(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波の交流電流であっても精度よく電流検出を行う。【解決手段】電流検出装置１は、バッテリケーブル４の電圧を検出する電圧センサ１０と、電圧センサ１０により検出された電圧とバッテリケーブル４の抵抗とに基づいてバッテリ２の電流を計算するコントローラー２０とを有している。この場合、バッテリケーブル４は、複数の素線を内外になるように撚って構成されるリッツ線で構成されている。【選択図】図１
2013083543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリ端子として正極端子及び負極端子を有するバッテリであって、当該バッテリのバッテリ端子の一方から所定の点へ接続されるバッテリケーブルに流れる電流を検出する電流検出装置において、
前記バッテリケーブルの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部により検出された電圧と、前記バッテリケーブルの抵抗とに基づいて、前記バッテリの電流を計算する演算手段と、を有し、
前記バッテリケーブルは、複数の素線を内外になるように撚って構成されるリッツ線で構成されていることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
前記リッツ線は、その抵抗が同一断面積の単芯線の抵抗を下回る範囲となるように、当該リッツ線を構成する個々の素線の素線径が設定されていることを特徴とする請求項１に記載された電流検出装置。
【請求項３】
前記素線のそれぞれは、以下の数式を満たす素線径を備えることを特徴とする電流検出装置。
【数１】
2013083543.tif 000012
【数２】
2013083543.tif 000013
（前記の数式において、「φ」は素線の素線径、「ｆ」は周波数、「Ｓ」はリッツ線を構成する導体全体の断面積である。）
【請求項４】
前記素線のそれぞれは、周波数が６ｋＨｚ以下、前記リッツ線を構成する導体全体の断面積が４０ｍｍ２の場合において、素線径が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電流検出装置。
【請求項５】
前記素線のそれぞれは、０．１ｍｍから０．３ｍｍまでの範囲の素線径であること特徴とする請求項４に記載された電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリが備えるバッテリ端子の一方から所定の点へ接続されるバッテリケーブルに流れる電流を検出する電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車両に搭載されたバッテリから負荷へ供給される電流又はバッテリへ供給される電流を検出するための電流検出装置が知られている。例えば特許文献１には、バッテリケーブルをシャントとして用いる電流検出装置が開示されている。この電流検出装置は、一方の端子と車両の基準点との間のバッテリケーブルを有する自動車バッテリの流出入電流を、バッテリケーブルの電圧を測定し、測定電圧のデジタル値から決定する。具体的には、ケーブルの抵抗値が既知の場合、電流をオームの法則で計算する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５１１３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、バッテリケーブルとして単芯線を用いた場合、表皮効果により、高周波領域では電流密度分布の片寄りによって抵抗が実質的に増大する。このため、例えば直流電流１００Ａと交流電流１００Ａとで比較すると、バッテリケーブルの電圧値は交流電流時の方が高くなる。よって、高周波の交流電流において電流検出の精度が低下してしまうという不都合がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高周波の交流電流であっても精度よく電流検出を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、バッテリ端子として正極端子及び負極端子を有するバッテリであって、当該バッテリのバッテリ端子の一方から所定の点へ接続されるバッテリケーブルに流れる電流を検出する電流検出装置を提供する。この場合、バッテリケーブルの電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部により検出された電圧と、バッテリケーブルの抵抗とに基づいて、バッテリの電流を計算する演算手段と、を有する。ここで、バッテリケーブルは、複数の素線を内外になるように撚って構成されるリッツ線で構成されている。
