JP2009287983A - 車両用絶縁抵抗測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定基準の交流電圧にそれより大きい振幅のノイズ電圧が重畳する車両環境下において、ノイズ電圧の影響を受けないようにして測定対象の絶縁抵抗を測定する。
【解決手段】測定用交流電圧発生器６の測定用交流電圧を測定対象のバッテリ２に印加し、バッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇにしたがって振幅変化する交流の印加電圧にノイズ電圧が重畳した電圧を得る。この電圧を反転増幅器１１により極性反転して反転電圧を生成し、同期整流部１２により前記測定用交流電圧に同期してノイズ電圧が重畳した前記交流の印加電圧とその反転電圧とを交互に切り出し、前記交流の印加電圧を同期整流する。さらに、同期整流手段の同期整流出力を電圧測定部１３により時間平均して同期整流出力の前記ノイズ電圧を除去し、電圧測定部１３の時間平均後の電圧から前記ノイズ電圧の影響を受けることなくバッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇを精度よく測定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、走行駆動用のバッテリやモータ等の車両の動作中の測定対象に交流電圧を印加して測定対象の絶縁抵抗を測定する車両用絶縁抵抗測定装置に関し、詳しくは、ノイズ電圧に対する測定精度の向上に関する。

従来、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＶ）等の車両は、搭載した走行駆動用のバッテリの１００Ｖ〜６００Ｖの高電圧の直流電源をインバータにより例えば３相交流に変換し、この３相交流により走行用のモータを駆動して走行する。

ところで、前記走行駆動用のバッテリ等は車体にアースされず、非接地の状態で使用される。そのため、この種の車両においては、前記走行駆動用のバッテリ等の絶縁抵抗を常時測定し、その測定結果から地絡事故の発生を監視して警報出力を行う必要がある。

そして、例えば前記走行駆用のバッテリの絶縁抵抗は、従来、図５の車両１に車両用絶縁抵抗測定装置を搭載し、この車両用絶縁抵抗測定装置により動作中の前記バッテリに小振幅の交流電圧を印加して測定される。

図５において、車両１は例えば電気自動車であり、走行駆動用のバッテリ２、インバータ３、モータ４を備える。バッテリ２、インバータ３、モータ４等の車両１の走行駆動回路部は車両１の車体から絶縁され、非接地状態で動作し、バッテリ２の正端子２ｐ、負端子２ｎ間の例えば１００Ｖ〜６００Ｖの高電圧・大容量の直流電源がインバータ３により３相交流に変換され、インバータ３の３相交流がモータ４に給電され、この給電に基づくモータ４の回転が車両１の駆動輪（前輪又は後輪）に伝達されて車両１が走行する。

つぎに、図５の５Ａは車両用絶縁抵抗測定装置であり、バッテリ２の絶縁抵抗を測定するため、測定用交流電圧発生器６、電圧測定部７を備える。

測定用交流電圧発生器６は、車体を基準の接地電位（０Ｖ）として、図６（ａ）に示すように周期的に正負に変化する小振幅（例えば１Ｖ前後）の矩形波形の測定用交流電圧（測定基準の交流電圧）Ｖｓを発生し、この測定用交流電圧Ｖｓを分圧用の抵抗８、直流カット用のコンデンサ９を介して例えばバッテリ２の負端子２ｎ側に印加する。

このとき、抵抗８とコンデンサ９の接続点ｐの電圧Ｖｐは、本来は、図５に破線で示したバッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇに基づく測定用交流電圧Ｖｓの分圧であり、絶縁抵抗Ｚｇに比例して変化する図６（ｂ）の矩形波形の交流電圧Ｖｇになる。

そして、電圧Ｖｐが接続用の抵抗１０を介して電圧測定部７に入力され、電圧測定部７は、電圧Ｖｐを整流、平滑して電圧Ｖｐの絶対値の積分電圧を形成し、この積分電圧の振幅から絶縁抵抗Ｚｇを測定する。

