JPWO2016110932A1 - 磁性流体磁気ブリッジ式電流センサを備える車両 - Google Patents

Abstract

磁性流体を容器で保型して形成した２つの離隔した環状磁路と該環状磁路を磁性材による接続磁路で接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路に巻回された励磁コイルを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる磁気平衡状態を発現させるようにした磁性流体磁気ブリッジと、前記磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイルとを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択すると共に前記励磁コイルを駆動して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる磁気平衡状態を発現させているとき、前記環状磁路に、その環状磁路を貫通する被検出導線を配置し、当該導線に流れる被計測電流を計測するようにした磁性流体磁気ブリッジ式電流センサを備える、電力によってモータを駆動する車両。

Description

本発明は、磁性流体磁気ブリッジ式電流センサを備える、電力によってモータを駆動する車両に関する。

電力によってモータを駆動する車両では、充放電量はガソリン車に比べてはるかに大きく、電流センサが測定する電流も大きくなる。そのため、この様な車両では、大電流を精密に検出することが要求される。

電気自動車等の電流検出の際には、ヒステリシスによりバッテリーの充電残量の計測精度が低下することが知られている。ヒステリシスを考慮して正確なバッテリー残量を検出するために、電源残量演算装置に補正演算手段を備えた車両が提案されている（例えば、「特許文献１」。）。
また、二次電池の充放電時のオフセット誤差を検出して充放電電流の補正を行い、より適正な充放電電流を得る二次電池装置が提案されている（例えば、「特許文献２」。）。
より精密に電流を計測・制御する電力センサとして、磁性流体を用いた磁気ブリッジ式の電流センサ（磁性流体磁気ブリッジ型電流センサ）が提案されている（例えば、「特許文献３」。）。

特許４６１３６０５号公報 特開２００２−１５１１６５号 特許４３１０３７３号公報

本発明は、電流センサの実測値を補正する手段を用いずに、大電流を精密に検出することが可能な、電力によってモータを駆動する車両を提供することを目的とする。
また本発明は、電流センサの実測値を補正する手段を用いずに、大電流を精密に検出することが可能な、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、磁性流体を容器で保型して形成した２つの離隔した環状磁路と該環状磁路を磁性材による接続磁路で接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路に巻回された励磁コイルを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる（磁束の大きさが同じで方向が逆になる）磁気平衡状態を発現させるようにした磁性流体磁気ブリッジと、前記磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイルとを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択すると共に前記励磁コイルを駆動して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる（磁束の大きさが同じで方向が逆になる）磁気平衡状態を発現させているとき、前記環状磁路に、その環状磁路を貫通する被検出導線を配置し、当該導線に流れる被計測電流を計測するようにした、磁性流体磁気ブリッジ式電流センサを備える、電力によってモータを駆動する車両である。

また本発明は、前記磁性流体磁気ブリッジ式電流センサが、さらに負帰還制御機構を備え、前記負帰還制御機構は、励磁信号を増幅する可変増幅器と、増幅された励磁電流を、前記磁性流体磁気ブリッジ式電流センサの励磁コイルに流す駆動回路と、前記励磁コイルの励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信し、前記磁性流体磁気ブリッジ式電流センサの接続磁路または環状磁路に巻回された励磁磁束検出コイルと、前記励磁磁束検出コイルで受信した励磁磁束検出信号を扱いやすい大きさまで増幅する交流増幅器と、その大きさを直流電流で表現できるように整流する整流回路とを備えることを特徴とする、車電力によってモータを駆動する車両である。

本発明により、電流センサの実測値を補正する手段を用いずに、大電流を精密に検出することが可能な、電力によってモータを駆動する車両を提供することが可能となる。
また本発明によりは、電流センサの実測値を補正する手段を用いずに、大電流を精密に検出することが可能な、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車を提供することが可能となる。

本発明は、磁性流体磁気ブリッジ式電流センサを備える、電力によってモータを駆動する車両に関する。
電力によってモータを駆動する車両は、例えば、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車を挙げることができる。これらの中でも、特に電気自動車またはハイブリッド車を好ましいものとして挙げることができる。
本発明の車両に備えられる磁性流体磁気ブリッジ式電流センサは、本発明の車両に搭載されたバッテリーの充放電検出のために用いられる。

