WO2014045568A1 - 電流検出回路とこの電流検出回路を備える電動車両及び蓄電装置 - Google Patents

電流検出回路とこの電流検出回路を備える電動車両及び蓄電装置 Download PDF

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converter
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公彦 古川
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三洋電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a current detection circuit that detects an integrated value of a current flowing through a battery, an electric vehicle including the current detection circuit, and a power storage device.
  • the battery system calculates the remaining capacity by detecting the charged / discharged current value.
  • the remaining capacity of the battery is important data for charging and discharging while preventing overcharge and overdischarge.
  • the battery is fully discharged when the remaining capacity is 0% and fully charged when the remaining capacity is 100%.
  • the battery is charged and discharged within a range where the remaining capacity is 0% to 100%, and overdischarge and overcharge can be prevented.
  • the battery has a characteristic of deteriorating when the remaining capacity approaches 0% or approaches 100%, the deterioration can be reduced by charging / discharging in a range centering on 50%. To realize this, it is necessary to accurately detect the remaining capacity of the battery.
  • the remaining battery capacity is calculated based on the integrated charge / discharge current.
  • the integrated value of the charge / discharge current is calculated by detecting the battery current with a current sensor and integrating the current value detected with the current sensor.
  • a current detection circuit has been developed that converts the analog output of the current sensor into a digital signal by an AD converter and calculates the digital signal to detect the integrated value of the current. (See Patent Document 1).
  • This current detection circuit performs an operation by converting an analog signal detected by a current sensor into a digital signal by an AD converter. At this time, quantization noise is generated, and current measurement accuracy is lowered. For example, in a system with an AD converter resolution of 0.2 A and a maximum current of 200 A to 300 A, the resolution is 0.06% to 0.1%, which is sufficient, but when this is integrated for one hour, 0.2 (Ah) Error. In a battery with a full charge capacity of 20 (Ah), the error of 0.2 (Ah) reaches 1%. As the integration time increases, the error in integration accuracy further increases.
  • the above disadvantages can be solved by increasing the resolution of the AD converter and using, for example, a 16-bit AD converter instead of the 12-bit AD converter.
  • the cost of the 16-bit AD converter is several times as high as that of the 12-bit AD converter, and further, the digital circuit is complicated and the component cost is significantly increased.
  • An important object of the present invention is to provide a current detection circuit capable of detecting an integrated current value with extremely high accuracy while using an inexpensive AD converter having a low resolution.
  • the current detection circuit of the present invention includes a current sensor that detects a battery current, an AD converter that converts an analog signal detected by the current sensor into a digital signal, and a current value that is converted into a digital signal by the AD converter. And a current integration circuit for calculating an integrated value of current. Furthermore, the current detection circuit includes a noise generation circuit that supplies a small noise signal that does not include a signal that is an integral multiple of the sampling frequency of the AD converter to the input side of the AD converter. The noise generation circuit supplies a noise signal to a current signal input from the current sensor to the AD converter, and the current signal added with the noise signal is converted into a digital signal by the AD converter and output. The digital signal output from the AD converter is integrated by a current integration circuit, and an integrated value of current is detected.
  • integer multiple includes 1/2 times, 1/3 times, 1/4 times,... In addition to 1 times, 2 times, 3 times,. Used in a broad sense.
  • the current detection circuit described above has the feature that the integrated value of current can be detected with extremely high accuracy while using an inexpensive AD converter with low resolution.
  • the above current detection circuit supplies a noise signal to the input of the AD converter, converts it into a digital signal by the AD converter, integrates the converted digital signal, and detects the integrated value of the current to detect the noise signal. This is because the integrated value of the current is detected by canceling the error and reducing the error due to the quantization noise.
  • FIG. 1 is a graph showing characteristics of a 4-bit AD converter that converts an input voltage, which is an output signal of a current sensor, into a digital signal and outputs the digital signal.
  • the AD converter in this figure converts the input voltage on the horizontal axis into a 4-bit digital signal shown on the vertical axis, and outputs it.
  • the AD converter having the conversion characteristics shown in this figure has a resolution of 1 LSB of 0.1V.
  • a triangular wave noise signal is added to the input voltage input from the current sensor to the AD converter.
  • the triangular wave of the noise signal has an amplitude of 1 ⁇ 2 of 1 LSB resolution, that is, 0.05 V corresponding to 1 ⁇ 2 LSB.
  • the AD converter sequentially converts the input voltage into a digital signal at a timing indicated by A, B, C, D,.
  • the AD converter in FIG. 1 always outputs 0101 when no noise signal is added to the input voltage.
  • the AD converter outputs 0101, which is 0100, which is 1LSB lower than this.
  • the frequency with which the 0101 digital signal is output and the frequency with which the 0100 digital signal is output are specified by an input voltage that does not add a triangular wave.
  • the input voltage to which the triangular wave is not added is 0.5 V + 0.025 V, that is, 0.5 + 0.1 / 4. Therefore, the input voltage to which the triangular wave is added is a voltage range in which a digital signal of 0101 is output.
  • the ratio of the frequency with which the AD converter outputs the 0101 digital signal and the frequency with which the 0100 digital signal is output is also 3: 1. Therefore, when the digital signals output from the AD converter are integrated over a predetermined time, the integrated value is 0101 and 0100 are integrated, and the ratio becomes 3: 1. Therefore, the 0101 digital signal (0.5V to 0.6V in terms of input voltage) is integrated at the rate of 0100 (0.4V to 0.5V in terms of input voltage) once for 3 times. Is done.
  • the digital signal of 0101 is 0.5V to 0.6V converted to the input voltage and the center voltage is 0.55V, and the digital signal of 0100 is 0.4V to 0.5V converted to the input voltage. Since the center voltage is 0.45V, the integrated value of the digital signal is integrated at a rate of 0.55V three times and 0.45V once. Therefore, when the digital signal of the AD converter is integrated for a predetermined time, the noise signal is canceled and becomes the same as the integrated value of the voltage of 0.525V. That is, while using a 4-bit AD converter with 1-bit resolution of 0.1 V, the resolution is reduced to 0.025 V, that is, the resolution is higher than that of the AD converter, and the output voltage of the current sensor is increased. There is a feature that can be integrated.
