JP7127736B2 - 電流検出装置及び給電制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、電流検出装置及び給電制御装置に関する。
本出願は、２０１９年４月２６日出願の日本出願第２０１９－０８５９９５号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

車両には、バッテリから負荷への電力供給を制御する給電制御装置が搭載されている。給電制御装置は、給電経路に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体スイッチング素子を備え、半導体スイッチング素子のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により給電制御を行う。また、給電制御装置は、給電経路の電流を検出する電流検出装置を備える。電流検出回路は、半導体スイッチング素子に直列接続されるシャント抵抗を備え、シャント抵抗の両端電圧から給電経路の電流を検出することができる。

給電制御装置はシャント抵抗に生ずる降下電圧が所定の閾値以上になった場合、半導体スイッチング素子をオフにして自装置を過電流から保護する。また、給電制御装置は、電流検出回路によって検出された電流値と通電時間とに基づいて、電線温度を推定し、推定された電線温度が所定の閾値以上になった場合、半導体スイッチング素子オフにして電線を保護する。

特表２０１７－１２２７８１号公報

本態様に係る電流検出装置は、給電制御装置の給電経路を流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記給電経路は第１導体及び第２導体を備え、更に、前記第１導体及び前記第２導体間に並列接続された第１シャント抵抗及び第２シャント抵抗と、前記第１シャント抵抗を流れる電流を検出する電流検出回路と、演算回路とを備え、前記演算回路は、前記第１シャント抵抗及び前記第２シャント抵抗の双方を介して前記第１導体から前記第２導体へ流れる電流と、前記第１シャント抵抗を流れる電流との相関関係と、前記電流検出回路にて検出した電流と、に基づいて前記給電経路を流れる電流を算出する。

図１は実施形態１に係る給電制御装置の構成例を示す回路ブロック図である。 図２は実施形態１に係る電流検出装置の構成例を示す模式図である。 図３は実施形態１に係る電流検出装置の構成例を示す回路ブロック図である。 図４は実施形態２に係る電流検出装置の構成例を示す模式図である。 図５Ａは変形例に係る電流検出装置の一部を示す回路図である。 図５Ｂは変形例に係る電流検出装置の一部を示す回路図である。

［本開示が解決しようとする課題］
車両に多くの負荷が搭載され、あるいは負荷で消費される電力が大きくなると、給電経路を流れる電流が大きくなり、シャント抵抗の発熱も大きくなるという技術的問題がある。シャント抵抗の温度が耐熱温度を超えないように、複数のシャント抵抗を並列接続して用いることも考えられるが、それぞれのシャント抵抗に電流検出回路を設ける必要があり、部品点数の増加、基板上の回路搭載面積の増加、演算処理の増加を招いてしまう。

本開示の目的は、並列接続された複数のシャント抵抗に対して一つの電流検出回路を備えるのみで、一つのシャント抵抗では検出できない大きな電流を検出することができる電流検出装置及び給電制御装置を提供することにある。

［本開示の効果］
本開示によれば、並列接続された複数のシャント抵抗に対して一つの電流検出回路を備えるのみで、一つのシャント抵抗では検出できない大きな電流を検出することができる電流検出装置及び給電制御装置を提供することができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（１）本態様に係る電流検出装置は、給電制御装置の給電経路を流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記給電経路は第１導体及び第２導体を備え、更に、前記第１導体及び前記第２導体間に並列接続された第１シャント抵抗及び第２シャント抵抗と、前記第１シャント抵抗を流れる電流を検出する電流検出回路と、演算回路とを備え、前記演算回路は、前記第１シャント抵抗及び前記第２シャント抵抗の双方を介して前記第１導体から前記第２導体へ流れる電流と、前記第１シャント抵抗を流れる電流との相関関係と、前記電流検出回路にて検出した電流と、に基づいて前記給電経路を流れる電流を算出する。