【０００７】
ここで、本発明において、リッツ線は、その抵抗が同一断面積の単芯線の抵抗を下回る範囲となるように、当該リッツ線を構成する個々の素線の素線径が設定されていることが好ましい。
【０００８】
また、本発明において、素線のそれぞれは、以下の数式を満たす素線径を備えることが好ましい。
【数１】
2013083543.tif 000003
【数２】
2013083543.tif 000004
【０００９】
上記の数式において、「φ」は素線の素線径、「ｆ」は周波数、「Ｓ」はリッツ線を構成する導体全体の断面積である。
【００１０】
また、本発明において、素線のそれぞれは、周波数が６ｋＨｚ以下、リッツ線を構成する導体全体の断面積が４０ｍｍ２の場合において、素線径が１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明において、素線のそれぞれは、０．１ｍｍから０．３ｍｍまでの範囲の素線径であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バッテリケーブルとしてのリッツ線は、高周波の交流電流が流れる場合であっても、電気抵抗の増加を抑制することができるので、演算において利用する既知の抵抗値との間に生じる乖離を抑制することができる。これにより、高周波の交流電流であっても精度よく電流検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電流検出装置の全体構成を模式的に示す説明図
【図２】バッテリケーブルの端部近傍を模式的に説明図
【図３】同心撚りと呼ばれる構造のリッツ線の構成を模式的に示す説明図
【図４】同心撚りと呼ばれる構造のリッツ線の構成を模式的に示す説明図
【図５】均一撚りと呼ばれる構造のリッツ線の構成を模式的に示す説明図
【図６】複合撚りと呼ばれる構造のリッツ線の構成を模式的に示す説明図
【図７】単芯線とリッツ線とにおける等価直列抵抗の周波数特性を示す図
【図８】図７に示す周波数特性のうち１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲を拡大して示す図
【図９】図７に示す周波数特性のうち１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲を拡大して示す図
【図１０】上限周波数とリッツ線の断面積との関係を示す図
【図１１】係数α，βと素線径との関係を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本実施形態にかかる電流検出装置１の全体構成を模式的に示す説明図である。この電流検出装置１は、自動車等を含む車両に搭載されたバッテリ２から放電される電流又は当該バッテリ２に充電される電流を検出する装置である。電流検出装置１は、電圧センサ１０と、コントローラー２０とを主体に構成されている。
【００１５】
車両に搭載されたバッテリ２は、スターター・モータ、照明装置、空調装置等の各種の負荷３に電力を供給する。また、このバッテリ２は、必要に応じて、図示しないオルタネータといった発電装置等から供給される電力を充電することができるようになっている。バッテリ２としては、鉛蓄電池、リチウムイオン電池といった種々の二次電池を利用することができる。
【００１６】
バッテリ２は、バッテリ端子として正極端子２ａと負極端子２ｂとを備えており、正極端子２ａと車両のフレーム又はシャーシといった基準電位点ＧＮＤとの間に負荷３が接続されている。また、負極端子２ｂと基準電位点ＧＮＤとの間には、リターンパスとなる負極側のバッテリケーブル４が接続されている。このバッテリケーブル４には、バッテリ２の充放電に対応して電流が流れることとなる。
【００１７】
