JP2004219414A - 絶縁不良を検出する回路および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁不良を検出する回路および方法を提供する。
【解決手段】 電池（２）の端子および第１の基準電位（車両アース）（ＧＮＤ）間の抵抗を監視する回路（監視装置）（１）は、電池（２）の端子の一方に各々接続される二つの入力（３、４）と、入力（３、４）の一方に各々接続される二つの外部接続部（６、７）を有する分圧器（測定抵抗器）（Ｒｍ１、Ｒｍ２）と、第一の基準電位（ＧＮＤ）に接続される中央接続部（中央点）（５）と、分圧器（Ｒｍ１、Ｒｍ２）の外部接続部（６、７）の一方と入力（３、４）の一方との間で各々直列に接続されて配列される二つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）と、分圧器の外部接続部（６、７）へ接続され、外部接続部（６、７）の間の電圧を表す監視信号（出力信号）（Ｕｉｓｏ）を供給するための測定計器（作動増幅器）（８）を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、電池などの直流電圧源端子と第一の基準電位との間の抵抗を監視する回路に関し、さらには、かかる回路を使用する方法に関する。

非特許文献１では、抵抗を監視して、直流電圧源の端子とアース電位との間の絶縁不良を検出する回路について記載している。この回路は、直流電圧源の端子とアース電位との間が接続され、内部抵抗Ｒ_ｉを有する二つの測定計器を各場合において使用しているが、これは、内部抵抗Ｒ_ｉでの電圧降下を基準とすることにより、アース電位と直流電圧源の各々他の端子との間での絶縁不良を検出するためであり、この電圧降下は測定計器を介して一つの端子からアースへの電流の流れにより生じるもので、また絶縁不良を介して他の端子へアースされることにより生じるものである。直流電圧源の二つの端子間の電位差を検知するために、第三の測定計器が使用される。

測定計器の台数が多くなると、既知の回路が複雑になりコストが高くなる。

「保護技術と絶縁監視（Ｓｃｈｕｔｚｔｅｃｈｎｉｋ ｕｎｄ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｕｅｂｅｒｗａｃｈｕｎｇ）」ボルフガング ホフハインツ（Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｈｏｆｈｅｉｎｚ）、第６版、ＶＤＥ、第１４．３．１章

本発明の目的は、直流電圧源の端子間の抵抗を監視する、特に簡単で費用がかからない回路を提供することである。

請求項１に定義されているように、本発明により、必要な測定計器の台数を一台に減らすことができる。上記一台の測定計器の入力は、第一の基準電位に中央接続部が保持されている分圧器の外部接続部に各々接続されていることから、第一の端子と基準電位との間の測定、第二の端子と基準電位との間の測定、または二つの端子間の測定を切り換えるためのスイッチとして、簡単な回路ブレーカで充分である。

外部接続部と分圧器の中央接続部との間で、直列に接続される抵抗器は、同一であることが好ましい。

電池の出力電圧が高い場合でも測定できるようにするために、保護抵抗器は、分圧器の外部接続部の一つと回路の入力の一つとの間で、各接続部において直列に接続され、さらにこれらの保護抵抗器も同一であることが好ましい。

制御ユニットは自動抵抗監視用に設けられ、前記制御ユニットは逆位相時に第一および第二のスイッチを開閉する目的を有することが好ましい。

分圧器の抵抗器および保護抵抗器はオーム抵抗器であるが、所定の状況下では、抵抗器に抵抗値の虚数成分を設けることもできることが好ましい。

安価な差動増幅器を測定計器として使用することができる。

この差動増幅器が供給電位として第二の基準電位に接続され、この第二の基準電位が所定の状況下において第一の基準電位と異なることがある場合には、第一の端子は第二の基準電位を接続する回路上の一点に接続され、第二の端子は分圧器の外部接続部の一つに第三のスイッチを介して接続される、二つの端子を有する試験電圧源の装置を設けることが好ましい。上記第三のスイッチは閉じられており、試験電圧源の第二の端子の電位は測定計器に接続されているということにより、測定計器に印加される電圧が試験電圧源の既知の出力電圧と著しく異なっているかどうかを検出でき、第一および第二の基準電位間の電位差を推定することが可能である。

特に、一つの構成ユニット内でスイッチ、抵抗器、および測定計器が連結されており、分圧器の中央接続部が第一のラインにより構成ユニット外で定義される第一の基準電位に接続され、上述した一点を構成ユニット外の第一の基準電位に接続する第二のライン上で、電圧降下が発生して、これにより第二の基準電位を画定する場合には、かかる電位差が発生し得る。

