JP2007256114A - 漏電検出回路およびバッテリ電子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高耐圧のスイッチ素子を複数用いることなく比較的簡単な構成で実現できる漏電検出回路を提供する。
【解決手段】本発明の漏電検出回路１は、ボディグランドＢＧｎｄ、抵抗１０、スイッチ素子２０、検出抵抗３０、可変電源４０を直列接続した枝路を備え、可変電源４０の低電位側は、監視対象である電源装置Ｅの負電極に接続されている。コンピュータ６０は、漏電検出時のみスイッチ素子２０をオンにし、可変電源４０の出力を高電位側の漏電検出時は０とし、低電位側の漏電検出時は１０数ボルトとするように制御を行う。検出抵抗３０の両端の電圧を増幅器５０で増幅し、漏電電流または漏電抵抗を求める。検出回路の基準電位をボディグランドＢＧｎｄではなく、電源装置Ｅの負電極に揃えることにより、高耐圧スイッチ素子２０を１つ含む検出回路が１系統あればよく、比較的簡単に回路を構成することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流高圧電源を備えた車両の車体と直流高圧電源との間の漏電を検出する技術に関する。

電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車などに搭載される高圧直流電源（高圧バッテリや燃料電池）は、通常、感電防止のためアースに接続されていない。このようにアースから絶縁されている高圧直流電源は、アースとの間に漏電があった場合、いち早く対処できるように漏電抵抗を監視する必要がある。そこで、これまで漏電抵抗を検出する種々の方法が提案されてきた。

例えば、高圧直流電源の正電極側および負電極側のそれぞれに漏電検出回路を設け、さらにこれら正負の漏電検出回路とアースとの間に切り替えスイッチを設け、車両に搭載されてその車両のボディグランドから分離された高圧直流電源のプラス側およびマイナス側のそれぞれに直列に接続された一組の保護抵抗および漏電検出抵抗と、各漏電検出抵抗の一端をそれぞれ車両のボディグランドに選択的に接地するスイッチと、高圧直流電源の電圧を車両のボディグランドと分離した状態で計測する電圧測定器と、各漏電検出抵抗の両端部における電圧値または電流値から漏電を判定する漏電判定部とを備えた漏電検出装置がある（特許文献１参照）。

また、電源装置の漏電の有無を検出する第１漏電検出回路と、漏電が検出された状態で、電源装置の漏電抵抗を検出する第２漏電検出回路と、第１漏電検出回路が電源装置の漏電を検出すると、第２漏電検出回路が漏電抵抗を検出する状態に切り換える制御回路とを備え、第１漏電検出回路が電源装置の漏電の有無を検出し、漏電が検出されると制御回路が第２漏電検出回路を漏電抵抗を検出する状態に切り換え、第２漏電検出回路が電源装置の漏電抵抗の大きさを検出する電動車両の漏電検出装置がある（特許文献２参照）。
特開平６−１５３３０３号公報（段落００１０、図１） 特開２００２−３２５３０２号公報（段落００１５、図２）

しかし、前記の特許文献１および特許文献２の漏電検出装置は、プラス側およびマイナス側の漏電検出用に個別の漏電検出回路を用いるので、回路が複雑となる。また、特許文献１では、ボディグランドを基準にして漏電検出を行う構造であり、高電圧が印加される切り替えスイッチは１つであるが、２者択一スイッチなので、実質的に２つのオン／オフスイッチに相当する。このように、これらの漏電検出装置は、高耐圧のスイッチ素子が複数必要なため、サイズおよびコストの面で好ましくない。