図２は、バッテリケーブル４を模式的に説明図である。バッテリケーブル４は、比較的に周波数の高い交流電力を伝送するのに好適なケーブルであり、高周波用電線４０と、その長さ方向の両端部にそれぞれ設けられた端子４５とを備えている。高周波用電線４０は、その導体部としてのリッツ線４１と、このリッツ線４１の外周面を覆う被覆部材４４とを有している。なお、リッツ線４１の詳細については後述する。
【００１８】
例えば、バッテリケーブル４の両端には、引き出し線５がそれぞれ接続されており、電圧センサ１０には、この引き出し線５を介してバッテリケーブル４の両端の電圧が印加されている。電圧センサ１０は、バッテリケーブル４の電圧（本実施形態では、バッテリケーブル４の両端電圧）を検出し、その検出値をコントローラー２０に出力する。
【００１９】
コントローラー２０は、電圧センサ１０により検出された電圧と、バッテリケーブル４の抵抗とに基づいて、バッテリ２の電流を計算する（演算手段）。コントローラー２０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。具体的には、コントローラー２０は、バッテリケーブル４による電圧降下を用いてバッテリ２の電流を検出する。電圧は、バッテリ２の電流に依存して変化する。バッテリケーブル４の両端電圧が電流の変化に対応して変化すると、電圧センサ１０に印加される電圧が変化する。コントローラー２０は、バッテリケーブル４に現れる電圧を電圧センサ１０から取得することで、バッテリ２に流出入する電流をオームの法則より演算する。
【００２０】
【数３】
2013083543.tif 000005
【００２１】
同数式において、Ｉは検出対象となるバッテリ２の電流であり、Ｅは電圧センサ１０により検出される電圧である。一方、Ｒはバッテリケーブル４の抵抗であり、バッテリケーブル４に対応する既知の値を利用することができる。
【００２２】
本実施形態の特徴の一つとして、バッテリケーブル４には、前述の通りリッツ線４１が採用されている。リッツ線４１は、それぞれの表面が電気絶縁された導体で構成される複数の素線４２を撚り合わせて立体的に構成されている。図３〜図６を参照し、リッツ線の具体例について説明する。ここで、図３，４は、同心撚りと呼ばれる構造のリッツ線４１Ａの構成を模式的に示す説明図であり、図５は、均一撚りと呼ばれる構造のリッツ線４１Ｂの構成を模式的に示す説明図である。また、図６は、複合撚りと呼ばれる構造のリッツ線４１Ｃの構成を模式的に示す説明図である。なお、図３、図１０中の各素線の中に示した数字は、各素線を区別するために割り当てた番号を表している。
【００２３】
図３〜６に示すように、リッツ線４１Ａ〜４１Ｃは、複数（例えば７本）の素線４２を撚り合わせて構成されている。各々の素線４２は、例えばエナメル線のようなマグネットワイヤである。すなわち、図４に代表して例示するように、素線４２は、細長い線状の導体４２ａとその表面を覆う絶縁皮膜４２ｂとで構成されている。したがって、互いに隣接する素線４２同士はそれらの外周面で電気的に接触することはなく、電気絶縁されている。もっとも、リッツ線４１の両端部では、全ての素線４２が互いに電気的に接続された状態で使用される。
【００２４】
図３，４に示したリッツ線４１Ａについては、複数の素線４２が同一軸の周囲を螺旋状に周回するように、つまり図４に示すような断面で見ると同心円上を周回するように撚られている。この場合、中央に位置する素線４２の位置は変化しない。これを同心撚りと呼ぶ。
【００２５】
一方、図５に示したリッツ線４１Ｂについては、複数の素線４２が均等にあるいはランダムに撚られている。つまり、図４に示すような断面で見ると、各素線４２の位置は、中心位置と外周位置との間の範囲内で位置が変化する。すなわち、同じ１つの素線４２であっても、長さ方向（Ｚ方向）のある位置では中央付近に配置され、別のある位置では外周に近い位置に配置された状態になる。これを均一撚りと呼ぶ。
【００２６】
また、図６に示したリッツ線４１Ｃについては、複数の素線４２を撚り合わせて構成した束線４３Ａ〜４３Ｇをそれぞれ構成し、これらの束線４３Ａ〜４３Ｇを更に撚り合わせて構成してある。束線４３Ａ〜４３Ｇの各々を構成するための複数の素線４２の撚り方については、前述の同心撚りの場合もあるし、均一撚りの場合もある。また、複数の束線４３Ａ〜４３Ｇの撚り方についても、前述の同心撚りの場合もあるし、均一撚りの場合もある。このような撚り方を複合撚りと呼ぶ。
【００２７】
