WO2016047010A1

WO2016047010A1 - シャント抵抗器を備えた電流検出装置および電源装置

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Publication number: WO2016047010A1
Application number: PCT/JP2015/003361
Authority: WO
Inventors: 湯郷　政樹; 公彦古川
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2016-03-31
Also published as: JPWO2016047010A1; US20170089955A1; JP6222371B2; US9945886B2; CN106662603A; CN106662603B

Abstract

　シャント抵抗器の故障検出の精度を向上させるために、ある態様の電流検出装置は、第１の導電部と、第２の導電部と、第１の導電部と第２の導電部との間に設けられる中央導電部と、第１の導電部と中央導電部との間に設けられる第１の抵抗体(１４)と、第２の導電部と中央導電部との間に設けられ、第１の抵抗体よりも抵抗値が大きい第２の抵抗体(１５)と、を含むシャント抵抗器(１０)を備える。さらに、ある態様の電流検出装置は、第１の導電部と中央導電部の電位に基づいて第１の検出信号を取得し、第２の導電部と中央導電部の電位に基づいて第２の検出信号を取得する信号出力部(２０)と、第１の検出信号から第１の推定電流値を推定し、第２の検出信号から第２の推定電流値を推定する推定部(３１)と、第１の推定電流値と第２の推定電流値を比較してシャント抵抗器の異常を判定する判定部(３２)と、を備える。

Description

シャント抵抗器を備えた電流検出装置および電源装置

　本発明は、シャント抵抗器の故障検出が可能な電流検出装置および電源装置に関する。

　電流の測定を行う電流検出装置は、シャント抵抗器やホール素子等のセンサ素子と、センサ素子の検出信号から電流の値を推定する電流検出回路とで構成される。具体的には、センサ素子は、電流に応じた電圧を検出信号として出力できるようになっており、検出した電圧から電流を推定することができる。特に、シャント抵抗器を用いる場合、比較的簡単な回路構成で電流検出装置を構成することができるという特徴がある。

　一方、複数の電池セルで構成される組電池を備えた電源装置は、過充電や過放電等の電池セルの異常な状態を回避するために、電池セルの状態を監視する状態監視部を備えている。状態監視部は、各々の電池セルの電圧を検出する電圧検出回路と、組電池の充放電電流を検出する電流検出回路、組電池の温度や環境温度等を検出する温度検出回路などを含む。電流検出回路は、上述の電流検出装置と同様に、組電池の充放電電流を検出できるように設けられたセンサ素子の検出信号を用いて、組電池の充放電電流を推定するように構成される。この種の電源装置では、電流を含む検出データに基づいて、電池セルの状態を監視しているため、例えば、電流が検出できない状態で電源装置が使用されることは好ましくない。

　斯かる問題を解決するために、電流検出装置の故障を有効に防止できる構成として、同じ電流経路を流れる電流を検出する複数のセンサ素子を備える電源装置が提案されている（特許文献１）。具体的には、特許文献１の電源装置は、二つの抵抗体を備えるシャント抵抗器を備えており、シャント抵抗器を流れる電流に対応して二つの検出信号が出力され、二つの検出信号のいずれか一方の検出信号に基づいて、シャント抵抗器を流れる電流を推定できるようになっている。この構成では、二つの検出信号がともに検出できなくならない限り、電流を推定することができるので、電流検出装置の故障を抑制できる。また、特許文献１の電源装置は、二つの抵抗体を一体構造としてシャント抵抗器を構成しているため、センサ素子の構成を簡略化することもできるようになっている。

特開２００９－２０４５３１号公報

　特許文献１の電源装置は、上述の通り、同じ電流に対して二つの検出信号を出力するシャント抵抗器を備えることで、センサ素子の構成を簡略化できるようになっている。一方で、この構成では、二つの抵抗体を一体構造としてシャント抵抗器を構成しているため、二つの抵抗体は、同じ環境下に配置されることになる。本発明の発明者は、特許文献１の電源装置について実際の使用状態を考慮した場合、シャント抵抗器の二つの抵抗体に、共通の原因による異常が発生するおそれがあることを突き止めた。例えば、高温多湿の環境下では、シャント抵抗器を構成する金属に腐食が発生することがあるが、このような場合、シャント抵抗器の表面が全体的に腐食されることになる。腐食が発生した場合には、二つの抵抗体の実質的な抵抗値がともに変化することになり、シャント抵抗器の二つの出力が共に異常となる。

　本発明は、斯かる問題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、複数の検出信号を出力するシャント抵抗器において、共通の原因に起因する検出信号の異常の検出を可能とする技術を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明のある態様の電流検出装置は、電流を検出するためのシャント抵抗器であって、第１の導電部と、第２の導電部と、第１の導電部と第２の導電部との間に設けられる中央導電部と、第１の導電部と中央導電部との間に設けられる第１の抵抗体と、第２の導電部と中央導電部との間に設けられ、第１の抵抗体よりも抵抗値が大きい第２の抵抗体と、を含むシャント抵抗器を備える。さらに、電流検出装置は、第１の導電部と中央導電部の電位に基づいて第１の検出信号を取得し、第２の導電部と中央導電部の電位に基づいて第２の検出信号を取得する信号出力部と、第１の検出信号から第１の推定電流値を推定し、第２の検出信号から第２の推定電流値を推定する推定部と、第１の推定電流値と第２の推定電流値を比較してシャント抵抗器の異常を判定する判定部と、を備える。

