CN1460183A - 电源装置的漏电检测电路 - Google Patents

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Abstract

在具有电池组(Vb)电源装置中，本发明所涉及的漏电检测电路从电池组(Vb)伸出的P线及N线通过P侧的2个分压电阻(R1A、R1B)和N侧的2个分压电阻(R2A、R2B)相互连接，并且P侧的分压电阻(R1A、R1B)和N侧的分压电阻(R2A、R2B)的中点接地。此外，P线和N线通过第1～第3辅助分压电阻(R3、R4、R5)相互连接。第1辅助分压电阻(R3)与第2辅助分压电阻(R4)的中点和P侧第1分压电阻(R1A)与P侧第2分压电阻(R1B)的中点通过P侧电压比较电路(V1)相互连接。第2辅助分压电阻(R4)与第3辅助分压电阻(R5)的中点和N侧第1分压电阻(R2A)与N侧第2分压电阻年(R2B)的中点通过N侧电压比较电路(V2)互相连接。

Description

电源装置的漏电检测电路
技术领域
本发明关于搭载于电动汽车上的电源装置的漏电检测电路，特别是关于具有由多个电池构成的电池组之电源装置的漏电检测电路。
背景技术
现阶段，在双动力汽车等电动汽车中，搭载由多个二次电池串联构成的电池组作为行驶用电动机的电源。象这样的电池组会产生例如240V以上的高压，所以如果发生漏电并且一旦人接触到漏电部位，则将因为触电而导致对人体产生危害。
于是在目前阶段，如图5所示，设计出漏电检测电路来检测漏电，而且在检测漏电时，可以向控制装置或驾驶员报告漏电情况。
在图5的漏电检测电路中，电池组Vb由大约200个镍氢电池NiMH串联而成，并且正(P)端子与负(N)端子之间的输出电压约为240V。高电阻值的分压电阻R1和R2(R1＝R2)连接在P-N端子之间，两电阻中点通过电阻R3接地，利用电压表V检测该电阻R3的两端电压。此外，如果是电动车辆，则接地意味着与底盘(车体)的连接。
在没有漏电发生时，由于在R3中没有电流流过，所以电压表V的输出为0。如果在P线发生漏电，则由此形成的等效电路如图中虚线所示，P线通过接地电阻实现接地。在该等效电路中，形成P线→电阻RL→电阻R3→电阻R2→N线的电流回路并在电阻R3两端产生电压。因此，借助于电压表V检测出该电压，这样就能够检测出漏电。再者，由于电压表V具有在漏电检测中，测定电压并判断该电压测试值是否达到规定的数值或者低于规定数值的功能，因此，它可以由电压比较器(比较电路)构成。
在图5中，电阻R1、R2、R3是对接地电池组的绝缘电阻，它们的合成电阻值是实际的绝缘电阻值，并且通常将该合成电阻值设计为1MΩ以上。图5的绝缘电阻值Rz在将电压表V的输入阻抗作为Zv时，由算式1计算。
(算式1)
Rz＝R1·R2/(R1+R2)+R3·Zv/(R3+Zv)
由于当电阻R1、R2阻值较小时，电池电压Vb一直施加在电阻R1及R2上，电池组稳定地放电，所以电阻R1和R2均设计成较高的电阻值。例如，当电池电压为240V，允许的放电电流最大值为100μA时，电阻R1、R2的合成电阻值变成2.4MΩ以上，所以电阻R1、R2就以该电阻值为标准来设计成较高的电阻值。结果是，算式1的绝缘电阻值Rz中第1项起支配作用，即使第2项的电阻R3及其阻抗Zv数值较小，绝缘电阻值Rz仍能够维持在较大的数值。通常将电阻R3的阻值设计得比较小以致于几乎可以忽略电压表V的输入阻抗Zv。
图6表示现有其他漏电检测电路(参照日本国公开实用新型公报平6-2901号)的结构。在该电路中，高电阻值的分压电阻R1和R2连接在P-N端子之间，两电阻中点通过电阻R3接地，利用电压表V1检测P线与接地点之间的电位差，与此同时，利用电压表V2检测N线与接地点之间的电位差。另外，为了将绝缘电阻维持在足够的大，电阻R1、R2设计成例如2.2MΩ以上的高电阻值。
