JP6269040B2 - 電流センサのスタック故障診断装置及び診断方法 - Google Patents

Description

この発明は、電気回路に流れる電流量を検出する電流センサの故障診断に関する。

バッテリ電力で駆動される電気機器を備える車両において、電力供給や電気機器の制御のために、バッテリと電気機器を接続する電気回路の電流量を検出する必要が生じることがある。

特許文献１は、車両の電気回路にこうした目的で介装される電流センサのスタック故障を検出する、車載電源用電流センサのスタック故障検出装置を提案している。電流センサは電流量に応じた電圧値を出力するセンサである。スタック故障は、電流センサの出力する電圧値が正常範囲にあるにも関わらず、実際の電流量を反映しなくなってしまう故障状態を意味する。

特許文献１の従来技術は、電流センサをバイパスするバイパス経路を設け、リレーの操作により、電流が電流センサを通らずにバイパス通路を通るように回路を設定している。そして、このバイパス状態での電流センサの出力電圧がゼロアンペア相当の値を含む所定電圧領域から逸脱している場合に、電流センサにスタック故障が生じていると判定している。

特開２００７−３２２２３４号公報

特許文献１が教える従来技術を実行するには、バッテリと電気機器を接続する大電流回路として、電流センサを経由する経路と電流センサを経由しないバイパス経路との２系統を用意する必要がある。また、これらの経路を切り換えるために大電流用のリレーを２個必要とする。そのため、故障検出装置のための装置の構成が複雑になり、スタック故障検出装置のコストが高くなるという問題があった。

また、スタック故障の検出中は、電流センサの出力値を用いる電気機器の制御を行えないため、電気機器の制御に関して、電流センサの出力値を用いる制御と用いない制御との２通りの制御を行なう必要があり、バッテリや電気機器の制御が複雑化することは避けられない。

さらに、特許文献１のスタック故障の診断アルゴリズムは、電流センサを流れる電流がゼロアンペア時の電流センサの出力電圧値に基づきスタック故障を判定するので、スタック故障のすべてを検出することはできない。つまり、実際の電流値より低い電流値相当の電圧値が出力されるスタック故障の場合には、ゼロアンペア時の出力電圧値には変化が現れず、スタック故障を検出することができない。

この発明は、従来技術の以上の問題点を解決すべくなされたものであり、電流センサのスタック故障を簡易な構成のもとで精度良く検出することを目的とする。

以上の目的を達成するために、この発明は、電気負荷に流れる電流を検出する電流センサのスタック故障を診断するスタック故障診断装置に適用される。電流センサは直流電源と、シャント抵抗を介して前記直流電源に接続されたホール素子と、を有している。スタック故障診断装置は、電気負荷が所定の低負荷状態にあるかどうかを判定する低負荷状態判定手段と、シャント抵抗の電圧降下から電流センサの消費電流値を検出する電流検出手段と、電気負荷が所定の状態にある場合の電流センサの消費電流値に基づき電流センサがスタック故障していると判定する故障判定手段と、を備えている。

電気負荷が所定の低負荷状態にある場合に電流センサを流れる電流値によってスタック故障を判定することで、電流センサを実際に流れる電流値に基づき、スタック故障を判定することができる。その結果、バイパス経路を設けることなくスタック故障の診断を行なうことができる。また、電流センサを流れる電流に変更を加えないので、電流センサの出力値に基づく制御に影響を与えない。さらに、実際の電流値より低い電流値相当の電圧値を出力するような電流センサのスタック故障をも検出できる。したがって、簡易な構成のもとで電流センサのスタック故障を精度良く検出することができる。

この発明の実施形態による電流センサのスタック故障診断装置の構成を示すブロック図である。 電流センサの構成図である。 この発明の実施形態による異常判定部が実行する故障検出ルーチンを示すフローチャートである。 この発明の実施形態による異常判定部が実行するスタック故障検出ルーチンを示すフローチャートである。