　また、本発明のある態様の電源装置は、複数の電池セルを含む組電池と、複数の電池セルの状態を監視する状態監視部と、組電池に直列に接続されるシャント抵抗器と、を備える。状態監視部は、複数の電池セルの電圧を検出する電圧検出部と、シャント抵抗器を介して組電池の充放電電流を推定する電流推定部とを含んでいる。シャント抵抗器は、第１の導電部と、第２の導電部と、第１の導電部と第２の導電部との間に設けられる中央導電部と、第１の導電部と中央導電部との間に設けられる第１の抵抗体と、第２の導電部と中央導電部との間に設けられ、第１の抵抗体よりも抵抗値が大きい第２の抵抗体と、を含んでいる。電流推定部は、第１の導電部と中央導電部の電位に基づいて第１の検出信号を取得し、第２の導電部と中央導電部の電位に基づいて第２の検出信号を取得する信号出力部と、第１の検出信号から第１の推定電流値を推定し、第２の検出信号から第２の推定電流値を推定する推定部と、第１の推定電流値と第２の推定電流値を比較してシャント抵抗器の異常を判定する判定部と、を含んでいる。状態監視部は、シャント抵抗器が異常であると判定された際に、異常を通知するための信号を出力する。

　本発明のある態様の電流検出装置や電源装置は、共通原因に起因する故障が生じると、共通原因に起因する抵抗値の増減が生じるが、シャント抵抗器に含まれる二つの抵抗体の抵抗値が異なる値とすることで、共通原因に起因する抵抗値の増減がそれぞれの抵抗体から推定する推定電流値に与える影響が異なるようになっている。従って、抵抗値が異なる二つの抵抗体から推定電流値を推定し、推定される二つの推定電流値を比較することで、共通原因に起因する検出信号の異常を検出することができる。

本発明の第１の実施形態の電流検出装置のブロック図である。本発明の実施形態におけるシャント抵抗器の具体例を示す上面図である。本発明の実施形態におけるシャント抵抗器の他の具体例を示す上面図である。本発明の実施形態におけるシャント抵抗器の他の具体例を示す上面図である。本発明の第１の実施形態の電流検出装置の回路図である。本発明の第２の実施形態の電源装置のブロック図である。本発明の第２の実施形態の電源装置の回路図である。

　図１に基づいて本発明の実施の形態の概要を述べる。図１は、本発明の第１の実施形態である電流検出装置１の概要を模式的に示す図である。電流検出装置１は、複数の通電端子および複数の検出端子を有するシャント抵抗器１０と、シャント抵抗器１０の複数の検出端子から電位を取得し、複数の検出信号を出力する信号出力部２０と、信号出力部２０が出力する複数の検出信号に基づいて、シャント抵抗器１０の通電端子間を流れる電流に対して複数の推定電流値を推定する推定部３１と、を備える。また、電流検出装置１は、推定部３１が推定する複数の推定電流値を比較して、シャント抵抗器１０の異常を判定する判定部３２を備える。

　図２には、シャント抵抗器１０を実現する一つの具体例として、シャント抵抗器１０Ａの構成を例示している。シャント抵抗器１０Ａは、複数の導電部と複数の抵抗体からなり、一方向に延在する扁平な平板状に形成されている。以下、シャント抵抗器１０Ａが延在する面内において、シャント抵抗器１０Ａの長手方向を第１の方向Ｄ１とすると共に、シャント抵抗器１０Ａの短手方向を第２の方向Ｄ２とする。

　図２に示すように、シャント抵抗器１０Ａは、具体的には、第１の方向Ｄ１におけるシャント抵抗器１０Ａの両端に位置する第１の導電部１１と第２の導電部１２とを備える。また、シャント抵抗器１０Ａは、第１の導電部１１と第２の導電部１２の間に位置する中央導電部１３を備える。第１の導電部１１、第２の導電部１２および中央導電部１３は、銅などの導電性材料で形成されることが好ましい。

　第１の導電部１１と中央導電部１３の間には、第１の抵抗体１４が配置され、第１の導電部１１と中央導電部１３は、第１の抵抗体１４を介して接続される。第２の導電部１２と中央導電部１３の間には、第２の抵抗体１５が配置され、第２の導電部１２と中央導電部１３は、第２の抵抗体１５を介して接続される。第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５は、銅、マンガンを主成分とする合金であるマンガニンなどの温度による抵抗値変化が小さく、銅に対する熱起電力が小さい導電性材料で形成されることが好ましい。

　また、第２の抵抗体１５は、第１の抵抗体１４よりも抵抗値が大きくなるように構成されている。例えば、第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５が同一の材料で形成される場合、シャント抵抗器１０Ａを流れる通電電流に対して、断面積を小さくすることで抵抗値が増加し、通電電流の方向に対する寸法を長くすることで抵抗値が増加させることができる。図２に図示するシャント抵抗器１０Ａでは、第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５は、第１の方向Ｄ１の寸法を異ならせることで、第２の抵抗体１５の抵抗値が、第１の抵抗体１４の抵抗値よりも大きくなるように構成している。なお、第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５は、それぞれ、製造工程において抵抗体の抵抗値を調整するために形成される切り欠き１８ａ、１８ｂを有している。

　第１の導電部１１および第２の導電部１２には、通電端子や検出端子を形成するための複数の貫通孔が設けられている。具体的には、第１の導電部１１は、通電端子が設けられる第１の通電端子部１６ａと、検出端子が設けられる第１の検出端子部１７ａとを含んでいる。第２の導電部１２は、通電端子が設けられる第２の通電端子部１６ｂと、検出端子が設けられる第２の検出端子部１７ｂとを含んでいる。中央導電部１３は、検出端子を形成するための一つの貫通孔が設けられており、検出端子が設けられる第３の検出端子部１７ｃを含んでいる。第１の検出端子部１７ａ、第２の検出端子部１７ｂおよび第３の検出端子部１７ｃは、上述の信号出力部２０に接続される。この構成により、信号出力部２０は、各々の検出端子部を介して、第１の導電部１１、第２の導電部１２および中央導電部１３の電位を取得できるようになっている。