そこで、本発明は、高耐圧のスイッチ素子を複数用いることなく比較的簡素な構成で実現できる漏電検出回路およびバッテリ電子制御装置を提供することを課題とする。

前記の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、電源装置によって電源が供給される上位の装置を収容する導体と前記電源装置との間の漏電を検出する漏電検出回路を提供する。本発明の漏電検出回路は、電源装置を備えた上位の装置を収容する導体と前記電源装置との間の漏電を検出する漏電検出回路であり、前記漏電検出回路は、前記電源装置の負電極と前記導体とに両端が接続された枝路（例えば、図１，図３から図５の枝路２）を備え、前記枝路は、過剰な電流が流れるのを阻止する保護抵抗と、検出タイミングを伝える第１の制御信号に応じて前記枝路を開閉するスイッチ素子と、前記枝路に流れる電流を検出するための電流検出抵抗と、正負を指定する第２の制御信号に応じて、前記電源装置の正電極側（または高電位側）の漏電検出用電圧および前記電源装置の負電極側（または低電位側）の漏電検出用電圧を出力する可変電圧供給手段（例えば、可変電源４０）とを直列に接続した回路を備えてなり、前記漏電検出回路は、さらに前記電流検出抵抗の両端の電圧を増幅する増幅器と、前記第１および第２の制御信号を出力するとともに、前記増幅器の出力を基に漏電電流または漏電抵抗を求めるコンピュータとを備えたことを特徴とする。
本発明の漏電検出回路は、高電位側の漏電検出と低電位側の漏電検出に応じて可変電圧供給手段の出力を２段階に切り替えることにより、両方の漏電検出に共通の回路を用いるので回路を簡素化することができる。

請求項２記載の漏電検出回路は、前記コンピュータが、漏電検出時に限り、前記スイッチ素子をオンにするように前記第１の制御信号を出力する手段（例えば、ステップＳ１，Ｓ６を含む）と、前記可変電圧供給手段に正電極側の漏電検出用電圧を出力させたときの前記増幅器の出力および前記可変電圧供給手段に負電極側の漏電検出用電圧を出力させたときの前記増幅器の出力を用いて、正電極側の漏電電流または漏電抵抗、および負電極側の漏電電流または漏電抵抗を求める手段（例えば、ステップＳ２〜Ｓ５を含む）とを備えたことを特徴とする。
この漏電検出回路は、漏電検出時に限り、前記枝路に電流を流すので電力の節約になる。

請求項３記載の漏電検出回路は、第２の保護抵抗およびダイオードの直列接続からなり、かつ前記保護抵抗に並列に接続された第２の枝路（例えば、図５の直列接続４）をさらに備え、前記ダイオードは、前記電源装置の正電極側が漏電したときに流れる電流を阻止する向きに配置されたことを特徴とする。
この漏電検出回路は、第２の保護抵抗の値を調節することにより、高低の各電位側または各電極側の漏電検出において前記枝路に流れる電流を同じレベルに揃えることが可能となるので、前記増幅器の動作にとって好都合である。

また、請求項４記載の発明は、前記の漏電検出回路を備えたバッテリ電子制御装置（バッテリＥＣＵ）であって、前記上位の装置が車両であり、前記上位の装置を収容する前記導体が車体であり、前記電源装置が直流高圧電源であることを特徴とする。

本発明によれば、高耐圧のスイッチ素子を複数用いることなく比較的簡素な構成で漏電検出回路を構成することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を用いて詳細に説明する。
なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
図１は、本発明の原理による漏電検出回路の構成を概念的に示す回路図である。図１において、要素符号Ｅは、例えば車両などの上位の装置（図示せず）を収容する導体または接地導体と電気的に絶縁されて、その上位の装置に使用される電源装置（一般に、直流高圧電源）である。例えば、上位の装置が車両ならば、車両を収容する導体は、車体であり、ボディグランドＢＧｎｄと称する。電源装置Ｅの正電極の電位をＨとし、負電極の電位をＬとする。要素符号１は、電源装置ＥとボディグランドＢＧｎｄとの漏電を検出する本発明の原理による漏電検出回路である。

漏電検出回路１は、保護抵抗１０、スイッチ素子２０、検出抵抗３０および可変電源４０の直列接続を備えて、電源装置Ｅの負電極とボディグランドＢＧｎｄとの間に接続され、その間を流れる漏電電流を検出する枝路を含む。すなわち、漏電検出回路１は、ボディグランドＢＧｎｄの一端が接続され、その枝路に過剰な電流が流れるのを阻止する電流制限用の保護抵抗１０、保護抵抗１０の他端にチャンネル電極の一方が接続されたスイッチ素子２０、スイッチ素子２０のチャンネル電極の他方に一端が接続され、スイッチ素子２０のチャンネルを通り、前記の枝路を流れる電流を検出するための検出抵抗３０、検出抵抗３０の他端と電源装置Ｅの負電極との間に接続され、その間に所定の電位差を与える可変電源（可変電圧供給手段）４０、検出抵抗３０の両端の電圧を増幅する増幅器５０、およびスイッチ素子２０の制御端子に検出タイミングを伝える第１の制御信号と可変電源４０に対して出力電圧の切り替えを指示する第２の制御信号とを出力すると共に増幅器５０の出力を基に漏電抵抗を決定するコンピュータ６０を備える。