本発明について、図を参照しながら説明する。
図１は、本発明の車両に適用される磁性流体磁気ブリッジ式電流センサの一実施形態を示す。
磁性流体磁気ブリッジ式電流センサ１は、磁性流体磁気ブリッジ１７と、前記磁性流体磁気ブリッジ１７の磁気回路に巻回された検出コイル１８とを備える。
磁性流体磁気ブリッジ１７は、磁性流体１２を容器で保型して形成した２つの離隔した環状磁路１３ａ、１３ｂと該環状磁路を磁性材による接続磁路１４ａ、１４ｂで接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路１４ａに巻回された励磁コイル１５を備えており、磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる（磁束の大きさが同じで方向が逆になる）磁気平衡状態を発現させるようにしたものである。
磁性流体磁気ブリッジ式電流センサ１は、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択すると共に前記励磁コイル１５を駆動して前記２つの環状磁路１３ａ、１３ｂの磁束の和がゼロになる（磁束の大きさが同じで方向が逆になる）磁気平衡状態を発現させているとき、前記環状磁路１３ａ、１３ｂに、その環状磁路を貫通する被検出導線１０を配置し、当該導線に流れる被計測電流Ｉｘを計測する。

図９は、本発明の磁性流体磁気ブリッジ式電流センサを適用した車両のシステム構成の一例を示すブロック図である。
本発明の磁性流体磁気ブリッジ式電流センサ９は、車両に搭載されたバッテリーの充放電電流を計測して電源残量演算装置に伝え、電源残量演算装置はバッテリーの充電残量を各種制御装置や発電機等に伝達する。
磁性流体磁気ブリッジ式電流センサは、磁性流体を用いているためオフセットが生じないことが特徴であり、大電流を測定する場合でも、ヒステリシスの補正をせずに感度良く充放電を検出することができる。そのため、本発明の車両に搭載される電源残量演算装置は、電流センサの検出値を補正する手段がなくても充放電の検出を精密に行うことができる。
よって本発明は、その一実施態様として、電流センサの検出値を補正する手段を持たない車両を提供する。

図３（ａ）、図３（ｂ）はそれぞれ、本発明の車両に適用される磁性流体型磁気ブリッジ型電流センサの他の一実施形態の構成を示す。

本発明の車両に適用される磁性流体磁気ブリッジ式電流センサは、計測したい環境磁界や電流磁界の影響によって受ける励磁磁束の変化を検出している。よって影響を受けさせる「本来の励磁磁束」が不安定であると、検出する際に、本来の励磁磁束の不安定なのか、環境磁界や電流磁界の影響なのかが区別できなくなり、測定誤差が生じる可能性がある。
この「本来の励磁磁束」は、温度による透磁率の変化により不安定になり、さらに計測しようとする環境磁界や電流磁界の強さによる透磁率の変化によって不安定になり、測定誤差が発生するものと考えられる。
図３（ａ）、図３（ｂ）に示す構成は、例えば図１に示す磁性流体磁気ブリッジ式電流センサに、励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイルを備えている。図１に示す磁性流体磁気ブリッジと検出コイルから構成されるセンサ部に、さらに励磁磁束検出コイルを備えている。この構成に、図２に示すような負帰還制御機構２０を備えることで、励磁磁束の変化（不安定）を抑制して励磁磁束を一定に保つこと（定励磁磁束方式）が可能である。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示す構成について説明する。
図３（ａ）に示すセンサ部３ａは、磁性流体磁気ブリッジ３７と磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイル３８から構成され、磁性流体磁気ブリッジ３７の磁気回路に巻回された励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイル３６を備える。
磁性流体磁気ブリッジ３７は、磁性流体３２を容器で保型して形成した２つの離隔した環状磁路３３ａ、３３ｂと該環状磁路を磁性材による接続磁路３４ａ、３４ｂで接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路３４ａに巻回された励磁コイル３５を備えており、磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる（磁束の大きさが同じで方向が逆になる）磁気平衡状態を発現させるようにしたものである。
励磁磁束検出コイル３６は、前記接続磁路３４ａに巻回されていて、接続磁路の励磁磁束を一か所で検出する。

