JP5560232B2 - 電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流検出装置に関し、特に導体を流れる３相交流を検出する電流検出装置に関する。

例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等のモータ駆動の車両においては、モータに対して電力を供給するためにパワー素子を用いた半導体モジュールが使用される。この半導体モジュールからは、モータへ大電流を流すためにバスバーと呼ばれる導体が延びており、このバスバーを流れる電流を検出し、検出した電流値に応じてモータを制御することが行われている。

図３に、従来の電流検出装置の一例を示す。図３の上段（ａ）は、３相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相のバスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷに装着された電流検出装置をそれらバスバーの延びる方向に垂直な面で切断した状態を示す模式的な断面図であり、下段（ｂ）は、その電流検出装置を（ａ）の断面図における上方から見た状態を模式的に示す図である。この例では、Ｕ相のバスバーＢＵに対して、当該バスバーの延びる方向に並んだ２つの電流センサＳＵ１，ＳＵ２が設けられている。これら２つの電流センサＳＵ１，ＳＵ２は、バスバーＢＵを取り囲む集磁コアＣＵに設けられた間隙（ギャップ）内に配設されている。電流センサＳＵ１，ＳＵ２は、バスバーＢＵに流れる電流により誘起される磁界Ｆを検出し、検出した磁界に応じた信号を出力する。またＷ相のバスバーＢＷに対して同様に２つの電流センサＳＷ１，ＳＷ２が設けられており、それら電流センサＳＷ１，ＳＷ２は、バスバーＢＷを取り囲む集磁コアＣＷの間隙内に配設されている。Ｖ相のバスバーＢＶには電流センサは設けられていない。電流センサＳＵ１，ＳＵ２，ＳＷ１，ＳＷ２は、基板１０に対して電気的に接続されている。基板１０上には、例えば電流測定回路（図示省略）が設けられており、この電流測定回路は、電流センサＳＵ１，ＳＵ２，ＳＷ１，ＳＷ２から入力される信号に基づき、バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷを流れる電流を求める。Ｕ相（バスバーＢＵ）の電流は、電流センサＳＵ１，ＳＵ２の信号から求められ、Ｗ相（バスバーＢＷ）の電流は、電流センサＳＷ１，ＳＷ２の信号から求められる。Ｖ相（バスバーＢＶ）の電流は、３相の電流の総和が０になるという原理に基づき計算される。この構成では、１本のバスバーに対して設けられた２つの電流センサは同じバスバーの電流を測定するので、異常が生じていなければ、同じレベルの信号を出力する。逆に言えば、同じバスバーに設けられた２つの電流センサの出力同士の差が許容値以上であれば、異常が生じていると判定することができる。

特許文献１に記載された電流検出装置では、３相交流が流れる３本一組のバスバーのうちの２つに対して、それぞれ、バスバーの延びる方向に並んだ２つのコア付きホール素子を設けている。コア付きホール素子は、対象の導体（この例ではバスバー）を取り囲む集磁コアの一部に間隙を設け、その間隙にホール素子を設けた構成のセンサである。１本のバスバーに対して設けられた２つのコア付きホール素子のそれぞれの検出した電流値が許容値以上に異なっていれば、どちらかのコア付きホール素子に異常が生じたと判断することができる。

特許文献２に記載された電流測定装置は、３本の導体のうちの第１の導体と第２の導体の間、及び第２の導体と第３の導体の間、にそれぞれ１つのコアレス電流センサを設ける構成である（例えば特許文献２の図２参照）。

特許文献３に記載された電流検出装置では、３本のバスバーの各々に対し、バスバーに沿って交互にずれた位置に電流センサを配置し、バスバーのうち電流センサの隣に位置する部分に磁気シールドでシールドしている（例えば特許文献３の図２参照）。この構成では、各バスバー上に、バスバーの延びる方向に沿ってセンサと磁気シールドが並ぶこととなる。

特開２００７−１４７５６５号公報 特開２００８−０５８０３５号公報 特開２００６−１１２９６８号公報

特許文献１の装置は、バスバーの延びる方向に沿って２つのセンサを並べるため、その方向に沿った装置寸法が大きくなる。特許文献３の装置も、バスバーの延びる方向に沿ってセンサと磁気シールドが並ぶため、その方向に沿った装置寸法が大きくなってしまう。特許文献２の装置は、２つのセンサしか用いないので、異常を判別することができない。

