JP2009052992A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な電源を使用して−範囲〜＋範囲の電流を高精度に検出する。
【解決手段】電流検出装置は、正負の電流を検出して、０Ｖから＋側電圧の検出信号を出力する電流センサ１と、この電流センサ１の検出信号をレベルシフトして、正電流に相当する検出信号を増幅して正電圧の増幅信号を出力する第１のアンプ２Ａと、電流センサ１の検出信号をレベルシフトして、負電流に相当する検出信号を反転して増幅して、正電圧の増幅信号を出力する第２のアンプ２Ｂと、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの増幅信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、−範囲から＋範囲までの電流を検出する電流検出装置に関し、とくに、−範囲から＋範囲までの電流を検出して０Ｖから＋範囲の検出信号を出力する電流センサーを備える電流検出装置に関する。

−範囲から＋範囲の電流を検出する電流検出装置は、主としてハイブリッドカー等の車両用の電源装置に使用される。この電流検出装置は、電池に流れる電流を検出して電池の残容量の演算に利用される。−範囲から＋範囲までの電流を検出する電流検出装置は開発されている。（特許文献１参照）

特許文献１の電流検出装置は、０Ａ〜＋範囲の電流を検出して０Ｖ〜＋電圧の検出信号を出力し、０Ａ〜−範囲の電流を検出して０Ｖ〜−電圧の検出信号を出力する電流センサを備える。この電流センサは、０Ａ〜＋範囲の検出信号と、０Ａ〜−範囲の検出信号を出力するので、出力信号を処理するために＋電源と−電源の両方を必要とする。このため、電源の回路構成が複雑になる。電流センサの検出信号は、レベルシフトして−範囲から＋範囲の電流を０Ｖから＋範囲の検出信号に変換できる。（特許文献２参照）
特開２００２−６２３４１号公報 特開平９−１８２３００号公報

特許文献２の電流検出装置は、電流センサの出力をレベルシフトして０Ｖから＋電圧に変換するので、電流センサの出力を＋電源のみで処理できる。ただ、この回路構成は電流の検出精度が低くなる欠点がある。それは、０Ｖ〜＋電圧に変換された検出信号をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換するからである。たとえば、−１００Ａ〜＋１００Ａの電流を検出して、８ビットのＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換すると、１ビットの分解能は約０．２Ａとなり、２００ｍＡ以下の分解能で電流を検出できない。

本発明は、さらに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、簡単な電源を使用して−範囲〜＋範囲の電流を高精度に検出できる電流検出装置を提供することにある。

本発明の電流検出装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
電流検出装置は、正負の電流を検出して、０Ｖから＋側電圧の検出信号を出力する電流センサ１と、この電流センサ１の検出信号をレベルシフトして、正電流に相当する検出信号を増幅して正電圧の増幅信号を出力する第１のアンプ２Ａと、電流センサ１の検出信号をレベルシフトして、負電流に相当する検出信号を反転して増幅して、正電圧の増幅信号を出力する第２のアンプ２Ｂと、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの増幅信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３とを備える。

本発明の請求項２の電流検出装置は、検出する電流を０Ａとする状態で、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの出力を０Ｖにレベルシフトするレベルシフト電圧を出力するＤ／Ａコンバータ４を備えている。

本発明の請求項３の電流検出装置は、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの増幅率を異なるように設定している。

本発明の請求項４の電流検出装置は、Ａ／Ｄコンバータ３の出力側に、検出電流を補正する補正回路８を設けている。

本発明の請求項５の電流検出装置は、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの検出信号を設定値に比較して故障を判定する故障検出回路９を備えている。

本発明は、簡単な電源を使用して−範囲〜＋範囲の電流を高精度に検出できる特徴がある。それは、本発明の電流検出装置が、正負の電流、すなわち−範囲〜＋範囲の電流を検出して、０Ｖから＋側電圧の検出信号を出力する電流センサと、この電流センサの検出信号をレベルシフトして、正電流に相当する検出信号を増幅して正電圧の増幅信号を出力する第１のアンプと、電流センサの検出信号をレベルシフトして、負電流に相当する検出信号を反転して増幅して、正電圧の増幅信号を出力する第２のアンプと、第１のアンプと第２のアンプの増幅信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータとを備えるからである。

