JP2008064522A

JP2008064522A - リーク検出装置

Info

Publication number: JP2008064522A
Application number: JP2006241023A
Authority: JP
Inventors: Masaki Nagaoka; 正樹長岡; Akihiko Kudo; 彰彦工藤
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】リレーのオン、オフ状態に拘わらず電気自動車用電源のリーク検出が可能なリーク検出装置を提供する。
【解決手段】リーク検出装置２０は、車体と電気的に絶縁された複数の直列電池群１がリレー２を介して並列に接続された電気自動車用電源毎にリーク検出用コンデンサ４を有することで、単一の矩形波出力回路からコンデンサ４を介して矩形波を各直列電池群１に引加し、電圧検出回路でコンデンサ４およびシャーシグラウンド間の矩形波電圧の振幅を測定することで車体、電源間のリークを検出する。矩形波出力回路は矩形波出力用抵抗５を有しており、電圧検出回路はコンデンサ４に接続され、抵抗７およびコンデンサ８から成るＲＣフィルタとＲＣフィルタを介して矩形波電圧が入力される演算増幅器９とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明はリーク検出装置に係り、特に、車体と電気的に絶縁された複数の直流電源回路がリレーを介して並列に接続された電気自動車用電源のリークを検出するリーク検出装置に関する。

従来、電気自動車やハイブリッド電気自動車等では、一般的に、複数個の単電池を接続した電池群を直列に接続した高電圧直流回路（直流電源回路）と、車体に接地される車両電装回路とが搭載されており、両者は互いに絶縁されている。また、高電圧直流回路と車体との間に絶縁破壊が生じてリーク電流が流れた場合にリークを検出し警告を発するためのリーク検出装置が搭載されている。このような、リーク検出装置は、高電圧直流回路の端子にコンデンサと抵抗の直列回路を接続し、矩形波を抵抗側に印加して、コンデンサと抵抗との接続点に発生する交流電圧成分の振幅からリークを検出するリーク検出回路を有している（例えば、特許文献１参照）。

図２は、上記リーク検出回路の基本構成を示したものである。電気自動車用電源は、車体と電気的に絶縁された複数の高電圧の直流電源回路１がリレー２を介して並列に接続されて構成されており、負荷３に接続されている。電気自動車用電源の＋側の端子はリーク検出用コンデンサ４を介して抵抗５の一端に接続されており、抵抗５の他端は電気自動車用電源のリーク判定を行うマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）６の出力ポートに接続されている。抵抗５とコンデンサ４との接続点は抵抗７とコンデンサ８とで構成されるＲＣフィルタの一端に接続されており、ＲＣフィルタの他端は車体グラウンド（シャーシグラウンド）に接続されている。ＲＣフィルタを構成する抵抗７とコンデンサ８との接続点はバッファとして機能する演算増幅器９の＋（正相）入力端子に接続されている。演算増幅器９の出力端子はマイコン６に内蔵されたＡＤコンバータの入力側（ＡＤ入力）に接続されている。

リーク検出動作は、マイコン６の出力ポートから矩形波が出力され、ＡＤ入力で応答波形の振幅を測定することで行われる。リーク抵抗１０の値が無限大であれば、コンデンサ４には交流電流成分が流れないので、矩形波は抵抗７とコンデンサ８のＲＣフィルタを通ってＡＤ入力に入るだけである。その場合、矩形波の振幅はＲＣフィルタで多少減少するが大きいままである。一方、リーク抵抗１０の値が小さくなれば、コンデンサ４を通じて交流電流が流れるため、抵抗５とコンデンサ４との接続点の振幅はマイコン６の出力ポートからの波形よりも小さくなり、ＡＤコンバータで測定される波形の振幅も小さくなるため、リークが悪化したことを検出可能である。

リークは電気自動車用電源のどこで起こるかわからないが、直流電源回路１を構成する電池のインピーダンスは非常に小さいため、直流電源回路１の＋端子側で発生しても、−端子側で発生しても、又は、中間の接続点で発生しても検出波形に与える影響は小さくリークの検出が可能である。

特許２９３３４９０号

ところが、従来のリーク検出回路では、電気自動車用電源がリレーを介して複数の直流電源回路１が並列に接続されて構成されているため、リーク検出装置をリレー２の負荷３側に接続しなければならない。そのため、リレー２がオン状態のときのみリーク検出が可能であり、リレー２がオフ状態でリークが悪化しても再度リレー２がオン状態となるまでリーク検出することができない、という問題を有していた。一方、図３に示すように、各直流電源回路それぞれにリーク検出回路を接続すると、リレー２のオンオフ状態に拘わらず、常時リークの悪化を検出することができるが、部品点数が増加するためコスト高および実装面積の増加を招く、という問題がある。また、図３に示すリーク検出装置では、矩形波がコンデンサ４を通じて各直流電源回路１に引加されるため、リレー２がオン状態の場合、矩形波が重畳してしまい正確なリーク検出が不可能となるため、１つを残して他の矩形波出力を停止しなければならない。