在图6的漏电检测电路中，当没有漏电发生时，下列算式2的高电压固定地施加在电压表V1、V2间。
(算式2)
V1＝V2＝(1/2)Vb
在此，如果在P线发生漏电，则由此形成的等效电路如在图中虚线所示，P线通过接地电阻RL接地，所以根据电压表V1检测电压的减少、或者电压表V2检测电压的增大就能够检测出漏电。
但是，需要借助于使用电池组的电源装置来检测漏电的「程度」。例如，产生漏电时，针对漏电的程度判断是应该采取紧急对策还是采取近期对策。具体地如图7所示，按照接地电阻RL的大小区域进行判断。即，当接地电阻RL的阻值大于阈值RL2时，并不发生漏电，判定为安全；当接地电阻RL的阻值介于阈值RL1～RL2范围内时，判定为虽然发生漏电，但对人体无危险；当接地电阻RL的阻值小于阈值RL1时，则判定为对人体产生危险。例如，如果将人体所能够承受电阻的标准值设定为100Ω/V以下(用电流换算则为10mA以上)，则当输出电压是240V时，阈值RL1变成24kΩ。但是，由于当阈值RL1、RL2变大后则阻抗增大，产生电路的检测错误，因此，在24kΩ的数值上保持一个余量，将阈值RL1、RL2的电阻值设定为50～70kΩ。
图8表示在图5的漏电检测电路中，R1＝R2＝2.2MΩ、R3＝10KΩ(ZV相对于R3非常大)、Vb＝240V时的结构，这里，接地电阻RL变化为0Ω、50KΩ、70KΩ、1MΩ、2MΩ、∞时，电压表V检测出的电压值如表1所示。
                                             表1
  接地电阻RL   0Ω  50KΩ  70KΩ  1MΩ   2MΩ     ∞
  检测电压V   1.081V  1.034V  1.017V  0.569V   0.386V     0V
在图8中，与电阻R3并联的2个电压表VA、VB分别用于检测接地电阻为70KΩ以下和50KΩ以下情形的漏电，并且在电压表VA为1.017V以上，电压表VB为1.034V以上的情形下进行检测。具体为：
①当检测电压小于1.017V时，电压表VA、电压表VB均不进行检测，此时判定无漏电发生。
②当检测电压在1.017V～1.034V范围内时，电压表VA进行检测，但电压表VB不进行检测，此时，判定如图7所示的注意区域发生漏电。
③当检测电压大于1.034V时，电压表VA、VB共同进行检测，此时，判定如图7所示的危险区域发生漏电。
再者，当漏电在N线发生时，表1的计算值的情况恰好颠倒，因此，电压检测电路具有无论正负电压均能够检测的结构，上述判定①～③也要考虑符号进行。
从表1中可知，随着接地电阻RL从无穷大(无漏电)状态变小，检测电压变大，由于相对于检测电压的最大变动幅度是1.081V，50KΩ和70KΩ的检测电压之差相当小，仅为17mV(最大变动幅度1.081V的1.6％)，所以为了进行正确判断，必须构成精度非常高的电压表。
与此相反，在图6的漏电检测电路中，对上述电压表的精度要求有所降低。具体设计图如图9所示，随着接地电阻变化而产生的检测电压变化如表2所示。
                                                          表2
接地电阻RL  0Ω   50KΩ   70KΩ   1MΩ   2MΩ   ∞
检测电压V1  0V   5.217V   7.179V   57.143V   77.419V   120V
检测电压V2  240V   234.8V   232.8V   182.9V   162.6V   120V
