JP2017514115A - 温度補償付シャント電流測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、車両バッテリ４から出力されて、電気測定抵抗２８を介して流れる電流６を測定する方法に関し、本方法は、この測定抵抗２８を介して降下する測定電圧３２を検出する工程と、この電流６が流れる方向において空間的に間隔を開けた二つの温度地点４７，４９の間の温度差６２を算出し、これらの間には、この電気測定抵抗２８の少なくとも一部が存在する工程と、これらの検出した測定電圧３２と算出した温度差６２に基づき、この電流６を決定する工程とを有する。

Description

本発明は、電流センサを用いて電流を測定する方法に関する。

例えば、特許文献１及び２では、車両バッテリの入出力電流は、電流センサを用いて、シャントとも呼ばれる測定抵抗を介して測定される。両方の場合に、その電流測定の精度を向上させるために、測定抵抗で消失する損失電力により規定される温度上昇を補償して、熱電圧を除くことが提案されている。そのために、損失電力から温度上昇を推定している。

ドイツ特許公開第１０２００９０４４９９２号明細書 ドイツ特許公開第１０２００４０６２６５５号明細書 ドイツ実用新案第２０２０１００１５１３２号明細書

本発明の課題は、この周知の電流測定方法を改善することである。

本課題は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な改善構成は、従属請求項の対象である。

本発明の一つの観点では、車両バッテリから出力されて、電気測定抵抗を介して流れる電流を測定する方法が、この測定抵抗を介して降下する測定電圧を検出する工程と、この電流が流れる方向において空間的に間隔を開けた二つの温度地点の間の温度差を算出し、これらの間には、この電気測定抵抗の少なくとも一部が存在する工程と、これらの検出した測定電圧と算出した温度差に基づき、この電流を決定する工程とを有する。

ここで示した方法は、測定誤差を修正するために、冒頭で述べた温度変化の補償を実施するとの考えに基づいている。それは、測定抵抗での電流により生じる電圧降下の品質を低下させて、その結果、測定電流が同じく誤差を含むこととなる熱電圧に起因する。温度変化の補償によって、確かに電流測定時の誤差が効果的に低減されるが、温度変化は、基本的に非常に緩慢に広がる。その結果、温度補償は、第一に常に或る程度の遅延又は無効時間を伴うこととなる。しかし、それは、測定電流に関する測定値からは明らかにならず、そのため、無効時間の間の電流は依然として誤差を含む形で検出される。

そこで、ここで示した方法は、誤差を含む電流測定の原因、即ち、温度変化ではなく、その作用、即ち、熱電圧自体を補償するとの考えを採用している。測定抵抗を備えた電流センサが、測定抵抗での電圧降下に基づき、測定すべき電流を検出し、この測定すべき電流は、測定抵抗の電気特性と検出した電圧降下に基づき、周知の電気工学法則によって一義的に決定することが可能である。更に、熱電圧を引き起こす原因、即ち、測定区間における局所的に間隔を開けた二つの地点の間の温度差を算出する。そして、電圧降下に基づく電流の計算時に、この温度差を考慮して、その電流を修正する。

この算出した温度差に基づき電流を修正することによって、熱電圧に無効時間を設けること無く測定電流を直ちに修正することができ、それによって、誤差の無い測定データが、より速く得られる。

確かに、この算出した温度差に基づく電流の修正は、任意の手法で実施することができるが、有利な改善構成では、ここで示した方法は、算出した温度差に基づき修正電圧を決定する工程と、この修正電圧に基づき測定電圧を修正する工程と、この修正した測定電圧に基づき、この電流を決定する工程とを有する。本発明の目的に適うこととして、この修正電圧は、前に説明した熱電圧と関連させて、出来る限り熱電圧に近い電圧に近似させるすべきである。そして、検出した電圧降下の修正、即ち、熱電圧による測定電圧の修正は、測定電圧への修正電圧の技術的に簡単な適用によって実施することができ、そのことは、特に、計算資源を節約する。

