JP2008131675A

JP2008131675A - 電源装置及び漏電検出方法

Info

Publication number: JP2008131675A
Application number: JP2006310482A
Authority: JP
Inventors: Koji Matsumoto; 好司松本
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】高電圧バッテリーに接続されるスイッチに流れる小さな漏電電流も検出することが可能な電源装置及び漏電検出方法を提供することを目的とする。
【解決手段】プリチャージ抵抗３９にかかる電圧に基づいて高電圧バッテリー３１に接続されるスイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流を検出する漏電検出回路４と、その漏電検出回路４とプリチャージ抵抗３９との間に設けられるスイッチ２とを備えて電源装置１を構成し、高電圧バッテリー３１からの出力をプリチャージ抵抗３９が消費しているとき、スイッチ２をオフする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧バッテリーを備える電源装置及びその高電圧バッテリーに接続されるスイッチの漏電検出方法に関する。

一般に、ハイブリッドカーや電気自動車など電動車両の走行用バッテリーは電圧が高く、このような高電圧バッテリーとインバータなどの電子機器との間にはリレーが設けられている。

図３は、既存の電源装置を示す図である。
図３に示す電源装置３０は、高電圧バッテリー３１と、システムメインリレー３２と、制御回路３３と、コンデンサ３４と、電圧監視ユニット３５とを備える。

上記システムメインリレー３２は、高電圧バッテリー３１の高電位側に接続されるスイッチ３６と、高電圧バッテリー３１の低電位側に接続されるスイッチ３７と、スイッチ３７に並列接続されるスイッチ３８と、スイッチ３７に並列接続されると共にスイッチ３８に直列接続されるプリチャージ抵抗３９とを備える。

上記制御回路３３は、制御信号Ｓ１によりスイッチ３６を、制御信号Ｓ２によりスイッチ３７を、制御信号Ｓ３によりスイッチ３８をそれぞれ制御する。
上記コンデンサ３４は、高電圧バッテリー３１からモータ４０の駆動用のインバータ４１へ入力される入力電圧Ｖｉｎを平滑する。

図４は、上記入力電圧Ｖｉｎ及びスイッチ３６〜３８のそれぞれのオン、オフのタイミングチャートを示す図である。
電源装置３０からインバータ４１への電力供給開始時において、まず、制御回路３３は、スイッチ３６をオンにした後、スイッチ３８をオンにする。次に、制御回路３３は、入力電圧Ｖｉｎが十分に上がったところでスイッチ３７をオンにした後、スイッチ３８をオフにする。そして、電源装置３０からインバータ４１への電力供給終了時において、制御回路３３は、スイッチ３７をオフにして入力電圧Ｖｉｎを下げた後、スイッチ３６をオフにする。

このように、スイッチ３８やプリチャージ抵抗３９を備え、上述のように、スイッチ３６〜３８を制御することで、電源装置３０からインバータ４１への電力供給開始時において、プリチャージ抵抗３９により高電圧バッテリー３１の出力を消費させてコンデンサ３４を少しずつ充電し入力電圧Ｖｉｎを徐々に上げることができる。これにより、電源装置３０からインバータ４１への電力供給開始時において、電源装置３０などに流れる突入電流を抑えることができる。（例えば、特許文献１参照）
また、図３に示す電圧監視ユニット３５は、入力電圧Ｖｉｎが所定電圧よりも大きくなることによりスイッチ３６またはスイッチ３８における漏電や溶着を検出する。例えば、電圧監視ユニット３５は、スイッチ３６、３７が共にオフ、かつ、スイッチ３８がオンの場合に入力電圧Ｖｉｎが所定電圧よりも大きいと判断したとき、スイッチ３６に漏電電流が流れているか、または、スイッチ３６が溶着していることを検出する。
特開２００５−２９５６９８号公報

しかしながら、図３に示す既存の電源装置３０の電圧監視ユニット３５では、スイッチ３６またはスイッチ３８に大きな漏電電流が流れて入力電圧Ｖｉｎが大きくなる場合にその漏電電流を検出することができるが、スイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流が数ｍＡ程度と小さく入力電圧Ｖｉｎが微弱な場合、その漏電電流を検出できないという問題がある。