この発明の実施形態による車両用の電流センサのスタック故障診断装置は、図２に示す電流センサ１を対象とする。

図２を参照すると、電流センサ１は正電圧電源Ｖｃｃにシャント抵抗Ｒ２と定電流回路２とを介して接続されたホール素子３を備えている。定電流回路２からホール素子３を通過した電流は図１に示す電気回路１０に流れるように構成される。

再び図２を参照すると、ホール素子３の出力電圧はアンプ４により増幅される。アンプ４の出力端子と電流センサ１の下流の電気回路１０との間にはバイアス抵抗Ｒ１が介装される。

アンプ４の出力電圧値Ｖｉｓｅｎと、シャント抵抗Ｒ２の両側の電圧値とは、アナログ回路を介して電流判定装置６に入力される。シャント抵抗Ｒ２の上流側の電圧は電流センサ１と電流判定装置６とに共通する基準電圧ＡＶｒｅｆである。

電流判定装置６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及びＡ／D変換機ＡＤ１とＡＤ２を含む入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ インタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。電流判定装置６を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

電流判定装置６は、シャント抵抗Ｒ２の下流側の電圧を内部のＡ／Ｄ変換器ＡＤ２によりデジタル信号に変換する。そして、シャント抵抗Ｒ２の抵抗値とシャント抵抗Ｒ２による電圧降下とから、シャント抵抗Ｒ２を流れる電流値を検出する。シャント抵抗Ｒ２を流れる電流値はすなわち電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃに相当する。電流判定装置６は、またアンプ４の出力電圧値ＶｉｓｅｎをＡ／Ｄ変換器ＡＤ１によりデジタル信号に変換する。このようにして、電流判定装置６は電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃと電流センサ１の出力電圧値Ｖｉｓｅｎをアナログモニタするよう構成される。

次に図１を参照して、スタック故障検出装置の全体構成を説明する。

電流センサ１は、車両に搭載された電気回路１０の電流量を検出するために用いられる。電気回路１０はバッテリで構成された電源１１と、電源１１から供給される電流により運転される車両走行用の電動モータ１２と、電動モータ１２と並列に電源１１に接続された車載負荷１３とを備える。ここで、車載負荷１３はエアコンディショナなど、車両に搭載された電動モータ１２以外のさまざまな電気機器の総称である。

電流センサ１は、電動モータ１２と車載負荷１３とがなす並列回路と電源１１との間に介装される。これにより、電源１１が供給するすべての電流が電流センサ１を通る。電流センサ１の出力信号、すなわちアンプ４の出力電圧値Ｖｉｓｅｎと、基準電圧ＡＶｒｅｆと、シャント抵抗Ｒ２の下流側の電圧とは前述のとおり、電流判定装置６に入力される。ここでは簡略化してこれらの電圧信号を１本の矢印で示している。

電流判定装置６は、電流検出手段としての電流センサ出力検出部１５、低負荷状態判定手段としての消費電流検出部１６、及び故障判定手段としての異常判定部１７を備える。なお、これらの各部は電流判定装置６、言い換えればマイクロコンピュータ、の各機能を仮想的なユニットとして示したものであり、物理的な存在を意味しない。

電動モータ１２の運転はモータ駆動制御装置２０によって制御される。モータ駆動制御装置２０は電動モータ１２の消費電流を消費電流検出部１６に信号入力する。車載負荷１３は車載負荷制御装置２１によって制御される。車載負荷制御装置２１は車載負荷１３の消費電流を消費電流検出部１６に信号入力する。

電流センサ出力検出部１５は、電流センサ１の出力電圧値Ｖｉｓｅｎと、シャント抵抗Ｒ２の下流側の電圧を、Ａ／Ｄ変換機ＡＤ１とＡＤ２によりそれぞれデジタル変換し、出力電圧値Ｖｉｓｅｎと電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃを表すデジタル信号を生成する。これらのデジタル信号は異常判定部１７に入力される。また、モータ駆動制御装置２０は電流センサ１の出力電圧値Ｖｉｓｅｎに基づき電動モータ１２を制御するので、電流センサ１の出力電圧値Ｖｉｓｅｎを示すデジタル信号はモータ駆動制御装置２０にも入力される。