  • the amplitude of the noise signal input from the noise generation circuit to the AD converter can be 0.3 LSB or more and 3 LSB or less of the AD converter.
  • the above current detection circuit can integrate the output signal of the AD converter by setting the amplitude of the noise signal in the vicinity of the resolution of 1 LSB of the AD converter, and can calculate the integrated value of the current more accurately.
  • the current detection circuit of the present invention can input the noise signal of the noise generation circuit as a triangular wave and the triangular noise signal to the input side of the AD converter.
  • the above current detection circuit can accurately calculate the integrated value of the output signal of the AD converter with a triangular wave noise signal to which the input voltage of the AD converter is added. This is because the triangular wave regularly changes the output voltage of the current sensor.
  • the frequency of the noise signal output from the noise generation circuit can be 1/10 or more and 100 times or less the sampling frequency of the AD converter.
  • the current detection circuit described above can accurately calculate the integrated value of the current from the output signal of the AD converter by changing the input voltage of the AD converter at a preferable period with a noise signal.
  • the noise generation circuit can output white noise whose DC level is zero to the input side of the AD converter.
  • the above current detection circuit adds white noise having a wide frequency band to the input voltage of the AD converter, the input voltage is changed in a more preferable state with a noise signal of white noise having a DC level of zero, The integrated value of current can be accurately calculated from the output signal of the AD converter.
  • the current detection circuit of the present invention can be provided with an instantaneous current detection unit that detects an instantaneous current value on the output side of the AD converter, and this instantaneous current detection unit is connected to the output side of the AD converter.
  • the cut-off frequency of the low-pass filter can be set to 1 ⁇ 4 or less of the lowest frequency of the noise signal or the fundamental frequency.
  • the effect of the low-pass filter is similar to integration, but a signal having a band necessary for control can be output.
  • the above current detection circuit can detect the instantaneous current value of the battery with higher resolution than the output signal of the AD converter while adding the noise signal to the AD converter. This is because a digital signal that is fluctuated by a known noise signal obtained from the AD converter is passed through a low-pass filter, so that a noise signal component can be reduced and an instantaneous current value with high resolution can be detected.
  • the current detection circuit of the present invention can use an AD converter that outputs a digital signal of 10 bits or more and 16 bits or less.
  • An electric vehicle includes a battery that travels the vehicle, a motor that is powered by the battery and travels the vehicle, and a current detection circuit that detects an integrated value of the current flowing through the battery.
  • the current sensor that detects the battery current
  • the AD converter that converts the analog signal detected by the current sensor into a digital signal
  • the current value that is converted into a digital signal by the AD converter A current integrating circuit for calculating the integrated value.
  • the current detection circuit includes a noise generation circuit that supplies a noise signal that does not include a signal that is an integral multiple of the sampling frequency of the AD converter to the input side of the AD converter.
  • the noise generation circuit supplies a noise signal to a current signal input from the current sensor to the AD converter, and the current signal added with the noise signal is converted into a digital signal by the AD converter and output.
  • the digital signal output from the AD converter is integrated by a current integration circuit, and an integrated value of current is detected.
  • the power storage device of the present invention includes a battery for storing power and a current detection circuit that detects an integrated value of the current flowing through the battery.
  • the current detection circuit includes a current sensor that detects a current of the battery, An AD converter that converts an analog signal detected by a current sensor into a digital signal, and a current integration circuit that calculates an integrated value of current by integrating current values converted into digital signals by the AD converter.
  • the current detection circuit includes a noise generation circuit that supplies a noise signal that does not include a signal that is an integral multiple of the sampling frequency of the AD converter to the input side of the AD converter.
  • the noise generation circuit supplies a noise signal to a current signal input from the current sensor to the AD converter, and the current signal added with the noise signal is converted into a digital signal by the AD converter and output.
  • the digital signal output from the AD converter is integrated by a current integration circuit, and an integrated value of current is detected.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hybrid car equipped with a current detection circuit according to an embodiment of the present invention. It is a block diagram of the electrical storage apparatus equipped with the current detection circuit concerning the Example of this invention. It is a graph which shows the output waveform of an AD converter.
  • the current detection circuit 1 of FIG. 2 is a specific example that is mounted on an electric vehicle and used to detect an integrated current of a battery that supplies power to a motor that drives the vehicle.
  • the electric vehicle shown in this figure includes a motor 2 that drives the vehicle, a battery 3 that supplies electric power to the motor 2, a current detection circuit 1 that detects a current flowing through the battery 3, and a generator 4 that charges the battery 3. And a DC / AC inverter 17 that connects the motor 2 and the generator 4 to the battery 3.
  • the current detection circuit 1 of FIG. 2 is provided in a power supply device for a vehicle and detects the current of the battery 3 that runs the vehicle.
  • the current detection circuit of the present invention uses power to the motor that runs the vehicle.
  • the present invention can be used for a power storage device that stores natural energy such as a solar battery or wind power generation, or midnight power, as shown in FIG. 3.
  • This power storage device charges the battery 3 by supplying power from the power generation unit 5 such as a solar battery to the battery 3 by the DC / DC converter 6.
  • the charged battery 3 outputs an alternating current of commercial power via the DC / AC inverter 7 and is discharged.
  • the power supply device shown in FIGS. 2 and 3 detects the accumulated value of the charging / discharging current of the battery 3 with the current detection circuit 1, calculates the remaining capacity from the accumulated value of the current, and calculates the remaining capacity of the battery 3 with the calculated remaining capacity. Control charge and discharge.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a hybrid car equipped with a power supply device.
  • the power supply device includes a battery 3 in which a plurality of unit cells are connected in series, and a current detection circuit 1 that detects an integrated value of a current flowing through the battery 3.
  • the current detection circuit 1 includes a current sensor 8 that detects the current of the battery 3, an AD converter 9 that converts an analog signal detected by the current sensor 8 into a digital signal, and a noise signal on the input side of the AD converter 9. And a current integrating circuit 11 that integrates current values converted into digital signals by the AD converter 9 and calculates an integrated current value.