　上述の通り、シャント抵抗器１０の抵抗体には、抵抗体の抵抗値を調整するための切り欠きが設けられている。上述の構成のシャント抵抗器１０Ａは、通電端子部や検出端子部に形成される貫通孔に挿通されるネジを備えており、ネジによって締結することで信号出力部２０へ接続される配線を電気的に接続するようになっている。また、貫通孔に螺合されるネジは、シャント抵抗器１０Ａが配置されるケースなどの部材にも締結され、シャント抵抗器１０Ａを固定できるようになっている。そのため、シャント抵抗器１０Ａに振動が加わると、第１の抵抗体１４や第２の抵抗体１５は、切り欠き１８ａ、１８ｂの近傍に応力が集中する場合がある。

　図３には、シャント抵抗器１０を実現する他の具体例として、シャント抵抗器１０Ｂの構成を例示している。シャント抵抗器１０Ｂは、以下の構成とすることで、上述のシャント抵抗器の固定に起因する応力によるシャント抵抗器の変形を抑制できるようになっている。なお、シャント抵抗器１０Ｂにおいて、上述のシャント抵抗器１０Ａを構成する構成要素と同じ構成要素については、同一の符号を附して説明を省略する。

　図３に示すように、第１の検出端子部１７ａおよび第２の検出端子部１７ｂは、第２の方向Ｄ２におけるシャント抵抗器１０Ｂの両端に設けられる。また、シャント抵抗器１０Ｂの中央導電部１３は、第３の検出端子部１７ｃに加えて、第４の検出端子部１７ｄを含んでいる。第３の検出端子部１７ｃは、第２の方向Ｄ２において、第１の検出端子部１７ａ側の端部に設けられる。第４の検出端子部１７ｄは、第２の方向Ｄ２において、第３の検出端子部１７ｃ側の端部に設けられる。信号出力部２０は、第１の検出端子部１７ａおよび第３の検出端子部１７ｃを介して、第１の検出信号を取得し、第２の検出端子部１７ｂおよび第４の検出端子部１７ｄを介して、第２の検出信号を取得するように構成される。

　以上の構成によると、シャント抵抗器１０Ｂに対して、複数の検出端子部が比較的均等な位置に設けられる。上述の通り、検出端子部は、シャント抵抗器を固定する固定部を兼ねているため、検出端子部が均等な位置に設けられることで、応力の集中を抑制することができる。また、中央導電部１３の電位を取得するための電流検出経路を二重化することもできるので、断線等の故障が生じても、第１の検出信号または第２の検出信号のいずれか一方の検出信号は取得することができる。

　上述の通り、シャント抵抗器１０Ａの構成によると、中央導電部１３に設けられる第３の検出端子部を介して、第１の検出信号および第２の検出信号の両方を取得することができるので、部品の共通化により、部品点数を削減することができる。一方、シャント抵抗器１０Ｂの構成によると、検出端子部近傍に発生する応力の集中を抑制することができるので、応力によるシャント抵抗器の故障を防止することができる。上述のシャント抵抗器１０Ａおよびシャント抵抗器１０Ｂは、目的に応じて選択することが好ましい。

　図５は、電流検出装置１の回路構成を説明するための図である。図５に示すように、信号出力部２０は、シャント抵抗器１０の検出信号が入力される複数の差動アンプと、複数の差動アンプの出力信号をデジタル信号へ変換するＡ／Ｄコンバータ２２とで構成されている。図５に示す信号出力部２０は、複数の差動アンプとして、第１の検出端子部１７ａおよび第３の検出端子部１７ｃの電位が入力される第１の差動アンプ２１ａと、第２の検出端子部１７ｂおよび第３の検出端子部１７ｃから取得される電位が入力される第２の差動アンプ２１ｂを備えている。第１の差動アンプ２１ａは、入力された信号から第１の抵抗体１４の両端電圧に対応する第１の検出信号を出力し、この第１の検出信号をＡ／Ｄコンバータ２２へ入力する。第２の差動アンプ２１ｂは、入力された信号から第２の抵抗体１５の両端電圧に対応する第２の検出信号を出力し、この第２の検出信号をＡ／Ｄコンバータ２２へ入力する。Ａ／Ｄコンバータ２２は、入力されるアナログ信号をデジタル信号へ変換し、上述の判定部３２や推定部３１を含む演算回路３０へ入力する。演算回路３０は、入力されたデジタル信号を用いてシャント抵抗器１０の通電端子間を流れる電流の推定電流値を推定したり、シャント抵抗器１０の異常を判定したりできるように構成される。

　なお、第１の差動アンプ２１ａおよび第２の差動アンプ２１ｂは、同じ増幅率の差動アンプが用いられている。また、信号出力部２０は、さらに、第１の差動アンプ２１ａや第２の差動アンプ２１ｂが出力する検出信号の出力範囲を変えるレベルシフト回路を含むように構成することもできる。

　以上の構成により、信号出力部２０は、取得した電位から第１の抵抗体１４の両端電圧に対応する第１の検出信号と、第２の抵抗体１５の両端電圧に対応する第２の検出信号を取得し、第１の検出信号および第２の検出信号を推定部３１へ出力することができる。また、演算回路３０に含まれる推定部３１は、信号出力部２０が出力する第１の検出信号および第２の検出信号に基づいて、シャント抵抗器１０を流れる通電電流の複数の推定電流値を推定することができる。具体的には、推定部３１は、第１の検出信号に基づいて第１の推定電流値を推定し、第２の検出信号に基づいて第２の推定電流値を推定する。