なお、測定用交流電圧発生器６により矩形波形のパルス電圧を発生し、電圧測定部７により前記電圧Ｖｐに相当するパルス電圧と基準電圧との差分を積分して絶縁抵抗Ｚｇを測定する車両用絶縁抵抗測定装置も提案され、その測定原理は車両用絶縁抵抗測定装置５Ａと同様である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２８６５２２号公報（例えば、要約書、段落［００２６］−［００５８］、［００６９］、図２等）

前記従来の車両用絶縁抵抗測定装置５Ａの場合、図５の接続点ｐの電圧Ｖｐは、主にインバータ３の高周波のノイズ電圧が重畳し、ノイズ電圧の影響を受ける。

そして、前記ノイズ電圧が交流電圧Ｖｇより小振幅の微小なノイズ電圧Ｖｎａであれば、電圧Ｖｐを整流、平滑した電圧測定部７の積分電圧はノイズ電圧Ｖｎａが除かれてノイズ電圧Ｖｎａの影響を受けない。

すなわち、接続点ｐの電圧Ｖｐが、図６（ｂ）の電圧Ｖｇに同図（ｃ）の微小な高周波のノイズ電圧Ｖｎａが重畳した電圧であれば、電圧測定部７の全波整流の電圧Ｖｒｅｇは、同図（ｄ）に示すように交流電圧Ｖｇの絶対値の振幅Ｖｇ＊にノイズ電圧Ｖｎａがそのまま重畳した波形になる。

そして、電圧Ｖｒｅｇを積分して平滑すると、小信号処理の分野でよく知られているように、ノイズ電圧Ｖｎａは時間平均が０になって除去される。そのため、電圧Ｖｒｅｇを平滑して時間平均した電圧Ｖｄｃｘは図６（ｅ）に示すように振幅Ｖｇ＊の直流電圧になり、電圧Ｖｃｄｘの振幅Ｖｇ＊からバッテリ２の絶縁抵抗Ｖｚを測定できる。

しかしながら、接続点ｐの電圧Ｖｐに重畳する実際のノイズ電圧は、数十ボルトの大振幅の高周のノイズ電圧Ｖｎｂである。

この場合、図７（ａ）に示す交流電圧Ｖｇにノイズ電圧Ｖｎｂが重畳することで同図（ｂ）に示す接続点ｐの電圧Ｖｐは、交流電圧Ｖｇの正周期Ｔｐ及び負周期Ｔｎに０Ｖをまたいで大きく変化する。電圧Ｖｐを全波整流した電圧測定部７の電圧Ｖｒｅｇは、図７（ｃ）に示すように正周期Ｔｐには０Ｖ以下の負成分を正側に折り返した電圧になり、負周期Ｔｎにも同様の波形の電圧になる。なお、図７においては、作図上の都合等から各電圧Ｖｇ、Ｖｎｂ、Ｖｐを模式的に示す。そのため、例えば電圧Ｖｇに対する電圧Ｖｎｂの振幅は実際より小さくなっている。また、図７（ｃ）の各斜線部が折り返し部分である。

そのため、電圧Ｖｒｅｇを積分して平滑すると、電圧Ｖｒｅｇに含まれたノイズ電圧Ｖｎｂの時間平均が０にならず、電圧Ｖｄｃｘは図７（ｄ）に示すようにノイズ電圧Ｖｎｂの影響を受けて振幅Ｖｇ＊より大きな振幅Ｖｈ＊になり、振幅Ｖｈ＊からはバッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇを測定できない。

そこで、接続点ｐと電圧測定部７との間にフィルタ回路を設け、電圧Ｖｐの交流電圧Ｖｇのみを抽出して電圧測定部７に入力し、ノイズ電圧Ｖｎｂの影響を受けることなくバッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇを測定することが考えられるが、ノイズ電圧Ｖｎｂによって大きく変動する電圧Ｖｐから交流電圧Ｖｇのみを精度よく抽出するフイルタ回路を作成することは困難であり、実用的でない。

したがって、従来の車両用絶縁抵抗測定装置５Ａは、実際には、ノイズ電圧Ｖｎｂの影響を受けてバッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇを精度よく測定できない問題がある。