  • the battery 3 has a plurality of rechargeable cells connected in series.
  • the unit cell is a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion secondary battery or a lithium polymer secondary battery.
  • all other rechargeable batteries such as nickel metal hydride batteries can be used as the unit cells.
  • the current sensor 8 outputs a voltage proportional to the current of the battery 3.
  • the current sensor 8 of FIG. 2 includes a shunt resistor 12 connected to the line, and a differential amplifier 13 that amplifies a voltage induced at both ends of the shunt resistor 12.
  • a voltage (E) proportional to the product of the current (I) and the resistance value (R) of the shunt resistor 12 is induced across the shunt resistor 12. That is, since the voltage of the shunt resistor 12 increases linearly in proportion to the current, the current can be detected from the voltage.
  • the differential amplifier 13 amplifies the voltage induced in the shunt resistor 12 to a voltage optimum for the input voltage of the AD converter 9.
  • the output voltage (E0) of the current sensor 8 is a value represented by the following expression 1.
  • E0 A ⁇ R ⁇ I ... Formula 1
  • the output voltage (E0) of the differential amplifier 13 is the product of the amplification factor (A) of the differential amplifier 13, the resistance value (R) of the shunt resistor 12, and the current (I). Therefore, from the output voltage (E0) of the current sensor 8, the current of the battery 3 can be detected by the following formula 2.
  • any sensor capable of detecting the battery current for example, a magnetic current sensor may be used.
  • a magnetic current sensor detects a magnetic flux generated by a current flowing in a line to detect a current. Also in this type of current sensor, since the direction of the magnetic flux generated by the discharge current and the charging current is reversed, the discharge current and the charging current can be discriminated by the direction of the magnetic flux.
  • the AD converter 9 converts the voltage signal input from the current sensor 8 into a digital signal.
  • an analog low-pass filter 14 is connected between the output side of the current sensor 8 and the input side of the AD converter 9.
  • the analog low-pass filter 14 reduces aliasing noise that occurs at the sampling frequency.
  • noise components included in the output signal of the current sensor 8 can be removed.
  • the low-pass filter 14 has a cutoff frequency that is 1 ⁇ 2 or less of the sampling frequency of the AD converter 9.
  • the low-pass filter 14 preferably has an attenuation characteristic of 6 dB / octave to 18 dB / octave.
  • the cutoff frequency of the low-pass filter 14 is preferably 50 Hz or less.
  • An analog low-pass filter 14 can be connected to the output side of the current sensor 8 to reduce aliasing noise in the sampling frequency of the AD converter. Therefore, the current detection circuit of the present invention does not necessarily need to be provided with a low-pass filter. .
  • the AD converter 9 converts the analog signal input from the current sensor 8 into a digital signal at a predetermined sampling period and outputs the digital signal.
  • the sampling frequency of the AD converter 9 is specified from the characteristics of the current flowing through the battery 3 and the signal band necessary for control.
  • the current detection circuit 1 that calculates the integrated value of the current of the battery 3 sets the sampling period of the AD converter 9 to, for example, 10 msec.
  • the AD converter 9 converts an analog signal into a digital signal at a sampling frequency of 100 Hz. However, since the sampling period of the AD converter 9 can be faster or slower than 10 msec, for example, the sampling period can be slower than 100 ⁇ sec and faster than 100 msec.
  • the AD converter 9 preferably uses an AD converter 9 having an output code of 10 bits or more and 16 bits or less, preferably an output code of 12 bits.
  • the AD converter 9 can increase the resolution by increasing the number of bits of the output code. For example, since the resolution of the 12-bit AD converter 9 is 1/4096 of the maximum input voltage, when converting a current value of ⁇ 500 A into a digital signal, the resolution of 1LSB is 1000 A / 4096, which is about 0. .24A.
  • the 16-bit AD converter 9 achieves 16 times the resolution of the 12-bit AD converter 9, but the component cost is several times higher. Since the current insulation circuit of the present invention can increase the accuracy of the current integrated value while using an AD converter with low resolution, a 12-bit AD converter is preferably used. However, in a current detection circuit that detects the integrated value of the battery current with higher accuracy, an AD converter having an output code of 16 bits or more can be used.
  • the AD converter 9 converts the input digital signal into a voltage signal and outputs it as shown in FIG.
  • the AD converter 9 adds a noise signal to the input voltage in order to increase the resolution.
  • the noise signal is input from the noise generation circuit 10.
  • the noise generation circuit 10 receives a noise signal that does not include a signal that is an integer multiple of the sampling frequency of the AD converter 9, and preferably does not include a signal that is close to an integer multiple of the sampling frequency.
  • Noise signal is white noise whose DC level is zero, preferably white noise that does not include frequency components near integer multiples of the sampling frequency and DC level is zero, or a period that does not include signals near integer multiples of the sampling frequency Signal.
  • Figure 1 uses a triangular wave as the noise signal.
  • the sampling frequency of the AD converter 9 is set to 100 Hz, and the fundamental frequency is set to 45 Hz.
  • the noise signal is a noise signal that has a fundamental frequency of 45 Hz and does not include an integral multiple (1/2) of the sampling frequency of the AD converter.
  • a noise generation circuit 10 that outputs a triangular wave noise signal can easily output a triangular wave by causing a rectangular wave to oscillate by an oscillation circuit and passing the output rectangular wave through a low-pass filter and a high-pass filter.
  • the present invention does not specify the noise signal as a triangular wave, and other periodic signals such as a rectangular wave and a sine wave can be used.
  • the amplitude of the noise signal input from the noise generation circuit 10 to the AD converter 9 is preferably 0.3 LSB or more and 3 LSB or less of the AD converter 9.
  • the amplitude of the noise signal is 0.5LSB of the AD converter 9 in the case of a periodic signal such as a triangular wave, and the effective value of the voltage is 1/3 LSB of the AD converter 9 in the case of white noise.
  • the integrated value of current can be calculated with the highest accuracy.