そこで、本発明では、高電圧バッテリーに接続されるスイッチに流れる小さな漏電電流も検出することが可能な電源装置及び漏電検出方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成及び方法を採用した。
すなわち、本発明の電源装置は、高電圧バッテリーと、前記高電圧バッテリーの高電位側に接続される第１のスイッチと、前記高電圧バッテリーの低電位側に接続される第２のスイッチと、前記第２のスイッチに並列接続される第３のスイッチと、前記第２のスイッチに並列接続されると共に前記第３のスイッチに直列接続され、前記高電圧バッテリーからの出力を消費するプリチャージ抵抗と、前記プリチャージ抵抗にかかる電圧に基づいて前記第１または第３のスイッチに流れる漏電電流を検出する漏電検出回路と、前記プリチャージ抵抗と前記漏電検出回路との間に設けられる第４のスイッチと、前記第１〜第４のスイッチをそれぞれ制御する制御回路とを備える。

本発明の電源装置では、第４のスイッチを備えているため、高電圧バッテリーからの出力をプリチャージ抵抗に消費させているとき第４のスイッチをオフすることで、小さな漏電電流も検出可能なように漏電検出回路を構成しても漏電検出回路に大きな電圧がかからず漏電検出回路の破損を回避させることができる。従って、漏電検出回路により第１または第３のスイッチに小さい漏電電流が流れていることも検出することができる。

また、上記制御回路は、前記第１及び第２のスイッチを共にオフ、かつ、前記第３及び第４のスイッチを共にオンにして前記第１のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させるように構成してもよい。

これにより、第１のスイッチに小さい漏電電流が流れていることを検出することができる。
また、上記制御回路は、前記第１及び第４のスイッチを共にオン、かつ、前記第２及び第３のスイッチを共にオフにして前記第３のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させるように構成してもよい。

これにより、第３のスイッチに小さい漏電電流が流れていることを検出することができる。
また、上記制御回路は、前記第１及び第３のスイッチを共にオン、かつ、前記第２のスイッチをオフにして前記高電圧バッテリーからの出力を前記プリチャージ抵抗に消費させているとき前記第４のスイッチをオフにするように構成してもよい。

これにより、高電圧バッテリーからの出力をプリチャージ抵抗に消費させているとき、漏電検出回路に大きな電圧がかかることを防止することができるので、漏電検出回路を小さな漏電電流も検出可能なように構成することができる。

また、本発明の漏電検出方法は、高電圧バッテリーに接続されるメインスイッチをオフ、かつ、前記高電圧バッテリーからの出力を消費するプリチャージ抵抗に直列接続されるプリチャージスイッチ及び前記プリチャージ抵抗と漏電検出回路との間に設けられる漏電検出用スイッチを共にオンにして前記漏電検出回路により前記プリチャージ抵抗にかかる電圧を検出させて前記メインスイッチに流れる漏電電流を検出させ、前記メインスイッチ及び前記漏電検出用スイッチを共にオン、かつ、前記プリチャージスイッチをオフにして前記漏電検出回路により前記プリチャージ抵抗にかかる電圧を検出させて前記プリチャージスイッチに流れる漏電電流を検出させ、前記メインスイッチ及び前記プリチャージスイッチを共にオンにして前記高電圧バッテリーからの出力を前記プリチャージ抵抗に消費させているとき前記漏電検出用スイッチをオフする。

本発明によれば、高電圧バッテリーを備える電源装置において、その高電圧バッテリーに接続されるスイッチに流れる漏電電流が小さい場合でもその漏電電流を検出することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態の電源装置を示す図である。なお、図３に示す電源装置３０と同じ構成には同じ符号を付している。

図１に示す電源装置１は、高電圧バッテリー３１と、システムメインリレー３２と、コンデンサ３４と、電圧監視ユニット３５と、スイッチ２と、制御回路３と、漏電検出回路４とを備える。なお、電源装置１に接続される電子機器は、インバータ４１に限定されない。

本実施形態の電源装置１における電圧監視ユニット３５は、図３に示す既存の電源装置３０における電圧監視ユニット３５と同様に、入力電圧Ｖｉｎが所定電圧よりも大きいと判断したとき、スイッチ３６またはスイッチ３８に大きな漏電電流が流れていることやスイッチ３６またはスイッチ３８が溶着していることを検出する。

