JP6417756B2

JP6417756B2 - 電流検出装置

Info

Publication number: JP6417756B2
Application number: JP2014136899A
Authority: JP
Inventors: 進小池
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: JP2016014596A

Description

本発明は、電流検出装置に関し、特に、インバータにより電動モータを駆動制御する車載用モータ制御装置に搭載される電流検出装置に関するものである。

従来、電動モータを駆動制御するモータ制御装置において、インバータ（モータ駆動回路）における各相を流れるモータ電流を検出すべき配線に組み込まれたバスバーの途中にシャント抵抗を配置した電流検出装置が知られている。このような電流検出装置は、シャント抵抗の両端における電圧降下を電圧値として測定することにより電流を検出するようにしている。そして、このシャント抵抗としてバスバーとは別部品の抵抗部材がバスバーの途中に組み込まれることや、あるいは、電子回路における電流を検出すべきバスバー自体を抵抗として利用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２２０２４９号公報

上記インバータでは、制御回路からの制御信号に応じて電動モータへの電力の供給経路を切り換え、この経路の切り換えにともないインバータ内の各スイッチング素子がターンオンおよびターンオフすることによりスイッチング動作が行なわれる。通常、電流値が大きい回路を構成するバスバー自体の抵抗値はできるだけ小さく設定され、検出電流が流れるシャント抵抗直近のバスバーの配線経路は、分岐しないで一経路に長い距離に形成されている。

しかしながら、モータ制御装置の小型化の要求に対応して、電流が流れ出るシャント抵抗の下流側直近で回路配線が分岐して電流経路が分岐されると、インバータが電動モータへ供給する各相のモータ電流の切り換えにともなう検出電流の電流分布が異なる場合がある。すなわち、検出電流がシャント抵抗内の最短経路を流れることにより電流値が異なり、このため電流値の読みであるシャント抵抗の両端の電圧降下の測定による検出電圧に誤差を生じ、電流検出精度が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、シャント抵抗の下流側直近で電流経路が分岐しても電流の検出誤差を低減することが可能な電流検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電流検出装置において、電圧降下に基づき検出電流を検出するシャント抵抗と、前記シャント抵抗の一端部を接続するとともに前記シャント抵抗の両端の電圧を検出する検出回路を接続する第１接続端子を有する第１バスバーと、前記シャント抵抗の他端部を接続するとともに前記第１接続端子と対になって前記検出回路を接続する第２接続端子を有する第２バスバーと、を備え、前記第２バスバーは、前記シャント抵抗の下流側直近に複数の電流経路に分岐する分岐部を有し、前記第２接続端子と前記分岐部との間に幅を縮める切り欠き部を設けることにより縮幅された中央部に前記検出電流を流すことを要旨とする。

上記構成によれば、第２バスバーの第２接続端子とシャント抵抗の下流側直近の分岐部との間に幅を縮める切り欠き部を形成し縮幅された部分を設けたので、バスバーを流れる検出電流を第２バスバーの中央部に集中して流すことができる。これにより、第２バスバーを流れる電流経路が複数の経路に分岐する場合であっても電流分布に差が生じないため、シャント抵抗における両端の電圧降下の測定による検出電圧の誤差を低減し、電流検出精度が低下するのを抑制することが可能になる。その結果、電流検出装置を小型化することができる。また、切り欠き部は、バスバー加工時に同時に打ち抜きにより形成することができるので、コストアップを生じることがない。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電流検出装置において、前記切り欠き部は、前記第２バスバーの幅方向の両端に対向して形成されていることを要旨とする。

上記構成によれば、第２バスバーの幅方向の両端に切り欠き部を設けたので、検出電流を縮幅された中央部に集中して流すことができる。これにより、第２バスバーを流れる電流経路が分岐する場合であっても電流分布に差が生じないため、シャント抵抗における両端の電圧降下の測定による検出電圧の誤差を低減し、電流検出精度が低下するのを抑制することが可能になる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電流検出装置において、前記切り欠き部は、前記第２バスバーの前記幅方向に垂直な方向にずれた位置に対向して形成されていることを要旨とする。

上記構成によれば、対向する切り欠き部は、第２バスバーの互いに長さ方向のずれた位置に形成されているので、電流経路を長く設定することができる。これにより、第２バスバーの強度を確保することができる。すなわち、バスバー成形時やバスバー組付時に外部からの大きな衝撃が加わった場合であっても、第２バスバーの剛性を低下させることがない。