如表2所示，在接地电阻是50KΩ和70KΩ时，检测电压之差是增大到1.962V。但是，在没有漏电产生的情形，各电压表上电压为120V，相对于该电压大约是1.6％的精度。可是，在图6的漏电检测电路中，由于电池组通过电压表接地，所以维持高绝缘电阻是很困难的。而且发生漏电时，产生异性极电压表上被施加高电压的问题。
图10表示在图6的漏电检测电路中，当接地电阻为50KΩ和70KΩ时用于分别检测发生漏电的电路结构。在图10中，电压表V1A、V2A分别为用于检测70KΩ接地电阻所产生的漏电，电压表V1B、V2B分别为用于检测50KΩ接地电阻所产生的漏电。
图8、图9及图10所示的某一结构中，检测漏电产生并设为电压电平的绝对值，所以漏电电阻值只不过作为「特定的电池电压值」获得。但是，实际电池电压变化幅度很大，例如从满充电时的280V变化到放电末期的120V。随着电池电压变动，表1和表2的计算值也发生变化，因此，即便是漏电电阻值相同，根据充电状态，也存在着作为漏电检测或未作为漏电检测的可能性。具体地，因为一旦电池电压增大，则检测电压增大，所以，产生即使漏电电阻值为按道理不需要作为漏电检测的大电阻值的情形，也将其检测的问题。
本发明的目的旨在提供一种能够以较高的精度检测出例如大约数十KΩ左右比较低的接地电阻所引发的漏电之电源装置的漏电检测电路。此外，本发明的其他目的是旨在提供一种能够在电源装置的输出电压变动时，用一定的检测电压检测出一定的接地电阻所引发的漏电的漏电检测电路。
发明的公开
在本发明所涉及电源装置的漏电检测电路中，从电池组两极伸出的一对正负电源线通过相互串联连接的4个分压电阻R1A、R1B、R2A、R2B互相连接，配置在正的电源线一侧的2个分压电阻R1A、R1B与配置在负的电源线一侧的2个分压电阻R2A、R2B之间的中点接地。而且，将正的电源线与正侧的2个分压电阻R1A、R1B中点间的电位差、负的电源线与负侧的2个分压电阻R2A、R2B中点间的电位差分别与基准电压比较，从而检测出漏电。
另外，正侧的基准电压设定为在产生作为检测线的接地电阻值所引发的漏电时，正的电源线和正侧的2个分压电阻R1A、R1B的中点之间产生的电位差；负侧的基准电压设定为在产生作为检测线的接地电阻值所引发的漏电时，负的电源线和负侧的2个分压电阻R2A、R2B的中点之间产生的电位差。
在上述本发明的漏电检测电路中，在电池组两极间所得到的电压由4个分压电阻R1A、R1B、R2A、R2B分压。并且，由该分压在两端位置的分压电阻R1A及R2A两端产生的电压分别与基准电压比较。在没有漏电产生的状态下，该电压大于基准电压，判定为未发生漏电。
与此相反，例如，一旦正的电源线发生漏电，则形成正的电源线和4个分压电阻的中点通过接地电阻互相连接的等效电路。结果是，正侧的2个分压电阻R1A和R1B中点的电位上升，同时，发生在分压电阻R1A两端的电压降低，并且该电压低于基准电压。结果是判定发生漏电。负的电源线发生漏电时也同样，由于发生在分压电阻两端的电压降低，并且低于基准电压，所以，判定为发生了漏电。
在具体结构中，从电池组两极伸出的一对正负电源线借助于相互串联连接的至少3个辅助分压电阻R3、R4、R5互相连接，在这些辅助分压电阻间设置多个电位基准点，正侧的电压比较电路V1介于一个电位基准点和上述正侧的2个分压电阻R1A、R1B的中点之间，同时，负侧的电压比较电路V2介于另一个电位基准点和上述负侧的2个分压电阻R2A、R2B的中点之间。
在该具体构成中，发生在设置于3个辅助分压电阻R3、R4、R5之间的多个电位基准点的电压与电池组输出电压的变动成正比地变化，将该电压作为基准电压，正侧的电压比较电路V1将正侧的2个分压电阻R1A、R1B中点的电压同基准电压相比较；负侧的电压比较电路V2将负侧的2个分压电阻R2A、R2B中点的电压同基准电压相比较进行漏电检测。结果是，可以实现不受电池组输出电压变动影响而进行漏电检测。
