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電流センサ評価用極性切り換え電源+波形生成システム

大容量、高精度、高速な切り換えと応答で xEVの精緻な電源管理を支える電流センサ開発を後押し
投稿日-2021年7月

 

大容量、高精度、高速な切り換えと応答で
xEVの精緻な電源管理を支える電流センサ開発を後押し

EVのトレンドと電流センサ

クルマとセンサの関係から教えてください

<加々見>今回ご紹介するのはxEV(各種電気自動車)に搭載される電流センサの評価システムです。

ご承知の通りクルマは今、EVへとまっしぐらに進んでいて電気で動く乗り物へと変わろうとしています。

ただ、電車のように架線から電気をもらいながら走るというわけにはゆきませんので、バッテリの充放電などエネルギー管理がとても重要です。例えば、バッテリの残量がまだ有るはずなのにクルマが動かないといった事態は許されないですからね。そのため、バッテリの充放電電流のほか、モータの駆動や回生電流、車載充電器の充電電流などの挙動を細かに監視しています。

そのシビアな管理の裏付けというか処理の元になるのは実際に流れている電流の検出情報なわけで、車内の各部に配置された電流センサがそれを担っています。言い換えると、EVのシビアな電源管理に見合う高度な電流センサが必要とされていまして、今回はそのセンサの評価ソリューションです。

高精度、大容量、高速な切り換えと応答

電流センサの方向性と課題は

<加々見>クルマはEV化の度合いが進むのに従い、扱う電流が順次大きくなってきていて、対応するセンサの電流レンジもどんどん大きくなってきています。最近では瞬時のピーク電流は1000Aを超える様になってきており、2000Aや3000Aなどのお話しもいただいております。電装品のテストなどでも「電流が増えていくのに順次対応していきたいので増設によって電流を増やせるようにしておきたい」といったご要望が多くなっています。

EV化に伴うセンサ要求としてはもうひとつ、これまで以上の高い精度と応答性が挙げられます。

EV化に伴うセンサ要求としてはもうひとつ、これまで以上の高い精度と応答性が挙げられます。例えば、車載インバータや内部充電器に搭載されている電流センサは、絶対精度はもちろんのこと充放電の急な切り換えや機器始動時のラッシュ電流など短時間のダイナミックな電流変動を逃すことなく正確に捉える応答性が要求されます。センサメーカではこれに応えるべく高速高精度な大電流直流センサの開発に注力されておられます。

ところが、その評価に至ってちょっとした問題が発覚です。

評価には電流量を高速に変化させたり極性を切り換えたりといった性急な電流パターンでの試験・評価が必要となります。であるはずなのにパフォーマンスを適切に評価検証する手立てというか試験環境が無い、という事実に気づかれたんです。

電流センサの評価ですから、値の分かっている電流ソース、早い話がキャリブレータを用意してセンサがその値を示すかどうか比較することになります。ところがその電流ソースが無い。

定常的な電流であれば国家標準とトレースされた精度の良い電流を得る手段はありますが、応答性を含めてとなると精度が保証されたものが無いんですね。

もう少し具体的に言うと、電流の量や流れる方向をけっこうな速度で次々と切り換えていったときにセンサがそれに正確に追従するかどうか、を見たいわけですが、そんなことができる電流ソースなんて世の中に無いんじゃないか、というわけなんです。

で、お困りになったセンサメーカさんからご相談を頂きまして、我々としても何とかお応えしたいということでご提案しているのがここでご紹介するシステムです。

極性切り替え電流源

システム構成と動作原理を簡単に教えてください

<加々見>定電流の直流電源や試験装置は以前から当社の得意とするところであり、取り立てて新しいビジネスではありません。今回のソリューションでのチャレンジは、大電流で高い精度と良好な応答性を同時に満たすという点にありました。