本発明による回路は、車両に搭載され、特に電気駆動車両に搭載される電池上での絶縁不良を検知するために使用されることが好ましい。この場合、第一の基準電位は車両アースであることが好ましい。

電池の端子と第一の基準電位との間の抵抗を検知するために、第一のスイッチが周期的に閉じられ、測定回路に印加される第一の電圧を検知するために第二のスイッチが開かれ、さらに前記第一のスイッチが開かれ、印加される第二の電圧を検知するために、前記第二のスイッチが閉じられ、検知された電圧の少なくとも一つが制限値を超える場合には、絶縁不良が表示されることが好ましい。

かかる測定のために回路内の機能不良を防止する場合には、種々の試験工程が実施されることが好ましい。

かかる第一の試験工程には、全てのスイッチを開く工程と、測定回路に印加され、この時にゼロとし、測定計器のオフセットとは別のものである電圧を検知する工程と、例えば、電圧が負または０．１Ｖを超えるような、制限値を超える場合には、回路内の不良を検出する工程と、が含まれる。

さらなる試験工程には、第一および第二のスイッチを開き、上記で説明した第一および第二の基準電位間で発生し得る電位差を検知するために、第三のスイッチを閉じる工程と、例えば、電圧が０±０．８Ｖの範囲外となる場合のような、制限値を超える場合には、回路内の不良を検出する工程と、が含まれる。

第一および第二のスイッチを閉じて、第三のスイッチを開くことにより、電池の端子電圧の一定の端数が測定計器に印加される。前記端数はまた、電池または第一のスイッチまたは第二のスイッチへの障害を防止するために、設定範囲内でなければならない。

添付の図面を参照しながら、例示的実施形態についての以下の説明から、本発明のさらなる特徴や利点が明らかになる。

発明の詳細な説明

監視装置１は、例えば、電気駆動車両などに搭載され、例えば、燃料電池スタックなどの車両の主電池２の絶縁抵抗を監視する。非反転絶縁抵抗器は、電位＋Ｕｂａｔを有する電池２の正極端子と車両アースＧＮＤとの間、または電位−Ｕｂａｔを有する負極端子と車両アースＧＮＤとの間、またはこれら両者間で実現され、各々の場合に、図において抵抗器Ｒｘ１、Ｒｘ２で示される実数成分と、さらにはキャパシタンスＣｘ１、Ｃｘ２で示される虚数成分とを具備することができる。

監視装置１の二つの入力３、４は電池２の二つの端子に接続される。監視装置１において、入力３、４は、第一の保護抵抗器Ｒ１、回路ブレーカ（スイッチ）Ｓ１、第一の測定抵抗器Ｒｍ１、第二の測定抵抗器Ｒｍ２、第二の回路ブレーカ（スイッチ）Ｓ２、および第二の保護抵抗器Ｒ２を含む直列回路により接続される。車両アースＧＮＤは二つの測定抵抗器Ｒｍ１、Ｒｍ２の間における直列回路の中央点５に接続される。二つの測定抵抗器Ｒｍ１、Ｒｍ２は、外部接続部６、７を有する分圧器として具現化してもよい。外部接続部６、７は差動増幅器８の入力に接続される。差動増幅器８の出力は、両スイッチＳ１、Ｓ２が閉じられている場合には電池２の端子電圧に比例する出力電圧Ｕｉｓｏを供給し、スイッチＳ１、Ｓ２のうちの一つが閉じて、もう一方のスイッチが開いている場合には、開いているスイッチに接続されている電池２の端子と車両アースとの間における絶縁不良の可能性を表示する。

測定抵抗器Ｒｍ１、Ｒｍ２及び保護抵抗器はそれぞれ、同一である。つまり、各抵抗器は指定される許容範囲内で同じ抵抗値を有し、または回路の所望測定精度に対して必要とされる範囲で同じ抵抗値を有する。

外部接続部６は、第三のスイッチＳ３と保護抵抗器Ｒｔｅｓｔとを介して、基準電圧源１０により利用され得る電位であって、差動増幅器８の供給電位ともなり、そして監視装置１の局部アースＧＮＤ’に対して＋５Ｖのレベルを有する電位に接続される。監視装置１の部品が実装されているプリント回路基板のこの局部アースＧＮＤ’はライン１１を介して車両アースＧＮＤに接続されているが、かかる配線における外部電磁場による電流の流れや誘導によって、車両アースＧＮＤとプリント回路基板の局部アースＧＮＤ’との間で電圧差が発生する状況を未然に防止することができない。

スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、電子制御ユニット９により制御されるが、この電子制御ユニット９は、例えば、差動増幅器８の出力信号Ｕｉｓｏも受信しかつ評価するマイクロコントローラである。