本態様によれば、給電経路を構成する第１導体及び第２導体を流れる電流は、第１シャント抵抗と、第２シャント抵抗に分流して流れる。電流検出回路は、第１シャント抵抗に設けられており、第１シャント抵抗に流れる電流を検出する。電流検出回路は第２シャント抵抗には設けられていない。
第１シャント抵抗に流れる電流と、第２シャント抵抗に流れる電流はそれぞれの電流経路の抵抗値に差がある場合、偏流している。演算回路は、給電経路を流れる電流と、第１シャント抵抗を流れる電流との相関関係と、第１シャント抵抗の電流とに基づいて、給電経路を流れる電流を算出する。
なお、本態様におけるシャント抵抗の数は２つに限定されるものではない。

（２）前記第１シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第１経路は、前記第２シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第２経路に比べて、分流比が小さい構成が好ましい。

（３）前記第１シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第１経路の経路抵抗は、前記第２シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第２経路の経路抵抗に比べて大きい構成が好ましい。

（４）前記第１シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第１経路は、前記第２シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第２経路に比べて長い構成が好ましい。

本態様によれば、給電制御装置の給電経路を流れる電流は２つの上記経路に分流しており、第１経路に流れる電流は第２経路を流れる電流よりも小さくなる。
演算回路が、２つの上記経路にそれぞれ流れる電流の比率が５０：５０であるものとして、前記給電経路を流れる電流を算出する場合、当該給電経路を流れる電流は小さめの値で算出される。
演算回路は、給電経路を流れる電流が所定の閾値以上であると判定した場合、給電経路を遮断する半導体スイッチング素子をオフに制御する処理を行っている場合、上記の態様によれば、給電経路の誤遮断を防止することができる。

（５）前記第１シャント抵抗及び前記第２シャント抵抗の距離は５ｍｍ以下である構成が好ましい。

本態様によれば、第１シャント抵抗と第２シャント抵抗との距離は５ｍｍ以下であるため、第１シャント抵抗を流れる電流と、第２シャント抵抗を流れる電流との偏流を抑えることができ、演算回路は、給電経路を流れる電流をより精度良く算出することができる。
なお、第１シャント抵抗及び第２シャント抵抗の抵抗値は例えば０．５ｍΩ以上１０ｍΩ以下であり、第１導体及び第２導体の抵抗値は第１シャント抵抗及び第２シャント抵抗の抵抗値よりも小さい。

（６）本態様に係る給電制御装置は、態様（１）～態様（５）までのいずれか一つの電流検出装置を備える。

本態様によれば、並列接続された第１及び第２シャント抵抗を介して給電経路を流れる大きな電流に係る給電制御を行うことができる。

［本開示の実施形態の説明］
本開示の実施形態に係る電流検出装置及び給電制御装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

以下、本開示をその実施形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
（実施形態１）
図１は実施形態１に係る給電制御装置の構成例を示す回路ブロック図である。実施形態１の給電制御装置は、図示しない車載バッテリから負荷Ａへの電力供給を制御する装置である。給電制御装置は、マイクロコンピュータ（演算回路）１、駆動回路２、半導体スイッチング素子３、シャント抵抗４、電流検出回路５及び給電経路６を備える。マイクロコンピュータ１、シャント抵抗４及び電流検出回路５は、本実施形態１に係る電流検出装置１０１を構成している。

給電経路６は、車載バッテリから負荷Ａへ電力を供給する導電体であり、直列的に接続される第１導体６１、第２導体６２及び第３導体６３を備える。第１導体６１、第２導体６２及び第３導体６３は、例えば平板状の導電体である。第１導体６１は、シャント抵抗４を介して第２導体６２に接続されている。また、第１導体６１は、半導体スイッチング素子３を介して第３導体６３に接続されている。第３導体６３は、車載バッテリのプラス端子に接続され、第２導体６２は負荷Ａのプラス端子に接続される。

半導体スイッチング素子３は、例えばＮチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴである。半導体スイッチング素子３のドレインは第３導体６３に接続され、ソースは第１導体６１に接続されている。つまり、半導体スイッチング素子３のドレインは、第３導体６３を介して車載バッテリのプラス端子側に接続され、ソースは第１導体６１を介して負荷Ａのプラス端子に接続される。車載バッテリのマイナス端子と、負荷Ａのマイナス端子とは接地されている。