上記スイッチ２は、スイッチ３８とプリチャージ抵抗３９との接続点と、漏電検出回路４との間に設けられている。
上記漏電検出回路４は、抵抗５〜８と、ダイオード９、１０と、オペアンプ１１とを備えて構成されている。すなわち、オペアンプ１１の出力端子は抵抗８を介してオペアンプ１１のマイナス入力端子に接続されている。オペアンプ１１のプラス入力端子とスイッチ２を介したプリチャージ抵抗３９の一方端との間に抵抗５が設けられ、オペアンプ１１のマイナス入力端子とプリチャージ抵抗３９の他方端との間に抵抗６が設けられている。抵抗７の一方端は抵抗５とオペアンプ１１のプラス入力端子との接続点に接続され、抵抗７の他方端はグランドに接続されている。ダイオード９のカソード端子は所定電圧の電源に接続され、ダイオード９のアノード端子は抵抗５とオペアンプ１１のプラス入力端子との接続点に接続されている。ダイオード１０のカソード端子は、抵抗６とオペアンプ１１のマイナス入力端子との接続点に接続され、ダイオード１０のアノード端子はグランドに接続されている。このダイオード９、１０によりオペアンプ１１の電源電圧以上の電圧がオペアンプ１１に入力されることを防止することができる。

上記漏電検出回路４は、プリチャージ抵抗３９にかかる電圧に基づいて、スイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流を検出する。すなわち、漏電検出回路４はプリチャージ抵抗３９にかかる電圧をオペアンプ１１により増幅して出力するものであって、スイッチ２がオンしているときオペアンプ１１から出力される電圧が通常時の電圧（スイッチ３６またはスイッチ３８に漏電電流が流れていないときにプリチャージ抵抗３９にかかる電圧）よりも大きいときスイッチ３６またはスイッチ３８に漏電電流が流れていることになる。また、オペアンプ１１の出力は、例えば、Ａ／Ｄ回路に出力されてアナログからデジタルに変換された後、所定回路に出力されてその所定回路からユーザなどへスイッチ３６またはスイッチ３８に漏電電流が流れている旨が知らされる。

上記制御回路３は、制御信号Ｓ１によりスイッチ３６（第１のスイッチまたはメインスイッチ）を、制御信号Ｓ２によりスイッチ３７（第２のスイッチ）を、制御信号Ｓ３によりスイッチ３８（第３のスイッチまたはプリチャージスイッチ）を、制御信号Ｓ４によりスイッチ２（第４のスイッチまたは漏電検出用スイッチ）をそれぞれ制御する。

図２は、本実施形態の電源装置１における入力電圧Ｖｉｎ及びスイッチ２、３６〜３８のそれぞれのタイミングチャートを示す図である。
本実施形態の電源装置１では、インバータ４１への電力供給の前の所定期間において、漏電検出回路４がプリチャージ抵抗３９にかかる電圧に基づいてスイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流を検出する。

まず、漏電検出回路４は、図２に示す期間ｔ１において、スイッチ３６に流れる漏電電流を検出する。この期間ｔ１において制御回路３はスイッチ２、３８を共にオンにし、スイッチ３６、３７を共にオフにしている。この状態のとき、スイッチ３６に漏電電流が流れていると、プリチャージ抵抗３９にかかる電圧が通常時の電圧よりも大きくなり、漏電検出回路４から出力される電圧も通常（スイッチ３６またはスイッチ３８に漏電電流が流れていないとき）より大きくなる。なお、図２に示す場合では期間ｔ１の前からスイッチ２をオンにしているが、期間ｔ１の前においてスイッチ２をオフにしておき期間ｔ１の開始時にスイッチ２をオンにしてもよい。

次に、漏電検出回路４は、図２に示す期間ｔ２において、スイッチ３８に流れる漏電電流を検出する。このとき、制御回路３は、スイッチ２、３６を共にオンにし、スイッチ３７、３８を共にオフにしている。この状態のとき、スイッチ３８に漏電電流が流れていると、プリチャージ抵抗３９にかかる電圧が通常時の電圧よりも大きくなり、漏電検出回路４から出力される電圧も通常より大きくなる。なお、図２に示す場合では期間ｔ２の前からスイッチ２をオンにしているが、期間ｔ２の前においてスイッチ２をオフにしておき期間ｔ２の開始時にスイッチ２をオンにしてもよい。

このように、漏電検出回路４から出力される電圧が通常よりも大きくなることで、ユーザや電源装置１などはスイッチ３６またはスイッチ３８に漏電電流が流れていることを認識することができる。

また、本実施形態の電源装置１におけるインバータ４１への電力供給開始時及び終了時のスイッチ３６〜３８の制御は、図３に示す電源装置３０におけるスイッチ３６〜３８の制御と同様であるが、本実施形態の電源装置１では、さらに、スイッチ３８をオンする前にスイッチ２をオフにし、スイッチ３８をオフした後にスイッチ２をオンしている。すなわち、本実施形態の電源装置１は、少なくともスイッチ３６、３８を共にオン、かつ、スイッチ３７をオフにして高電圧バッテリー３１からの出力をプリチャージ抵抗３９に消費させているとき、スイッチ２をオフしている。なお、スイッチ２のオフタイミングはスイッチ３８のオンタイミングと同時以前となるように設定する。スイッチ２のオンタイミングはスイッチ３８のオフタイミングと同時以後となるように設定する。