この場合、修正電圧は、任意の手法で決定することができる。即ち、例えば、物理法則を用いて、算出した温度差に基づき修正電圧を解析的又は数値的に決定することができる。しかし、それは、通常難しく、是認できる負担を伴ってしか可能ではない。従って、ここで示した方法の有利な改善構成では、修正電圧は、算出した温度差に対する特性曲線にプロットされている。そして、この特性曲線から、温度差に基づく修正電圧を読み出すことができる。この特性曲線は、測定抵抗での所定の温度差を記入しておき、その差から得られる熱電圧を求めるようにする形で、例えば、事前に計算及び／又は実験により決定することができる。そして、この特性曲線を小さい負担でメモリに保存しておき、使用時に直ちに読み出すことができる。

温度地点の間の温度差は、基本的に任意の手法で算出することができる。そのために、例えば、二つの温度地点で温度を推定及び／又は測定し、次に、これら二つの検出した温度を互いに減算することによって温度差を決定することができる。この場合、例えば、一方の温度地点だけで温度を測定して、他方の温度地点での温度を推定することもできる。

ここで示した方法の追加の改善構成では、これらの温度地点は、電流の流れる方向に見て電気測定抵抗の前と後に有る。そのようにして、基本的に熱電圧が発生する可能性が有る電流配線における全ての材料的な線路遷移域が、ここで示した方法に取り込まれて、その結果、ここで示した方法により、この電流を特に精密に検出することが可能となる。しかし、本方法を用いて、測定電流における誤差の低減を実現するためには、基本的に単一の材料的な線路遷移域に渡る温度差だけを検出すれば、それで十分である。

ここで示した方法の別の改善構成では、電流を案内する電気導体の表面に少なくとも一つの温度地点が置かれ、その結果、算出した温度差が、熱電圧と関連する温度差と特に近くなり、そのようにして、測定電流における誤差を一層低減することができる。

ここで示した方法の別の改善構成では、電流を案内する電気導体の表面の温度が光学的に検出される。この場合、特に、赤外線センサによる検出を採用することができる。そのようにして、表面の温度を非接触式に検出して、それに応じて温度差を精密に測定することができる。

特に、測定すべき電流が流れる電気導体の表面で温度を直接検出しない場合、温度地点の間の温度差を算出するために、少なくとも一つの温度地点で温度を測定して、温度差を算出する前に所定の無効時間の遅延を設けることができる。そのようにして、例えば、端子ピン、回路基板及び／又は空気などの電流センサの個々のコンポーネントの熱伝導度が限り無く高くないことによる熱拡散時の遅延を考慮している。

ここで示した方法の更に別の改善構成では、二つの温度地点で温度を測定して、これらの温度地点の間の温度差を算出するために、差分増幅器を用いて増幅する。そのようにして、十分な高さの振幅を有する温度差を捉え、それによって、大きな信号対雑音差を達成するとともに、測定誤差を低減している。

本発明の別の観点では、制御装置が、当該の請求項の中の一つに基づく方法を実施するように装備される。

ここで示した制御装置の改善構成では、ここで示した装置は、メモリとプロセッサを備える。この場合、ここで示した方法は、コンピュータプログラムの形でメモリに保存されて、プロセッサは、このコンピュータプログラムをメモリからプロセッサにロードした時に本方法を実施すると規定される。

本発明の別の観点では、コンピュータプログラムは、このコンピュータプログラムがコンピュータ又はここで示した装置の中の一つで実行された時に、ここで示した方法の中の一つの方法の全ての工程を実施するためのプログラムコード手段を有する。

本発明の別の観点では、コンピュータプログラム製品は、データ処理機器で実行された時に、ここで示した方法の中の一つを実行する、コンピュータ読取可能なデータ媒体に保存されたプログラムコードを有する。

本発明の別の観点では、電流を測定する電流センサは、電気測定抵抗を備え、ここで示した制御装置の中の一つが、その抵抗を介して、測定すべき電流を流すことが可能である。

本発明の別の観点では、車両は、ここで示した制御装置の中の一つ及び／又はここで示した電流センサを備えている。

以下において図面と関連して詳しく説明する実施例の記述に関係して、本発明の上述した特性、特徴及び利点とそれらを実現する手法が、より明らかになるとともに、より明確に理解される。

