ｗ相の電流センサ５ｂに対してそれぞれ設けている。この場合、直流電源１６はＵ相とＷ相とに共通であり、Ｕ相の電流検出回路１０ａの抵抗１５ａおよびＷ相の電流検出回路１０ｂの抵抗１５ｂの各々他端に接続されている。図１の電流検出部２１には、電流検出回路１０ａ，１０ｂの他に、プルアップ回路２２ａ，２２ｂとインピーダンスバッファ２５ａ，２５ｂが設けられている。

プルアップ回路２２ａ，２２ｂは、直流電源２３ａ，２３ｂとプルアップ抵抗２４ａ，２４ｂを直列に接続したものである。また、プルアップ回路２２ａのプルアップ抵抗２４ａの一端がＵ相の電流センサ５ａと抵抗１４ａとの共通接続点に接続されている。また、プルアップ回路２２ｂのプルアップ抵抗２４ｂの一端がＷ相の電流センサ５ｂと抵抗１４ｂとの共通接続点に接続されている。プルアップ回路２２ａ，２２ｂは、前記各々の共通接続点に、後述する過電流検出部６０により過電流検出され得るレベルの電位を印加し、安定化させるものである。

Ｕ相のインピーダンスバッファ２５ａは、オペアンプ２６ａの正側の入力端子が、抵抗１４ａとＵ相の電流センサ５ａとプルアップ回路２２ａとの共通接続点とに接続されている。そして、オペアンプ２６ａの出力端子は、オペアンプ２６ａの負側の入力端子と反転加算部４０の抵抗４３の一端およびピーク値検出部５０とに接続されている。

また、Ｗ相のインピーダンスバッファ２５ｂは、オペアンプ２６ｂの正側の入力端子が抵抗１４ｂとＷ相の電流センサ５ｂとプルアップ回路２２ｂとの共通接続点に接続されている。そして、オペアンプ２６ｂの出力端子は、オペアンプ２６ｂの負側の入力端子と反転加算部４０の抵抗４４の一端およびピーク値検出部５０とに接続されている。

インピーダンスバッファ２５ａ，２５ｂは、オペアンプ２６ａ，２６ｂの正側の入力端子に信号が入力し、オペアンプ２６ａ，２６ｂの出力信号が負側の入力端子に入力するようになっている。オペアンプ２６ａ、２６ｂの入力側と出力側の電位は等しく、入力側の電流は流れ込まないようになっている。

なお、インピーダンスバッファ２５ａ，２５ｂは、電圧フォロア回路とも呼ばれる。

反転加算部４０は、Ｕ相の電流センサ５ａの計測値とＷ相の電流センサ５ｂの計測値とに基づいてＶ相の電流値を算出するものである。その構成は次の通りである。

オペアンプ４１の正側の入力端子が接地され、オペアンプ４１の負側入力端子と出力端子間には抵抗４２が接続され、さらにオペアンプ４１の負側入力端子には前記抵抗４３,４４の各他端が接続されている。オペアンプ４１の出力端子はピーク値検出部５０に接続されている。

ピーク値検出部５０は、Ｕ相、Ｗ相の電流センサ５ａ、５ｂの計測値と反転加算部４０が算出したＶ相の算出値とが入力され、それぞれのピーク値が検出される。

過電流検出部６０は、ピーク値検出部５０からの信号が入力されて、過電流を検出した場合に、過電流を遮断する信号をＣＰＵ８へ出力する。その構成は次の通りである。

直流電源６２と接地間には抵抗６３,６４が直列に接続され、抵抗６３,６４の共通接続点はオペアンプ６１の正側入力端子に接続されている。ピーク値検出部５０の出力端子と接地間には抵抗６６,６５が直列に接続され、抵抗６６,６５の共通接続点はオペアンプ６１の負側入力端子に接続されている。直流電源６７と接地間には抵抗６８，６９およびコンデンサ７０が直列に接続され、オペアンプ６１の出力端子は抵抗６８，６９の共通接続点に接続されている。また、抵抗６９とコンデンサ７０の共通接続点は過電流検出部６０の出力端子に接続されている。そして、過電流検出部６０の出力端子はＣＰＵ８に接続されている。

ここで、前記電流検出回路１０ａ，１０ｂが電流検出手段に相当し、プルアップ回路２２ａ，２２ｂが安定化手段に相当し、過電流検出部６０が過電流検出手段に相当する。

本発明について図２および３を用いて更に説明する。

図２および３は、図１のＵ相のみを図示しており、他は省略している。

＜プルアップ回路のみの場合＞
図２は、プルアップ回路２２ａのみを設け、インピーダンスバッファを設けていない。電流センサ５ａの断線が生じない通常時は、プルアップ回路２２ａの直流電源２３ａから内部抵抗の小さい電流センサ５ａ（電流センサの内部抵抗をＲ₀とし、抵抗１３ａ〜１５ａをＲとするとＲ₀＜＜Ｒ）へ電流が流れるが、電流センサ５ａが断線すると、電流検出部２１と反転加算部４０等へ電流が流れることになる。この場合、電流センサ５ａが断線してもプルアップ回路２２ａからＡ点に電位が印加されているため、過電流検出部６０に過電流レベルの電位を検出させることは可能となるため、電流センサ５ａの出力の消失により電流制御が正常に動作できない事態には陥らない。しかし、過電流検出部６０により前記断線検出を行わせるためには、断線時にＡ点電位が確実に過電流検出され得るレベルとなるように回路定数を設計する必要がある。