半導体スイッチング素子３のゲートには駆動回路２が接続されている。駆動回路２は、マイクロコンピュータ１から与えられたＰＷＭ信号に基づき、半導体スイッチング素子３をオン又はオフにする。

シャント抵抗４は、第１導体６１と、第２導体６２との間に並列接続された第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２を備える。具体的には、第１シャント抵抗４１の一端は第１導体６１に接続され、第１シャント抵抗４１の他端は第２導体６２に接続されている。同様に、第２シャント抵抗４２の一端は第１導体６１に接続され、第２シャント抵抗４２の他端は第２導体６２に接続されている。第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２は、例えば０．５ｍΩ以上１０ｍΩ以下である。

電流検出回路５は、第１シャント抵抗４１の両端電圧を検出することによって、当該第１シャント抵抗４１を流れる電流を検出する回路であり、当該電流に相当する電圧をマイクロコンピュータ１へ出力する。本実施形態１に係る給電制御装置は単数の電流検出回路５を備え、当該単数の電流検出回路５は、第１シャント抵抗４１側に設けられている。
電流検出回路５の一例を説明する。電流検出回路５は差動増幅器５１を備え、反転増幅回路を構成している。差動増幅器５１の非反転入力端子は、第１シャント抵抗４１のマイナス端に接続されている。差動増幅器５１の反転入力端子は、電気抵抗器５２を介して第１シャント抵抗４１のプラス端に接続されている。差動増幅器５１の出力端子は、電気抵抗器５３を介して接地されると共に、反転入力端子に接続され、負帰還がかけられている。差動増幅器５１の出力端子から出力される電圧は、給電経路６に流れる電流の値に相当するものであり、マイクロコンピュータ１に入力される。

図２は実施形態１に係る電流検出装置１０１の構成例を示す模式図、図３は実施形態１に係る電流検出装置１０１の構成例を示す回路ブロック図である。第１シャント抵抗４１を介して前記給電経路６を電流が流れる第１経路Ｒ１は、第２シャント抵抗４２を介して給電経路６を電流が流れる第２経路Ｒ２に比べて長い回路構成である。換言すると、第１経路Ｒ１は、第２経路Ｒ２に比べて電流の分流比が小さい経路であり、電流Ｉｓ１及び電流Ｉｓ２は偏流している。また、第１経路Ｒ１の経路抵抗は、第２経路Ｒ２の経路抵抗に比べて大きいとも言える。
第１経路Ｒ１は、概ね、第１導体６１に電流が流入する流入点６１ａと、第１シャント抵抗４１と、第２導体６２から電流が流出する流出点６２ａとを結ぶ経路であり、図３に示すように当該経路は第１導体６１の電気抵抗６１ｂ、第１シャント抵抗４１、第２導体６２の電気抵抗６２ｂで表される。
第２経路Ｒ２は、概ね、流入点６１ａと、第２シャント抵抗４２と、流出点６２ａとを結ぶ経路であり、図３に示すように当該経路は第１導体６１の電気抵抗６１ｃ、第２シャント抵抗４２、第２導体６２の電気抵抗６２ｃで表される。
流入点６１ａに流入した電流Ｉｓは第１経路Ｒ１を流れる電流Ｉｓ１と、第２経路Ｒ２を流れる電流Ｉｓ２とに分流する。電気抵抗６１ｂは電気抵抗６１ｃより大きく、電気抵抗６２ｂは電気抵抗６２ｃより大きいため、第１経路Ｒ１を流れる電流Ｉｓ１は、第２経路Ｒ２を流れる電流Ｉｓ２よりも小さくなる。つまり、電流Ｉｓ１及び電流Ｉｓ２は偏流している。