基本的な構成は直流電源と電子負荷、極性切り換え器、それとソフトウェアです。電子負荷が電流を決定し、それに見合うパワーを電源が供給するスタイルです。

機能を実現するにはハイパワーの直流電源をCC(定電流)モードで使えば良いと思えるかもしれませんが、今回のご要求を満たす精度や応答性の点で無理があります。バイポーラ電源を使う方法も考えられますが極めて大きな出力電力になるので巨大なシステムになり、これも現実的ではないからです。

まず、電源ですが、1000A近い電流ですと機器間の配線部分などでも無視できない電圧降下が起こるため電源の出力電圧は20V近く、パワーは20kVA以上見込む必要があります。そこで私共の高効率大容量スイッチング電源PAT-Tシリーズ、具体的には1000Aシステムの場合にはPAT20-400T(20V/8kW)を並列運転としました。

本システムの高速な電流変化は電子負荷によって実現しますが、その電子負荷には多機能直流電子負荷PLZ1205W(1200W)にブースタPLZ2405WB(2.4kW/台)の組み合わせという構成です。因みにこれらは何れも更なるパワーアップが可能ですので将来の増設などにも対応できます。電源と電子負荷、何れも当社標準品で構成できるのは将来性などを含めお奨めポイントのひとつです。

 

本システムの高速な電流変化は電子負荷によって実現

もうひとつのポイントは極性を切り換える仕掛けが要ることです。前述のとおり、バッテリへの充電と放電やモータの力行と回生などEV内を流れる電流の向きが頻繁に入れ替わることへの対応として求められるものです。極性の切り換えはセンサへの接続を逆にすれば良いわけですが、残念ながら電源にはその機能がありません。そこで本ソリューションでは新たに電源の極性切り換えボックスを開発しました。内容は外部信号で制御できる4個の半導体スイッチで二本の出力線の接続を切り替えるものです。

専用のアプリケーションソフトは波形生成とシステム全体の制御を担い、各機器はLANで結ばれます。実はお客様の中にはGP-IBでのシステム制御のご要望もあったのですが、高速な制御を実現するためにはLAN制御が好ましいということでご納得いただきました。

チャレンジの舞台裏

新たなニーズにも標準品の組み合わせで対応できるのは強みですね

<加々見>システムの実現にあたっては極性切り換え器の設計が面倒かなと思っていたのですが、動作的にゼロ電流時のスイッチで良いので技術的なハードルは思ったほど高くはありませんでした。
実際にはこの制御系の構築のほうに手間がかかっています。

本システムの場合、PLZ自体も電流検出機能は持っているのですが精度などの面でちょっと不足します。そのため、本システムでは専用の電流センサを設けてフィードバック制御する方式としました。この方法は精度を満たすためには有効なんですが、制御パラメータや電流ループの配線などが応答性や安定性といった特性に大きく影響します。機器間をまたぐ制御ということもあって理論だけではなかなか解が得られないんです。今回の開発に当たっては当社としてのこれまでの経験値があって、そのおかげで実現できました。

あと、やってみて悩んだのはシステムの精度を保証するリファレンスをどうするかですね。

1000A超の直流で100ms以内のセトリング(整定時間)や0.1%クラスの絶対精度を公に保証するにはそれを一桁は上回る精度の電流標準、具体的には較正された電流センサが要ります。電流センサを較正するために電流センサが要るというわけです。「卵が先か鶏が先か」みたいな話なんですが、絶対値測定には必ずついて回る問題です。

今回の場合、比較較正条件を満たすセンサは無いわけですし較正するトレーサビリティ体系もありませんのでちょっと困りました。とは言うものの絶対値の評価・較正器として避けては通れませんので、お客様と協議の上で当社としてでき得る最善の方法で較正し、余裕を持たせた仕様とすることで保証させていただきました。全体としては、自分の持つ力でEVの進化に少しでも貢献できたかな、と思っています。良いチャレンジの機会を与えていただいたことに感謝しています。

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執筆者: 菊水電子工業株式会社

計測と電源のエキスパート・カンパニー 菊水電子工業のスタッフによる執筆です。

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