そして、例えば車両用絶縁抵抗測定装置５Ａにより、インバータ３からモータ４に給電される３相交流の相線等に測定用交流電圧Ｖｓを印加し、電圧Ｖｐと同様の印加電圧からモータ４等の車内の他の測定対象の絶縁抵抗を測定する場合にも、ノイズ電圧の影響を受けて絶縁抵抗の測定が困難になる。

また、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に搭載される従来のこの種の車両用絶縁抵抗測定装置の場合も、測定対象のバッテリやモータに印加する測定基準の交流電圧にそれより大きい振幅のノイズ電圧が重畳する車両環境下においては、ノイズ電圧の影響によりバッテリやモータの絶縁抵抗の測定が困難になる。

本発明は、測定基準の交流電圧にそれより大きい振幅のノイズ電圧が重畳する車両環境下において、ノイズ電圧の影響を受けないようにして動作中の測定対象の絶縁抵抗を精度よく測定することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の車両用絶縁抵抗測定装置は、車両に搭載された測定対象の絶縁抵抗を測定する車両用絶縁抵抗測定装置であって、前記測定対象に測定基準の交流電圧を印加する交流印加手段と、前記測定対象の印加電圧を極性反転した反転電圧を生成する反転電圧生成手段と、前記交流電圧に同期して前記印加電圧と前記反転電圧とを交互に切り出し、前記印加電圧を同期整流する同期整流手段と、前記同期整流手段の同期整流出力を時間平均した電圧から前記測定対象の絶縁抵抗を測定する測定手段とを備えたことを特徴としている（請求項１）。

請求項１の本発明の車両用絶縁抵抗測定装置の場合、交流印加手段の測定基準の交流電圧を測定対象に印加することにより、測定対象の絶縁抵抗にしたがって振幅変化する交流の印加電圧が発生し、この印加電圧を反転電圧生成手段により極性反転して反転電圧が生成される。

そして、前記測定基準の交流電圧に同期して同期整流手段が前記印加電圧と前記反転電圧とを交互に切り出し、前記印加電圧を同期整流することにより、前記印加電圧に大きな振幅のノイズ電圧が重畳していても、同期整流手段の同期整流出力は、前記測定基準の交流電圧の正周期には正振幅の印加電圧にノイズ電圧が折り返しなくそのまま重畳した波形の電圧になり、前記測定基準の交流電圧の負周期にも同様の波形の電圧になる。

すなわち、前記同期整流出力は、測定対象のバッテリやモータ等の絶縁抵抗にしたがって振幅変化する直流電圧に、大きなノイズ電圧がそのままの波形で重畳した電圧波形になる。

そして、前記同期整流出力を測定手段により時間平均すると、前記ノイズ電圧がランダム電圧であってもその時間平均が０になって除去され、前記ノイズ電圧の影響なく測定対象の絶縁抵抗に比例した振幅の直流電圧が得られる。

そのため、測定対象の印加電圧にそれより大きい振幅のノイズ電圧が重畳する車両環境下において、前記印加電圧を同期整流して時間平均する簡単な構成により、測定手段の時間平均の電圧の振幅から前記ノイズ電圧の影響を受けることなく測定対象の絶縁抵抗を精度よく測定することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図４を参照して詳述する。

（一実施形態）
測定対象を電気自動車の走行駆動用のバッテリとする一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。

図１は車両１に搭載された本実施形態の車両用絶縁抵抗測定装置５Ｂの結線図、図２は車両用絶縁抵抗測定装置５Ｂの動作説明用の波形図、図３は後述の同期整流出力及び時間平均結果の電圧を説明する波形図である。

図１において、図５と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、測定用交流電圧発生器６は本発明の交流印加手段を形成する。

そして、測定用交流電圧発生器６の測定用交流電圧（測定基準の交流電圧）Ｖｓが、抵抗８、コンデンサ９を介して測定対象のバッテリ２の負端子２ｎ側に印加され、抵抗８とコンデンサ９の接続点ｐに、図１に破線で示したバッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇに基づいて測定用交流電圧Ｖｓを分圧した図２（ａ）の矩形波形の交流電圧Ｖｇが発生する。