本発明は、上記従来技術の課題の少なくとも１つを解決することを目的とする。

本発明に係る電流検出装置は、略平面内で互いに平行に延びる３相交流のための３本の導体、に対して設けられる電流検出装置であって、前記３本の導体のうちの第１の導体に対して設けられた、第１の集磁コアを有する第１のコア付き電流センサと、前記３本の導体のうちの第２の導体に対して設けられた、第２の集磁コアを有する第２のコア付き電流センサと、前記３本の導体のうちの第３の導体に対して、前記第１の導体からの磁気干渉が前記第１の集磁コアにより遮蔽される範囲内、かつ、前記第２の導体からの磁気干渉が前記第２の集磁コアにより遮蔽される範囲内の位置に設けられた、集磁コアを有さないコア無し電流センサと、を備える。

一つの態様では、前記第１のコア付き電流センサ、前記第２のコア付き電流センサ、及び前記コア無し電流センサは、前記３本の導体が延びる方向について同じ位置に配設されていることを特徴とする。

別の態様では、前記第３の導体は、前記３本の導体のうちの中央の１本であることを特徴とする。

別の態様では、前記第１のコア付き電流センサ及び前記第２のコア付き電流センサによりそれぞれ検出された電流値と、前記コア無し電流センサにより検出された電流値と、の総和が０でない場合に異常と判定する異常判定手段、を更に備える。

本発明によれば、各相の導体には、導体の延びる方向に沿って１つの電流センサしか設けられないので、その方向に沿った装置寸法を小さくすることができる。

電流検出装置が適用されるシステムの一例を示す図である。 実施の形態の電流検出装置のセンサ配置構成の例を示す図である。 従来の電流検出装置のセンサ配置構成の例を示す図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における電流検出装置を有するインバータ装置の一例の全体構成ブロック図を示す。このインバータ装置は、電源回路やインバータ主回路、インバータ主回路で駆動されるモータジェネレータを備え、例えば電気自動車やハイブリッド車両に搭載される。以下では、ハイブリッド車両に搭載される場合を例として説明する。

モータジェネレータＭＧは、図示しない駆動輪と連結され、駆動輪を駆動するモータとして組み込まれる。モータジェネレータＭＧは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相コイルをステータコイルとして含む。３相コイルを形成する各相コイルの一端は、互いに接続されて中性点を形成する。また、各相コイルの他端は、インバータ１０４の各相アームのスイッチングトランジスタの接続点にそれぞれ接続される。

電源としてのバッテリ１００の正極は、電源ライン（正側）に接続され、バッテリ１００の負極は接地ライン（負側）に接続される。コンデンサＣ１は、電源ラインと接地ラインとの間に接続される。バッテリ１００は、充放電可能な直流電源であり、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池からなる。バッテリ１００は、直流電力を昇圧コンバータ１０２に出力する。また、バッテリ１００は、車両の回生制動時に昇圧コンバータ１０２により充電される。バッテリ１００に代えて、大容量キャパシタや燃料電池を用いてもよい。

昇圧コンバータ１０２は、リアクトルＬと、スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含んで構成される。スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインと接地ラインの間に互いに直列に接続される。各スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２には、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２が逆並列接続される。リアクトルＬの一端は、スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に接続され、他端は電源ラインに接続される。スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２は、ｎｐｎ型トランジスタやＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等を用いることができる。コンデンサＣ２は、電源ラインと接地ラインとの間に接続される。コンデンサＣ２は、電源ラインと接地ラインとの間の電圧変動を平滑化する。

昇圧コンバータ１０２は、図示しない制御装置からの信号に基づいて、バッテリ１００からの直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、昇圧電圧を電源ラインに出力する。すなわち、昇圧コンバータ１０２は、スイッチングトランジスタＱ２のスイッチング動作に応じて流れる電流をリアクトルＬに磁場エネルギとして蓄積することにより直流電圧を昇圧し、スイッチングトランジスタＱ２がオフされたタイミングでダイオードＤ１を介して電源ラインに出力する。

インバータ１０４は、Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームは、電源ラインと接地ラインとの間に互いに並列に接続される。Ｕ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタＱ１１，Ｑ１２を含み、Ｖ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタＱ１３，Ｑ１４を含み、Ｗ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタＱ１５，Ｑ１６を含む。各スイッチングトランジスタＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４，Ｑ１５，Ｑ１６には、それぞれダイオードが逆並列接続される。

Ｕ相アームのスイッチングトランジスタＱ１１，Ｑ１２の接続ノードにはバスバーＢＵが接続される。Ｖ相アームのスイッチングトランジスタＱ１３，Ｑ１４の接続ノードにはバスバーＢＶが接続される。Ｗ相アームのスイッチングトランジスタＱ１５，Ｑ１６の接続ノードにはバスバーＢＷが接続される。各相のバスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷは、モータジェネレータＭＧに向かって延びる。

各相のバスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷには、この実施の形態の電流検出装置を構成する電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷが装着されている。後で、この電流検出装置の詳細な例を説明する。