図３（ｂ）に示すセンサ部３ｂは、磁性流体磁気ブリッジ３７と磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイル３８から構成され、磁性流体磁気ブリッジ３７の磁気回路に巻回された励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイル３６ａ、３６ｂを備える。
磁性流体磁気ブリッジ３７は、磁性流体３２を容器で保型して形成した２つの離隔した環状磁路３３ａ、３３ｂと該環状磁路を磁性材による接続磁路３４ａ、３４ｂで接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路３４ａに巻回された励磁コイル３５を備えており、磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる（磁束の大きさが同じで方向が逆になる）磁気平衡状態を発現させるようにしたものである。
励磁磁束検出コイル３６ａ、３６ｂは、前記環状磁路３３ａ、３３ｂの２か所に巻回されていて、接続磁路３４ａから左右方向に分かれて環状磁路に流れてくる励磁磁束を検出する。

励磁磁束検出コイル３６ａ、３６ｂは、接続磁路３４ａから左右方向にほぼ等距離の位置に巻回すことで、接続磁路を通り左右に二分されたほぼ等量の励磁磁束を検出する。
図３（ａ）に示す励磁磁束検出コイル３４ａで励磁磁束を検出する場合は、接続磁路を通るすべての励磁磁束を一か所で検出する。これに対して、図３（ｂ）に示す態様では、左右に分かれて環状磁路３３ａと環状磁路３４ａを伝ってくる励磁磁束を、励磁磁束検出コイル３６ａと励磁磁束検出コイル３６ｂの二か所で検出している。励磁磁束検出コイル３６ａと励磁磁束検出コイル３６ｂそれぞれの励磁磁束の量は、接続磁路を通る励磁磁束のほぼ２分の一の量となる。

図２は、本発明の車両に適用される磁性流体磁気ブリッジ式電流センサの負帰還制御機構２０の構成を示すブロック図である。上述のように、図３（ａ）、図３（ｂ）に示す構成と組み合わせて、磁性流体磁気ブリッジ式電流センサの励磁磁束の変化（不安定）を抑制して励磁磁束を一定に保つこと（定励磁磁束方式）ができる。

負帰還制御機構２０は、励磁信号を増幅する可変増幅器２２と、増幅された励磁電流を磁性流体磁気ブリッジ２１の励磁コイル２４に流す駆動回路２３と、励磁コイル２４の励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイル２５と、励磁磁束検出コイル２５で受信した励磁磁束検出信号を扱いやすい大きさまで増幅する交流増幅器２６と、その大きさを直流電流で表現できるように整流する整流回路２７を備える。

負帰還制御機構２０では、励磁信号を増幅して駆動回路２３で励磁コイル２４に励磁電流を流している。そして、励磁磁束検出コイル２５で励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を得て、扱いやすい大きさまで増幅し、その大きさを直流電圧で表現できるように整流している。
この直流電圧で可変増幅器２２の増幅度を制御している。つまり、励磁磁束検出信号が大きくなると可変増幅器２２の増幅度を下げる。また逆に、励磁磁束検出信号が小さくなると可変増幅器２２の増幅度を上げる。
このような負帰還制御を行う回路で適切に調整する（定磁束励磁方式）ことにより、励磁磁束の変化（不安定）を抑制して励磁磁束を一定に保つことができるので、計測したい環境磁界や電流磁界のみによる影響を受けた励磁磁束の変化分を起電力として検出できる。また、この負帰還制御の際の励磁電流の増減は、数パーセント程度であり、磁気平衡式センサの様な大電流を必要としない。

図４は、図１、図３（ａ）、ならびに図３（ｂ）の磁性流体磁気ブリッジ１７、３７の正断面図である。図５は、図４のＡ−Ａ矢視断面図である。図６は、図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。

本発明を構成する磁性流体磁気ブリッジ１７、３７について、図４〜図６を参照して以下に説明する。
図４〜図６に例示した磁路ケーシングＭＣは、断面が略Ｈ状をなす環状の容器本体４１と、この容器本体４１の上、下の環状開放面に被着して当該本体４１の閉鎖断面内に２つの環状流路を形成する上、下の蓋体４２、４３とから形成されている。