たとえば、本発明は、電流センサでもって、−１００Ａ〜＋１００Ａの電流を検出して０Ｖ〜５Ｖの検出信号を出力する。出力される０Ｖ〜５Ｖの検出信号は、第１のアンプでもって、２．５Ｖ〜５Ｖの範囲の検出信号が増幅され、第２のアンプでもって０Ｖ〜２．５Ｖの範囲の検出信号が増幅される。第１のアンプは、０Ａ〜＋１００Ａの電流に相当する２．５Ｖ〜５Ｖの検出信号をレベルシフトして０Ｖ〜５Ｖの増幅信号として出力する。第２のアンプは−１００Ａ〜０Ａの電流に相当する０Ｖ〜２．５Ｖの検出信号をレベルシフトすると共に、反転して０Ｖ〜５Ｖの増幅信号として出力する。第１のアンプから出力される０Ｖ〜５Ｖの増幅信号と、第２のアンプから出力される０Ｖ〜５Ｖの増幅信号がＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換されて、電流が検出される。

以上の電流検出装置は、たとえば電流センサの検出信号を直接にＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換する従来の装置に比較すると、同じＡ／Ｄコンバータを使用しながら２倍の精度で電流を検出できる。それは、Ａ／Ｄコンバータの１ビットに相当する分解能が１／２となるからである。たとえば、−１００Ａ〜＋１００Ａの電流を検出して、８ビットのＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換する従来の装置は、１ビットの分解能が約０．２Ａとなるが、本発明の電流検出装置は、１ビットの分解能を０．１Ａとして２倍の精度で電流を検出できる。

さらに、本発明の請求項２の電流検出装置は、検出する電流を０Ａとする状態で、第１のアンプと第２のアンプの出力を０Ｖにレベルシフトするレベルシフト電圧を出力するＤ／Ａコンバータを備える。この装置は、正確なレベルシフト電圧を第１のアンプと第２のアンプに出力して、０Ａ近傍の電流を正確に検出できる。

また、本発明の請求項３の電流検出装置は、第１のアンプと第２のアンプの増幅率を異なるように設定するので、たとえば、第１のアンプの増幅率を大きくして、＋の小電流を正確に検出し、また第２のアンプの増幅率を大きくして、−の小電流を正確に検出できる。

さらにまた、本発明の請求項４の電流検出装置は、Ａ／Ｄコンバータの出力側に、検出電流を補正する補正回路を設けているので、電流センサやアンプの直線性を補正して電流を正確に検出できる。

また、本発明の請求項５の電流検出装置は、第１のアンプと第２のアンプの検出信号を設定値に比較して故障を判定する故障検出回路を備えるので、検出信号の大きさから電流センサやアンプの故障を判定できる。

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装置を例示するものであって、本発明は電流検出装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１の電流検出装置は、主として車両用の電源装置に装備されて、電池に流れる放電電流と充電電流を検出する。放電電流と充電電流は流れる向きが逆になるので、一方の電流を＋電流とするとき、他方の電流は−電流となる。電流検出装置は、たとえば、放電電流を＋電流、充電電流を−電流として検出し、あるいは充電電流を＋電流、充電電流を−電流として検出する。

図の電流検出装置は、充電電流と放電電流を検出する電流センサ１と、この電流センサ１の出力を増幅する第１のアンプ２Ａ及び第２のアンプ２Ｂと、アンプ２から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３と、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂにレベルシフト電圧を出力するＤ／Ａコンバータ４とを備える。

電流センサ１は、正負の電流を検出して、０Ｖから＋側電圧の検出信号を出力する。この電流センサ１は、正負の電流を検出して、＋側の検出信号のみを出力するので、図２に示すように、検出する−電流が大きくなると出力電圧が小さくなって、＋電流が大きくなると出力電圧を大きくする。図２に示すように、検出される正負の最大電流の絶対値が同じであると、検出信号は出力電圧の１／２が０Ａを検出する電圧値となる。図２に示す検出電流−出力電圧特性の電流センサ１は、検出する正負の最大電流の絶対値を１００Ａとし、検出信号の最大電圧を５Ｖとする。したがって、この電流センサ１は０Ａを検出する検出信号の電圧は２．５Ｖとなる。

電流センサは、必ずしも正負の最大電流の絶対値を同じ値とはしない。＋側の最大電流を−側の最大電流よりも大きく、あるいは−側の最大電流を＋側の最大電流よりも大きくすることもできる。この電流センサは、０Ａを検出するときの出力電圧が最大出力電圧の１／２にはならない。たとえば、図３に示すように、−側の最大電流を１００Ａとし、＋側の最大電流を１５０Ａとして、検出信号の最大電圧を５Ｖとする電流センサは、０Ａを検出するときの出力電圧を２Ｖとする。