インバータ１０４は、図示しない制御装置からのＰＷＭ信号に基づいて、電源ラインから供給される直流電圧を３相交流電圧に変換し、各相のバスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷを介してモータジェネレータＭＧに出力する。また、インバータ１０４は、車両の回生制動時において、駆動輪からの回転力を受けてモータジェネレータＭＧが発電した３相交流電圧をバスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷを介して受け取り、直流電圧に変換して電源ラインに出力する。

電流測定回路２０は、電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの検出結果によりバスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷを流れる電流の値を求める。求めた電流値は制御装置に送られ、制御装置はそれら電流値に応じて昇圧コンバータ１０２及びインバータ１０４に供給する信号を制御する。また、電流測定回路２０は、電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの検出結果に基づき、電流検出装置に異常が生じているかどうかを判定し、判定結果に応じてエラー処理などの必要な処理を実行する。

図２に、この実施の形態の電流検出装置の一例を示す。図２の上段（ａ）は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のバスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷに装着された電流検出装置をそれらバスバーの延びる方向に垂直な面で切断した状態を示す模式的な断面図であり、下段（ｂ）は、その電流検出装置を（ａ）の断面図における上方から見た状態を模式的に示す図である。図２は、バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷの全延長のうち、この実施の形態の電流検出装置が装着される部分を示している。

図２の例では、バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷは、同一の略平面上に配置されており、同一の方向Ａ（図２の（ｂ）に矢印で示す）に沿って互いに平行に延びている。なお、図示した部分以外では、バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷは、同一の略平面上に配置されていなくてもよいし、同一の方向に沿って互いに平行に延びていなくてもよい。バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷは、それらバスバー自身が配列される略平面内において方向Ａに対して垂直な方向に沿って図示のようにＢＵ，ＢＶ，ＢＷの順に並んでいる。すなわち、バスバーＢＵ及びＢＷはそれら３本一組のバスバーの両端に位置し、バスバーＢＶはそれらバスバーＢＵ及びＢＷの間に位置する。

図示例では、バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷに対して、それぞれ１つの電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷが設けられている。そのうち、両端のバスバーＢＵ及びＢＷに設けられた電流センサＳＵ及びＳＷには、それぞれ対応するバスバーＢＵ及びＢＷを取り囲む集磁コアＣＵ及びＣＷが設けられている。集磁コアＣＵ及びＣＷは略Ｃ字型の電磁コアであり、電流センサＳＵ及びＳＷはそれぞれ対応する集磁コアＣＵ及びＣＷに設けられた間隙内に配設されている。一方、中央のバスバーＢＶに設けられた電流センサＳＶには、集磁コアが設けられていない。このように、この実施の形態では、Ｕ相及びＷ相のバスバーＢＵ及びＢＷに対して集磁コア付きの電流センサが設けられ、Ｖ相のバスバーＢＶに対してはコアなしの電流センサが設けられている。

各電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷは、バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷに流れる電流により誘起される磁界Ｆを検出し、検出した磁界に応じた信号を出力する。電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷは、例えば磁気センサ（ホール素子等）を用いた非接触型の電流センサである。

バスバーＢＵを流れる電流により誘起された磁界Ｆは、バスバーの延びる方向Ａに垂直な面内でバスバーＢＵを循環する場を形成しており、集磁コアＣＵはこのような磁界を集めて電流センサＳＵに導く。また集磁コアＣＵは、他相のバスバーＢＶ及びＢＷの電流による磁界が電流センサＳＵに干渉することを防止するシールドの役目も果たす。同様に、バスバーＢＷを流れる電流により誘起された磁界Ｆは、方向Ａに垂直な面内でバスバーＢＷを循環する場を形成しており、集磁コアＣＷはこのような磁界を集めて電流センサＳＷに導くとともに、電流センサＳＷへの他相からの磁気干渉を遮蔽するシールドとなる。

図２の装置構成では、各電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷは、バスバーの延びる方向Ａについては、同一の位置に配置される。この配置により、バスバーＢＵ及びＢＷのうちＶ相の電流センサＳＶの両隣の部分は図示のように集磁コアＣＵ及びＣＷで遮蔽されるので、バスバーＢＵ及びＢＷからの電流センサＳＶへの磁気干渉が遮蔽される。

電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷは、基板１０に対して電気的に接続されている。基板１０上には、例えば電流測定回路２０（図１参照）が設けられており、この電流測定回路２０は、電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷから入力される信号に基づき、バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷを流れる電流をそれぞれ求める。ここで、コア付きの電流センサＳＵ及びＳＷは、コア無し（コアレス）の電流センサＳＶよりも同じ電流値に対して出力する信号のレベルが高いので、電流測定回路２０は、そのような信号レベルの差を補償した上で、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の電流値を求める。