偏流が大きすぎると、電流が多く流れている側の発熱が大きくなり、供給可能な電流が小さくなるため、偏流をできるだけ小さくするためには以下のように構成することが好ましい。
第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２は略同一の抵抗値であることが好ましい。また、第１シャント抵抗４１と第２シャント抵抗４２との距離は、例えば５ｍｍ以下である構成が好ましい。更にまた、第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２は平行的に配する構成が好ましい。具体的には、第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２は偏平な略直方体形状をなし、第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２の長辺を略平行とし、第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２の短辺を面一とする配置が好ましい。

また、図２及び図３に示すように、電流検出回路５は、経路が長い第１シャント抵抗４１側に設ける構成が好ましい。電流が流れる経路が長い第１シャント抵抗４１を用いた方が電流の検出精度が高く、マイクロコンピュータ１による誤制御を防ぐことができる。

マイクロコンピュータ１は、第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２の双方を介して第１導体６１から第２導体６２へ流れる電流Ｉｓ＝Ｉｓ１＋Ｉｓ２と、第１シャント抵抗４１を流れる電流Ｉｓ１との相関関係を記憶する記憶部１１を備える。当該相関関係は、例えば電流Ｉｓと、電流Ｉｓ１との比率（＝Ｉｓ／Ｉｓ１）である。マイクロコンピュータ１は、記憶部１１が記憶する相関関係、及び電流検出回路５にて検出した電流Ｉｓ１に基づいて、給電経路６を流れる電流Ｉｓを算出する。
マイクロコンピュータ１は、給電経路６に流れる電流Ｉｓが所定の閾値以上であると判定した場合、駆動回路２へ遮断信号を出力し、半導体スイッチング素子３をオフにする。また、マイクロコンピュータ１は、電流Ｉｓ及び通電時間に基づいて、車載バッテリ及び負荷Ａを接続する導線の温度を推定し、推定された電線温度が所定の閾値以上になった場合、半導体スイッチング素子３をオフにして電線を保護する。
また、マイクロコンピュータ１は、ＰＷＭ信号を駆動回路２へ出力し、半導体スイッチング素子３のオンオフさせることによって、負荷Ａへの給電をＰＷＭ制御する。

駆動回路２は、接地電位を基準とした半導体スイッチング素子３のゲートの電圧を上昇させることにより、半導体スイッチング素子３をオン駆動する。

このように構成された実施形態１に係る電流検出装置１０１及び給電制御装置によれば、並列接続された第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２に対して一つの電流検出回路５を備えるのみで、一つのシャント抵抗では検出できない大きな電流を検出することができる。

また、第１導体６１及び第２導体６２を流れる経路が長い第１シャント抵抗４１側に電流検出回路５を設け、マイクロコンピュータ１が、第１経路Ｒ１を流れる電流Ｉｓ１と、第２経路Ｒ２を流れる電流Ｉｓ２との比率を５０：５０として、給電経路６を流れる電流を算出するように構成した場合、給電経路６を流れる電流は小さめの値で算出されるため、過電流による誤遮断を防ぐことができる。
なお、本実施形態１で第２シャント抵抗４２に電流検出回路５を設けることも可能である。

更に、第１シャント抵抗４１と第２シャント抵抗４２との距離は５ｍｍ以下にする等、偏流を抑える構成を採用することにより、より精度良く電流を検出することができ、給電制御を行うことができる。また偏流を抑えることによって、第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２にバランス良く電流を分流させることができ、より大きな電流を制御することができる。

（実施形態２）
図４は実施形態２に係る電流検出装置１０１の構成例を示す模式図である。実施形態２に係る電流検出装置１０１及び給電装置は、並列接続された第１半導体スイッチング素子３１及び第２半導体スイッチング素子３２を備える点が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

基板Ｂには、第１導体６１、第２導体６２、第３導体６３、第１半導体スイッチング素子３１、第２半導体スイッチング素子３２、第１シャント抵抗４１、第２シャント抵抗４２、マイクロコンピュータ１及び電流検出回路５が配されている。
半導体スイッチング素子３は、第１導体６１と、第３導体６３との間に並列接続された第１半導体スイッチング素子３１と、第２半導体スイッチング素子３２とを備える。第１導体６１は、分離した２つの導体部分６１１ａ，６１１ｂを有する。第１半導体スイッチング素子３１のソースは、第１の導体部分６１１ａに接続され、第２半導体スイッチング素子３２のソースは、第２の導体部分６１１ｂに接続されている。第１シャント抵抗４１は、第１の導体部分６１１ａに接続され、第２シャント抵抗４２は、第２の導体部分６１１ｂに接続されている。

