JP2010068656A - 漏電検出装置およびそれを含む輸送機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の独立した電気システムが存在しても簡単に漏電を検出できる、漏電検出装置およびそれを用いた輸送機器を提供する。
【解決手段】漏電検出装置10は、モータ102と、モータ102に与える電力を蓄えるバッテリ104と、モータ102とバッテリ104とを接続するための第1プラス側配線106aおよび第1マイナス側配線106bと、バッテリ104およびモータ102に電力を与える発電機108と、発電機108とバッテリ104とを並列接続するための第2プラス側配線110aおよび第2マイナス側配線110bとを含む機器100に用いられる。漏電検出装置10は、第1プラス側配線106a、第1マイナス側配線106b、第2プラス側配線110aおよび第2マイナス側配線110bが挿通される零相変流器12と、零相変流器12からの出力電圧に基づいて漏電を検出する検出回路14とを備える。
【選択図】図1

Description

この発明は漏電検出装置およびそれを含む輸送機器に関し、より特定的には負荷に蓄電装置と発電機とが接続される機器に用いられる漏電検出装置およびそれを含む輸送機器に関する。
この種の従来例が特許文献1および2において開示されている。
特許文献1に開示されている電気自動車用ブレーカ装置では、プラス側導通路およびマイナス側導通路のそれぞれにカレントトランスを取り付け、その出力差に基づいて漏電を判定する。
また、特許文献2に開示されて車両用地絡検出装置では、発電装置や蓄電装置などの複数の電気システムが混在するような車両において、1つの検出装置で地絡を検出する。
特開平11−252703号公報 特開2007−20364号公報
しかし、特許文献1の技術では、1つの電気システムに対して2個のカレントトランスが必要であり、複数の電気システムが存在する車両については、カレントトランス出力と制御装置とを接続する配線数が増加してしまう。
また、特許文献2の技術では、パルス発生器と電圧の振幅値変化に基づいて地絡を判定する回路とを含む複雑な装置が必要になる。
それゆえに、この発明の主たる目的は、複数の独立した電気システムが存在しても簡単に漏電を検出できる、漏電検出装置およびそれを用いた輸送機器を提供することである。
上述の目的を達成するために、請求項1に記載の漏電検出装置は、負荷と、負荷に与える電力を蓄える蓄電装置と、負荷と蓄電装置とを接続するための第1プラス側配線および第1マイナス側配線と、蓄電装置および負荷に電力を与える発電機と、発電機と蓄電装置とを並列接続するための第2プラス側配線および第2マイナス側配線とを含む機器に用いられる漏電検出装置であって、第1プラス側配線、第1マイナス側配線、第2プラス側配線および第2マイナス側配線が挿通される零相変流器と、零相変流器からの出力に基づいて漏電を検出する検出手段とを備える。
請求項2に記載の漏電検出装置は、請求項1に記載の漏電検出装置において、零相変流器は、蓄電装置と発電機との電気的な接続点よりも蓄電装置側でありかつ発電機側に設けられることを特徴とする。
請求項3に記載の漏電検出装置は、請求項1に記載の漏電検出装置において、第1プラス側配線、第1マイナス側配線、第2プラス側配線および第2マイナス側配線を電気的に遮断するために零相変流器よりも蓄電装置側および零相変流器よりも発電機側にそれぞれに設けられる遮断手段と、検出手段の検出結果に基づいて遮断手段を制御する制御手段とをさらに備える。
請求項4に記載の輸送機器は、請求項1から3のいずれかに記載の漏電検出装置を含むことを特徴とする。
請求項1に記載の漏電検出装置のように、零相変流器の一次側として第1プラス側配線、第1マイナス側配線、第2プラス側配線および第2マイナス側配線が挿通されている場合、漏電が生じていなければ、第1プラス側配線および第2プラス側配線の各通電電流の和と、第1マイナス側配線および第2マイナス側配線の各通電電流の和とは等しく、零相変流器の二次側からの出力(出力電圧および出力電流)は0である。一方、漏電が生じれば、プラス側配線とマイナス側配線との電流バランスが崩れ、零相変流器の二次側からの出力が正常時から変化する。したがって、零相変流器の二次側からの出力を検出手段で検出することによって、漏電を検出できる。これによって、蓄電装置および発電機などの複数の電気システムが含まれる機器であっても、複雑な装置を用いることなく1つの零相変流器を用いて簡単に漏電を検出できる。
請求項2に記載の漏電検出装置では、零相変流器を、蓄電装置と発電機との電気的な接続点よりも蓄電装置側でありかつ発電機側に設けることによって、発電機を運転して蓄電装置を充電する際にも漏電を検出することができる。したがって、負荷、蓄電装置および発電機のいずれの組合せであっても漏電を検出することができる。
請求項3に記載の漏電検出装置では、漏電を検出した場合、遮断手段によって回路を遮断できる。
近年、負荷に蓄電装置と発電機とを接続した輸送機器が多数提案されており、漏電の検出が重要な課題である。この発明は、蓄電装置と発電機とを含む機器の漏電を簡単に検出できるので、請求項4に記載するように輸送機器に好適に用いることができる。
この発明によれば、蓄電装置および発電機などの複数の電気システムが含まれる機器であっても複雑な装置を用いることなく1つの零相変流器を用いて簡単に漏電を検出できる。
以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施の形態について説明する。
図1を参照して、この発明の一実施形態の漏電検出装置10は、機器100に用いられる。