本発明によれば、シャント抵抗の下流側直近で電流経路が分岐しても電流の検出誤差を低減することが可能な電流検出装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る電流検出装置を備える車載用モータ制御装置を含むモータ装置の概略構成を示す回路図。本発明の第１の実施形態に係る電流検出装置を示す上面図。図２の電流検出装置の側面図。本発明の第２の実施形態に係る電流検出装置のバスバーを示す上面図。（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る電流検出装置を示す上面図、（ｂ）は、図５（ａ）の電流検出装置の側面図。従来の電流検出装置を示す上面図。

以下、本発明の実施形態に係る車載用モータ制御装置３を含む車両に搭載されるモータ装置について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電流検出装置８を備える車載用モータ制御装置３を含むモータ装置の概略構成を示す回路図である。モータ装置は、例えば、車両に搭載され、ステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置や後輪に駆動力を発生させる後輪駆動装置などの駆動源として用いられる。図１に示すように、モータ装置は、３相のスター結線タイプの電動モータ１、直流電源としてのバッテリ２、および車載用モータ制御装置（ＥＣＵ、以下、モータ制御装置という）３を備えている。

図１に示すモータ制御装置３は、平滑コンデンサ４、モータ駆動回路としてのインバータ５および制御回路６を備え、電動モータ１とバッテリ２との間に接続される。電動モータ１は、３相のコイル１ｕ，１ｖ，１ｗを有するブラシレスモータであり、各コイル１ｕ，１ｖ，１ｗの一端を入力端にして、他端が中性点Ｑに接続されている。バッテリ２は、例えば、充放電可能なニッケル水素やリチウムイオンなどの２次電池からなる低電圧（例えば、１２Ｖ）、あるいは高電圧（例えば、１００Ｖ以上）の直流電源である。

インバータ５は、バッテリ２の直流電力から交流電圧を生成し、電動モータ１を回転駆動する。インバータ５の入力は電源電圧ＰＩＧに接続され、出力は電動モータ１のコイル１ｕ，１ｖ，１ｗに接続されている。１相の電流（例えば、Ｕ相モータ電流Ｉｕ）が電動モータ１のコイル１ｕ，１ｖ，１ｗの中性点Ｑに向って流れ込み、他の２相の電流（例えば、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗ）が中性点Ｑから逆に流れ出す。

このインバータ５は、６個のスイッチング素子７ａ〜７ｆを有して、スイッチング素子を直列に２つ並べた直流回路（以下、アームという、例えば、７ａおよび７ｄ）を構成する。また、各スイッチング素子７ａ〜７ｆは、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであり、ＰＮ接合ダイオードをそれぞれ内蔵している。インバータ５のスイッチング素子のそれぞれの接続点Ｕ，Ｖ，Ｗ（例えば、Ｕ相入力端に対応したスイッチング素子７ａ，７ｄ）は、電動モータ１のコイル(例えば、Ｕ相コイル１ｕ)の一端に接続されている。そして、それぞれのアーム下段のスイッチング素子と直流母線の負側との間に過電流保護およびモータ制御用に電流検出素子（例えば、抵抗など、以下、シャント抵抗という）Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを接続して電流検出装置８を構成している。

平滑コンデンサ４は、直流母線の正側と負側との間に設けられている。平滑コンデンサ４は電荷を蓄積し、バッテリ２からインバータ５に流れる電流が不足するときには蓄積した電荷を放電する。このように、平滑コンデンサ４は、電流リップルを吸収し電動モータ１を駆動するための電源電圧ＰＩＧを平滑するコンデンサとして機能している。

制御回路６は、コイル１ｕ，１ｖ，１ｗに流れる３相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの情報等に基づいて電動モータ１を回転駆動させるための制御を行なう。制御回路６は、インバータ５のアーム下段と直流母線の負側に挿入したシャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを介して各相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの電流値や電源電圧ＰＩＧの電圧値を得ることができる。制御回路６は、これらのデータに基づいて演算を行ってＰＷＭデューティ制御信号（以下、ＰＷＭ信号という）を生成し、インバータ５を動作させて電動モータ１に電圧を印加し、電動モータ１の回転駆動制御を行なう。

より具体的には、制御回路６は、これらのデータに基づき、電動モータ１に供給すべき３相の駆動電流の目標値（目標電流）を決定し、検出した各相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ（各相電流値）を目標電流に一致させるためのＰＷＭ信号を出力する。制御回路６から出力された各相のＰＷＭ信号は、インバータ５に含まれる６個のスイッチング素子７ａ〜７ｆのゲート端子にそれぞれ供給されている。Ｕ相コイル１ｕにはインバータ５による相電圧が印加される。Ｖ相コイル１ｖおよびＷ相コイル１ｗも同様であり、図１に、Ｕ相コイル１ｕからＶ相コイル１ｖおよびＷ相コイル１ｗへ等価的に電流が流れている状態の結線図を示す。ここで、電動モータ１は、中性点Ｑを有して各コイル１ｕ，１ｖ，１ｗに発生する磁束を用いて回転駆動される。