さらに、図１の電流検出装置は、電流センサ１の出力側にバッファーアンプ５を接続している。バッファーアンプ５は、増幅率を１とし、出力インピーダンスを低く、入力インピーダンスを高くするアンプで、電流センサ１から出力される検出信号を安定して第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂに入力する。したがって、バッファーアンプ５を介して電流センサ１の出力を第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂに入力する装置は、電流センサ１の検出信号を正確にアンプに入力できる。ただ、バッファーアンプは、必ずしも設ける必要はなく、電流センサの出力を直接にアンプに入力することもできる。

第１のアンプ２Ａは、この電流センサ１の検出信号をレベルシフトして、正電流に相当する検出信号を増幅して正電圧の増幅信号を出力する。図２と図３において、０Ａ〜＋側最大電流の範囲を検出する出力電圧をレベルシフトして増幅する。図２の出力特性の電流センサ１は、０Ａ〜＋側最大電流を検出して、２．５Ｖ〜５Ｖの検出信号を出力する。図１に示す第１のアンプ２Ａは差動アンプで、＋側の入力端子に電流センサ１の出力を入力して、−側の入力端子にレベルシフト電圧を入力している。レベルシフト電圧は、０Ａを検出する電流センサ１の出力電圧、図２においては２．５Ｖ、図３においては２Ｖに設定される。

第１のアンプ２Ａである差動アンプは、−側の入力端子に入力されるレベルシフト電圧によって、図１の実線Ａで示す位置から、鎖線Ｂで示す位置にレベルシフトされる。差動アンプが−側の入力端子と＋側の入力端子の差電圧を増幅することから、−側の入力端子に入力されるレベルシフト電圧によってレベルシフトされるからである。したがって、第１のアンプ２Ａである差動アンプは、−側の入力端子と＋側の入力端子との間には、図に示すように０Ａ〜１００Ａの電流を検出する２．５Ｖ〜５Ｖの電圧が、０Ｖ〜２．５Ｖの電圧にレベルシフトして入力される。

第１のアンプ２Ａは、レベルシフトして入力される０Ｖ〜２．５Ｖの電圧を２倍に増幅して、図の実線Ｃで示すように、０Ｖ〜５Ｖの増幅信号として出力する。この第１のアンプ２Ａの増幅率は２倍となる。ただ、第１のアンプの増幅率は、最大出力電圧と最大入力電圧の比率から特定され、増幅率＝最大出力電圧／最大入力電圧に特定される。図３の出力特性の電流センサから出力される検出信号を増幅する第１のアンプは、最大入力電圧を０Ｖ〜３Ｖとするので、最大出力電圧を５Ｖとする差動アンプにあっては、増幅率を５／３とする。

第２のアンプ２Ｂも、電流センサ１の検出信号をレベルシフトして、負電流に相当する検出信号を増幅して正電圧の増幅信号を出力する。図２と図３において、０Ａ〜−側最大電流の範囲を検出する出力電圧をレベルシフトして増幅する。図２の出力特性の電流センサ１は、−側最大電流〜０Ａの電流を検出して、０Ｖ〜２．５Ｖの検出信号を出力する。図１に示す第２のアンプ２Ｂも差動アンプで、−側の入力端子に電流センサ１の出力を入力している。−側の入力端子に電流センサ１の検出信号を入力する第２のアンプ２Ｂは、入力信号を反転して出力する。電流センサ１の検出信号が、−側の最大電流を検出する出力電圧を、０Ａを検出する電圧よりも低くしているので、第２のアンプ２Ｂから出力される信号を、０Ａで小さくし、最大電流で大きくするためである。第２のアンプ２Ｂは、電流センサ１から入力される検出信号をレベルシフトするために、＋側の入力端子にレベルシフト電圧を入力している。レベルシフト電圧は、０Ａを検出する電流センサ１の出力電圧、図２においては２．５Ｖ、図３においては２Ｖに設定される。