実施形態２によれば第１半導体スイッチング素子３１及び第２半導体スイッチング素子３２の配置自由度が高い構成で、しかも偏流を抑えることができ、給電経路６を流れる電流をより精度良く算出することができる。

（変形例）
図５Ａ及び図５Ｂは変形例に係る電流検出装置１０１の一部を示す回路図である。
実施形態２に係る構成において、図５Ａに示すように、第１半導体スイッチング素子３１のソースと、第２半導体スイッチング素子３２のソースとを導電体で接続するように構成しても良い。この場合、第１シャント抵抗４１を流れる電流と、第２シャント抵抗４２を流れる電流との偏流をより効果的に抑えることができる。また、当該導電体から放熱することができ、放熱性に優れた構成とすることができる。

図５Ｂに示すように、第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２をプラス側、第１半導体スイッチング素子３１及び第２半導体スイッチング素子３２をマイナス側に接続しても良い。詳細には、第１導体６１は車載バッテリのプラス端子に接続され、第１導体６１及び第２導体６２は第１シャント抵抗４１及び第２シャント抵抗４２を介して接続されている。第２導体６２及び第３導体６３は第１半導体スイッチング素子３１及び第２半導体スイッチング素子３２を介して接続され、第３導体６３は負荷Ａのプラス端子に接続される。

変形例においても、給電制御装置及び電流検出装置１０１は、実施形態１及び実施形態２と同様の作用効果を奏する。

１ マイクロコンピュータ
２ 駆動回路
３ 半導体スイッチング素子
５ 電流検出回路
６ 給電経路
１１ 記憶部
３１ 第１半導体スイッチング素子
３２ 第２半導体スイッチング素子
４１ 第１シャント抵抗
４２ 第２シャント抵抗
５１ 差動増幅器
６１ 第１導体
６１１ａ 第１の導体部分
６１１ｂ 第２の導体部分
６２ 第２導体
６３ 第３導体
１０１ 電流検出装置
Ａ 負荷
Ｂ 基板
Ｒ１ 第１経路
Ｒ２ 第２経路

Claims (6)

1. 給電制御装置の給電経路を流れる電流を検出する電流検出装置であって、
   前記給電経路は基板に配された平板状の第１導体及び第２導体及び第３導体を備え、
   更に、
   前記基板に配された前記第１導体及び前記第３導体間に並列接続された第１半導体スイッチング素子及び第２半導体スイッチング素子と、
   前記基板に配された前記第１導体及び前記第２導体間に並列接続された第１シャント抵抗及び第２シャント抵抗と、
   前記基板に配されており、前記第１シャント抵抗を流れる電流を検出する電流検出回路と、
   前記基板に配された演算回路と
   を備え、
   前記演算回路は、
   前記第１シャント抵抗及び前記第２シャント抵抗の双方を介して前記第１導体から前記第２導体へ流れる電流と、前記第１シャント抵抗を流れる電流との相関関係と、前記電流検出回路にて検出した電流と、に基づいて前記給電経路を流れる電流を算出する電流検出装置。
2. 前記第１シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第１経路は、前記第２シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第２経路に比べて、分流比が小さい請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記第１シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第１経路の経路抵抗は、前記第２シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第２経路の経路抵抗に比べて大きい
   請求項１又は請求項２に記載の電流検出装置。
4. 前記第１シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第１経路は、前記第２シャント抵抗を介して前記給電経路を電流が流れる第２経路に比べて長い
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電流検出装置。
5. 前記第１シャント抵抗及び前記第２シャント抵抗の距離は５ｍｍ以下である
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電流検出装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電流検出装置を備える給電制御装置。

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