制御ユニット９により実行される試験シーケンスの開始時には、全てのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３が開かれる。その結果、差動増幅器８の入力は測定抵抗器Ｒｍ１、Ｒｍ２を介してアース（車両アース）ＧＮＤへ導かれ、差動増幅器８の出力信号Ｕｉｓｏは理想的にはゼロになるはずである。この段階でＵｉｓｏが０Ｖ未満または０．１Ｖを超えていると仮定すると、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のうちの一つに、または差動増幅器８内に不良が発生している疑いがあり、制御ユニット９は第一のタイプの不良メッセージを出力する。このメッセージは回路（監視装置）１内の不良を示すものである。

次の工程では、制御ユニット９はスイッチＳ３を閉じるが、スイッチＳ１、Ｓ２は開いた状態である。この状態では、車両アースＧＮＤは差動増幅器８の反転入力時に存在し、抵抗器（保護抵抗器）Ｒｔｅｓｔと（測定抵抗器）Ｒｍとの比率によって定義され、場合によっては局部アースと車両アースとの間の電位差により変位する電圧源（基準電圧源）１０の出力電圧の端数は、差動増幅器８の非反転入力時に存在する。制御ユニット９は（出力電圧、測定電圧）Ｕｉｓｏを予想電圧Ｕ＝Ｇ×Ｕｑ×（Ｒｍ／（Ｒｍ＋Ｒｔｅｓｔ））と比較する。ここで、Ｇは差動増幅器８の増幅度である。予想電圧と測定電圧との偏差が大きくなると、車両アースと局部アースとの間の電位差が大きくなる。電位差が１Ｖを超える場合には（これは、Ｒｍ１＝２００Ω、Ｒｔｅｓｔ＝１ＫΩであり、参照符号６の測定電圧｜Ｕｉｓｏ｜＝参照符号４、７の測定電圧｜Ｕｉｓｏ｜＞０．８Ｖに対応する）、監視回路（監視装置）１内に不良があると仮定されて、制御ユニット９は第一のタイプの不良メッセージを生成する。

最後の試験工程では、制御ユニットはスイッチＳ１、Ｓ２を閉じて、（スイッチ）Ｓ３を開く。この状態では、比率（Ｒｍ１＋Ｒｍ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒｍ１＋Ｒｍ２）によって定義される電池２の出力電圧の端数は差動増幅器８の入力時に存在する。装置が検知可能な発生しうる漏れ電流が少なくなれば、不良を検出することなく、制御ユニット９によって受信される（予想電圧）Ｕと（測定電圧）Ｕｉｓｏとの偏差の程度を設定する必要性は少なくなる。現状では、予想値の±１０％の偏差が適正であるとして一般に許容される。この偏差を超えると、制御ユニット９は順次に第一のタイプの不良メッセージを生成する。

不良が検出されないで、前述の試験工程が実施された場合のみに、絶縁抵抗が実際に測定される。＋Ｕｂａｔと車両アースとの間の絶縁抵抗を測定するためには、制御ユニット９はスイッチＳ２を閉じるが、Ｓ１とＳ３は開放した状態である。ここで、電流は使用可能な絶縁抵抗Ｒｘ１、Ｃｘ１を介して、車両アースＧＮＤへ流れ、その位置から第二の測定抵抗器Ｒｍ２、第二のスイッチＳ２、及び第二の保護抵抗器Ｒ２を介して負極端子へ流れる。第二の測定抵抗器Ｒｍ２においてその結果生じる電圧降下は、（差動増幅器８の入力抵抗が無限であると仮定した場合）入力時に確実に存在して、増幅されて測定信号（出力信号）Ｕｉｓｏを形成する。

車両アースＧＮＤと電池２の負極接続端子−Ｕｂａｔとの間の絶縁抵抗を測定するためには、スイッチＳ１を閉じて、スイッチＳ２を開けば充分である。この時、発生し得る漏れ電流により、第一の測定抵抗器Ｒｍ１において正の電圧降下が発生し、また、この電圧降下は差動増幅器８によって増幅される。制御ユニット９は得られた測定値を予め定義された制限値と比較して、絶縁不良を検出する。即ち、これら測定値のうちの少なくとも一つが制限値を越える場合には、制御ユニットは第二のタイプの不良メッセージを出力する。

電池２の端子とアースとの間に寄生キャパシタンスＣｘ１、Ｃｘ２があるので、この場合の測定の歪みを防止するために、各々の測定中には、各々のスイッチ位置によって発生する、スイッチＳ１、Ｓ２の設定と測定電圧Ｕｉｓｏの読取りとの間で約５秒の再起時間が保持される。