スイッチ素子２０は、漏電検出回路１で使用される部品の中で、高電圧が印加される唯一のスイッチ素子であり、コンピュータ６０からの第１の制御信号に応じて前記枝路の開閉を行う。漏電検出回路１においては、スイッチ素子２０のスイッチング速度は問題でない（遅くてもよい）ので、スイッチ素子２０としては、電源装置Ｅの出力電圧（Ｈ−Ｌ）に対して十分な耐電圧を持ち、伝導性において満足な開閉特性を有するものであれば、リレーや種々の半導体素子などを用いることができる。したがって、本明細書では、スイッチ素子２０の一例としてＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）を用いるが、これに限るものではない。

電源装置Ｅの正電極とボディグランドＢＧｎｄとの間に漏電（高電位側の漏電）がある場合に、スイッチ素子２０のドレイン端子に電源装置Ｅの高電位Ｈが印加され、スイッチ素子２０のソース端子に電源装置Ｅの低電位Ｌが印加される。しかし、前記のような回路の構成からして、スイッチ素子２０のソース・ドレイン間に逆向きに高電圧（Ｈ−Ｌ）が印加されることはない。このため、スイッチ素子２０は、ソース・ドレイン間の一方向に高電圧（Ｈ−Ｌ）に耐えうる耐電圧を備えれば十分である。

可変電源４０は、コンピュータからの第２の制御信号に応じて、高電位側の漏電検出用の電圧０ボルト、および低電位側の漏電検出用の電圧Ｖｏボルトを出力する。なお、低電位側の漏電検出用の電圧Ｖｏは、１０数ボルト（例えば、１５ボルト）程度あればよい。

増幅器５０は、説明を簡単にするために演算増幅器を１つのみ使用して概念的に示したが、増幅器５０は複数の演算増幅器を用いて構成しても良い。また、高低の各電位側の漏電検出時に検出抵抗３０に流れる電流の向きが逆になるので、これに応じて検出抵抗３０の両端の電圧も逆向きになる。したがって、当業者には明らかなように、検出抵抗３０に流れる電流の向きに応じて増幅器５０の基準電圧を変化させることにより、増幅器５０のダイナミックレンジを有効に利用することが好ましい。

コンピュータ６０は、周知のように図示しないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを備えた適切なコンピュータであれば何でもよい。コンピュータ６０には、一般的なデジタルＩＣに対する電源電圧であるＶｃｃが供給される。可変電源４０および増幅器５０には、上位の装置である車両の低圧バッテリに準じた電圧Ｖａが供給される。

以上のように構成された漏電検出回路１の動作を図２〜図４を参照しながら説明する。図２は、図１のコンピュータ６０の動作の流れを示すフローチャートである。図３は、図１の漏電検出回路１により高電位側の漏電を検出する様子を示す図である。図４は、図１の漏電検出回路１により低電位側の漏電を検出する様子を示す図である。

コンピュータ６０は、図２のフローチャートによる処理を実施するためのプログラムを格納し、例えば図示しないイグニッションスイッチの操作または上位の装置からの指令に応じて、そのプログラムを図示しないＲＯＭから呼び出して実行する。なお、図示しないイグニッションスイッチがオン操作された際の初期設定動作において、コンピュータ６０は、スイッチ素子２０がオフ状態となるように第１の制御信号をｌｏｗレベルに設定するものとする。

前記のプログラムが呼び出されると、コンピュータ６０の図示しないＣＰＵは、ステップＳ１において、第１の制御信号によりスイッチ素子２０をオンにする。そして、ステップＳ２において、第２の制御信号により可変電源４０の出力電圧を高電位側の漏電検出用の電圧０ボルトに設定して、高電位側の漏電検出モードとする。このとき、図３に示すように、スイッチ素子２０の正電極とボディグランドＢＧｎｄとの間で絶縁が完全でなく、無視できない程の浮遊抵抗（ここでは、漏電抵抗と称する）Ｒ_ＬＨがある場合、電源装置Ｅの電圧（Ｈ−Ｌ）により、電源装置Ｅ、漏電抵抗Ｒ_ＬＨ、ボディグランドＢＧｎｄ、抵抗１０、スイッチ素子２０、検出抵抗３０、可変電源４０からなる閉回路に太い線の矢印の方向に電流（漏電電流）Ｉ_Ｈが流れる。そこで、ステップＳ３において、漏電電流Ｉ_Ｈにより検出抵抗３０の両端に現れる電圧を増幅する増幅器５０の出力から高電位側の漏電による漏電電流Ｉ_Ｈまたは高電位側の漏電抵抗Ｒ_ＬＨを求める。