在更加具体的结构中，正侧的电压限制单元介于正的电源线和正侧电压比较电路V1的正端子之间，并且该电压限制单元两端的电位差被限制在规定值以下，同时，负侧的电压限制单元介于负的电源线和负侧电压比较电路V2的负端子之间，并且该电压限制单元两端的电位差被限制在规定值以下。
在该具体构成中，由于正的电源线和正侧电压比较电路V1的正端子之间的电位差被限制在规定值以下，同时，负的电源线和负侧电压比较电路V2的负端子之间的电位差被限制在规定值以下，所以，可以分别采用仅在前述规定值以下的电压范围具有灵敏度区域的电压比较电路作为负侧的电压比较电路V2，这样，能够提高各电压比较电路的电压检测精度。
如上所述，根据本发明的电源装置漏电检测电路，能够以较高精度检测大约数十KΩ的较低的接地电阻所引发的漏电。另外，当漏电装置的输出电压变动时也能够以一定的检测电压检测出一定的接地电阻所引发的漏电。
附图的简单说明
图1是本发明所涉及电源装置的漏电检测电路示意图。
图2是该漏电检测电路的漏电发生状态的等效电路示意图。
图3是该漏电检测电路的设计事例的示意图。
图4是本发明所涉及漏电检测电路的其他结构示意图。
图5是现有的漏电检测电路示意图。
图6是现有的其他漏电检测电路示意图。
图7是漏电检测的判定方法的说明图。
图8是图5的漏电检测电路的设计事例的示意图。
图9是图6的漏电检测电路的设计事例的示意图。
图10是现有的其他的漏电检测电路示意图。
实施发明的最好形态
以下，按照附图详细说明本发明的实施形态。
本发明的漏电检测电路如图1所示，以大约200个串联连接的镍氢电池NiMH组成的电池组Vb为对象来检测发生在从该电池组Vb伸出的P线及N线的漏电。
P线和N线通过互相串联连接的P侧第1分压电阻R1A、P侧第2分压电阻R1B、N侧第1分压电阻R2A、及N侧第2分压电阻R2B相互连接，电池电压Vb由这些分压电阻分压。P侧的2个分压电阻R1A、R1B与N侧的2个分压电阻R2A、R2B间的中点接地(底盘)。此外，P线和N线通过相互串联连接的第1辅助分压电阻R3、第2辅助分压电阻R4及其第3辅助分压电阻R5互相连接，电池电压Vb由这些分压电阻分压。
其次，第1辅助分压电阻R3和第2辅助分压电阻R4之间的中点、P侧第1分压电阻R1A和P侧第2分压电阻R1B之间的中点通过P侧电压比较电路V1互相连接。而第2辅助分压电阻R4和第3辅助分压电阻R5之间的中点、N侧第1分压电阻R2A与N侧第2分压电阻R2B之间的中点通过N侧电压比较电路V2互相连接。再者，P侧电压比较电路V1及N侧电压比较电路V2分别比较正端子的电位和负端子的电位，当正端子的电位高于负端子的电位时，输出逻辑信号高。
还有，P线和P侧电压比较电路V1的正端子通过P侧稳压二极管D1相互连接，并且借助于该P侧稳压二极管D1将P线和P侧电压比较电路V1的正端子之间的电位差限制在一定值(5V)以下。另外N线和N侧电压比较电路V2的负端子通过N侧稳压二极管D2互相连接，并且借助于该N侧稳压二极管D2将N线和N侧电压比较电路V2的正端子的电位差限制在一定值(5V)以下。
在本发明的漏电检测电路中，当发生例如P线漏电时，由于P线通过如图2所示的接地电阻RL接地，可以认为形成了如图所示的等效电路。在此，如图示那样，当将P侧第1分压电阻R1A和N侧第1分压电阻R2A的电阻值分别设定为1MΩ、将P侧第2分压电阻R1B和N侧第2分压电阻R2B的电阻值分别设定为2.2MΩ、将稳压二极管D1和D2的限制电压设定为5V、将电池电压设定为240V的情形下，同表1及表2一样，接地电阻RL按0Ω、50kΩ、70kΩ、1MΩ、2MΩ、∞那样变化时，P侧第1分压电阻R1A和P侧第2分压电阻R1B的中点电位VP1对P线的电位VP之差(VP-VP1)以及N侧第1分压电阻R2A和N侧第2分压电阻R2B的中点电位VN1对N线的电位VN之差(VN-VN1)如表3所示。