　一般的に、Ａ／Ｄコンバータは、入力可能な電圧範囲が決まっており、この入力可能な電圧範囲内のアナログ信号をデジタル信号へ変換する構成となる。また、Ａ／Ｄコンバータは、使用する回路素子によって分解能が決まっている。例えば、１２ｂｉｔのＡ／Ｄコンバータを使用する場合には、最大分解能は４０９６分の１となり、Ａ／Ｄコンバータの入力可能な電圧範囲に対応する電圧値の約０．０２４４％が識別可能な最小の電圧変動となる。

　電流検出装置において、Ａ／Ｄコンバータを用いる場合、通電電流に応じて、シャント抵抗器が検出信号を出力し、差動アンプを介して増幅して、Ａ／Ｄコンバータへ入力されるので、Ａ／Ｄコンバータに入力される検出信号の大きさは、シャント抵抗器を流れる電流の大きさと、シャント抵抗器の抵抗値と、差動アンプの増幅率と、によって決まる。従って、差動アンプの増幅率が同じであれば、シャント抵抗器の抵抗値が大きいほど、推定電流の識別可能な電流変動が小さくなるが、一方で、Ａ／Ｄコンバータの入力可能な電圧範囲によって、検出可能な電流範囲が制限されることになる。すなわち、シャント抵抗器の抵抗値を小さくすると、検出する推定電流値の精度は低下するが、検出可能な電流範囲は大きくすることができる。

　電流検出装置１では、上述の通り、二つの抵抗体を有するシャント抵抗器を用いて構成されており、第１の抵抗体１４の抵抗値が第２の抵抗体１５の抵抗値よりも小さい値となっている。また、第１の差動アンプ２１ａおよび第２の差動アンプ２１ｂは、同じ増幅率の差動アンプが用いられている。そのため、同じ電流に対応して出力される第１の検出信号と第２の検出信号を比較した場合、第２の抵抗体１５の両端電圧に基づいて出力される第２の検出信号のほうが高い電圧の信号となる。従って、第１の検出信号に基づいて推定される第１の推定電流値は、第２の推定電流値と比較して、検出可能な電流範囲が広いが、識別可能な電流変動は小さいという特徴を有する。すなわち、この構成の電流検出装置では、第２の推定電流値は、検出可能な電流範囲は狭いが、精度の高い推定値となる。

　そのため、電流検出装置１において、推定部３１は、第１の検出信号および第２の検出信号の両方が入力される場合は、第２の検出信号に基づいて推定される第２の推定電流値を出力し、第１の検出信号のみが入力され、第２の検出信号がＡ／Ｄコンバータの入力可能な電圧範囲外となる場合は、第１の検出信号に基づいて推定される第１の推定電流値を出力するように構成される。この構成により、電流検出装置１は、電流検出装置の検出電流範囲を広くすると共に、電流検出の精度を向上させることができるようになっている。
また、電流検出装置１は、断線等により、第１の検出信号および第２の検出信号のうちの一方が推定部３１へ入力されない状態となっても、入力された検出信号に基づいてシャント抵抗器１０に流れる通電電流を推定することができる。

　一方で、電流検出装置１は、二つの抵抗体を一体構造として構成したシャント抵抗器を用いているため、二つの抵抗体は、同じ環境下に配置されることになる。この構成の電流検出装置では、シャント抵抗器の二つの抵抗体に、共通の原因による異常が発生するおそれがある。具体的には、中央導電部１３の検出端子部の接続不良による過熱や、シャント抵抗器の腐食、応力集中によるシャント抵抗器の変形などが共通の原因として想定される。これらの共通の原因によって異常が発生する場合、第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５は、同じような抵抗値変化が生じるおそれがある。具体的には、第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５がともに、実質的な抵抗値が０．０５ｍΩ増加するなどの異常が発生することがある。

　電流検出装置１は、上述の通り、第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５の抵抗値が異なっており、第１の抵抗体１４から推定される第１の推定電流値と、第２の抵抗体１５から推定される第２の推定電流値の検出可能な電流範囲も異なるように構成されている。第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５の抵抗値が異なっている場合、それぞれの抵抗体の実質的な抵抗値に同じ抵抗値変化が生じたとしても、その抵抗値変化が影響を与える推定電流値の変化量には違いを生じさせることができる。

　例えば、第１の抵抗体の抵抗値を０．１５ｍΩ、第２の抵抗体の抵抗値を０．２５ｍΩとした場合を想定すると、正常な状態において、シャント抵抗器に４０Ａの電流が流れた場合、第１の抵抗体１４の両端電圧は６ｍＶとなり、第２の抵抗体１５の両端電圧は１０ｍＶとなる。推定部３１は、Ａ／Ｄコンバータ等を介して、第１の検出信号に基づいて、第１の抵抗体の両端電圧６ｍＶから第１の推定電流値を４０Ａと推定する。また、第２の検出信号に基づいて、第２の抵抗体の両端電圧１０ｍＶから第２の推定電流値を４０Ａと推定する。ここで、共通の原因によってそれぞれの抵抗体に０．０５ｍΩの抵抗増加が生じたと仮定すると、シャント抵抗器に４０Ａの電流が流れた場合、第１の抵抗体１４の両端電圧は８ｍＶとなり、第２の抵抗体１５の両端電圧は１２ｍＶとなる。推定部３１は、共通の原因に起因する０．０５ｍΩの抵抗値増加を認識できないので、そのまま正常な状態と同じように電流値へ換算することになる。具体的には、第１の検出信号から推定される第１の推定電流値は、約５３．３Ａ、第２の検出信号から推定される第２の推定電流値は、約４８．０Ａとなる。つまり、共通原因が生じ、第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５の両方に抵抗値異常が生じると、第１の推定電流値と、第２の推定電流値の値が乖離することになる。