環状の容器本体４１は、内外周壁４１ａ、４１ｂとこの内外周壁４１ａ、４１ｂの対向面をその高さの中間部で接続する形態の仕切中底４１ｃと、この仕切底４１ｃに１８０度離隔して設けた２つの穴４１ｄ、４１ｅを備えている。一方、上下の蓋体４２、４３は、容器本体４１の上下の環状開放面に被着されて、さらに容器本体４１は仕切中底４１ｃにより仕切られているが２つの連通穴４１ｄ、４１ｅで通じた上、下２つの閉鎖環状空間（環状路）を形成する。この蓋体４２、１３において、仕切中底４１ｃに設けた２つの連通穴４１ｄ、４１ｅに対面した蓋体４２、４３の面内には、それぞれ凹部４２ａ、４２ｂ、凹部４３ａ、４３ｂが形成されている。また、各凹部４２ａ〜４３ｂは、その上面（開口面）に、図には示されていないが、柔軟なフィルムなどの薄膜を張った気室に形成されている。以上により、磁路ケーシングＭＣの一例を形成する。各構成の機能、役割については、以下に説明する。

上記の磁路ケーシングＭＣは、一例として仕切板４１ｃの１８０度離れた２つの連通穴４１ｄ、４１ｅで通じた上、下２つの環状路に底になる蓋体４３を施着して磁性流体２を入れ、蓋体４２を天蓋として施着し封止する。本発明では、上、下の蓋体４２、４３を施着してから磁性流体２を注射針により環状路内に注入し、注入孔を封止することもある。このようにして、上、下２つの環状路に入っている磁性流体２によって、２つの離隔した環状磁路１３ａ、１３ｂが形成される。そして、この２つの磁路１３ａ、１３ｂを繋ぐ仕切中底４１ｃの連通穴４１ｄ、４１ｅに在る磁性流体２が２つの接続磁路１４ａ、１４ｂを形成する。

本発明では、前記凹部４２ａ〜４３ｂが、それに蓋をするように弾力のある膜（図示せず）を張って気室に形成されているが、この構成（凹部と膜）は、密閉された磁路ケーシングＭＣ内で磁性流体２の膨張や収縮が生じた場合に対応するためである。すなわち、磁性流体２に膨張や収縮が起きると、当該ケーシングＭＣを破壊する恐れがあるが、この気室があることにより気室内の空気（あるいはガス）と膜の弾性により内圧の極端な変動を吸収することができるからである。凹部４２ａ〜４３ｂとそれに張った膜による気室の作用は、上記のようにケーシング磁路内の内圧調整であるから、凹部４２ａ〜４３ｂを設ける位置は、磁路ケーシングＭＣの内部であれば、どこでもよく、また少なくとも１つあれば良い。
図４〜図６の磁路ケーシングＭＣに封じ込められた磁性流体２が形成する磁気回路は、磁路ケーシングＭＣを省略して磁性流体２だけで示すと、図１に模式的に示すように、上、下２つの環状磁路１３ａ、１３ｂと、これらの磁路１３ａ、１３ｂが２つの接続磁路１４ａと１４ｂとで接続された磁気回路に形成されている。

図７は、磁性流体型磁気ブリッジ型電流センサの典型的な基本的入出力特性（実線）と理想的特性（破線）示すグラフである。
この図は±１００アンペアを計測した時の入出力特性を示しているが、基本的入出特性を示すＳ字カーブの実線は、ＯＡ（実線グラフと点線が交わる中央の点）付近で傾斜が最も大きく感度が高いことを示している。そして、計測する電流（入力）の絶対値が大きくなるにつれて傾斜が緩やかになっている。これは電流（入力）の絶対値が大きくなるにつれて、測定感度が落ちていることを示している。破線（直線）は理想的特性を示している。

図８（ａ）は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す本発明の電流センサの入出力特性を示すグラフである。上述の通り、理想的特性は図７に示す破線（直線）であるので、本発明の電流センサにより、センサの入出力特性の直線性が向上し測定感度をほぼ一定に保てることを示している。図８（ｂ）は、図８（ａ）の値の直線性誤差を示すグラフである。グラフからわかるように、直線性の誤差は０．５％以内に収まっている。

本発明により、電力によってモータを駆動する車両において、補正手段を用いずに充放電電流をより精密に検出することができるようになる。そのため、バッテリーの残充電量を正確に把握して残走行距離を算出できる車両の提供が可能となり、さらにバッテリーの使用容量を大幅にアップすることが可能となるためバッテリーのコストダウンが可能となる。すなわち、充電ステーションの適正な設置間隔（設置数）が算出可能となり、さらに車両のコストダウンが実現する。そのため、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車等電力によってモータを駆動する車両の導入を推進することが可能となる。