消費電流検出部１６はモータ駆動制御装置２０から入力される電動モータ１２の消費電流と、車載負荷制御装置２１から入力される車載負荷１３の消費電流とから、電動モータ１２の消費電流がゼロであり、車載負荷１３の消費電流が待機電流を含む最小レベルにあるかどうかを判定する。そして、判定が肯定的な場合は、異常判定条件が成立した旨の判定結果を異常判定部１７に出力する。

異常判定部１７は、消費電流検出部１６からの入力信号をモニタし、異常判定条件が成立すると、電流センサ出力検出部１５からデジタル信号として入力される電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃに基づき、電流センサ１のスタック故障の有無を診断する。

次に図３と図４を参照して、異常判定部１７が実行する、電流センサ１の故障判定のための２組のルーチンを説明する。

図３は電流センサ１の故障検出ルーチンを示す。このルーチンは前述のとおり、異常判定条件が成立した場合に一度のみ実行される。なお、電流センサ１と、モータ駆動制御装置２０と、車載負荷制御装置２１から、電流判定装置６への信号入力は、車両のメインスイッチがオンの状態では常時行なわれ、これらの信号に基づく消費電流検出部１６の異常判定条件の判定と判定結果の異常判定部１７への出力も常時行なわれる。

異常判定部１７による電流センサ１の故障判定は、異常判定条件が成立するつど実行される。ただし、異常判定条件が成立するのは、例えば車両のメインスイッチがオンになった直後のように、電動モータ１２が運転されておらず、かつ車載負荷１３も待機電流を含む最小レベルの消費電流しか流れていない所定の低負荷状態に限られる。異常判定条件は、メインスイッチがオンになった直後の他に、例えば車両停止中など、電動モータ１２が運転を停止している場合にも成立することがある。

さて、図３を参照すると、ステップＳ１で異常判定部１７は、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃを読み込む。

ステップＳ２で、異常判定部１７は電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃを、予め設定された消費電流の上限値Ｉｍａｘ及び下限値Ｉｍｉｎと比較する。上限値Ｉｍａｘは異常判定条件が成立している場合の電流センサ１の最大消費電流値より大きな値に設定される。下限値Ｉｍｉｎは異常判定条件が成立している場合の電流センサ１の最小消費電流値より小さな値に設定される。

ステップＳ２の判定の結果、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃが下限値Ｉｍｉｎ以上かつ上限値Ｉｍａｘ以下である場合には、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃがこの範囲から逸脱するか、あるいは異常判定条件が不成立となるまで、異常判定部１７はこの判定を繰り返す。一方、ステップＳ２の判定の結果、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃが下限値Ｉｍｉｎを下廻るか、あるいは上限値 Imax を上回ると、異常判定部１７は電流センサ１に故障が生じていると判定する。この場合には、異常判定部１７は警告灯への点灯などの処理を行なう。

ステップＳ３の実行後、あるいは異常判定条件が不成立となった場合には、異常判定部１７はルーチンの実行を終了する。

このルーチンが判定する電流センサ１の異常は、電流センサ１の出力電流値が所定範囲内であってかつ実際値と異なる、いわゆるスタック故障。ではなく、電流センサ１が故障により電流を流せなくなった場合、あるいは逆に電流センサ１がショートしているような場合を意味する。これらの場合には、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃは、電流センサ１が正常に作動している場合と比べて大きく異なる値となる。故障検出ルーチンは電流センサ１のこのような異常を判定するルーチンである。

次に図４を参照して、異常判定部１７が実行するスタック故障検出ルーチンを説明する。このルーチンは異常判定条件が成立した場合に、第１のスタック故障検出ルーチンと並行して実行される。