　電流検出装置１は、抵抗値が異なる第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５を有するシャント抵抗器１０Ａと、それぞれの抵抗体から推定される第１の推定電流値と第２の推定電流値を比較する判定部３２とを備えているため、判定部３２を介して、シャント抵抗器１０Ａの故障を検出することができる。具体的には、判定部３２は、予め設定される閾値を記憶する記憶部３３と、第１の推定電流値および第２の推定電流値の差分△Ｉを演算し、この差分△Ｉと記憶部３３が記憶している閾値αとを比較する比較部３４と、を含んでいる。判定部は、比較部３４の演算結果において、第１の推定電流値および第２の推定電流値の差分△Ｉが閾値αよりも小さい場合、シャント抵抗器が正常であると判定し、差分△Ｉが閾値αよりも大きい場合、シャント抵抗器が異常であると判定する。

　特に、高温多湿の環境下では、シャント抵抗器を構成する金属に腐食が発生することがあるが、このような場合、シャント抵抗器の表面が全体的に腐食されることになる。つまり、腐食が発生した場合には、第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５の抵抗値が変化することになり、シャント抵抗器の二つの出力が共に異常となる。シャント抵抗器の表面が腐食すると、抵抗体の表面に高抵抗層が形成され、実質的な抵抗体の抵抗値が増加する。第１の抵抗体および第２の抵抗体は、同一環境下に配置されるので、基本的には同じように腐食し、同じような抵抗値変化が生じると想定される。

　上述の通り、本発明の実施形態では、抵抗値が異なる第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５を有するシャント抵抗器１０Ａと、それぞれの抵抗体から推定される第１の推定電流値と第２の推定電流値を比較する判定部３２とを備えているため、判定部３２を介して、シャント抵抗器１０Ａに共通の原因による異常が発生した場合にも、シャント抵抗器１０Ａの故障を検出することができる。

　加えて、電流検出装置１は、第１の抵抗体または第２の抵抗体のいずれか一方に、防腐処理を行う構成とすることもできる。いずれかの抵抗体のみを防腐処理することで、腐食の進行度を異ならせることができるので、腐食による異常が発生した際に、第１の推定電流値と、第２の推定電流値の乖離を促進させることができる。なお、抵抗値変化に対する推定電流値の誤差は、第１の抵抗体１４から推定される第１の推定電流値のほうが大きいため、第２の抵抗体１５の表面を防腐処理する構成とすることが好ましい。この構成によると、防腐処理をしない構成と比較して、早期にシャント抵抗器の異常を検出することができ、共通の原因によるシャント抵抗器の故障のうち、特に腐食によるシャント抵抗器の異常に対する検出の精度を向上させることができる。

　上述の実施形態では、第１の抵抗体１４や第２の抵抗体１５に、切り欠き１８ａ、１８ｂを形成する構成としているが、第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５のうち、いずれか一方のみに切り欠きを形成する構成とすることもできる。上述の通り、切り欠きを形成すると、シャント抵抗器１０に外力が加わった際、切り欠きの近傍に応力が集中する。第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５のうち、いずれか一方のみに切り欠きを形成する構成とすると、切り欠きが形成される抵抗体に応力が集中するので、切り欠きが形成されていない抵抗体の変形を抑制することができる。

　また、図４に示すように、第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５に、大きさの異なる切り欠きを設ける構成とすることもできる。この構成では、大きい切り欠きが形成されるほうの抵抗体に応力が集中するので、小さい切り下記が形成されている抵抗体の変形を抑制することができる。加えて、第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５の両方に切り欠きを形成することができるので、製造工程における抵抗値の調整が容易となり、第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５の抵抗値の精度を向上させることができる。

　以上の構成によると、第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５のいずれか一方に応力を集中させることができ、第１の抵抗体１４と第２の抵抗体１５の変形による抵抗値変化を異ならせることができる。すなわち、これらの構成によると、外力によるシャント抵抗器１０の変形が発生した際に、第１の推定電流値と、第２の推定電流値の乖離を促進させることができる。なお、抵抗値変化に対する推定電流値の誤差は、第１の抵抗体１４から推定される第１の推定電流値のほうが大きいため、第１の抵抗体１４に応力が集中するように構成することが好ましい。　

　以上の構成の電流検出装置は、二つの抵抗体を一体構造としたシャント抵抗器を用いて取得される二つの検出信号に基づいて、通電電流を推定できることに加え、同一環境下に配置される二つの抵抗体に共通の原因に起因する異常が生じてシャント抵抗器が故障した場合にも、判定部３２の判定によりシャント抵抗器の故障を検出することができる。特に、二つの抵抗体を一体構造とすることで部品点数を削減しながら、一体構造としたことで生じる共通の原因に起因する異常の発生を検出することができるので、インレンジ故障が生じた状態のまま機器が使用されることを防止することができる。

　また、電流検出装置１は、電流検出のための配線の断線を検出するために、第１の電圧供給回路４０ａと第２の電圧供給回路４０ｂとを備える構成とすることもできる。図５に示すように、第１の電圧供給回路４０ａは、第１の電源ライン４１ａと、第１の電源ライン４１ａに接続され、接続される第１の電源ライン４１ａの電圧にプルアップされる第１の分圧抵抗４３ａと、第１の分圧抵抗４３ａと第１の差動アンプ２１ａの一方の入力端子とを接続する第１のスイッチ４２ａとで構成される。第１の差動アンプ２１ａの他方の入力端子には、グランドが接続される。また、第１のスイッチ４２ａは、第１の差動アンプ２１ａとシャント抵抗器１０の第１の導電部１１とを接続する電流経路上にノードが設けられており、第１のスイッチ４２ａがオン状態に制御されることで、第１の分圧抵抗４３ａと第１の抵抗体１４に第１の電源ライン４１ａの電圧を印加できるようになっている。