このように、本実施形態の電源装置１では、プリチャージ抵抗３９により高電圧バッテリー３１からの出力が消費されているときにスイッチ２をオフするように構成しているので、プリチャージ時に漏電検出回路４に大きな電圧がかからないようにすることができる。これにより、小さな漏電電流（例えば、数ｍＡ程度）でも検出可能なように漏電検出回路４を構成することができるので、スイッチ３６やスイッチ３８に小さな漏電電流が流れていることを検出することができる。

また、図３に示す既存の電源装置３０では、入力電圧Ｖｉｎに基づいてスイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流を検出しているが、スイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流が小さくコンデンサ３４の容量が大きい場合、漏電電流を検出するまでに時間がかかってしまうという問題がある。

また、図３に示す既存の電源装置３０では、入力電圧Ｖｉｎに基づいてスイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流を検出しているため、コンデンサ３４の放電用抵抗を備えている場合、その放電用抵抗によりスイッチ３６またはスイッチ３８に流れる小さな漏電電流を検出することが難しいという問題がある。

一方、本実施形態の電源装置１では、プリチャージ抵抗３９にかかる電圧に応じた電圧を漏電検出回路４から出力する構成であるため、スイッチ３６またはスイッチ３８に流れる電流に応じた電圧が漏電検出回路４から出力される。そのため、漏電電流が小さくても、時間がかかることなく、かつ、確実に漏電電流を検出することができる。

また、漏電検出回路４の破損を防止するためにスイッチ２を備える代わりに抵抗５、６の抵抗値をそれぞれ大きくすることも考えられるが、そのように構成した場合は、オペアンプ１１の入力段のインピーダンスが大きくなることにより、オペアンプ１１における耐ノイズ性が悪化したり、オペアンプ１１の入力バイアス電流に影響がでてしまう。

一方、本実施形態の電源装置１では、スイッチ２によりプリチャージ抵抗３９と漏電検出回路４とを切り離すことで漏電検出回路４の破損を防止しているため、オペアンプ１１の入力段のインピーダンスを大きくする必要がなく、オペアンプ１１における耐ノイズ性が悪化したり、オペアンプ１１の入力バイアス電流に影響がでることはない。

なお、上記実施形態では、スイッチ３６に流れる漏電電流を検出した後、スイッチ３８に流れる漏電電流を検出する構成であるが、スイッチ３８に流れる漏電電流を検出した後、スイッチ３６に流れる漏電電流を検出してもよい。

また、上記実施形態では、スイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流の検出をコンデンサ３４のプリチャージ期間を含むインバータ４１への電力供給期間前に行う構成であるが、スイッチ３６またはスイッチ３８に流れる漏電電流の検出をインバータ４１への電力供給終了後、すなわち、スイッチ３６、３７が共にオフした後に行ってもよい。

また、上記実施形態において、スイッチ２、３６〜３８は、それぞれ、メカニカルスイッチで構成してもよいし、半導体スイッチで構成してもよい。
なお、第１のスイッチに流れる漏電電流を検出する際、及び、第３のスイッチに流れる漏電電流を検出する際に、第２のスイッチをオフにするのが好ましいが、第２のスイッチをオフすることに限定されない。

本発明の実施形態の電源装置を示す図である。本実施形態の電源装置における入力電圧Ｖｉｎ及び各スイッチのそれぞれのオン、オフのタイミングチャートを示す図である。既存の電源装置を示す図である。既存の電源装置における入力電圧Ｖｉｎ及び各スイッチのそれぞれのオン、オフのタイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１電源装置
２スイッチ
３制御回路
４漏電検出回路
５抵抗
６抵抗
７抵抗
８抵抗
９ダイオード
１０ダイオード
１１オペアンプ
３０電源装置
３１高電圧バッテリー
３２システムメインリレー
３３制御回路
３４コンデンサ
３５電圧監視ユニット
３６スイッチ
３７スイッチ
３８スイッチ
３９プリチャージ抵抗
４０モータ
４１インバータ