本発明は上記事案に鑑み、簡易な回路構成によりリレーのオン、オフ状態に拘わらず電気自動車用電源のリーク検出が可能なリーク検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、車体と電気的に絶縁された複数の直流電源回路がリレーを介して並列に接続された電気自動車用電源のリークを検出するリーク検出装置において、前記直流電源回路毎にリーク検出用コンデンサを有することで、単一の矩形波出力回路から前記コンデンサを介して矩形波を前記各直流電源回路に引加し、単一の振幅検出回路で前記コンデンサおよび車体グラウンド間の矩形波電圧の振幅または前記コンデンサに流れる電流の振幅を測定することで前記車体および前記電源間のリークを検出することを特徴とする。

本発明では、電気自動車用電源が、車体と電気的に絶縁された複数の直流電源回路がリレーを介して並列に接続されることで構成されている。各直流電源回路はリーク検出用コンデンサを有しており、各コンデンサは単一の矩形波出力回路および振幅検出回路に接続されている。単一の矩形波出力回路から出力された矩形波が各コンデンサを介して各直流電源回路に引加され、単一の振幅検出回路でコンデンサおよび車体グラウンド間の矩形波電圧の振幅またはコンデンサに流れる電流の振幅を測定することで車体と電源（各直流電源回路）との間のリークが検出される。本発明によれば、単一の矩形波出力回路から出力された矩形波が各コンデンサを介して各直流電源回路に引加され、単一の振幅検出回路でコンデンサおよび車体グラウンド間の矩形波電圧の振幅またはコンデンサに流れる電流の振幅を測定することで車体と電源との間のリークが検出されるので、簡易な回路構成により直流電源回路に接続されたリレーのオン、オフ状態に拘わらず電気自動車用電源のリークを検出することができる。

本発明において、矩形波出力回路が、一端が直流電源回路の各最高電位側に接続されたコンデンサの他端に接続された単一の矩形波出力用抵抗を有しており、振幅検出回路が、コンデンサの他端に接続されたＲＣフィルタと該ＲＣフィルタを介して矩形波電圧が入力される演算増幅器とを有するようにしてもよい。また、各コンデンサの一端が直流電源回路の各最高電位側とリレーとの接続点に接続されていることが望ましい。

本発明によれば、単一の矩形波出力回路から出力された矩形波が各コンデンサを介して各直流電源回路に引加され、単一の振幅検出回路でコンデンサおよび車体グラウンド間の矩形波電圧の振幅またはコンデンサに流れる電流の振幅を測定することで車体と電源との間のリークが検出されるので、簡易な回路構成により直流電源回路に接続されたリレーのオン、オフ状態に拘わらず電気自動車用電源のリークを検出することができる、という効果を得ることができる。

以下、本発明に係るリーク検出装置の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態では、電気自動車用電源が、直流電源回路としての直列電池群１がリレー２を介して並列に接続されることで構成されている。直列電池群１は、例えば、複数個のリチウムイオン二次電池を直列接続して構成することができるが、本発明は直流電源回路を構成する電池の種類に制限されるものでなことは云うまでもない。また、リレー２には、例えば、フォトカプラ等を用いた継電器の他、耐高電圧スイッチング素子等を用いるようにしてもよい。なお、各直列電池群１は車体（シャーシ）とは電気的に絶縁されている。

直列電池群１がリレー２を介して並列に接続されることで構成された電気自動車用電源は負荷３に接続されている。負荷３には、例えば、直列電池群１を電源とし電気自動車のモータを駆動する交流回路が含まれている。

本実施形態のリーク検出装置２０は、矩形波出力回路および振幅検出回路としての電圧検出回路を有している。矩形波出力回路は、マイコン６、該マイコン６の（矩形波）出力ポートに一端が接続された矩形波出力用抵抗５、一端が直列電池群１の各最高電位側とリレー２との接続点に接続され他端が抵抗５の他端に接続されたコンデンサ４（リーク検出用コンデンサ）で構成されている。マイコン６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含んで構成されており、上述したように矩形波を出力する出力ポートおよび後述するＡＤ入力を有している。なお、マイコン６は出力ポートから矩形波を出力するために、ＤＡコンバータ（不図示）を内蔵している。

一方、電圧検出回路は、抵抗５とコンデンサ４との接続点に一端が接続された抵抗７、抵抗７の他端に一端が接続され他端がシャーシグラウンドに接続されたコンデンサ８、抵抗７とコンデンサ８との接続点に＋入力端子（正相入力端子）が接続された演算増幅器９、演算増幅器９の出力端子に内蔵したＡＤコンバータ（不図示）の入力側が接続されたマイコン６で構成されている。抵抗７およびコンデンサ８は車両で発生するノイズ成分を削減するためのＲＣフィルタを構成しており、演算増幅器９はバッファとして機能する。なお、演算増幅器９の−入力端子（逆相入力端子）は出力端子に接続されているが、図１では演算増幅器９の一部を構成する抵抗を捨象して示している。