次に、ステップＳ４において、第２の制御信号により可変電源４０の出力電圧を低電位側の漏電検出用の電圧Ｖｏボルトに設定して、低電位側の漏電検出モードとする。
このとき、図４に示すように、スイッチ素子２０の負電極とボディグランドＢＧｎｄとの間で絶縁が完全でなく、無視できない程の浮遊抵抗または漏電抵抗Ｒ_ＬＬがある場合、可変電源４０の出力電圧Ｖｏにより、可変電源４０、検出抵抗３０、スイッチ素子２０、抵抗１０、ボディグランドＢＧｎｄ、漏電抵抗Ｒ_ＬＨからなる閉回路に太い線の矢印の方向に漏電電流Ｉ_Ｌが流れる。そこで、ステップＳ５において、漏電電流Ｉ_Ｌにより検出抵抗３０の両端に現れる電圧を増幅する増幅器５０の出力から低電位側の漏電による漏電電流Ｉ_Ｌまたは低電位側の漏電抵抗Ｒ_ＬＬを求める。そして、ステップＳ６において、第１の制御信号により、スイッチ素子２０をオフとして、図２の漏電検出処理を終了する。

以上述べたように、本発明によれば、漏電検出回路１の基準電位をボディグランドＢＧｎｄではなく、電源装置Ｅの負電極の電位Ｌに揃えることにより、高低の各電位側の漏電検出時に、ボディグランドＢＧｎｄ、抵抗１０、スイッチ素子２０、検出抵抗３０、可変電源４０からなる共通の枝路を漏電電流が流れるため、高耐圧スイッチ素子を１つ含む検出回路が１系統あればよく、比較的簡単な回路で漏電電流または漏電抵抗を求めることが可能となる。

ちなみに、図１の漏電検出回路１の場合、高電位側の漏電の検出には、スイッチ素子２０の高電圧（Ｈ−Ｌ）を使用し、低電位側の漏電の検出には、可変電源４０の出力電圧Ｖｏを使用するが、漏電電流の流れる枝路が同一であるため、電圧Ｈ−Ｌと電圧Ｖｏにより流れる電流が大きく異なり、これにともない検出抵抗３０で検出される電圧レベルも大きく異なるので、高低の各電位側の漏電検出時に、増幅器５０の測定レンジを調節する必要がある。そこで、印加電圧がＨ−Ｌと電圧Ｖｏというように異なっても、前記の枝路に同程度の電流が流すことができれば、好都合である。

図５は、この課題を解決した本発明の一実施形態による漏電検出回路の構成を概念的に示す回路図である。図５の漏電検出回路１ａは、抵抗１１（請求項３における第２の保護抵抗）とダイオード１２の直列接続（請求項３における第２の枝路）４を保護抵抗１０に並列に接続した点を除けば、図１の漏電検出回路１と同じである。保護抵抗１０の両端をＰ１，Ｐ２とする。ダイオード１２は、保護抵抗１０とボディグランドＢＧｎｄの接続点Ｐ１が高電位で、点Ｐ２が低電位の場合、逆方向電圧が印加され、電流を流さない方向に接続されるものとする。この場合、高電位側の漏電検出時においては、ダイオード１２に逆方向電圧が印加されるので、点Ｐ１および点Ｐ２の間の抵抗値は保護抵抗１０の抵抗値そのものである。これに対して、低電位側の漏電検出時においては、ダイオード１２に順方向電圧が印加されるので、点Ｐ１および点Ｐ２の間の抵抗値は、抵抗１０および抵抗１１の並列接続の抵抗値となる。したがって、抵抗１１の値を調節することにより、高低の各電位側の漏電検出において前記の枝路に流れる電流を同じレベルに揃えることが可能となる。