                                                        表3
  接地电阻RL   0Ω   50kΩ   70kΩ   1MΩ   2MΩ   ∞
  电压差VP-VP1   0V   1.63V   2.26V   5V(*)   5V(*)   5V(*)
  电压差VN-VN1   5V(*)   5V(*)   5V(*)   5V(*)   5V(*)   5V(*)
此外，表3中标记(*)表示由于稳压二极管D1、D2的作用，电位差被限制在上限值5V。
因此，在70kΩ以下的接地电阻RL情形下发生漏电时，利用电压差(VP-VP1)低于2.26V来检测出；在50kΩ以下的接地电阻RL情形下发生漏电时，可以利用电压差(VP-VP1)低于1.63V来检测出。但是，电压差(VP-VP1)不仅因接地电阻RL的电阻值，也因电池电压Vb的大小而发生变化，所以在一定的接地电阻下发生漏电时，不拘泥电池电压Vb的变动，还需要在一定的检测电压下检测漏电的发生。
因此，在本发明的漏电检测电路中，电池电压Vb由第1辅助分压电阻R3、第2辅助分压电阻R4及其第3辅助分压电阻R5分压，并将第1辅助分压电阻R3和第2辅助分压电阻R4中点的电位输入到P侧电压比较电路V1的负端子，同时将第2辅助分压电阻R4和第3辅助分压电阻R5中点的电位输入到N侧电压比较电路V2的正端子。
在此，决定第1辅助分压电阻R3、第2辅助分压电阻R4及第3辅助分压电阻R5的大小使前述各中点的电位变成作为检测线的电位差。例如，在50Ω接地电阻RL情形下发生漏电时，为了检测该漏电，可以决定3个分压电阻R3～R5的电阻值使第1辅助分压电阻R3和第2辅助分压电阻R4中点的电位对P线电位变成1.63V。当发生漏电时的接地电阻RL小于50kΩ，则电位差(VP-VP1)小于1.63V，P侧电压比较电路的输出由低切换为高，从而可以检测出漏电。图3表示在50kΩ接地电阻RL情形下发生漏电时，用于检测该漏电的漏电检测电路设计例。
再者，上述本发明的漏电检测电路中，在不发生漏电时的电路结构和发生漏电时的电路结构(图2)中任何一者中，电位差(VP-VP1)都由电路的合成电阻和电池电压决定。并且该电位差(VP-VP1)和应比较基准电压也由电路的合成电阻和电池电压决定。即，比较基准电压也与电池电压成正比地变化。因此，即使电池电压变动，该变化给电压比较带来的影响也将被抵消，比较结果只依赖于合成电阻的变化。其结果是，不受电池电压变化的影响，只根据接地电阻大小实现漏电检测。
上述本发明的漏电检测电路中，如表3所示，当接地电阻RL是作为检测线的较低电阻值、即，50kΩ～70kΩ左右的电阻值的情形下，产生0～5V范围内的电压差(VP-VP1)。相对于此，当接地电阻RL为超过1MΩ的高电阻值的情形下，电位差(VP-VP1)被限制在稳压二极管D1的上限电压(5V)。因此，5V是电压比较电路V1、V2的输入范围的上限，由于不需要施加高电压所以电压比较电路的结构变得简单。再者，象这样在最大输入范围较低的电压比较电路V1、V2中，可以获得比最大输入范围高的例如为100V的电压比较电路更高的精度。
例如在图6及图9所示的现有的漏电检测电路中，对电压表V1、V2持续施加120V电压，发生在各电阻的电压在接地电阻RL为50kΩ时是234.6V；当接地电阻RL为70kΩ时变成32.6V，50kΩ和70kΩ时的电压判定值之差仅仅2V，相对于230V左右的输入电压，高精度地判定2V的电压是很困难的。