第２のアンプ２Ｂである差動アンプは、＋側の入力端子に入力されるレベルシフト電圧によって、図１の実線Ｄで示す位置から、鎖線Ｅで示す位置にレベルシフトされる。差動アンプが−側の入力端子と＋側の入力端子の差電圧を増幅することから、＋側の入力端子に入力されるレベルシフト電圧によってレベルシフトされるからである。したがって、第２のアンプ２Ｂである差動アンプは、−側の入力端子と＋側の入力端子との間には、＋側の入力端子を基準にすると、図の実線Ｆで示すように−１００Ａ〜０Ａの電流を検出する０Ｖ〜２．５Ｖの電圧が、−２．５Ｖ〜０Ｖの電圧にレベルシフトして入力される。第２のアンプ２Ｂは、入力信号を反転して増幅するので、出力電圧は図の実線Ｇで示す特性、すなわち、０Ａ〜−１００Ａの電流を検出して、０Ｖ〜５Ｖの出力電圧を出力する。

第２のアンプ２Ｂは、入力される−２．５Ｖ〜０Ｖの信号を反転して２倍に増幅して、５Ｖ〜０Ｖの増幅信号として出力する。この第２のアンプ２Ｂは、０Ａを検出するときの出力電圧を０Ｖとし、−１００Ａの電流を検出する出力で５Ｖを出力する。すなわち、０Ａ〜−１００Ａの電流を検出して０Ｖ〜５Ｖの検出信号を出力する。すなわち、−側の電流が大きくなるにしたがって電圧を高くする検出信号を出力する。この第２のアンプ２Ｂの増幅率は２倍となる。ただ、第２のアンプ２Ｂの増幅率は、最大出力電圧と最大入力電圧の比率から特定されるので、増幅率＝最大出力電圧／最大入力電圧に特定される。図３の出力特性の電流センサから出力される検出信号を増幅する第２のアンプは、最大入力電圧を０Ｖ〜２Ｖとするので、最大出力電圧を５Ｖとする差動アンプにあっては、増幅率を５／２とする。

第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの増幅信号は、Ａ／Ｄコンバータ３でデジタル信号に変換して出力される。Ａ／Ｄコンバータ３から出力されるデジタル信号は、電流センサ１が検出する電流値をデジタル信号として出力する。Ａ／Ｄコンバータ３は、第１のアンプ２Ａの増幅信号をデジタル信号に変換して、０Ａ〜＋側最大電流の電流値をデジタル信号として出力する。また、Ａ／Ｄコンバータ３は、第２のアンプ２Ｂの増幅信号をデジタル信号に変換して、０Ａ〜−側最大電流の電流値をデジタル信号として出力する。

さらに、図１の電流検出装置は、検出する電流を０Ａとする状態で、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの出力を０Ｖにレベルシフトするレベルシフト電圧を出力するＤ／Ａコンバータ４を備えている。このＤ／Ａコンバータ４は、制御回路６から入力されるデジタル信号をアナログ信号に変換してレベルシフト電圧を出力する。制御回路６は、検出電流を０Ａとする状態、あるいは、電流センサ１の出力を０Ａとする状態で、Ａ／Ｄコンバータ３から出力されるデジタル信号を検出し、この信号を０Ａとするように、Ｄ／Ａコンバータ４を介してレベルシフト電圧を第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂに入力する。すなわち、制御回路６は、Ａ／Ｄコンバータ３の出力を、Ｄ／Ａコンバータ４を介して第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂにフィードバックして、Ａ／Ｄコンバータ３の出力を０Ａに制御する。

Ｄ／Ａコンバータ４から出力されるアナログ信号のレベルシフト電圧は、バッファーアンプ７を介して第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂに入力される。このバッファーアンプ７も、増幅率を１とし、出力インピーダンスを低く、入力インピーダンスを高くするアンプである。バッファーアンプ７は、Ｄ／Ａコンバータ４から出力されるレベルシフト電圧を安定に変動することなく、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂに入力する。ただ、バッファーアンプを省略して、Ｄ／Ａコンバータの出力を直接に第１のアンプと第２のアンプに入力することもできる。