本実施形態のリーク検出装置２０では、矩形波出力回路により、マイコン６の出力ポートから矩形波電圧信号が出力され、矩形波電圧信号は抵抗５、コンデンサ４を介して各直列電池群１に引加される。次いで、その応答信号が電圧検出回路により測定され、車体および電源間のリークが検出される。すなわち、各コンデンサ４およびシャーシグラウンド間の矩形波電圧が抵抗７およびコンデンサ８からなるＲＣフィルタを介してバッファとして機能する演算増幅器９に入力され、演算増幅器９の出力はマイコン９のＡＤ入力に入力されマイコン９のＣＰＵはＡＤコンバータで変換されたデジタル電圧値を取得する。そして、出力ポートから出力した矩形波電圧が既知であるため、マイコン９のＣＰＵは矩形波の応答信号の振幅を測定（時系列的にデジタル電圧値を取得）することでシャーシグラウンドおよび電気自動車用電源間のリークを検出する。

次に、上記実施形態に従って、各抵抗およびコンデンサの値を設定した実施例について説明する。

本例では、コンデンサ４の値を２．５μＦ、抵抗７の値を１００ｋΩ、コンデンサ８の値を０．０１μＦ、矩形波の振幅を５Ｖ_ｐ−ｐ、矩形波の周波数を１０Ｈｚに設定したもので、抵抗５の値を条件Ａでは４３ｋΩ、条件Ｂでは７５０ｋΩとしたものである。

図４にリーク抵抗１０と矩形波の応答信号の振幅の関係を示す。図４に示すように、リーク抵抗１０が小さいほど振幅は小さくなり、リークが悪化したことが検出可能であることが分かる。

以上説明したように、本実施形態のリーク検出装置２０によれば、シャーシと電気的に絶縁された複数の直列電池群１毎にコンデンサ４を有することで、単一の矩形波出力回路から出力された矩形波がコンデンサ４を介して直列電池群１に引加され、単一の電圧検出回路でコンデンサ４およびシャーシグラウンド間の矩形波電圧の振幅を測定することで車体と電気自動車用電源との間のリークが検出されるので、簡易な回路構成により直列電池群１に接続されたリレー２のオン、オフ状態に拘わらず電気自動車用電源のリークを検出することができる。

なお、本実施形態では、振幅検出回路として電圧検出回路を例示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、コンデンサ４に流れる電流の振幅をマイコン６で測定することで車体と電気自動車用電源との間のリークを検出するようにしても、直列電池群１に接続されたリレー２のオン、オフ状態に拘わらず電気自動車用電源のリークを検出することができる。この場合に、コンデンサ４に電流を電圧に変換し、マイコン６で時系列的に電流の振幅を測定するようにしてもよい。また、必要に応じて、コンデンサ４に流れる電流を増幅するようにしてもよい。

また、本実施形態では、コストを考慮し、マイコン６を矩形波出力回路および電圧検出回路（振幅検出回路）の一部として共用した例を示したが、マイコン６に代えて、矩形波出力回路および電圧検出回路をディスクリートで回路構成するようにしてもよい。更に、演算増幅器の一部を構成するＯＰアンプをマイコン６に内蔵するようにしてもよい。

本発明は簡易な回路構成によりリレーのオン、オフ状態に拘わらず電気自動車用電源のリーク検出が可能なリーク検出装置を提供するものであるため、リーク検出装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態のリーク検出装置の回路図である。従来のリーク検出装置の回路図である。従来のリーク検出装置の欠点を補うために考えられるリーク検出装置の回路図である。実施例のリーク検出装置のリーク抵抗と応答波形の振幅との関係を示す特性線図である。

符号の説明

１直列電池群１（直流電源回路）
２リレー
４リーク検出用コンデンサ
５矩形波出力用抵抗（矩形波出力回路の一部）
６マイクロコンピュータ（矩形波出力回路の一部、振幅検出回路の一部）
７抵抗（ＲＣフィルタの一部、振幅検出回路の一部）
８コンデンサ（ＲＣフィルタの一部、振幅検出回路の一部）
９演算増幅器（振幅検出回路の一部）
２０リーク検出装置

Claims

車体と電気的に絶縁された複数の直流電源回路がリレーを介して並列に接続された電気自動車用電源のリークを検出するリーク検出装置において、前記直流電源回路毎にリーク検出用コンデンサを有することで、単一の矩形波出力回路から前記コンデンサを介して矩形波を前記各直流電源回路に引加し、単一の振幅検出回路で前記コンデンサおよび車体グラウンド間の矩形波電圧の振幅または前記コンデンサに流れる電流の振幅を測定することで前記車体および前記電源間のリークを検出することを特徴とするリーク検出装置。
前記矩形波出力回路は、一端が前記直流電源回路の各最高電位側に接続された前記コンデンサの他端に接続された単一の矩形波出力用抵抗を有しており、前記振幅検出回路は、前記コンデンサの他端に接続されたＲＣフィルタと該ＲＣフィルタを介して前記矩形波電圧が入力される演算増幅器とを有することとを特徴とする請求項１に記載のリーク検出装置。
前記各コンデンサの一端は前記直流電源回路の各最高電位側と前記リレーとの接続点に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリーク検出装置。