このとき、主にインバータ３の動作に起因した図２（ｂ）の数十ボルト程度の高周波のノイズ電圧Ｖｎｂが交流電圧Ｖｇに重畳すると、本発明の印加電圧を形成する接続点ｐの電圧Ｖｐは同図（ｃ）に示すようにノイズ電圧Ｖｎｂが交流電圧Ｖｇに重畳し、正周期Ｔｐ及び負周期Ｔｎに０Ｖをまたいで大きく脈動変化する波形になる。なお、図２においては、作図上の都合等から、電圧Ｖｇに対するノイズＶｎｂの振幅を実際より小さくしている。

そして、接続点ｐの電圧Ｖｐは抵抗１０を介して本発明の反転電圧生成手段を形成する反転増幅器１１に送られ、反転増幅器１１は電圧Ｖｐの極性を反転した図２（ｄ）の反転電圧Ｖｑを生成する。

さらに、抵抗１０を介した接続点ｐの電圧Ｖｐと反転増幅器１０の反転電圧Ｖｑは本発明の同期整流手段を形成する同期整流部１２に送られる。

同期整流部１２は、測定用交流電圧Ｖｓによりオンオフするアナログスイッチ１２ａと、測定用交流電圧Ｖｓをインバータゲート１２ｂにより極性反転した電圧によりオンオフするアナログスイッチ１２ｃとを有し、アナログスイッチ１２ａは測定用交流電圧Ｖｓの正周期Ｔｐにオンして正周期Ｔｐの電圧Ｖｐを切り出し、アナログスイッチ１２ｃは測定用交流電圧Ｖｓの負周期Ｔｎにオンして負周期Ｔｎの反転電圧Ｖｑを切り出す。

したがって、同期整流部１２は測定用交流電圧Ｖｓに同期して接続点ｐの電圧Ｖｐと反転電圧Ｖｑとを交互に切り出し、接続点ｐの電圧Ｖｐを同期整流した図２（ｅ）の同期整流出力の電圧Ｖｐｑを後段の電圧測定部１３に出力する。

電圧測定部１３は本発明の測定手段を形成し、前記同期整流出力の電圧Ｖｐｑを全波整流した後、平滑して時間平均する。このとき、同期整流出力の電圧Ｖｐｑは図３（ａ）に模式的に示すように、正周期Ｔｐには交流電圧Ｖｇの正振幅にノイズ電圧Ｖｎｂが折り返しなく重畳した電圧Ｖｐになり、負周期Ｔｎには電圧Ｖｐを極性反転した電圧Ｖｑになる。

そして、図３（ａ）の同期整流出力の電圧Ｖｐｑと、比較のために図３（ｂ）に示した従来の車両用絶縁抵抗測定装置５Ａの電圧測定部７の全波整流した電圧Ｖｒｅｇとの比較からも明らかなように、同期整流出力の電圧Ｖｐｑは、電圧Ｖｒｅｇのような整流に起因したノイズ電圧Ｖｎｂの折り返し部分（図３（ｂ）の斜線部分）がなく、ノイズ電圧Ｖｎｂをそのままの波形で含む。

そのため、電圧測定部１３の時間平均によりノイズ電圧Ｖｎｂが除去され、電圧測定部１３の平滑後（時間平均後）の電圧Ｖｄｃｙは図３（ｃ）に示すように交流電圧Ｖｇの絶対値の振幅Ｖｇ＊になり、この振幅Ｖｇ＊からバッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇが測定される。なお、図３においては作図上の都合等から電圧Ｖｐｑ、Ｖｒｅｇ、Ｖｄｃｙを模式的に示している。

したがって、本実施形態の車両用絶縁抵抗測定装置５Ｂは、１Ｖ前後の測定用交流電圧Ｖｓに数十ボルトの高周波のノイズ電圧Ｖｂｎが重畳する条件下において、電圧測定部１３の時間平均後の電圧Ｖｄｃｙの振幅Ｖｇ＊から、ノイズ電圧Ｖｎｂの影響を受けることなく測定対象のバッテリ２の絶縁抵抗Ｚｇを精度よく測定することができる。