  • the current integration circuit 11 integrates digital signals input from the AD converter 9 over a predetermined time, and calculates an integrated value of current.
  • the integration time of the current integration circuit 11 is set to an optimum time for the purpose of detecting current.
  • the current integration circuit 11 in which the sampling period of the AD converter 9 is 10 msec and the integration time is 2 seconds is AD conversion.
  • the digital signal output from the device 9 is integrated 200 times to calculate the integrated current value.
  • the integrated value of the current integrated 200 times is detected with an accuracy exceeding the resolution of the AD converter 9 while fluctuating with a noise signal.
  • the accumulated current value is used to calculate the remaining battery capacity, and the remaining capacity calculated from the accumulated current value is transmitted to the vehicle side via an interface circuit (not shown).
  • the remaining capacity of the battery can be calculated from the integrated value of the charging current and the integrated value of the discharging current, the remaining capacity can be detected from the integrated value of the current.
  • the vehicle side controls charging / discharging with the remaining capacity of the battery to prevent overcharging and overdischarging of the battery.
  • the current detection circuit 1 in FIG. 2 includes a noise signal in the digital signal output from the AD converter 9. That is, the current value that is fluctuated by the noise signal is output from the AD converter 9 as a digital signal. Therefore, the digital signal output from the AD converter 9 fluctuates with a noise signal as indicated by an arrow A in FIG.
  • the instantaneous current detection unit 15 includes a digital low-pass filter 16. A waveform indicated by an arrow A in FIG.
  • the low-pass filter 16 is connected to the output side of the AD converter 9 and removes a noise signal from the digital signal. In order to remove the noise signal, the low-pass filter 16 sets the cutoff frequency to, for example, the lowest frequency of the noise signal or 1 ⁇ 4 or less, preferably 1/10 or less of the fundamental frequency, and preferably has an attenuation characteristic. 6 dB / octave to 24 dB / octave.
  • the cutoff frequency of the digital low-pass filter 16 is 1 ⁇ 4 or less, preferably 1/10 or less, more preferably 1/20, of the fundamental frequency of the triangle wave.
  • the current detection circuit 1 that sets the fundamental frequency of the triangular wave to 45 Hz effectively removes noise components by setting the cutoff frequency of the digital low-pass filter 16 to preferably 4.5 Hz or less, optimally about 2 Hz. .
  • the digital low-pass filter 16 lowers the cut-off frequency and removes noise signals more efficiently.
  • the cut-off frequency of the digital low-pass filter 16 is a band required for control. The instantaneous current value of the fluctuating current is accurately detected.
  • the above instantaneous current detection unit 15 removes a noise component supplied to the input side of the AD converter 9 from the digital signal output from the AD converter 9 with the digital low-pass filter 16, 3 instantaneous current value is accurately detected.