＜第１の実施形態＞
次に、電流検出装置８の第１の実施形態について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る電流検出装置８を示す上面図、図３は、図２の電流検出装置８の側面図である。
図２および図３に示す電流検出装置８は、いわゆるシャント抵抗式電流センサであり、シャント抵抗１１、シャント抵抗１１の両端を接続する第１バスバー９、および第２バスバー１０を備えている。

第１および第２バスバー９，１０は、電流値が大きい部分に使用されるため、体積抵抗率が低い略平板形状の導電部材（例えば、無酸素銅または銅合金など）により構成され、プレス成形により形成される。また、第１バスバー９は第１接続端子１２ａを備え、第２バスバー１０は第２接続端子１２ｂをそれぞれ備えている。第１および第２接続端子１２ａ，１２ｂは、第１および第２バスバー９，１０と同一部材にて形成されて、第１および第２バスバー９，１０から延在され、対になって制御回路６（図１参照）内の検出回路に接続されている。

シャント抵抗１１は、一端部が電流を検出すべき回路配線の途中である第１バスバー９に、他端部が同じく第２バスバー１０に半田付け、溶接などにより電気的に接続され、一体に組み込まれている。シャント抵抗１１は、略平板形状の所定の抵抗値を有した抵抗部材で、その両端における電圧降下（電圧値）を検出回路で測定することにより、第１，第２バスバー９，１０に流れる検出電流の大きさを検出している。

図２に示すように、第２バスバー１０は、シャント抵抗１１の電流が流れ出す下流側直近の分岐部１４で複数（本実施形態では、２経路）の電流経路に分岐する略Ｔ字状に形成されている。そして、第２接続端子１２ｂと分岐部１４との間の幅方向の両端部に略三角形状の頂点が対向するように第２バスバー１０の幅を縮める切り欠き部１３ａが打ち抜き等により形成されている。

ここで、図６は、従来の電流検出装置８を示す上面図である。図６に示すように、従来、第２バスバー１０における分岐部１４で分岐した回路配線により２経路の何れか、または双方に流れる検出電流の分布が形成される（図６中、矢印一点鎖線および矢印二点鎖線で示す）。そして、上述の図２に示すように、第２バスバー１０の幅方向の両端にその幅を縮める切り欠き部１３ａを設けることにより、縮幅された第２バスバー１０の中央部分に検出電流が集中して流れるようになる（図２中、矢印実線で示す）。

具体的には、図１を参照して、例えば、それぞれスイッチング素子７ａ，７ｅ，７ｃがオンの状態からＷ相のスイッチング素子７ｃがオフ、スイッチング素子７ｆがオンに切り換わる場合に、Ｖ相を流れる検出電流が分岐する。スイッチング動作の途中でスイッチング素子７ｅには、バッテリ２の直流母線の負側へ流れ出す経路と、Ｗ相の下アーム側へ流れ込む経路との２経路に分岐した電流が流れる。このため、第１および第２接続端子１２ａ，１２ｂの間には、シャント抵抗１１における両端の検出電圧が電流分布の差による検出誤差を生じることなく出力される。

＜第２の実施形態＞
次に、電流検出装置８の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る電流検出装置８の第２バスバー１０を示す上面図である。
図４に示すように、略三角形状の切り欠き部１３ｂが対向する頂点を第２バスバー１０の幅方向に垂直な方向（長さ方向を示す）に位置をずらして形成されている。切り欠き部１３ｂは、第２バスバー１０を成形加工するときに同時に打ち抜かれて形成される。これにより縮幅された第２バスバー１０の中央部分に検出電流が集中して流れるとともに、第２バスバー１０の成形および組付時に外部からの大きな衝撃が加わった場合であっても、第２バスバー１０の剛性が低下するのを抑制し、第２バスバー１０の強度を確保することができる。

次に、上記のように構成された実施形態である電流検出装置８の作用および効果について説明する。

上記第１の実施形態によれば、第２バスバー１０の第２接続端子１２ｂとシャント抵抗１１の下流側直近の分岐部１４との間の幅方向の両端部に略三角形状の頂点が対向するように幅を縮める切り欠き部１３を形成する。この縮幅された部分を設けたので、第１および第２バスバー９，１０を流れる検出電流を第２バスバー１０の中央部に集中して流し出すことができる。また、切り欠き部１３ａは、第２バスバー１０の加工時に同時に打ち抜き、形成することができる。