なお、測定用交流電圧Ｖｓは１Ｖ前後の低電圧であり、測定対象のバッテリ２にほとんど影響することがない利点もある。

（他の実施形態）
測定対象を車両１のモータ４とする他の実施形態について、図４を参照して説明する。

図４は本実施形態の車両用絶縁抵抗測定装置５Ｃの結線図であり、この車両用絶縁抵抗測定装置５Ｃが図１の車両用絶縁抵抗測定装置５Ｂと異なる点は、測定用交流電圧発生器６の測定用交流電圧Ｖｓを抵抗８、コンデンサ９を介してモータ４のいずれか１相の相線に印加し、モータ４の絶縁抵抗Ｚｍｇを測定するように構成された点である。

この場合、接続点ｐの電圧Ｖｐはモータ４の絶縁抵抗Ｚｍｇに比例して変化する矩形波形の交流電圧に前記ノイズ電圧Ｖｎｂのようなノイズ電圧が重畳した波形になるが、同期整流部１２の同期整流電圧を電圧測定部１３で整流して時間平均することにより、一実施形態の場合と同様、ノイズ電圧が除去されて電圧測定部１３の時間平均後の電圧の振幅から図４に破線で示すモータ４の絶縁抵抗Ｚｍｇを精度よく測定することができる。

なお、モータ４は各相のコイルがＹ結線又はΔ結線されるので、１相でも地絡すると、接続点ｐの電圧Ｖｐが低下して絶縁抵抗Ｚｍｇが下がる。そのため、測定用交流電圧Ｖｓはモータ４のいずれか１相の相線に印加すれば十分である。

そして、本発明は上記した両実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、測定用交流電圧Ｖｓの大きさ（振幅）は測定条件等に応じて適当に設定してよいのは勿論である。また、測定用交流電圧Ｖｓは正弦波形や三角波形の交流電圧であってもよい。

つぎに、車両用絶縁抵抗測定装置５Ｂ、５Ｃの各部（測定用交流電圧発生部６、反転増幅器１１、同期整流部１２、電圧測定部１３）はどのような構成であってもよく、アナログ又はデジタルの種々回路構成で形成してよい。さらに、測定対象は車両１のバッテリ２、モータ４以外であってもよいのは勿論である。

そして、本発明は、電気自動車だけでなく、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の種々の車両の測定対象の絶縁抵抗の測定に適用することができる。

本発明の一実施形態の車両用絶縁抵抗測定装置の結線図である。 図１の車両用絶縁抵抗測定装置の動作説明用の波形図である。 図１の車両用絶縁抵抗測定装置の同期整流及び時間平均を説明する波形図である。 本発明の他の実施形態の車両用絶縁抵抗測定装置の結線図である。 従来例の結線図である。 図５の従来例のノイズ電圧が小さい場合の動作説明用の波形図である。 図５の従来例のノイズ電圧が大きい場合の動作説明用の波形図である。

符号の説明

１ 車両
２ バッテリ
４ モータ
６ 測定用交流電圧発生器
１１ 反転増幅器
１２ 同期整流部
１３ 電圧測定部
Ｚｇ、Ｚｍｇ 絶縁抵抗

Claims (1)

1. 車両に搭載された測定対象の絶縁抵抗を測定する車両用絶縁抵抗測定装置であって、
   前記測定対象に測定基準の交流電圧を印加する交流印加手段と、
   前記測定対象の印加電圧を極性反転した反転電圧を生成する反転電圧生成手段と、
   前記交流電圧に同期して前記印加電圧と前記反転電圧とを交互に切り出し、前記印加電圧を同期整流する同期整流手段と、
   前記同期整流手段の同期整流出力を時間平均した電圧から前記測定対象の絶縁抵抗を測定する測定手段とを備えたことを特徴とする車両用絶縁抵抗測定装置。

Images