また、電流測定回路２０は、各電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの信号から求めたＵ，Ｖ，Ｗ相の電流値から、いずれかの電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷに異常が生じているか否かを判定する。この判定は、３相交流では３相の電流の総和が０になるという原理に基づき行う。すなわち、電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの信号から求めたＵ，Ｖ，Ｗ相の電流値の総和が０でない場合、電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷからなる電流検出装置に異常が生じていると判定すればよい。なお、電流センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの信号から求めたＵ，Ｖ，Ｗ相の電流値は誤差を含むので、それら３相の電流値の総和が０であるかの判定は、その誤差を考慮して行う。この判定にて仮に電流検出装置の異常が検知された場合、その異常を知らせる信号を電流測定回路２０から上位の制御装置に送り、例えば自動車のコントロールパネル上にその異常が表示されるようにしてもよい。

図２の構成は、電流検出装置自体の異常を判定する機能を有しつつも、図３に示した従来技術の構成に比べて、電流センサの総数を１つ少なくすることができる。これはコスト削減に繋がる。また、図２の構成は、各相に設ける電流センサの数が１つなので、Ｕ相及びＷ相に２つずつ電流センサを配列する構成に比べて、バスバーの延びる方向Ａについての集磁コアの寸法（図２の（ｂ）において記号Ｂで示す）を小さくすることができる。また、図２の構成では、Ｖ相にはコア無しの電流センサＳＶを用いるので、３相すべてにコア付きの電流センサを用いる場合よりも電流検出装置のコストや重量を低減することができる。ここで、コア無しの電流センサＳＶについては、両隣の集磁コアＣＵ及びＣＷが磁気シールド効果を発揮しているので、コア無しの場合に一般に問題となる他相からの磁気干渉は防止又は著しく低減される。

以上の例では、バスバーＢＵ，ＢＶ，ＢＷのうちの両端のバスバーＢＵ及びＢＷに対してコア付きの電流センサを設け、中央のバスバーＢＶに対してコア無しの電流センサを設けたが、これは一例に過ぎない。この代わりに、Ｕ（又はＷ）相にコア無し電流センサを設け、残りのＶ相及びＷ（又はＵ）相にコア付きの電流センサを設けてもよい。ただし、このような構成は、コア無しの電流センサを設けるＵ（又はＷ）相のバスバーＢＵ（又はＢＷ）の近傍に、他の磁気ノイズ源（例えば他のモータジェネレータのためのバスバーなど）が存在しないことが条件となる。

また、以上の例では、コア付きの電流センサＳＵ及びＳＷとコアなしの電流センサＳＶは、バスバーの延びる方向Ａについて同一の位置に配置されているが、必ずしもこの通りでなくてもよい。コア無し電流センサに対する他の各相のバスバーの磁気干渉が、それら他の各相のコア付き電流センサの集磁コアにより共に遮蔽されるような位置関係であれば、どのような位置関係でそれらコア無し電流センサ及びコア付き電流センサを配設してもよい。ただし、図示のようにすべての電流センサが方向Ａについて同一の位置にある構成を採用すれば、基板１０も含めた電流検出装置全体の構成をコンパクトにすることができる。

１０ 基板、２０ 電流測定回路、１００ バッテリ、１０２ 昇圧コンバータ、１０４ インバータ、ＭＧ モータジェネレータ、ＢＵ，ＢＶ，ＢＷ バスバー、ＣＵ，ＣＷ 集磁コア、ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ 電流センサ。

Claims (4)

1. 略平面内で互いに平行に延びる３相交流のための３本の導体、に対して設けられる電流検出装置であって、
   前記３本の導体のうちの第１の導体に対して設けられた、第１の集磁コアを有する第１のコア付き電流センサと、
   前記３本の導体のうちの第２の導体に対して設けられた、第２の集磁コアを有する第２のコア付き電流センサと、
   前記３本の導体のうちの第３の導体に対して、前記第１の導体からの磁気干渉が前記第１の集磁コアにより遮蔽される範囲内、かつ、前記第２の導体からの磁気干渉が前記第２の集磁コアにより遮蔽される範囲内の位置に設けられた、集磁コアを有さないコア無し電流センサと、
   を備える電流検出装置。
2. 前記第１のコア付き電流センサ、前記第２のコア付き電流センサ、及び前記コア無し電流センサは、前記３本の導体が延びる方向について同じ位置に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記第３の導体は、前記３本の導体のうちの中央の１本であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検出装置。
4. 前記第１のコア付き電流センサ及び前記第２のコア付き電流センサによりそれぞれ検出された電流値と、前記コア無し電流センサにより検出された電流値と、の総和が０でない場合に異常と判定する異常判定手段、
   を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流検出装置。

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