　また、第２の電圧供給回路４０ｂは、第２の電源ライン４１ｂと、第２の電源ライン４１ｂに接続され、接続される第２の電源ライン４１ｂの電圧にプルアップされる第２の分圧抵抗４３ｂと、第２の分圧抵抗４３ｂと第２の差動アンプ２１ｂの一方の入力端子とを接続する第２のスイッチ４２ｂとで構成される。第２の差動アンプ２１ｂの他方の入力端子には、グランドが接続される。また、スイッチ４２ｂは、第２の差動アンプ２１ｂとシャント抵抗器１０の第２の導電部１２とを接続する電流経路上にノードが設けられており、第２のスイッチ４２ｂがオン状態に制御されることで、第２の分圧抵抗４３ｂと第１の抵抗体１４に第２の電源ライン４１ｂの電圧を印加するようになっている。第１の電圧供給回路４０ａと第２の電圧供給回路４０ｂは、断線を検出する電流経路が異なるだけであるので、以下、第１の電圧供給回路を例にとって説明する。

　第１の電圧供給回路４０ａは、第１のスイッチ４２ａをオン状態に制御すると、第１の分圧抵抗４３ａと第１の抵抗体１４には、電源ライン４１ａの電圧、例えば５Ｖの電圧が印加される。なお、断線検出は、第１の電圧供給回路４０ａ以外の電源からは電力が供給されない無負荷の状態で行われる。例えば、車両に搭載される電源装置の充放電電流を監視するように電流検出装置１が設けられる場合には、車両が停車した状態などのタイミングで断線検出が行われる。

　第１の電圧供給回路４０ａが電圧を供給する電流経路において断線が生じていない通常の状態の場合、第１の分圧抵抗４３ａと第１の抵抗体１４には、互いの抵抗値に応じた電圧が生じる。つまり、５Ｖの電圧が第１の抵抗体１４の抵抗値と第１の分圧抵抗４３ａの抵抗値によって分圧される。第１の抵抗体１４の抵抗値は、第１の分圧抵抗４３ａの抵抗値に対して無視できるほど小さいため、この状態では、第１の差動アンプ２１ａには、グランドの電位が入力され、実質的には第１の検出信号は０Ｖとなる。

　一方、第１の電圧供給回路４０ａが電圧を供給する電流経路において断線が生じると、第１の差動アンプ２１ａの二つの入力端子に対して、第１の電圧供給回路４０ａが接続されているほうの入力端子には、電源ライン４１ａの電圧である５Ｖが入力され、他方の入力端子には、グランドの電位が入力され、第１の差動アンプ２１ａは、オーバーシュートした電圧の検出信号を出力する。

　また、完全な断線ではなく高抵抗で接続されている状態の場合には、増加した抵抗値に応じた電位の検出信号が出力される。本発明の実施形態では、第１の抵抗体１４は、０．１～０．５ｍΩの抵抗器、第１の分圧抵抗４３ａは、１～１０ｋΩの抵抗器を用いる構成とすることが好ましいが、例えば、第１の抵抗体１４の抵抗値を０．１５ｍΩ、第１の分圧抵抗４３ａの抵抗値を１０ｋΩとした場合について考える。ここで、接触不良などが生じて第１の電圧供給回路４０ａが電圧を供給する電流経路の抵抗値が１００ｍΩ増加したとすると、第１の差動アンプ２１ａに入力される電圧は、５Ｖを１００．１５ｍΩと１０ｋΩとで分圧した値となる。第１の差動アンプ２１ａが出力する検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ２２を介して演算回路３０に入力される。

　以上の構成により、電流検出装置１では、第１の差動アンプ２１ａの出力が入力される演算回路３０を介して、第１のスイッチ４２ａの作動状態と、推定部３１が推定する第１の推定電流とを判定することで、対応する電流経路の断線を検出することができる。なお、第２の電圧供給回路４０ｂについても同様である。具体的には、電圧供給回路が電圧を供給する電流経路において断線や接触不良が生じると、上述の異常判定の検査を行った際、所定の電圧値以上の電圧が検出される。本発明の実施形態では、第１の差動アンプ２１ａや第２の差動アンプ２１ｂから入力される検出信号に基づいて推定される推定電流値を使って演算することで、各電流経路の断線や接触不良を検出するように構成される。

　上述のような測定線の接触不良は、直接的にはシャント抵抗器の抵抗体の抵抗値に影響を与えるわけではないが、接触不良部分の発熱などに起因して、電流検出装置の測定値に影響を与え、インレンジ故障となるおそれがある。特に、中央導電部１３の検出端子部の接続不良による過熱は、第１の検出信号および第２の検出信号の両方に影響を与える共通原因となる。本発明の電流検出装置では、上述の断線検出の検査を行うように構成することで、測定線の接続部分の接触不良による電流検出装置の異常を検出することができる。

　また、上述の通り、シャント抵抗器１０は、第１の導電部１１、第２の導電部１２および中央導電部１３を銅で形成し、第１の抵抗体１４および第２の抵抗体１５をマンガニンで形成することができる。この構成によると、抵抗値の精度が要求される第１の抵抗体１４や第２の抵抗体１５の温度依存性を小さくすることができるので、電流検出の精度を向上させることができる。つまり、精度の高い電流検出装置を構成するためには、抵抗体をマンガニン等の温度依存性の低い特殊な合金を使用する構成となる。