Claims

高電圧バッテリーと、
前記高電圧バッテリーの高電位側に接続される第１のスイッチと、
前記高電圧バッテリーの低電位側に接続される第２のスイッチと、
前記第２のスイッチに並列接続される第３のスイッチと、
前記第２のスイッチに並列接続されると共に前記第３のスイッチに直列接続され、前記高電圧バッテリーからの出力を消費するプリチャージ抵抗と、
前記プリチャージ抵抗にかかる電圧に基づいて前記第１または第３のスイッチに流れる漏電電流を検出する漏電検出回路と、
前記プリチャージ抵抗と前記漏電検出回路との間に設けられる第４のスイッチと、
前記第１〜第４のスイッチをそれぞれ制御する制御回路と、
を備える、
ことを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、前記第１のスイッチをオフ、かつ、前記第３及び第４のスイッチを共にオンにして前記第１のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させ、前記第１及び第４のスイッチを共にオン、かつ、前記第３のスイッチをオフにして前記第３のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させ、前記高電圧バッテリーからの出力を前記プリチャージ抵抗に消費させているとき前記第４のスイッチをオフにすることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、前記第１のスイッチをオフ、かつ、前記第３及び第４のスイッチを共にオンして前記第１のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、前記第１及び第４のスイッチを共にオン、かつ、前記第３のスイッチをオフにして前記第３のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させることを特徴とする電源装置。
請求項２または請求項３に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、さらに、前記高電圧バッテリーからの出力を前記プリチャージ抵抗に消費させているとき前記第４のスイッチをオフにすることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、前記第１及び第２のスイッチを共にオフ、かつ、前記第３及び第４のスイッチを共にオンにして前記第１のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させた後、前記第１及び第４のスイッチを共にオン、かつ、前記第２及び第３のスイッチを共にオフにして前記第３のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させた後、前記第１及び第３のスイッチを共にオン、かつ、前記第２のスイッチをオフにして前記高電圧バッテリーからの出力を前記プリチャージ抵抗に消費させているとき前記第４のスイッチをオフにする、
ことを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、前記第１及び第２のスイッチを共にオフ、かつ、前記第３及び第４のスイッチを共にオンして前記第１のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、前記第１及び第４のスイッチを共にオン、かつ、前記第２及び第３のスイッチを共にオフして前記第３のスイッチに流れる漏電電流を前記漏電検出回路に検出させることを特徴とする電源装置。
請求項６または請求項７に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、さらに、前記第１及び第３のスイッチを共にオン、かつ、前記第２のスイッチをオフにして前記高電圧バッテリーからの出力を前記プリチャージ抵抗に消費させているとき前記第４のスイッチをオフにすることを特徴とする電源装置。
高電圧バッテリーに接続されるメインスイッチをオフ、かつ、前記高電圧バッテリーからの出力を消費するプリチャージ抵抗に直列接続されるプリチャージスイッチ及び前記プリチャージ抵抗と漏電検出回路との間に設けられる漏電検出用スイッチを共にオンにして前記漏電検出回路により前記プリチャージ抵抗にかかる電圧を検出させて前記メインスイッチに流れる漏電電流を検出させ、
前記メインスイッチ及び前記漏電検出用スイッチを共にオン、かつ、前記プリチャージスイッチをオフにして前記漏電検出回路により前記プリチャージ抵抗にかかる電圧を検出させて前記プリチャージスイッチに流れる漏電電流を検出させ、
前記メインスイッチ及び前記プリチャージスイッチを共にオンにして前記高電圧バッテリーからの出力を前記プリチャージ抵抗に消費させているとき前記漏電検出用スイッチをオフする、
ことを特徴とする漏電検出方法。
高電圧バッテリーに接続されるメインスイッチをオフ、かつ、前記高電圧バッテリーからの出力を消費するプリチャージ抵抗に直列接続されるプリチャージスイッチ及び前記プリチャージ抵抗と漏電検出回路との間に設けられる漏電検出用スイッチを共にオンにして前記漏電検出回路により前記プリチャージ抵抗にかかる電圧を検出させて前記メインスイッチに流れる漏電電流を検出させることを特徴とする漏電検出方法。
高電圧バッテリーに接続されるメインスイッチ及び前記高電圧バッテリーからの出力を消費するプリチャージ抵抗と前記プリチャージ抵抗に並列接続される漏電検出回路との間に設けられる漏電検出用スイッチを共にオン、かつ、前記プリチャージ抵抗に直列接続されるプリチャージスイッチをオフにして前記漏電検出回路により前記プリチャージ抵抗にかかる電圧を検出させて前記プリチャージスイッチに流れる漏電電流を検出させることを特徴とする漏電検出方法。