電気駆動部を備えた車両の基本構成図 図１の車両の電流センサの基本構成図 図２の電流センサの接続構成図 図３の電流センサの温度に関する電流測定結果の変化図

図面では、同じ技術構成要素は同じ符号を有し、一回だけ説明する。

電流６を出力する車両バッテリ４を備えた車両２の基本構成図を図示した図１を参照する。

この電流６によって、この車両２内の様々な電気消費体が電気エネルギー８を提供される。

この電気消費体の例は、電気エネルギー８により駆動シャフト１４を介して車両２の前輪１２を駆動する電気モータ１０である。従って、車両２の後輪１６は、自由に動く車輪である。そのような車両２を駆動するために使用される電気モータ１０は、通常交流モータとして設計される一方、車両バッテリ４からの電流６は直流である。この場合、電流６は、先ずはコンバータ１８により交流に変換される。

車両２の通りの車両では、通常車両バッテリ４から出力される電流６を測定する電流センサ２０が取り付けられている。そして、測定した電流６に基づき、様々な機能を実現することができる。そのような機能には、例えば、特許文献３により周知の通り、例えば、車両バッテリ４を完全放電から保護することが可能な保護機能が属する。

電流センサ２０を用いて測定した電流６がコンバータ１８に供給される電流だけに対応する場合、それは、車両２の駆動電力を制御するために使用することもできる。その駆動電力は、通常車両２の運転者による運転者要望２２として規定される。そして、モータ制御部２４は、運転者要望２４から得られる目標電流を測定した電流６と比較して、測定した電流６が運転者要望から得られる目標電流と一致するように、制御信号２６を用いて、コンバータ１８を制御する。このような制御は、非常に良く知られており、従って、更に掘り下げて説明しない。

この電流センサ２０は、有利には、シャントとも呼ばれる測定抵抗２８として構成された測定変換器と評価機器３０を備えている。この実施形態の枠組みにおいて、電流６が測定抵抗２８を流れ、そのことが、測定抵抗２８において電圧降下３２を引き起こす。評価機器３０は、測定電圧として、この電流６の方向に見て、測定抵抗２８の入力側の電位３４と測定抵抗２８の出力側の電位３６によって、この電圧降下３２を検出する。評価機器３０は、これら二つの電位３４，３６から電圧降下３２を計算して、測定抵抗２８の抵抗値から、測定抵抗２８を通って流れる電流６を計算する。

電気導体としての測定抵抗２８は、通常、車両バッテリ４からコンバータ１８に電流６を案内する、それ以外の電気導体と異なる。周知の通り、ゼーベック効果とも呼ばれる熱電効果が、温度降下、即ち、温度差を有する電気導体の材料遷移域の間に熱電圧を発生させる。そのような材料遷移域は、電流センサ２０の測定抵抗２８のために、入力側と出力側に存在する。電流６により生じる電気損失のために、測定抵抗２８が温められるので、温度差は、原理的に必ず発生する。そのようにして発生する熱電圧３８は、電圧降下３２に加算され、そのため、電流６の測定品質を低下させる。

従って、この実施形態の枠組みにおいて、この電流６の測定を熱電圧３８だけ修正することを提案する。以下では、この実施形態の枠組みにおいて、このことを評価機器３０内で説明する。

第一の実施例の電流センサ２０に対応した模式図と電流６の測定時に電流センサ２０で実施できるフロー図とを図示した図２と３を参照する。

この実施形態の枠組みでは、電流を案内する導体４４の温度４６，４８に対応する、電流６の流れる方向に見て測定抵抗２８の前の温度４７と後の温度４９を測定する第一の温度センサ４０と第二の温度センサ４２が電流センサ２０に配置されている。

この電流６を測定するために、先ずは、例えば、地電位などの基準電位に対する電圧として電位３４，３６を測定する電圧計５０，５２を用いて、二つの電位３４，３６を測定することができる。次に、これらの測定された電位３４，３６は、例えば、演算増幅器などの差動増幅器５４を用いて互いに引き算されると同時に増幅され、そのようにして電圧降下３２を計算することができる。このようにして、電流６を決定するための基礎としての電圧降下３２が得られる。