これにより、第２バスバー１０を流れる電流経路が複数の経路に分岐する場合であっても電流分布に差が生じないため、シャント抵抗１１における両端の電圧降下の測定による検出電圧の誤差を低減し、電流検出精度が低下するのを抑制することが可能になる。その結果、電流検出装置８を小型化することができる。また、切り欠き部１３ａは、バスバー加工時に同時に打ち抜きにより形成することができるので、加工を追加してもコストアップを生じることがない。

上記第２の実施形態によれば、対向する切り欠き部１３ｂは、互いに第２バスバー１０の長さ方向のずれた位置に形成されているので、電流経路を長く設定することができる。これにより、バスバー成形時やバスバー組付時に外部からの大きな衝撃が加わった場合であっても、第２バスバー１０の剛性を低下させることがなく、第２バスバー１０の強度を確保することができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、シャント抵抗の下流側直近で電流経路が分岐しても電流の検出誤差を低減することが可能な電流検出装置を提供できる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

＜他の実施形態＞
上記第１の実施形態では、打ち抜きにより切り欠き部１３ａを形成する場合について説明したが、これに限定されるものでなく、他の方法により第２バスバー１０に検出電流を集中して流すようにしてもよい。

図５（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る電流検出装置８を示す上面図、（ｂ）は、図５（ａ）の電流検出装置８の側面図である。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、第２バスバー１０の厚み方向に凹んだ略三角形状の凹部１５を形成して縮幅した部分に検出電流を集中して流す（図中、矢印実線で示す）。これにより、シャント抵抗１１の両端の検出誤差を低減できるとともに、第２バスバー１０の剛性が低下するのを抑制することができる。

また、上記第１，第２の実施形態では、第２バスバー１０に略三角形状の切り欠き部１３ａを形成する場合について説明したが、これに限定されるものでなく、他の形状を適用してもよい。例えば、略四角形状や略円形状または楕円形状の切り欠き部を形成することにより、同様に第２バスバー１０に縮幅した部分を設けることができる。

上記各実施形態では、スイッチング素子７ａ〜７ｆとしてＭＯＳＦＥＴを用いる構成を説明したが、これに限定されるものでなく、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの他の半導体素子を用いてもよい。

上記各実施形態では、電流検出装置８を電動パワーステアリング装置や後輪駆動装置などの車載用のモータ制御装置３に適用する場合について説明したが、これに限定されるものでなく、３相結線タイプの電動モータ１を使用する他のモータ制御装置に適用してもよい。

１：電動モータ、１ｕ，１ｖ，１ｗ：Ｕ，Ｖ，Ｗ相コイル、２：バッテリ、
３：モータ制御装置、４：平滑コンデンサ、５：インバータ、６：制御回路、
７ａ〜７ｆ：スイッチング素子、８：電流検出装置、９：第１バスバー、
１０：第２バスバー、１１：シャント抵抗、１２ａ：第１接続端子、
１２ｂ：第２接続端子、１３ａ，１３ｂ：第２バスバー切り欠き部、
１４：第２バスバー分岐部、１５：第２バスバー凹部、
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ：各相モータ電流、ＰＩＧ：電源電圧、Ｑ：中性点、
Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ：シャント抵抗、Ｕ,Ｖ,Ｗ：モータ入力端、
Ｕｕ，Ｕｌ，Ｖｕ，Ｖｌ，Ｗｕ，Ｗｌ：ＰＷＭ信号

Claims

電圧降下に基づき検出電流を検出するシャント抵抗と、
前記シャント抵抗の一端部を接続するとともに前記シャント抵抗の両端の電圧を検出する検出回路を接続する第１接続端子を有する第１バスバーと、
前記シャント抵抗の他端部を接続するとともに前記第１接続端子と対になって前記検出回路を接続する第２接続端子を有する第２バスバーと、を備え、
前記第２バスバーは、前記シャント抵抗の下流側直近に複数の電流経路に分岐する分岐部を有し、前記第２接続端子と前記分岐部との間に幅を縮める切り欠き部を設けることにより縮幅された中央部に前記検出電流を流すものであり、
前記切り欠き部は、前記第２バスバーの幅方向の両端に対向して形成されているとともに前記第２バスバーの前記幅方向に垂直な方向にずれた位置に対向して形成されていることを特徴とする電流検出装置。