ステップＳ１１で、異常判定部１７は基準消費電流Ｉｒｅｆを読み込む。基準消費電流Ｉｒｅｆは、電動モータ１２が運転を停止しており、かつ車載負荷の消費電流が待機電流を含む最小レベルにある所定の低負荷状態での電気回路１０の消費電流に相当する。基準消費電流Ｉｒｅｆはあらかじめ実験あるいはシミュレーションによって定められた所定値である。

ステップＳ１２で、異常判定部１７はカウンタ値Ｎをゼロにリセットする。

ステップＳ１３で、異常判定部１７は、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃを読み込む。

ステップＳ１４で、異常判定部１７は、次式（１）が成立するかどうかを判定する。

Ｉｔｈ＞ΔＩｃｃ （１）
ただし、ΔＩｃｃ＝｜Ｉｃｃ−Ｉｒｅｆ｜、
Ｉｔｈ＝しきい値。

判定式（１）が成立する場合には、異常判定部１７は電流センサ１にスタック故障は生じていないと判定する。その場合には、異常判定部１５はステップＳ１５でカウンタ値Ｎをゼロにリセットした後、ステップＳ１３とＳ１４の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１４で判定式（１）が成立しない場合、すなわち、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃと基準消費電流Ｉｒｅｆとの差ΔＩｃｃがしきい値Ｉｔｈ以上の場合には、異常判定部１７はステップＳ１６でカウンタ値Ｎをインクリメントする。

次のステップＳ１７で、異常判定部１７はカウンタ値Ｎが規定回数を超えたかどうかを判定する。

カウンタ値Ｎが規定回数を超えていない場合には、ステップＳ１３以降の処理を繰り返す。一方、カウンタ値Ｎが所定回数を超えると、異常判定部１７はステップＳ１８で、電流センサ１はスタック故障を起こしていると判定する。この場合には例えば警告灯に点灯するなどの処理を行なう。

ステップＳ１８の処理の後、あるいは以上説明した繰り返し処理の途中で異常判定条件が不成立となった場合には、異常判定部１７はスタック故障検出ルーチンを終了する。

以上のように、この発明の実施携帯による電流センサ１のスタック故障検出装置は、電流センサ１のシャント抵抗Ｒ２における電圧降下から電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃを求め、所定の負荷条件における消費電流値Ｉｒｅｆに基づき電流センサ１のスタック故障を診断する。

そのため、スタック故障の診断のために電気回路１０にバイパス経路やリレーなどを設ける必要がなく、簡易な構成のもとで電流センサ１のスタック故障を検出することができる。

また、電流センサ１を通る電流を遮断せずにスタック故障の診断を行なうことができる。したがって、電気負荷１３の制御を中断する必要がなく、電流センサ１の出力電圧値Ｖｉｓｅｎを用いない格別の電気負荷１３の制御ルーチンを別途用意する必要もない。

さらに、このスタック故障検出装置は、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃと基準消費電流Ｉｒｅｆとの差異ΔＩｃｃの絶対値に、スタック故障が生じていると判定するので、電流センサ１の出力電圧値Ｖｉｓｅｎに表される電流値が電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃより低い場合でも、スタック故障を精度良く検出することができる。

さらに、このスタック故障検出装置は、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃと基準消費電流Ｉｒｅｆとの差異ΔＩｃｃの絶対値がしきい値Ｉｔｈを超えた回数Ｎが規定回数に達することで、スタック故障が生じていると最終判定するので、スタック故障に関する誤判定を防止して、確実な判定を行なうことができる。

さらに、このスタック故障検出装置は、図３の故障検出ルーチンの実行により、電流センサ１の消費電流値Ｉｃｃに基づき、スタック故障以外の電流センサ１の故障をも検出することができる。