　しかしながら、このような導電部を構成する金属と抵抗体を構成する金属が異なる金属とした場合、シャント抵抗器１０の発熱に起因して熱起電力が発生するおそれがある。具体的には、異種金属を接続した金属体に温度差が生じると、金属間に電圧が発生する（ゼーベック効果）。銅に対するマンガニンの熱起電力係数は、２μＶ／Ｋであり、比較的小さな値ではあるが、発生する温度差によっては、電流検出に影響を与える。特に、中央導電部の検出端子部の過熱が発生した場合、第１の抵抗体と中央導電部の間および第２の抵抗体と中央導電部の間でゼーベック効果が生じる。つまり、中央導電部の検出端子部の過熱は、第１の検出信号および第２の検出信号に影響を与える共通原因に起因する異常となる。

　上述の構成において、例えば、１００℃（３７３．１５Ｋ）の温度差が生じた場合、ゼーベック効果によって、約０．７５ｍＶの起電圧が発生する。これは、測定電流を１００Ａ、第１の抵抗体の抵抗値を０．１５ｍΩ、第２の抵抗体の抵抗値を０．２５ｍΩとした場合を想定すると、それぞれに対して、約５％、約３％の誤差に相当する。シャント抵抗器の製造誤差は、大きくても３％程度であるため、この熱起電力の影響は無視できない。

　一方、上述の構成では、第１の抵抗体と第２の抵抗体の抵抗値を異ならせることで、共通原因に起因する影響を異ならせることができる。上述の想定では、第１の検出信号に基づく推定電流は１０５Ａ、第２の検出信号に基づく推定電流は１０３Ａとなるが、これは、明らかにＡ／Ｄコンバータの分解能による誤差以上の相違である。従って、第１の検出信号から推定される第１の推定電流値と第２の検出信号から推定される第２の推定電流値を比較することで、共通原因によってインレンジ故障が発生した場合にも電流検出装置の故障を検出することができる。つまり、上述の判定部３２を備えることで、中央導電部の検出端子部の過熱による異常によるシャント抵抗器の故障を検出することができる。

　図６に基づいて本発明の他の実施の形態の概要を述べる。図６は、本発明の第２の実施形態である電源装置５の概要を模式的に示す図である。なお、上述の第１の実施形態の電流検出装置において説明した構成要素と同じ構成要素については、同一の符号を附して説明を省略する。電源装置５は、複数の電池セルからなる組電池５０と、組電池５０に対して直列に接続されるシャント抵抗器１０と、組電池５０の状態を監視する状態監視部６０と、を備える。状態監視部６０は、シャント抵抗器１０を介して、組電池５０の充放電電流を推定する電流推定部６１０と、組電池５０を構成する複数の電池セルの端子間電位から電池セルの電圧を検出する電圧検出部６５０と、電流推定部６１０および電圧検出部６５０の検出結果が入力される制御部６６０と、を含む。電流推定部６１０は、第１の実施形態における信号出力部２０、推定部３１および判定部３２を含む。第２の実施形態において、判定部３２は、第１の検出信号に基づく推定電流値と第２の検出信号に基づく推定電流値を比較し、判定結果に対応する信号を制御部６６０へ出力する。

　図７は、図６の電源装置５を車両に搭載する場合の回路図である。組電池５０の出力は、リレー７０を介して、車両のインバータ８０に供給される。また、車両には、車両ＥＣＵ９０が搭載されており、車両の制御やインバータ８０の制御等を行うようになっている。制御部６６０は、判定部３２がシャント抵抗器の異常を検出すると、リレー７０のオン作動を禁止したり、車両ＥＣＵ９０にシャント抵抗器が異常であることを通知したりするように構成される。車両ＥＣＵ９０は、制御部６６０から異常信号が入力された際に、車両のディスプレイの警告ランプを点灯するように構成することもできる。この構成により、電流検出装置が異常な状態のまま、電源装置５が使用されることを防止することができる。

　以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各々の構成要素や各々の処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

　１　電流検出装置、１０　シャント抵抗器、１１　第１の導電部、１２　第２の導電部、１３　中央導電部、１４　第１の抵抗体、１５　第２の抵抗体、１６ａ　第１の通電端子部、１６ｂ　第２の通電端子部、１７ａ　第１の検出端子部、１７ｂ　第２の検出端子部、１７ｃ　第３の検出端子部、１７ｄ　第４の検出端子部、２０　信号出力部、３１　推定部、３２　判定部、３３　記憶部、３４　比較部、４０ａ　第１の電圧供給回路、４０ｂ　第２の電圧供給回路、４３ａ　第１の分圧抵抗、４３ｂ　第２の分圧抵抗、５　電源装置、５０　組電池、６０　状態監視部、６１０　電流推定部、６５０　電圧検出部