  • the instantaneous current value of the battery 3 detected by the instantaneous current detector 15 is transmitted to the vehicle side via an interface circuit (not shown).
  • the current detection circuit of the present invention is optimal for use in detecting the integrated value of the current for charging / discharging the battery with high accuracy, and preferably the accurate integrated value of the current flowing through the battery of the power supply device or the power storage device for the vehicle. It is ideal for applications that detect the remaining battery capacity accurately.

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Abstract

 分解能の低い安価なAD変換器を使用しながら、電流の積算値を極めて高精度に検出する。 電流検出回路(1)は、電池(3)の電流を検出する電流センサ(8)と、この電流センサ(8)で検出されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器(9)と、AD変換器(9)でデジタル信号に変換される電流値を積算して電流の積算値を演算する電流積算回路(11)と、AD変換器(9)の入力側に、AD変換器(9)のサンプリング周波数の整数倍の信号を含まないノイズ信号を入力するノイズ発生回路(10)を備える。ノイズ発生回路(10)によって、電流センサ(8)からAD変換器(9)に入力される電圧をノイズ信号の供給された電流信号とし、この電流信号をAD変換器(9)でデジタル信号に変換して、AD変換器(9)から出力されるデジタル信号を電流積算回路(11)で積算して、電池(3)に流れる電流の積算値を検出する。

Description

電流検出回路とこの電流検出回路を備える電動車両及び蓄電装置
 本発明は、電池に流れる電流の積算値を検出する電流検出回路と、この電流検出回路を備える電動車両及び蓄電装置に関する。
 電池システムは、充放電される電流値を検出して残容量を演算している。電池の残容量は、過充電や過放電を防止しながら充放電するために重要なデータである。電池は残容量が0%で完全に放電された状態となり、残容量が100%で満充電された状態となる。電池は、残容量を0%~100%とする範囲で充放電されて、過放電や過充電を防止できる。さらに、電池は残容量が0%に近づき、あるいは100%に近づくと劣化する特性があるので、50%を中心とする範囲で充放電して劣化を少なくできる。このことを実現するには、電池の残容量を正確に検出する必要がある。
 電池の残容量は、充放電電流の積算値を元に演算される。充放電電流の積算値は、電池の電流を電流センサで検出し、電流センサで検出される電流値を積算して演算される。電流の積算値を検出するために、電流センサのアナログ出力をAD変換器でデジタル信号に変換し、デジタル信号を演算して電流の積算値を検出する電流検出回路は開発されている。(特許文献1参照)。
特開2004-170385
 この電流検出回路は、電流センサで検出するアナログ信号をAD変換器でデジタル信号に変換して演算するが、このとき量子化ノイズが発生して、電流の測定精度を低下させる。たとえば、AD変換器の分解能が0.2A、最大電流を200A~300Aのシステムでは0.06%~0.1%と充分な分解能であるが、これを1時間積算すると0.2(Ah)の誤差となってしまう。満充電容量を20(Ah)とする電池では、0.2(Ah)の誤差は1%にも達する。積算時間が長くなると、さらに積算精度の誤差は大きくなる。
 以上の弊害は、AD変換器の分解能を高くして、たとえば12ビットのAD変換器に代わって、16ビットのAD変換器を使用して解消できる。しかしながら、16ビットのAD変換器のコストは、12ビットのAD変換器の数倍にも高価となり、さらに、デジタル回路も複雑になって部品コストが著しく高くなる欠点がある。
 本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、分解能の低い安価なAD変換器を使用しながら、電流の積算値を極めて高精度に検出できる電流検出回路を提供することにある。
課題を解決するための手段及び効果
 本発明の電流検出回路は、電池の電流を検出する電流センサと、この電流センサで検出されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器と、AD変換器でデジタル信号に変換される電流値を積算して電流の積算値を演算する電流積算回路とを備える。さらに、電流検出回路は、AD変換器の入力側に、AD変換器のサンプリング周波数の整数倍の信号を含まない小さいノイズ信号を供給するノイズ発生回路を備える。ノイズ発生回路は、電流センサからAD変換器に入力される電流信号にノイズ信号を供給し、ノイズ信号の加算された電流信号がAD変換器でデジタル信号に変換されて出力される。AD変換器から出力されるデジタル信号は、電流積算回路で積算されて、電流の積算値が検出される。
 ところで、本明細書において、「整数倍」とは、1倍、2倍、3倍、・・・に加えて、1/2倍、1/3倍、1/4倍・・・・を含む広い意味に使用する。
 以上の電流検出回路は、分解能の低い安価なAD変換器を使用しながら、電流の積算値を極めて高精度に検出できる特徴がある。それは、以上の電流検出回路がAD変換器の入力にノイズ信号を供給してAD変換器でデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号を積算して電流の積算値を検出することでノイズ信号をキャンセルして、量子化ノイズによる誤差を低減して、電流の積算値を検出するからである。
 以下、ノイズ信号を加算して電流の積算値をAD変換器の分解能を越える精度で検出する動作原理を説明する。図1は、4ビットのAD変換器が、電流センサの出力信号である入力電圧をデジタル信号に変換して出力する特性を示すグラフである。この図のAD変換器は、横軸の入力電圧を縦軸に示す4ビットのデジタル信号に変換して出力する。さらにこの図に示す変換特性のAD変換器は、1LSBの分解能を0.1Vとしている。この図は、電流センサからAD変換器に入力される入力電圧に、三角波のノイズ信号を加算している。ノイズ信号の三角波は、振幅を1LSBの分解能の1/2、すなわち1/2LSBに相当する0.05Vとしている。AD変換器は、図のA、B、C、D、・・・・で示すタイミングで、順番に入力電圧をデジタル信号に変換して出力する。