本発明の車両に適用される磁性流体型磁気ブリッジ型電流センサの一実施形態の構成を模式的に示した斜視図である。 本発明の車両に適用される磁性流体型磁気ブリッジ型電流センサの負帰還制御機構２０の構成を示すブロック図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）はそれぞれ、本発明の車両に適用される磁性流体型磁気ブリッジ型電流センサの他の実施形態の構成を模式的に示した斜視図である。 磁性流体磁気ブリッジ１７、２１、３７の正断面図である。 図４のＡ−Ａ矢視断面図である。 図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。 磁性流体磁気ブリッジ型電流センサの典型的な基本的入出力特性（実線）と理想的特性（破線）示すグラフである。 図８（ａ）は、本発明の磁性流体型磁気ブリッジ型電流センサの入出力特性を示すグラフである。図８（ｂ）は、図８（ａ）の値の直線性誤差を示すグラフである。 本発明による、磁性流体磁気ブリッジ型電流センサを適用した車両のシステム構成の一例を示すブロック図である。

１、３ａ、３ｂ 磁性流体磁気ブリッジ型電流センサのセンサ部
２、１２、３２ 磁性流体
９ 磁性流体磁気ブリッジ式電流センサ
１０ 被計測導線
Ｉｘ 被計測電流
１２、３２ 磁性流体
１３ａ、１３ｂ、３３ａ、３３ｂ 環状磁路
１４ａ、１４ｂ、３４ａ、３４ｂ 接続磁路
１５、３５ 励磁コイル
３６ａ、３６ｂ 励磁磁束検出コイル
１７、２１、３７ 磁性流体磁気ブリッジ
１８、３８ 検出コイル
２０ 負帰還制御機構
２２ 可変増幅器
２３ 駆動回路
２４ 交流増幅器
２５ 整流回路

Claims (8)

1. 磁性流体を容器で保型して形成した２つの離隔した環状磁路と該環状磁路を磁性材による接続磁路で接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路に巻回された励磁コイルを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる（磁束の大きさが同じで方向が逆になる）磁気平衡状態を発現させるようにした磁性流体磁気ブリッジと、前記磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイルとを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択すると共に前記励磁コイルを駆動して前記２つの環状磁路の磁束の和がゼロになる（磁束の大きさが同じで方向が逆になる）磁気平衡状態を発現させているとき、前記環状磁路に、その環状磁路を貫通する被検出導線を配置し、当該導線に流れる被計測電流を計測するようにした磁性流体磁気ブリッジ式電流センサを備える、電力によってモータを駆動する車両。
2. 前記電力によってモータを駆動する車両が、電気自動車、ハイブリッド車、または燃料電池車のいずれかである請求項１に記載の車両。
3. 前記電力によってモータを駆動する車両が、電気自動車、またはハイブリッド車である請求項１または２に記載の車両。
4. 前記磁性流体磁気ブリッジ式電流センサが、前記車両に搭載されたバッテリーと電源残量演算装置の間に備えられており、前記電源残量演算装置は、センサの検出値を補正する手段を持たないことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の車両。
5. 前記磁性流体磁気ブリッジ式電流センサが、さらに負帰還制御機構を備え、前記負帰還制御機構は、励磁信号を増幅する可変増幅器と、増幅された励磁電流を、前記磁性流体磁気ブリッジ式電流センサの励磁コイルに流す駆動回路と、前記励磁コイルの励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信し、前記磁性流体磁気ブリッジ式電流センサの接続磁路または環状磁路に巻回された励磁磁束検出コイルと、前記励磁磁束検出コイルで受信した励磁磁束検出信号を扱いやすい大きさまで増幅する交流増幅器と、その大きさを直流電流で表現できるように整流する整流回路とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の車両。
6. 前記励磁磁束検出コイルが、前記接続磁路に巻回されている請求項５に記載の車両。
7. 前記励磁磁束検出コイルが、前記環状磁路の２か所に巻回されている請求項５に記載の車両。
8. 前記励磁磁束検出コイルが、前記環状磁路の、前記接続磁路から左右方向にほぼ等距離の２か所に巻回されている請求項７に記載の車両。