本発明による監視装置１とその装置の周辺の概略的な回路図である。

符号の説明

１ 監視装置（回路）
２ 電池
３ 入力
４ 入力
５ 中央点
６ 外部接続部
７ 外部接続部
８ 差動増幅器
９ 制御ユニット（電子制御ユニット）
１０ 電圧源（基準電圧源）
１１ ライン

Claims (14)

1. 電池（２）の端子と第一の基準電位（ＧＮＤ）との間の抵抗を監視する回路（１）であって、前記電池（２）の端子の一つに各々接続される二つの入力（３、４）と、前記入力（３、４）の一つに各々接続される二つの外部接続部（６、７）を有する分圧器（Ｒｍ１、Ｒｍ２）と、前記第一の基準電位（ＧＮＤ）に接続される中央接続部（５）と、前記分圧器（Ｒｍ１、Ｒｍ２）の前記外部接続部（６、７）の一つと前記入力（３、４）の一つとの間で各々直列に接続配列された二つの第一および第二のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）と、前記分圧器の前記外部接続部（６、７）に接続され、前記外部接続部（６、７）間の電圧を表示する監視信号（Ｕｉｓｏ）を供給する測定計器（８）と、を具備する回路（１）。
2. 前記中央接続部（５）と前記分圧器の二つの前記外部接続部（６、７）との間に、各々直列に接続される抵抗器（Ｒｍ１、Ｒｍ２）は同一である請求項１に記載の回路。
3. 保護抵抗器（Ｒ１、Ｒ２）は、前記分圧器の前記外部接続部（６、７）の一つと前記入力（３、４）の一つとの間に各々接続されて直列に接続される請求項１又は２に記載の回路。
4. 前記保護抵抗器（Ｒ１、Ｒ２）は同一である請求項３に記載の回路。
5. 逆位相において前記第一および第二のスイッチを開閉するための制御ユニット（９）を具備する請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路。
6. 前記抵抗器（Ｒ１、Ｒ２、Ｒｍ１、Ｒｍ２）はオーム抵抗器である請求項２〜５のいずれか一項に記載の回路。
7. 前記測定計器（８）は差動増幅器である請求項１〜６のいずれか一項に記載の回路。
8. 前記差動増幅器（８）が供給電位としての第二の基準電位（ＧＮＤ’）に接続され、試験電圧源（１０）の二つの端子のうちの一つは前記第二の基準電位（ＧＮＤ’）に導通する前記回路上の一点に接続され、もう一方の端子は第三のスイッチ（Ｓ３）を介して前記分圧器の前記外部接続部（６）の一つに接続される請求項７に記載の回路。
9. 前記スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）、抵抗器（Ｒ１、Ｒ２、Ｒｍ１、Ｒｍ２）、及び前記測定計器（８）は、一つの構造ユニット内で一体化されており、前記分圧器（Ｒｍ１、Ｒｍ２）の前記中央接続部（５）は第一のラインによって前記構造ユニットの外部で定義される前記第一の基準電位（ＧＮＤ）に接続され、前記第二の基準電位（ＧＮＤ’）は前記一点を前記第一の基準電位（ＧＮＤ）に接続する第二のライン(１１)によって定義される請求項８に記載の回路。
10. 前記第一の基準電位は車両アース（ＧＮＤ）である請求項１〜９のいずれか一項に記載の回路（１）と、電池（２）と、を備える車両。
11. 前記第一のスイッチ（Ｓ１）が閉じられ、前記第二のスイッチ（Ｓ２）が開かれ、前記測定計器（８）に印加される第一の電圧が検知され、
    前記第一のスイッチ（Ｓ１）が開かれ、前記第二のスイッチ（Ｓ２）が閉じられ、前記測定計器に印加される第二の電圧が検知され、
    前記検知された電圧のうちの一つが制限値を超える場合は絶縁不良が検出される請求項１〜９のいずれか一項に記載の回路を作動させる方法。
12. 前記全てのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を開く工程と、前記測定計器（８）に存在する電圧を検知する工程と、前記電圧が設定点の範囲外にある場合には前記回路（１）内の不良を検出する工程と、によって特徴づけられる請求項１１に記載の方法。
13. 前記第一および第二のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）を開き、前記第三のスイッチ（Ｓ３）を閉じる工程と、前記測定計器（８）に印加される電圧を検知する工程と、前記電圧が設定点範囲外にある場合には前記回路（１）内の不良を検出する工程と、によって特徴づけられる請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記第一および第二のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）を閉じ、前記第三のスイッチ（Ｓ３）を開く工程と、前記測定計器（８）に印加される電圧を検知する工程と、前記電圧が設定点範囲外にある場合には前記回路（１）内の不良を検出する工程と、によって特徴づけられる請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。

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