 図1のAD変換器は、入力電圧にノイズ信号を加えない状態では、常に0101を出力する。入力電圧に三角波のノイズ信号が加算して入力されると、AD変換器は0101と、これより1LSB低い、0100のデジタル信号を出力する。0101のデジタル信号が出力される頻度と、0100のデジタル信号が出力される頻度は、三角波を加算しない入力電圧によって特定される。図1において、三角波が加算されない入力電圧は、0.5V+0.025V、すなわち、0.5+0.1/4とするので、三角波の加算された入力電圧が、0101のデジタル信号を出力する電圧範囲となる時間帯と、0100のデジタル信号を出力する電圧範囲とする時間帯は、3:1の割合となる。したがって、AD変換器が、0101のデジタル信号を出力する頻度と、0100のデジタル信号を出力する頻度の比率も3:1の割合となる。このため、AD変換器から出力されるデジタル信号を所定の時間にわたって積算すると、積算値は、0101のデジタル信号と0100が積算されて、その割合は3:1となる。したがって、0101のデジタル信号(入力電圧に換算して0.5V~0.6V)が3回に対して、0100(入力電圧に換算して0.4V~0.5V)1回の割合で積算される。0101のデジタル信号は、入力電圧に換算して0.5V~0.6Vとなって中心電圧を0.55Vとし、0100のデジタル信号は入力電圧に換算して0.4V~0.5Vとなって中心電圧を0.45Vとするので、デジタル信号の積算値は、0.55Vが3回、0.45Vが1回の割合で積算される。したがって、AD変換器のデジタル信号が所定の時間積算されると、ノイズ信号がキャンセルされて、0.525Vの電圧の積算値と同じになる。すなわち、1ビットの分解能を0.1Vとする4ビットのAD変換器を使用しながら、分解能を0.025Vと小さくして、すなわち分解能をAD変換器より高くして、電流センサの出力電圧を積算できる特徴がある。
 本発明の電流検出回路は、ノイズ発生回路からAD変換器に入力されるノイズ信号の振幅を、AD変換器の0.3LSB以上であって3LSB以下とすることができる。
 以上の電流検出回路は、ノイズ信号の振幅を、AD変換器の1LSBの分解能の近傍として、AD変換器の出力信号を積算して、電流の積算値をより正確に演算できる。
 本発明の電流検出回路は、ノイズ発生回路のノイズ信号を、三角波として、三角波のノイズ信号をAD変換器の入力側に入力することができる。
 以上の電流検出回路は、AD変換器の入力電圧が加算される三角波のノイズ信号でもって、AD変換器の出力信号の積算値を正確にできる。それは、三角波が、電流センサの出力電圧を規則的に変化させるからである。
 さらに、本発明の電流検出回路は、ノイズ発生回路から出力されるノイズ信号の周波数を、AD変換器のサンプリング周波数の1/10以上であって100倍以下とすることができる。
 以上の電流検出回路は、ノイズ信号でもって、AD変換器の入力電圧を好ましい周期で変動させて、AD変換器の出力信号から電流の積算値を正確に演算できる。
 さらにまた、本発明の電流検出回路は、ノイズ発生回路が直流レベルがゼロのホワイトノイズをAD変換器の入力側に出力することができる。
 以上の電流検出回路は、AD変換器の入力電圧を、周波数帯域の広いホワイトノイズを加算するので、直流レベルがゼロのホワイトノイズのノイズ信号でもって、入力電圧をより好ましい状態で変動させて、AD変換器の出力信号から電流の積算値を正確に演算できる。
 さらに、本発明の電流検出回路は、AD変換器の出力側に、瞬時電流値を検出する瞬時電流検出部を備えることができ、この瞬時電流検出部には、AD変換器の出力側に接続してなるデジタルの低域通過フィルターを設けて、低域通過フィルターのカットオフ周波数を、ノイズ信号の最低周波数又は基本周波数の1/4以下とすることができる。低域通過フィルターの効果は積算と類似するが、制御に必要な帯域を持つ信号を出力させることができる。
 以上の電流検出回路は、AD変換器にノイズ信号を加算しながら、AD変換器の出力信号より分解能の高い電池の瞬時電流値を検出できる。それは、AD変換器から得た既知のノイズ信号で変動されるデジタル信号を、低域通過フィルターに通過させることで、ノイズ信号成分を低減し、分解能の高い瞬時電流値を検出できるからである。
 本発明の電流検出回路は、10ビット以上であって16ビット以下のデジタル信号を出力するAD変換器を使用することができる。
 本発明の電動車両は、車両を走行される電池と、この電池から電力が供給されて車両を走行させるモータと、電池に流れる電流の積算値を検出する電流検出回路とを備え、電流検出回路が、電池の電流を検出する電流センサと、この電流センサで検出されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器と、AD変換器でデジタル信号に変換される電流値を積算して電流の積算値を演算する電流積算回路とを備える。さらに、電流検出回路は、AD変換器の入力側に、AD変換器のサンプリング周波数の整数倍の信号を含まないノイズ信号を供給するノイズ発生回路を備える。ノイズ発生回路は、電流センサからAD変換器に入力される電流信号にノイズ信号を供給し、ノイズ信号の加算された電流信号がAD変換器でデジタル信号に変換されて出力される。AD変換器から出力されるデジタル信号は、電流積算回路で積算されて、電流の積算値が検出される。
 本発明の蓄電装置は、電力を蓄電する蓄電用の電池と、電池に流れる電流の積算値を検出する電流検出回路とを備え、電流検出回路は、電池の電流を検出する電流センサと、この電流センサで検出されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器と、AD変換器でデジタル信号に変換される電流値を積算して電流の積算値を演算する電流積算回路とを備える。さらに、電流検出回路は、AD変換器の入力側に、AD変換器のサンプリング周波数の整数倍の信号を含まないノイズ信号を供給するノイズ発生回路を備える。ノイズ発生回路は、電流センサからAD変換器に入力される電流信号にノイズ信号を供給し、ノイズ信号の加算された電流信号がAD変換器でデジタル信号に変換されて出力される。AD変換器から出力されるデジタル信号は、電流積算回路で積算されて、電流の積算値が検出される。
AD変換器の入力電圧にノイズ信号を加算してデジタル信号に変換する特性を示すグラフである。 本発明の実施例にかかる電流検出回路を装備するハイブリッドカーのブロック図である。 本発明の実施例にかかる電流検出回路を装備する蓄電装置のブロック図である。 AD変換器の出力波形を示すグラフである。
 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電流検出回路を例示するものであって、本発明は電流検出回路を以下に特定しない。
 図2の電流検出回路1は、電動車両に搭載されて、車両を走行させるモータに電力を供給する電池の積算電流を検出するのに使用される具体例を示す。この図に示す電動車両は、車両を走行させるモータ2と、このモータ2に電力を供給する電池3と、電池3に流れる電流を検出する電流検出回路1と、電池3を充電する発電機4と、モータ2と発電機4を電池3に接続するDC/ACインバータ17とを備える。