しかし、既に説明した通り、電流６を決定する前に、これを熱電圧３８だけ修正すべきである。このために、測定抵抗２８の入力側の温度４６と出力側の温度４８が検出される。これらの温度４６，４８がそれらに対応する温度センサ４０，４２に広がるには、所定の時間がかかるので、この実施形態の枠組みでは、測定された温度４６，４８をこれらの遅延時間だけ遅らせる更なる遅延素子５４，５６が存在する。無効時間とも呼ばれる遅延時間を温度４６，４８毎に個々に設定できるように、温度４６，４８毎に単一の遅延素子５４，５６が配置される。

そして、相応に遅延された温度５８，６０が、例えば、差動増幅器６１を用いて互いに減算され、その結果、温度４６，４８を測定した測定地点の間の温度差６２が分かる。

最終的に、この温度差６２から、二つの熱電圧３８に依存する修正電圧６４が決定される。そのために、この実施例では、特性曲線６６が存在し、その枠組みにおいて、各温度差６２が一義的に修正電圧６４に対応付けられる。この特性曲線６６は、例えば、事前に実験及び／又は分析により決定することができる。例えば、測定抵抗２８に電流６を流すこと無く、この特性曲線６６の実験による決定において、この実験による測定抵抗２８での電圧降下３２を修正電圧６４として測定したものとすることができる。

そして、この電圧降下３２は、修正のために修正電圧６４を適用される。次に、そのようにして修正された電圧降下６８は、相応の換算機器７０において、周知の手法で、求める電流６に換算される。

図４に図示された電流センサ２０の枠組みでは、これらの温度４６，４８は、電気導体４４の表面で直に、例えば、光学的に検出することもできる。そのために、温度センサ４０，４２は、光学センサとして、特に、温度４６，４８に対応して発生する赤外線７２，７４により温度４６，４８を検出する赤外線センサとして構成される。

このようにして、温度４６，４８が時間的に直ちに検出され、その結果、場合によっては、図３に図示された遅延素子５４，５６を完全に省略することができる。

Claims (10)

1. 車両バッテリ（４）から出力されて、電気測定抵抗（２８）を介して流れる電流（６）を測定する方法であって、
   この測定抵抗（２８）を介して降下する測定電圧（３２）を検出する工程と、
   この電流（６）が流れる方向において空間的に間隔を開けた二つの温度地点（４７，４９）の間の温度差（６２）を算出し、これらの間には、この電気測定抵抗（２８）の少なくとも一部が存在する工程と、
   これらの検出した測定電圧（３２）と算出した温度差（６２）に基づき、この電流（６）を決定する工程と、
   を有する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   当該の算出した温度差（６２）に基づき修正電圧（６４）を決定する工程と、
   この修正電圧（６４）に基づき、当該の測定電圧（３２）を修正する工程と、
   この修正された測定電圧（６８）に基づき、当該の電流（６）を決定する工程と、
   を有する方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   当該の修正電圧（６４）が、当該の算出した温度差（６２）に対する特性曲線（６６）にプロットされている方法。
4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法において、
   当該の温度地点（４７，４９）が、当該の電流（６）が流れる方向に見て、当該の電気測定抵抗（２８）の前と後に有る方法。
5. 請求項４に記載の方法において、
   少なくとも一つの温度地点（４７，４９）が、当該の電流（６）を流す電気導体（４４）の表面上に置かれる方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   当該の温度差（６２）の基礎となる温度（４６，４８）が、当該の電流（６）を流す電気導体（４４）の表面で光学的に検出される方法。
7. 請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法において、
   当該の温度地点（４７，４９）の間の温度差（６２）を算出するために、少なくとも一つの温度地点（４７，４９）で温度（４６，４８）を測定して、この温度差（６２）を算出する前に、所定の無効時間（５４，５６）の遅延を設ける方法。
8. 請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法において、
   二つの温度地点（４７，４９）で温度（４６，４８）を測定し、これらの温度地点（４７，４９）の間の温度差（６２）を算出するために、差動増幅器（６１）を用いて増幅する方法。
9. 請求項１から８までのいずれか一つ記載の方法を実施するように構成された装置（３０）。
10. 電流（６）を測定する電流センサ（２０）であって、
    測定すべき電流（６）を流すことが可能な電気測定抵抗（２８）と、
    請求項９に記載の装置（３０）と、
    を備えた電流センサ。

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