以上の説明においては、分かりやすくするために高電位側の漏電検出時には、低電位側の漏電はなく、逆に低電位側の漏電検出時には、高電位側の漏電はないものと仮定した。しかし、実際には、高低の両電位側に無視できないほどの漏電が同時に発生する可能性もないとは言えない。したがって、そのような事態にも対処するために、可変電源４０に高電位側の漏電検出用電圧を出力させたときの増幅器５０の出力および可変電源４０に低電位側の漏電検出用電圧を出力させたときの増幅器５０の出力から、高電位側の漏電抵抗Ｒ_ＬＨおよび低電位側の漏電抵抗Ｒ_ＬＬを未知数として、保護抵抗１０、検出抵抗３０およびスイッチ素子２０の抵抗値、可変電源４０の内部抵抗、電源装置Ｅの出力電圧、および可変電源４０の出力電圧Ｖｏを用いて連立方程式を生成し、この連立方程式の解として漏電抵抗Ｒ_ＬＨおよびＲ_ＬＬを求めるようにしてもよい。
以上は、本発明の説明のために実施の形態の例を掲げたに過ぎない。したがって、本発明の技術思想または原理に沿って前記の実施の形態に種々の変更、修正または追加を行うことは、当業者には容易である。
例えば、抵抗１０、スイッチ素子２０、検出抵抗３０、可変電源４０の直列接続を含む枝路を構成する要素は、必ずしもこの順番に配列する必要はなく、順序は任意である。

本発明の原理による漏電検出回路の構成を概念的に示す回路図である。 図１のコンピュータ６０の動作の流れを示すフローチャートである。 高電位側の漏電を検出する様子を示す図である。 図１の漏電検出回路により低電位側の漏電を検出する様子を示す図である。 本発明の一実施形態による漏電検出回路の構成を概念的に示す回路図である。

符号の説明

１，１ａ 漏電検出回路
２ 枝路
４ 第２の枝路
１０ 保護抵抗
１１ 第２の保護抵抗
１２ ダイオード
２０ スイッチ素子
３０ 検出抵抗
４０ 可変電源
５０ 増幅器
６０ コンピュータ
Ｅ 電源装置（直流高圧電源）

Claims (4)

1. 電源装置によって直流電源が供給される上位の装置を収容する導体と前記電源装置との間の漏電を検出する漏電検出回路であり、
   前記漏電検出回路は、前記電源装置の負電極に一端が接続され、前記導体に他端が接続された枝路を備え、前記枝路は、
   過剰な電流が流れるのを阻止する保護抵抗と、
   検出タイミングを伝える第１の制御信号に応じて前記枝路を開閉するスイッチ素子と、
   前記枝路に流れる電流を検出するための電流検出抵抗と、
   正負を指定する第２の制御信号に応じて、前記電源装置の正電極側の漏電検出用電圧および前記電源装置の負電極側の漏電検出用電圧を出力する可変電圧供給手段とを直列に接続した回路を備えてなり、前記漏電検出回路は、さらに
   前記電流検出抵抗の両端の電圧を増幅する増幅器と、
   前記第１および前記第２の制御信号を出力するとともに、前記増幅器の出力を基に漏電電流または漏電抵抗を求めるコンピュータとを備えたことを特徴とする漏電検出回路。
2. 前記コンピュータは、
   漏電検出時に限り前記スイッチ素子をオンにするように前記第１の制御信号を出力する手段と、
   前記可変電圧供給手段に正電極側の漏電検出用電圧を出力させたときの前記増幅器の出力および前記可変電圧供給手段に負電極側の漏電検出用電圧を出力させたときの前記増幅器の出力を用いて、正電極側の漏電電流または漏電抵抗、および負電極側の漏電電流または漏電抵抗を求める手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の漏電検出回路。
3. 第２の保護抵抗およびダイオードの直列接続からなり、かつ前記保護抵抗に並列に接続された第２の枝路をさらに備え、
   前記ダイオードは、前記電源装置の正電極側が漏電したときに流れる電流を阻止する向きに配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の漏電検出回路。
4. 請求項１または請求項２記載の漏電検出回路を備えたバッテリ電子制御装置であって、
   前記上位の装置は車両であり、
   前記上位の装置を収容する前記導体は車体であり、
   前記電源装置は直流高圧電源であることを特徴とするバッテリ電子制御装置。
   
   
   
   

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