 図2の電流検出回路1は、車両用の電源装置に設けられて、車両を走行させる電池3の電流を検出するが、本発明の電流検出回路は、用途を車両を走行させるモータに電力を供給する電池の電流を検出する用途には特定せず、例えば、図3に示すように、太陽電池や風力発電などの自然エネルギー、あるいは深夜電力を蓄電する蓄電装置に使用することもできる。この蓄電装置は、太陽電池などの発電部5の電力をDC/DCコンバータ6で電池3に供給して電池3を充電する。充電された電池3は、DC/ACインバータ7を介して商用電力の交流を出力して放電される。図2と図3に示す電源装置は、電池3の充放電の電流の積算値を電流検出回路1で検出し、電流の積算値から残容量を演算して、演算する残容量で電池3の充放電をコントロールする。
 図2は、電源装置を搭載するハイブリッドカーのブロック図を示している。この電源装置は、複数の素電池を直列に接続している電池3と、この電池3に流れる電流の積算値を検出する電流検出回路1とを備える。
 電流検出回路1は、電池3の電流を検出する電流センサ8と、この電流センサ8で検出されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器9と、AD変換器9の入力側にノイズ信号を供給するノイズ発生回路10とAD変換器9でデジタル信号に変換される電流値を積算して電流の積算値を演算する電流積算回路11とを備える。
 電池3は、充電できる複数の素電池を直列に接続している。素電池は、リチウムイオン二次電池又はリチウムポリマー二次電池等の非水系電解液二次電池である。ただ、素電池には、ニッケル水素電池などの充電できる他の全ての電池も使用できる。
 電流センサ8は、電池3の電流に比例した電圧を出力する。図2の電流センサ8は、線路に接続しているシャント抵抗12と、このシャント抵抗12の両端に誘導される電圧を増幅する差動アンプ13とを備える。この電流センサ8は、シャント抵抗12の両端に、電流(I)とシャント抵抗12の抵抗値(R)との積に比例する電圧(E)が誘導される。すなわち、シャント抵抗12の電圧が、電流に比例して直線的に大きくなるので、電圧から電流を検出できる。また、電池3に流れる電流の方向、すなわち充電電流と放電電流とでシャント抵抗12に誘導される電圧の正負が反転するので、シャント抵抗12の電圧を検出して、電池3に流れる電流の方向と大きさの両方を検出できる。差動アンプ13は、シャント抵抗12に誘導される電圧を、AD変換器9の入力電圧に最適な電圧に増幅する。差動アンプ13の増幅率をAとするとき、この電流センサ8の出力電圧(E0)は、以下の式1で示される値となる。
 E0=A×R×I…式1
 以上の式で示すように、差動アンプ13の出力電圧(E0)は、差動アンプ13の増幅率(A)とシャント抵抗12の抵抗値(R)と電流(I)の積となる。したがって、電流センサ8の出力電圧(E0)から、以下の式2で電池3の電流を検出することができる。
 I=E0/(A×R)…式2
 電流センサは、電池の電流を検出できる全てのセンサ、たとえば、磁気式の電流センサを使用することもできる。磁気式の電流センサは、線路に流れる電流によって発生する磁束を検出して、電流を検出する。この方式の電流センサも、放電電流と充電電流とで発生する磁束の方向が逆転するので、磁束の方向で放電電流と充電電流を判別できる。
 AD変換器9は、電流センサ8から入力される電圧信号をデジタル信号に変換する。図2の電流検出回路1は、電流センサ8の出力側とAD変換器9の入力側との間にアナログの低域通過フィルター14を接続している。アナログの低域通過フィルター14は、サンプリング周波数で発生する折り返しノイズを低減する。また、電流センサ8の出力信号に含まれるノイズ成分を除去することもできる。この低域通過フィルター14は、カットオフ周波数を、AD変換器9のサンプリング周波数の1/2以下としている。低域通過フィルター14は、減衰特性を好ましくは、6dB/オクターブ~18dB/オクターブとする。
 たとえば、AD変換器9のサンプリング周波数を100ヘルツとする電流検出回路1にあっては、低域通過フィルター14のカットオフ周波数を、好ましくは50Hz以下とする。電流センサ8の出力側にアナログの低域通過フィルター14を接続して、AD変換器のサンプリング周波数の折り返しノイズを低減できるで、本発明の電流検出回路は必ずしも低域通過フィルターを設ける必要はない。
 AD変換器9は、電流センサ8から入力されるアナログ信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換して出力する。AD変換器9のサンプリング周波数は、電池3に流れる電流の変化する特性と、制御に必要な信号帯域から特定される。電池3の電流の積算値を演算する電流検出回路1は、AD変換器9のサンプリング周期を、例えば10msecとする。このAD変換器9は、100Hzのサンプリング周波数でアナログ信号をデジタル信号に変換する。ただし、AD変換器9のサンプリング周期は、10msecよりも速く、あるいは遅くすることができるので、たとえば、サンプリング周期を100μsecよりも遅く、100msecよりも速くすることもできる。
 AD変換器9は、好ましくは出力コードを10ビット以上であって16ビット以下、好ましくは出力コードを12ビットとするAD変換器9を使用する。AD変換器9は、出力コードのビット数を多くして、分解能を高くできる。たとえば、12ビットのAD変換器9の分解能は、最大入力電圧の1/4096となるので、±500Aの電流値をデジタル信号に変換するとき、1LSBの分解能は1000A/4096となって、約0.24Aとなる。16ビットのAD変換器9は、12ビットのAD変換器9の16倍の分解能を実現するが、部品コストが数倍にもなる。本発明の電流絶縁回路は、分解能の低いAD変換器を使用しながら、電流積算値の精度を高くできるので、好ましくは12ビットのAD変換器を使用する。ただ、さらに電池電流の積算値をより高精度に検出する電流検出回路にあっては、出力コードを16ビット以上とするAD変換器を使用することもできる。
 AD変換器9は図1に示すように、入力されるデジタル信号を電圧信号に変換して出力する。AD変換器9は、分解能を高くするために、入力電圧にノイズ信号を加算している。ノイズ信号はノイズ発生回路10から入力される。
 ノイズ発生回路10は、AD変換器9のサンプリング周波数の整数倍の信号を含まない、好ましくはサンプリング周波数の整数倍近傍の信号を含まないノイズ信号を入力する。ノイズ信号は、直流レベルがゼロのホワイトノイズ、好ましくは、サンプリング周波数の整数倍近傍の周波数成分を含まず直流レベルをゼロとするホワイトノイズ、あるいは、サンプリング周波数の整数倍近傍の信号を含まない周期的信号である。
 図1は、ノイズ信号として三角波を使用する。三角波のノイズ信号は、例えばAD変換器9のサンプリング周波数を100Hzとして、基本周波数を45Hzとする。サンプリング周波数を100HzとするAD変換器は、その1/2倍の周波数が50Hzとなる。したがって、ノイズ信号は、基本周波数を45Hzとして、AD変換器のサンプリング周波数の整数倍(1/2倍)を含まないノイズ信号となる。三角波のノイズ信号を出力するノイズ発生回路10は、発振回路で矩形波を発振させて、出力される矩形波を、低域通過フィルターと高域通過フィルターに通過させて簡単に三角波を出力できる。三角波は、直線的に増加し、また減少するので、AD変換器9の出力コードに、小さい信号の振れを発生させる。ホワイトノイズもランダムに変化するので、同様にAD変換器9の出力コードに信号の振を発生させる。ただし、本発明はノイズ信号を三角波には特定せず、たとえば、矩形波やサイン波など、他の周期的信号も使用できる。