図１の電流検出装置は、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの増幅率を２として、入力される０Ｖ〜２．５Ｖの電圧を０Ｖ〜５Ｖに増幅して出力し、０Ｖ〜５Ｖの増幅信号をＡ／Ｄコンバータ３に入力する。本発明の電流検出装置は、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの増幅率を異なるようにして、小電流領域の精度を高くすることができる。たとえば、アンプの増幅率を２から４の２倍にして、０Ｖ〜１．２５Ｖの入力電圧を０Ｖ〜５Ｖに増幅して出力し、これをＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換して、０Ａ〜５０Ａの電流を高精度に検出できる。第１のアンプの増幅率を高くして＋側の小電流を高精度に検出でき、また第２のアンプの増幅率を高くして−側の小電流を高精度に検出できる。アンプの増幅率を高くすると、小電流を高精度に検出できるが、検出できる電流範囲は小さくなる。したがって、小電流を検出するときにアンプの増幅率を大きくして検出精度を高くし、大電流を検出するときにはアンプの増幅率を小さくして検出する電流範囲を広くする。この電流検出装置は、増幅率が異なるアンプを切り換えて使用し、あるいはアンプの増幅率を変更して、小電流を高精度に大電流を広い検出範囲で検出できる。

図１の電流検出装置は、Ａ／Ｄコンバータ３の出力側に補正回路８を設けている。補正回路８は、電流センサ１とアンプ２とＡ／Ｄコンバータ３の直線性を補正する関数やテーブルを記憶している。この補正回路８は、入力されるデジタル信号を補正して出力する。したがって、この電流検出装置は、電流センサ１とアンプ２とＡ／Ｄコンバータ３に理想的な直線性でないものを使用しながら、電流を正確に検出できる。

さらに、図１の電流検出装置は、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂの検出信号を設定値に比較して故障を判定する故障検出回路９を備える。この故障検出回路９は、第１のアンプ２Ａと第２のアンプ２Ｂから出力される検出信号を設定値に比較する。正常に動作するアンプ２から出力される検出信号の電圧範囲が０Ｖ〜５Ｖとするとき、５Ｖ以上の検出信号が出力されると故障と判定する。アンプ２が正常に動作する状態で、検出信号が５Ｖを超えることがないからである。また、アンプ２は、帰還抵抗の電気抵抗が変動すると増幅率が変化する。たとえば、増幅率を２に設定しているアンプ２の増幅率が２から３に変化すると、０Ｖ〜２．５Ｖの検出信号が入力されて、出力電圧は０Ｖ〜７．５Ｖと大きくなる。故障検出回路９は、アンプ２の出力電圧からアンプ２の故障を検出し、さらに、この出力電圧からアンプ２の増幅率を補正して、電流を正確に検出することもできる。すなわち、故障検出回路９は、アンプ２から出力される０Ｖ〜７．５Ｖの増幅信号を、０Ａ〜１００Ａの電流となるように補正して、アンプ２が故障する状態にあっても電流を正確に検出できる。

本発明の一実施例にかかる電流検出装置のブロック図である。 電流センサの検出電流−出力電圧特性の一例を示す図である。 電流センサの検出電流−出力電圧特性の他の一例を示す図である。

符号の説明

１…電流センサ
２…アンプ ２Ａ…第１のアンプ
２Ｂ…第２のアンプ
３…Ａ／Ｄコンバータ
４…Ｄ／Ａコンバータ
５…バッファーアンプ
６…制御回路
７…バッファーアンプ
８…補正回路
９…故障検出回路

Claims (5)

1. 正負の電流を検出して、０Ｖから＋側電圧の検出信号を出力する電流センサ(1)と、この電流センサ(1)の検出信号をレベルシフトして、正電流に相当する検出信号を増幅して正電圧の増幅信号を出力する第１のアンプ(2A)と、電流センサ(1)の検出信号をレベルシフトして、負電流に相当する検出信号を反転して増幅して、正電圧の増幅信号を出力する第２のアンプ(2B)と、第１のアンプ(2A)と第２のアンプ(2B)の増幅信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ(3)とを備える電流検出装置。
2. 検出する電流を０Ａとする状態で、前記第１のアンプ(2A)と第２のアンプ(2B)の出力を０Ｖにレベルシフトするレベルシフト電圧を出力するＤ／Ａコンバータ(4)を備える請求項１に記載される電流検出装置。
3. 前記第１のアンプ(2A)と第２のアンプ(2B)の増幅率が異なる請求項１に記載される電流検出装置。
4. 前記Ａ／Ｄコンバータ(3)の出力側に、検出電流を補正する補正回路(8)を有する請求項１に記載される電流検出装置。
5. 前記第１のアンプ(2A)と第２のアンプ(2B)の検出信号を設定値に比較して故障を判定する故障検出回路(9)を備える請求項１に記載される電流検出装置。

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