なお、このスタック故障検出装置は、電気回路１０の消費電流がゼロの場合には、スタック故障の判定を行なうことができない。一般に、車載負荷１３は待機電流を必要とするので、消費電流がゼロになることはない。しかしながら、車載負荷１３がそのような微小電流の流れる構造を備えていない場合には、異常判定部１７が電流センサ１の異常の有無を判定するに際して、電気回路１０にあらかじめ所定の微小電流を流すように電気回路１０を構成しておくことが、スタック故障の判定機会を増やすうえで好ましい。

また、このスタック故障検出装置は、バッテリから供給される電力を用いて、電気負荷として車両駆動用の電動モータ１２と、電動モータ１２以外の車載負荷１３とを駆動する、電気自動車やハイブリッド駆動電気自動車に適用することで好ましい効果を発揮する。すなわち、これらの電気自動車の電気回路の保護や耐久性の向上に好ましい効果を発揮する。

以上のように、この発明を特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲内で上記の実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

１ 電流センサ
２ 定電流回路
２ 定電流回路
３ ホール素子
４ アンプ
６ 電流判定装置
１０ 電気回路
１１ 電源
１２ 電動モータ
１３ 車載負荷
１５ 異常判定部
１５ 電流センサ出力検出部
１６ 消費電流検出部
１７ 異常判定部
２０ モータ駆動制御装置
２１ 車載負荷制御装置

Claims (7)

1. 電気負荷に流れる電流を検出する電流センサのスタック故障を診断する、スタック故障診断装置において、
   前記電流センサは直流電源と、シャント抵抗を介して前記直流電源に接続されたホール素子と、を有し、
   前記電気負荷が所定の低負荷状態にあるかどうかを判定する低負荷状態判定手段と、
   前記シャント抵抗の電圧降下から前記電流センサの消費電流値を検出する電流検出手段と、
   前記電気負荷が前記所定の低負荷状態にある場合の前記消費電流値に基づき、前記電流センサがスタック故障していると判定する故障判定手段と、
   を備える、ことを特徴とする電流センサのスタック故障診断装置。
2. 前記故障判定手段は、前記消費電流値と、前記電気負荷が所定の状態にある場合の基準消費電流と、の差異の絶対値に基づき、前記電流センサがスタック故障していると判定するように構成される、ことを特徴とする請求項１の電流センサのスタック故障診断装置。
3. 前記故障判定手段は、前記絶対値が予め定めたしきい値以上となる状態が一定期間継続した場合に、前記電流センサがスタック故障していると判定するように構成される、ことを特徴とする請求項２の電流センサのスタック故障診断装置。
4. 前記故障判定手段は、前記消費電流値が所定の電流値領域から逸脱している場合に、前記電流センサが故障していると判定するように、さらに構成される、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかの電流センサのスタック故障診断装置。
5. 非稼働状態の前記電気負荷に所定の微小電流を流すことで前記電気負荷を所定の低負荷状態とする手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかの電流センサのスタック故障診断装置。
6. 前記電気負荷は車両駆動用の電動モータと、前記電動モータ以外の車載負荷とで構成されるとともに、前記低負荷状態判定手段は前記電動モータの制御装置から入力される前記電動モータの稼働状態と、前記車載負荷の制御装置から入力される前記車載負荷の稼動状態とに基づき、前記電気負荷が前記所定の低負荷状態にあるかどうかを判定するように構成される、ことを特徴とする、請求項１から５のいずれかの電流センサのスタック故障診断装置。
7. 直流電源とホール素子との間にシャント抵抗を有し、電気負荷に流れる電流を検出する電流センサ、のスタック故障を診断する電流センサのスタック故障診断方法において、
   前記電気負荷が所定の低負荷状態にあるかどうかを判定し、
   前記シャント抵抗の電圧降下から前記電流センサの消費電流値を検出し、
   前記電気負荷が前記所定の低負荷状態にある場合の前記消費電流値に基づき、前記電流センサがスタック故障していると判定する、
   ことを特徴とする電流センサのスタック故障診断方法。

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