 ノイズ発生回路10からAD変換器9に入力されるノイズ信号の振幅は、好ましくは、AD変換器9の0.3LSB以上であって、3LSB以下とする。ノイズ信号の振幅は、三角波などの周期的信号にあっては、その振幅をAD変換器9の0.5LSBとし、ホワイトノイズにあっては、電圧の実効値をAD変換器9の1/3LSBに設定して、最も高精度に電流の積算値を演算できる。
 電流積算回路11は、AD変換器9から入力されデジタル信号を所定の時間にわたって積算して、電流の積算値を演算する。電流積算回路11の積算時間は、電流を検出する目的に最適な時間に設定されるが、例えばAD変換器9のサンプリング周期を10msec、積算時間を2秒間とする電流積算回路11は、AD変換器9から出力されるデジタル信号を200回積算して電流の積算値を演算する。200回積算される電流の積算値は、ノイズ信号で変動しながら、AD変換器9の分解能を越える精度で検出される。電流積算値は、電池の残容量の演算に使用され、電流の積算値から演算される残容量は、インターフェース回路(図示せず)を介して車両側に伝送される。電池の残容量は、充電電流の積算値と放電電流の積算値から演算できるので、電流の積算値から残容量を検出できる。車両側は、電池の残容量で充放電をコントロールして、電池の過充電や過放電を防止する。
 図2の電流検出回路1は、電池3の瞬時電流値を検出するために、AD変換器9の出力側に、電池3の瞬時電流値を検出する瞬時電流検出部15を備えている。図2の電流検出回路1は、AD変換器9から出力されるデジタル信号にノイズ信号を含んでいる。すなわち、ノイズ信号で変動される電流値がデジタル信号としてAD変換器9から出力される。したがって、AD変換器9から出力されるデジタル信号は、図4の矢印Aで示すように、ノイズ信号で変動する。ノイズ信号を除去して電池3の瞬時電流値を正確に検出するために、瞬時電流検出部15は、デジタルの低域通過フィルター16を備える。図4の矢印Aで示す波形は、低域通過フィルター16を通過して太線で示す矢印Bで示す波形となる。矢印Bで示す電流波形はノイズ成分を含まないので、電池の瞬時電流値を正確に検出できる。低域通過フィルター16は、AD変換器9の出力側に接続されて、デジタル信号からノイズ信号を除去する。この低域通過フィルター16は、ノイズ信号を除去するために、カットオフ周波数を、たとえばノイズ信号の最低周波数又は基本周波数の1/4以下、好ましくは1/10以下とし、減衰特性を、好ましくは6dB/オクターブ~24dB/オクターブとする。
 前述したノイズ信号を三角波とする電流検出回路1は、デジタルの低域通過フィルター16のカットオフ周波数を、三角波の基本周波数の1/4以下、好ましくは1/10以下、さらに好ましくは1/20以下とする。したがって、三角波の基本周波数を45Hzとする電流検出回路1は、デジタルの低域通過フィルター16のカットオフ周波数を好ましくは4.5Hz以下、最適には約2Hzとして、ノイズ成分を効果的に除去する。デジタルの低域通過フィルター16は、カットオフ周波数を低くして、ノイズ信号をより効率よく除去する。ただ、カットオフ周波数が低すぎると、電流の変化を正確に検出できなくなるので、電流の変化を正確に検出するために、デジタルの低域通過フィルター16のカットオフ周波数は、制御に必要な帯域を持つ信号となるように設定して、変動する電流の瞬時電流値を正確に検出する。
 以上の瞬時電流検出部15は、デジタルの低域通過フィルター16でもって、AD変換器9から出力されるデジタル信号から、AD変換器9の入力側に供給されるノイズ成分を除去して、電池3の瞬時電流値を正確に検出する。瞬時電流検出部15で検出される電池3の瞬時電流値は、インターフェース回路(図示せず)を介して車両側に伝送される。
 本発明の電流検出回路は、電池を充放電する電流の積算値を高精度に検出する用途に最適であって、好ましくは車両用の電源装置や蓄電装置の電池に流れる電流の積算値を正確に検出して、電池の残容量を正確に検出する用途に最適である。
  1…電流検出回路
  2…モータ
  3…電池
  4…発電機
  5…発電部
  6…DC/DCコンバータ
  7…DC/ACインバータ
  8…電流センサ
  9…AD変換器
 10…ノイズ発生回路
 11…電流積算回路
 12…シャント抵抗
 13…差動アンプ
 14…低域通過フィルター(アナログ)
 15…瞬時電流検出部
 16…低域通過フィルター(デジタル)
 17…DC/ACインバータ

Claims (9)

  1.  電池の電流を検出する電流センサと、この電流センサで検出されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器と、AD変換器でデジタル信号に変換される電流値を積算して電流の積算値を演算する電流積算回路とを備える電流検出回路であって、
     前記AD変換器の入力側に、前記AD変換器のサンプリング周波数の整数倍の信号を含まないノイズ信号を入力するノイズ発生回路を備え、
     前記ノイズ発生回路によって、前記電流センサからAD変換器に入力される信号がノイズ信号の供給された電流信号となり、この電流信号がAD変換器でデジタル信号に変換されて、AD変換器から出力されるデジタル信号が前記電流積算回路で積算されるようにしてなる電流検出回路。
  2.  前記ノイズ発生回路からAD変換器に入力されるノイズ信号の振幅が、前記AD変換器の0.3LSB以上であって3LSB以下である請求項1に記載される電流検出回路。
  3.  前記ノイズ発生回路が三角波をAD変換器の入力側に出力する請求項1又は2に記載される電流検出回路。
  4.  前記ノイズ発生回路から出力されるノイズ信号の周波数が、AD変換器のサンプリング周波数の1/10以上であって100倍以下である請求項3に記載される電流検出回路。
  5.  前記ノイズ発生回路が直流レベルがゼロのホワイトノイズをAD変換器の入力側に出力する請求項1又は2に記載される電流検出回路。
  6.  前記AD変換器の出力側に、瞬時電流値を検出する瞬時電流検出部を備え、
     この瞬時電流検出部が、前記AD変換器の出力側に接続してなるデジタルの低域通過フィルターを備え、この低域通過フィルターのカットオフ周波数が、前記ノイズ信号の最低周波数又は基本周波数の1/4以下である請求項1ないし5のいずれかに記載される電流検出回路。
  7.  前記AD変換器が、10ビット以上であって16ビット以下のデジタル信号を出力するAD変換器である請求項1ないし6のいずれかに記載される電流検出回路。
  8.  車両を走行される電池と、この電池から電力が供給されて車両を走行させるモータと、前記電池に流れる電流の積算値を検出する電流検出回路とを備える電動車両であって、
     前記請求項1ないし7のいずれかに記載される前記電流検出回路を備えることを特徴とする電動車両。
  9.  電力を蓄電する蓄電用の電池と、前記電池に流れる電流の積算値を検出する電流検出回路とを備える蓄電装置であって、
     前記請求項1ないし7のいずれかに記載される前記電流検出回路を備えることを特徴とする蓄電装置。
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