Claims

　電流を検出するためのシャント抵抗器であって、第１の導電部と、第２の導電部と、前記第１の導電部と前記第２の導電部との間に設けられる中央導電部と、前記第１の導電部と前記中央導電部との間に設けられる第１の抵抗体と、前記第２の導電部と前記中央導電部との間に設けられ、前記第１の抵抗体よりも抵抗値が大きい第２の抵抗体と、を含む前記シャント抵抗器と、
　前記第１の導電部と前記中央導電部の電位に基づいて第１の検出信号を取得し、前記第２の導電部と前記中央導電部の電位に基づいて第２の検出信号を取得する信号出力部と、
　前記第１の検出信号から前記第１の推定電流値を推定し、前記第２の検出信号から前記第２の推定電流値を推定する推定部と、
　前記第１の推定電流値と前記第２の推定電流値を比較して前記シャント抵抗器の異常を判定する判定部と、を備える電流検出装置。
　請求項１に記載の電流検出装置において、
　前記判定部は、
　　予め設定される閾値を記憶する記憶部と、
　　前記第１の推定電流値および前記第２の推定電流値の差分を演算し、該差分と前記閾値とを比較する比較部と、を含むとともに、
　　前記差分が前記閾値よりも小さい場合、前記シャント抵抗器が正常であると判定し、
　　前記差分が前記閾値よりも大きい場合、前記シャント抵抗器が異常であると判定することを特徴とする電流検出装置。
　請求項１または請求項２に記載の電流検出装置において、
　さらに、前記第１の抵抗体と接続される第１の分圧抵抗を有するとともに、前記第１の分圧抵抗と前記第１の抵抗体に所定の電圧を印加する第１の電圧供給回路と、
　前記第２の抵抗体と接続される第２の分圧抵抗を有するとともに、前記第２の分圧抵抗と前記第２の抵抗体に所定の電圧を印加する第２の電圧供給回路と、を備え、
　前記判定部は、前記第１の電圧供給回路または前記第２の電圧供給回路が電圧を供給した際に、前記推定部が推定する前記第１の推定電流値と前記第２の推定電流値を比較して前記シャント抵抗器の異常を判定することを特徴とする電流検出装置。
　請求項１から３のいずれかに記載の電流検出装置において、
　前記シャント抵抗器は、前記第１の導電部、前記第２の導電部および前記中央導電部を構成する金属と、前記第１の抵抗体および第２の抵抗体を構成する金属とが、異なる金属で形成されることを特徴とする電流検出装置。
　請求項１から３のいずれかに記載の電流検出装置において、
　前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体のうち、前記第２の抵抗体の表面が防腐処理されることを特徴とする電流検出装置。
　請求項１から３のいずれかに記載の電流検出装置において、
　前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体は、それぞれ、切り欠きが形成されるとともに、前記第１の抵抗体の切り欠きと前記第２の抵抗体の切り欠きの大きさが異なることを特徴とする電流検出装置。
　請求項１から３のいずれかに記載の電流検出装置において、
　前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体のうちのいずれか一つに、切り欠きが形成されることを特徴とする電流検出装置。
　請求項１から７のいずれかに記載の電流検出装置において、
　前記シャント抵抗器は、一方向に延在する扁平な平板状に形成されると共に、前記シャント抵抗器が延在する面内において、前記シャント抵抗器の長手方向を第１の方向とすると共に、前記シャント抵抗器の短手方向を第２の方向とし、
　前記第１の導電部は、前記シャント抵抗器に電流を流すための端子が接続される第１の通電端子部と、前記信号出力部が接続される第１の検出端子部と、を含み、
　前記第２の導電部は、前記シャント抵抗器に電流を流すための端子が接続される第２の通電端子部と、前記信号出力部が接続される第２の検出端子部と、を含み、
　前記第１の導電部および前記第２の導電部は、前記第１の方向における前記シャント抵抗器の両端に位置し、
　前記第１の検出端子部および前記第２の検出端子部は、前記第２の方向における前記シャント抵抗器の両端に位置することを特徴とする電流検出装置。
　請求項８に記載の電流検出装置において、
　前記中央導電部は、前記第２の方向における該中央導電部の両端に設けられ、前記信号出力部が接続される第３の検出端子部および第４の検出端子部を含み、
　前記第１の検出端子部および前記第３の検出端子部は、前記第２の方向における前記シャント抵抗器の一方の端部に位置すると共に、前記第２の検出端子部および前記第４の検出端子部は、前記第２の方向における前記シャント抵抗器の他方の端部に位置し、
　前記信号出力部は、前記第１の検出端子部と前記第３の検出端子部を介して、前記第１の検出信号を取得し、前記第２の検出端子部と前記第４の検出端子部を介して、前記第２の検出信号を取得することを特徴とする電流検出装置。
　複数の電池セルを含む組電池と、
　前記複数の電池セルの状態を監視する状態監視部と、
　前記組電池に直列に接続されるシャント抵抗器と、を備え、
　前記状態監視部は、前記複数の電池セルの電圧を検出する電圧検出部と、前記シャント抵抗器を介して前記組電池の充放電電流を推定する電流推定部とを含み、
　前記シャント抵抗器は、第１の導電部と、第２の導電部と、前記第１の導電部と前記第２の導電部との間に設けられる中央導電部と、前記第１の導電部と前記中央導電部との間に設けられる第１の抵抗体と、前記第２の導電部と前記中央導電部との間に設けられ、前記第１の抵抗体よりも抵抗値が大きい第２の抵抗体と、を含み、
　前記電流推定部は、
　　前記第１の導電部と前記中央導電部の電位に基づいて第１の検出信号を取得し、第２の導電部と前記中央導電部の電位に基づいて第２の検出信号を取得する信号出力部と、
　　前記第１の検出信号から前記第１の推定電流値を推定し、前記第２の検出信号から前記第２の推定電流値を推定する推定部と、
　　前記第１の推定電流値と前記第２の推定電流値を比較して前記シャント抵抗器の異常を判定する判定部と、を含み、
　前記状態監視部は、前記シャント抵抗器が異常であると判定された際に、異常を通知するための信号を出力することを特徴とする電源装置。
　請求項１０に記載の電源装置において、
　前記判定部は、
　　予め設定される閾値を記憶する記憶部と、
　　前記第１の推定電流値および前記第２の推定電流値の差分を演算し、該差分と前記閾値とを比較する比較部と、を含むとともに、
　　前記差分が前記閾値よりも小さい場合、前記シャント抵抗器が正常であると判定し、
　　前記差分が前記閾値よりも大きい場合、前記シャント抵抗器が異常であると判定することを特徴とする電流検出装置。
　請求項１０に記載の電源装置において、
　前記シャント抵抗器は、前記第１の導電部、前記第２の導電部および前記中央導電部を構成する金属と、前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体を構成する金属とが、異なる金属で形成されることを特徴とすることを特徴とする電源装置。