＜インピーダンスバッファを加えた場合＞
そこで、図３のようにインピーダンスバッファ２５ａを設けることで、Ａ点の電位は、インピーダンスバッファ２５ａの出力側の回路定数の影響を受けず、電流検出回路１０ａとプルアップ抵抗２４ａの分圧だけで容易に計算することが可能となり、回路設計を容易にした。

具体的に、図３を用いて説明する。電流センサ５ａの出力インピーダンスをＲ₀、プルアップ抵抗２４ａをＲ_p、抵抗１３ａ〜１５ａをＲ、プルアップ回路２２ａの直流電源２３ａをＥ₀、電流センサ５ａの出力端子の電位をＶ₁、抵抗１４ａとオペアンプ２６ａの正側の入力端子と電流センサ５ａの出力端子との接続点の電位をＶ₂、オペアンプ１１ａの出力端子の電位をＶ₃とする。

前提条件として、
Ｒ₀＜＜Ｒ_p
Ｒ₀＜＜Ｒ
とすると、Ｖ₃＝２．５＋Ｖ₂となる。
ここで、プルアップ回路２２ａなしの場合は、
Ｖ₂＝Ｖ₁
Ｖ₂＝０（断線時）
となり、プルアップ回路２２ａありの場合は、
Ｖ₂＝Ｖ₁
Ｖ₂＝Ｅ₀×Ｒ／（Ｒ＋Ｒ_p）（断線時）
となる。以上より、プルアップ回路２２ａを設けることにより断線時のＶ₂の電位が
０Ｖ→Ｅ₀×Ｒ／（Ｒ＋Ｒ_p）
となる。ここで、図４の主回路４の出力電流が過電流ではない通常の動作電流における、その通常の動作電流での電流センサ出力電圧の範囲を±Ｅ₁とすると、
Ｅ₀×Ｒ／（Ｒ＋Ｒ_p）＞｜Ｅ₁｜
となるようにＲ、Ｒ_p、Ｅ₀を設計しておくことにより、電流センサ５ａの断線時に過電流検出として検出されうる。

電流センサ５ａ，５ｂの断線検出は既存の過電流検出部６０を使用している。
電流センサ５ａ，５ｂが断線した場合は、ＩＧＢＴのゲート信号がＯＮかＯＦＦかにかかわらず、すなわち主回路４が作動しているか否かにかかわらず上記条件式は満足され、過電流検出器６０により断線検出される。

また、電流センサ５ａ，５ｂが断線していない場合は、主回路４がＯＮの状態においては、プルアップ回路２２ａ、２２ｂの出力より電流センサ５ａ、５ｂの出力が大きいので、電流センサ５ａ，５ｂからの出力により過電流か否かが決定される。この場合の電流センサ５ａ，５ｂの出力信号は、条件式とは無関係の、過電流検出部６０が作動し得るレベルの信号である。

したがって、例えば、ＩＧＢＴのゲート信号がＯＦＦのときに前記電流センサ５ａ，５ｂが断線した場合に該断線故障を過電流検出部６０により検出できると共に、ＩＧＢＴのゲート信号がＯＮのときに過電流が発生した場合に、電流センサ５ａ，５ｂの出力が大となるため過電流検出部６０により過電流検出が可能となる、と言うようにインバータ動作状態により故障内容を切り分けることができる。

一方、主回路４がＯＦＦの状態においては、プルアップ回路２２ａ，２２ｂから出力される電流は、電流センサ５ａ、５ｂの出力インピーダンスが抵抗１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ等よりも十分小さいために電流センサ５ａ，５ｂに流れ、図３のＡ点電位は過電流検出部６０が作動し得るレベルとはならず、該過電流検出部６０は作動しない。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…インバータ回路
２…バッテリ
３…電解コンデンサ
４…主回路
５，５ａ，５ｂ…電流センサ
６…モータ
７…制御回路
８…ＣＰＵ
９…ゲート回路
１０…電流検出回路
１１，２６ａ，２６ｂ，４１，６１…オペアンプ
１２，７０…コンデンサ
１３，１３ａ，１３ｂ、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，４２〜４４，６３〜６６，６８，６９…抵抗
１６，２３ａ，２３ｂ，６２，６７…直流電源
２０，７０ａ，７０ｂ…電流検出装置
２１…電流検出部
２２ａ，２２ｂ…プルアップ回路
２４ａ，２４ｂ…プルアップ抵抗
２５ａ，２５ｂ…インピーダンスバッファ
４０…反転加算部
５０…ピーク値検出部
６０…過電流検出部

Claims

負荷に流れる電流を計測する電流センサであって、過電流ではない通常の動作電流であるときの負荷電流を計測したときの計測信号に基づく電圧をＥ₁とする電流センサと、
前記電流センサからの出力信号をゲイン調整する電流検出手段と、
前記電流センサと前記電流検出手段との共通接続点に接続され、直流電源を含む安定化手段と、
前記負荷に流れる電流が過電流か否かを検出する過電流検出手段と、
前記共通接続点と前記過電流検出手段とを結ぶ電路に設けられたインピーダンスバッファと、を備え、
前記電流センサと前記電流検出手段との接続が断線した場合にＥ₀・Ｒ／（Ｒ＋Ｒ_p）＞｜Ｅ₁｜（ただし、Ｅ₀は前記安定化手段に含まれる直流電源の出力電圧、Ｒは前記電流検出手段に含まれる抵抗成分、Ｒ_pは前記安定化手段に含まれる抵抗成分であり、前記Ｒ _p およびＲは、電流センサの内部抵抗Ｒ ₀ に対してＲ ₀ ≪Ｒ _p 、Ｒ ₀ ≪Ｒの関係にある）なる条件で前記過電流検出手段により断線検出するように構成したことを特徴とする電流検出装置。