图4表示用于分别检测接地电阻为50kΩ和70kΩ两种情形的漏电检测电路的结构。在该电路中，P线和N线通过互相串联连接的第1辅助分压电阻R1、第2辅助分压电阻R2、第3辅助分压电阻R3、第4辅助分压电阻R4及其第5辅助分压电阻R5相互连接。并且，P侧第1电压比较电路V1A的负端子连接第2辅助分压电阻R2和第3辅助分压电阻R3的中点；P侧第2电压比较电路V1B的负端子连接第1辅助分压电阻R1和第2辅助分压电阻R2的中点。此外，N侧第1电压比较电路V2A的正端子连接第3辅助分压比较电路R3和第4辅助分压比较电路R4的中点；N侧第2电压比较电路V2B的正端子连接第4辅助分压比较电路R4和第5辅助分压比较电路R5的中点。
P侧第1电压比较电路V1A及N侧第1电压比较电路V2A分别用于检测接地电阻RL小于70kΩ的漏电，P侧第2电压比较电路V1B及N侧第2电压比较电路V2B分别用于检测接地电阻RL小于50kΩ的漏电。另外，分别设定第1～第5辅助分压电阻R1、R2、R3、R4、R5的电阻值使由这些分压电阻产生的分压值成为检测由50kΩ及70kΩ的接地电阻所产生的漏电的关键。
亦即，设定R1-R2-R3-R4-R5的分压值使P线和P侧第2电压比较电路V1B负端子的电位差为1.63V、P线和P侧第1电压比较电路V1A负端子的电位差设定为2.26V、N线和N侧第2电压比较电路V2B负端子的电位差设定为-1.63V、N线和N侧第1电压比较电路V2A负端子的电位差设定为-2.26V。
根据图10的漏电检测电路，能够分别高精度地检测出接地电阻为50kΩ的漏电和接地电阻为70kΩ的漏电。

Claims (5)

1.一种具有由多个电池串联连接构成的电池组的电源装置之漏电检测电路，其特征在于：
从电池组两极伸出的一对正负电源线通过串联连接的4个分压电阻(R1A、R1B、R2A、R2B)互相连接，配置在正的电源线一侧的2个分压电阻(R1A、R1B)与配置在负的电源线一侧的2个分压电阻(R2A、R2B)之间的中点接地，将正的电源线和正侧的2个分压电阻(R1A、R1B)中点之间的电位差、负的电源线和负侧的2个分压电阻(R2A、R2B)中点之间的电位差分别与基准电压比较，从而进行漏电检测。
2.如权利要求1所记载的漏电检测电路，其特征在于：
正侧的基准电压在产生作为检测线的接地电阻值引发的漏电时，被设定为发生在正的电源线和正侧的2个分压电阻(R1A、R1B)中点之间的电位差；负侧的基准电压在产生作为检测线的接地电阻值引发的漏电时，被设定为发生在负的电源线和负侧的2个分压电阻(R2A、R2B)中点之间的电位差。
3.如权利要求1或权利要求2所记载的漏电检测电路，其特征在于：
从电池组两极伸出的一对正负电源线通过互相串联连接的至少3个辅助分压电阻(R3、R4、R5)相互连接，这些辅助分压电阻之间至少设置2个电位基准点，并且正侧的电压比较电路V1介于一个电位基准点和前述正侧的2个分压电阻(R1A、R1B)的中点之间，同时，负侧电压比较电路(V2)介于其他电位基准点与前述负侧的2个分压电阻(R2A、R2B)中点之间。
4.一种权利要求3所记载的漏电检测电路，其特征在于：
正侧的电压比较电路(V1)及其负侧的电压比较电路(V2)仅在与作为漏电产生应该判断的接地电阻值对应的检测电压附近分别具有灵敏度区域。
5.一种权利要求3或权利要求4所记载的漏电检测电路，其特征在于：
正侧的电压限制单元介于正的电源线和正侧电压比较电路(V1)的正端子之间，该电压限制单元两端的电位差被限制在规定值以下，同时，负侧电压限制单元介于负的电源线和负侧电压比较电路(V2)的负端子之间，该电压限制单元两端的电位差被限制在规定值以下。
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