通常の電線（すなわち、単芯線）では、周波数が高くなるにつれて電線の導体を通る電流が導体の表面に近い領域に偏って流れるようになる。この表皮効果により、電線に高周波電流を流す場合には、周波数が低い場合と比べて電流が流れにくくなり、高周波領域では電流密度分布の片寄りによって電気抵抗が実質的に増大する。このため、例えば直流電流１００Ａと交流電流１００Ａとで比較すると、バッテリケーブル４の電圧値は交流電流時の方が高くなる。よって、交流電流の電流検出と、直流電流の電流検出とでバッテリケーブル４の抵抗を同様として扱うと、交流電流の電流検出時に過大な値が算出されてしまう。また、同心撚りのリッツ線４１Ａにおいても、通常の電線と同様に、電気抵抗が増大する。
【００２８】
この点、本実施形態に示すリッツ線４１は、均一撚りされたリッツ線４１Ｂ又は複合撚りされたリッツ線４１Ｃで構成されている。このリッツ線４１は、複数の素線４２を内外になるように撚って構成されており、高周波電流を流すのに適した構造を有している。前述の通り、リッツ線４１を構成する個々の素線４２は、互いに隣接する素線４２同士が絶縁されているので、リッツ線４１を構成する導体全体の表面積は断面積が同じ一般的な導線と比べると非常に大きくなる。したがって、リッツ線４１を流れる高周波電流が各素線４２の表面近傍に偏って流れる場合でも、比較的小さい抵抗で電流を流すことができることとなる。
【００２９】
ところで、リッツ線４１に生じる抵抗は、リッツ線４１を構成する導体全体の断面積や、素線径によって異なる。すなわち、高周波電流を流すのに適した構造となるリッツ線４１であるためには、その抵抗が同一断面積の単芯線の抵抗を下回る範囲となることが必要であるといえる。
【００３０】
図７は、断面線２ｍｍ２の単芯線と、リッツ線４１（素線径１０μｍ，５０μｍ，１００μｍ）とにおける等価直列抵抗Ｒｓの周波数特性を示す図である。また、図８は、図７に示す周波数特性のうち１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲を拡大して示す図であり、図９は、図７に示す周波数特性のうち１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲を拡大して示す図である。
【００３１】
図８から分かるように、単芯線の抵抗は概ね７．６ｋＨｚで増加し始めるが、リッツ線４１の抵抗は増加しない。この値を下限周波数という。一方、図９から分かるように、周波数が高くなると、単芯線の抵抗よりもリッツ線４１の抵抗の方が大きくなる。具体的には、素線径１０μｍのリッツ線４１の場合、概ね２４ＭＨｚ以上の周波数でリッツ線４１の抵抗の方が大きくなり、素線径５０μｍのリッツ線４１の場合、概ね２．８ＭＨｚ以上の周波数でリッツ線４１の抵抗の方が大きくなり、素線径１００μｍのリッツ線４１の場合、概ね９５０ｋＨｚ以上の周波数でリッツ線４１の抵抗の方が大きくなる。この値を上限周波数という。
【００３２】
これらの上限周波数と、リッツ線４１の断面積との関係を求め、その結果を図１０に示す。各素線径の上限周波数は、リッツ線４１の断面積に対して指数関数的に変化している。そのため、両者の関係は、下式の形で近似することができる。
【００３３】
【数４】
2013083543.tif 000006
【００３４】
ここで、ｆは上限周波数（Ｈｚ）であり、Ｓはリッツ線４１の断面積（ｍｍ２）である。また、α及びβは係数であり、表１に示す値となる。
【００３５】
【表１】
2013083543.tif 000007
【００３６】
図１１は、係数α，βと素線径との関係を示す説明図である。係数α，βについても指数関数的に変化しており、素線径をφ（μｍ）とした場合、個々の係数α，βは数式５，６にて表すことができる。
【００３７】
【数５】
2013083543.tif 000008
【００３８】
【数６】
2013083543.tif 000009
【００３９】
これらの関係を考慮すると、上限周波数ｆは、素線径φと、リッツ線４１の断面積Ｓとの間には、以下に示す関係が成立することとなる。
【００４０】
【数７】
2013083543.tif 000010
【００４１】
ここで、上限周波数は単芯線とリッツ線４１との等価直列抵抗Ｒｓが一致する周波数であるため、素線径φはφ１の半分以下にすることとする。
【数８】
2013083543.tif 000011
【００４２】
車両に搭載されるバッテリ２の電流を検出する場合、通常６ｋＨｚ以下の高周波の電流が精度よく検出できればよい。また、バッテリケーブル４は４０ｍｍ２程度の太さが一般的である。すなわち、高周波電流を流すのに適した構造となるリッツ線４１であるためには、その抵抗が同一断面積の単芯線の抵抗を下回る範囲となることが必要であり、断面積４０ｍｍ２、上限周波数ｆを６ｋＨｚとして、数式５より、リッツ線４１の素線径φを求めればよい。かかる演算によると、リッツ線４１の素線径φは１ｍｍ程度以下であり、素線径φが小さい程、抵抗の増加はゼロに近づくこととなる。
【００４３】
ただし、バッテリケーブル４のコストを考慮すると、素線径φは０．１ｍｍ以上が妥当な値となる。また、バッテリケーブル４は車両のシャーシ等に配線されるため、適当な柔軟性が求められることより、素線径φは０．３ｍｍ以下が適当となる。これらを考慮すると、素線径が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの素線４２にてリッツ線４１を構成することが好ましいことが導出される。
【００４４】
このように本実施形態において、電流検出装置１は、バッテリケーブル４の電圧を検出する電圧センサ１０と、電圧センサ１０により検出された電圧とバッテリケーブル４の抵抗とに基づいてバッテリ２の電流を計算するコントローラー２０とを有している。この場合、バッテリケーブル４は、複数の素線４２を内外になるように撚って構成されるリッツ線４１で構成されている。
【００４５】
かかる構成によれば、バッテリケーブル４としてのリッツ線４１は、高周波の交流電流が流れる場合であっても、電気抵抗の増加を抑制することができるので、コントローラー２０によって利用される既知の抵抗値との間に生じる乖離を抑制することができる。これにより、高周波の交流電流であっても精度よく電流検出を行うことができる。
【００４６】
また、本実施形態において、リッツ線４１は、その抵抗が同一断面積の単芯線の抵抗を下回る範囲となるように、当該リッツ線４１を構成する個々の素線４２の素線径が設定されている。かかる構成によれば、高周波の交流電流が流れる場合であっても、単芯線の電線と比較して、電気抵抗の増加を抑制することができる。これにより、高周波の交流電流であっても精度よく電流検出を行うことができる。
【００４７】
また、本実施形態において、素線４２のそれぞれは、前述の数式７，８を満たす素線径φを備えている。具体的には、素線４２のそれぞれは、周波数が６ｋＨｚ以下、リッツ線４１を構成する導体全体の断面積が４０ｍｍ２の場合において、素線径が１ｍｍ以下である。これにより、高周波の交流電流が流れる場合であっても、単芯線の電線と比較して、電気抵抗の増加を抑制することができ、高周波の交流電流であっても精度よく電流検出を行うことができる。
【００４８】
また、本実施形態において、素線４２のそれぞれは、０．１ｍｍから０．３ｍｍまでの範囲の素線径にされている。かかる構成によれば、前述の効果を奏する範囲であるのみならず、高コストを抑制し、かつ車両への配線性を損ねない範囲として有用なバッテリケーブル４としての価値を備えることとなる。
【００４９】
以上、本実施形態にかかる電流検出装置について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１    電流検出装置
２    バッテリ
２ａ  正極端子
２ｂ  負極端子
３    負荷
４    バッテリケーブル
４０  高周波用電線
４１  リッツ線
４２  素線
４２ａ  導体
４２ｂ  絶縁被膜
４４  被覆部材
４５  端子
５    引き出し線
１０    電圧センサ
２０    コントローラー
【図１】
2013083543.tif 000014
【図２】
2013083543.tif 000015
【図３】
2013083543.tif 000016
【図４】
2013083543.tif 000017
【図５】
2013083543.tif 000018
【図６】
2013083543.tif 000019
【図７】
2013083543.tif 000020
【図８】
2013083543.tif 000021
【図９】
2013083543.tif 000022
【図１０】
2013083543.tif 000023
【図１１】
2013083543.tif 000024