機器100は、負荷となるモータ102と、バッテリ104と、第1プラス側配線106aおよび第1マイナス側配線106bと、発電機108と、第2プラス側配線110aおよび第2マイナス側配線110bと、開閉回路112とを含む。バッテリ104はモータ102に与える電力を蓄える。モータ102とバッテリ104とは第1プラス側配線106aおよび第1マイナス側配線106bによって接続される。発電機108は、バッテリ104およびモータ102に電力を与える。発電機108とバッテリ104とは第2プラス側配線110aおよび第2マイナス側配線110bによって並列接続される。モータ102への電力の供給タイミングは、モータ102用の図示しない制御回路によってたとえば6つのトランジスタを含む開閉回路112の動作を制御することによって設定される。第2プラス側配線110aは第1プラス側配線106aと接続点114aで接続され、第2マイナス側配線110bは第2マイナス側配線106bと接続点114bで接続される。
このような機器100に用いられる漏電検出装置10は、零相変流器12と、検出部14と、制御回路16と、警告部18と、開閉回路20aおよび20bと、開閉回路22とを含む。
零相変流器12には、その一次側として第1プラス側配線106a、第1マイナス側配線106b、第2プラス側配線110aおよび第2マイナス側配線110bが挿通される。ここで、零相変流器12は、バッテリ104と発電機108との電気的な接続点114aおよび114bよりもバッテリ104側でありかつ発電機108側に設けられる。
また、零相変流器12の二次側には、零相変流器12からの出力電圧に基づいて漏電を検出する検出部14が設けられる。検出部14は、零相変流器12のギャップGに設けられるホール素子モジュール14aと、ホール素子モジュール14aに電流を与える直流電源14bと、ホール素子モジュール14aからの電圧すなわち零相変流器12の二次側からの出力電圧を検出するための電圧検出回路14cとを含む。
制御回路16は、漏電検出装置10の動作を制御するものであり、CPU16aと、メモリ16bと、A/D変換器16cとを含む。
メモリ16bには、図3に示す動作を実行するためのプログラムおよび機器100の回路の遮断の要否を判定するための遮断閾値等のデータが格納されている。
図2(a)に示すデータは、漏電電流と漏電継続時間とに基づいて遮断の要否を判定するためのデータであり、感電災害を防止することを目的としてIEC60479−1の規定に従うものである。ここで、零相変流器12の二次側からの出力電圧は漏電電流に比例するので、図2(a)に示すデータから図2(b)に示すデータを得ることができ、当該出力電圧とその継続時間とに基づいて遮断の要否を判定できる。この実施形態では、当該出力電圧と当該出力電圧毎に決定される重み係数との積(出力電圧×重み係数)を加算した値(漏電積分値)と、所定の遮断閾値との比較結果に基づいて、遮断の要否を判定する。
図2(b)に示すデータを用いる場合、遮断閾値および重み係数はたとえば次のようにして設定される。
図2(b)より、出力電圧が0.3Vの継続時間が2秒を超えると遮断判定領域に入る。この実施形態では、図3に示す処理すなわち出力電圧の検出周期は2ミリ秒であるので、出力電圧は2秒間に1000回(2÷0.002=1000)検出されることになる。したがって、出力電圧が0.3Vの状態が2秒継続する場合には0.3Vが1000回検出されるので、0.3×1000=300を算出し、この値を所定の遮断閾値として設定する。そして、出力電圧が0.3Vのときの重み係数を1に設定する。
また、図2(b)より、出力電圧が2Vの継続時間が0.01秒を超えると遮断判定領域に入る。出力電圧が2Vの状態が0.01秒継続する場合には2Vが5回(0.01÷0.002=5)検出されるので、2×5=10を算出する。この値「10」は上記遮断閾値「300」に相当するものである。したがって、「10」を「300」にすべく、出力電圧が2Vのときの重み係数を30(=300÷10)に設定する。
そして、出力電圧が0.3V以上2V以下の各値の重み係数は、0.6/[(出力電圧)×{2.35−1.17×(出力電圧)}]によって算出される。
図1に戻って、A/D変換器16cは、電圧検出回路14cからの検出電圧をA/D変換してCPU16aに与える。CPU16aは、メモリ16bに格納されたプログラムに従い、メモリ16bおよびA/D変換器16cからのデータに基づいて、警告部18、開閉回路20a,20bおよび開閉回路22等の動作を制御する。
警告部18は、表示部18aおよびブザー18bを含み、CPU16aからの警告出力に基づいて、表示部18aやブザー18bによって警告を発する。
また、開閉回路20aおよび20bはそれぞれ、第1プラス側配線106aおよび第1マイナス側配線106bに設けられ、CPU16aからの遮断制御信号に基づいて遮断動作が制御される。開閉回路22は、たとえば6つのトランジスタを含み、第2プラス側配線110aおよび第2マイナス側配線110bに設けられ、CPU16aからの制御信号に基づいてオン/オフ動作が制御される。ここで、開閉回路20aおよび20bは零相変流器12よりもバッテリ104側に設けられ、開閉回路22は零相変流器12よりも発電機108側に設けられる。
このような漏電検出装置10では、モータ102、バッテリ104および発電機108のいずれにも漏電が生じていなければ、電圧検出回路14cでの検出電圧は0Vである。一方、モータ102、バッテリ104および発電機108のいずれかに漏電が生じれば、プラス側配線106aおよび110aとマイナス側配線106bおよび110bとの電流バランスが崩れ、電圧検出回路14cでの検出電圧が正常時の0Vから変化するので、当該検出電圧に基づいて漏電を検出できる。
この実施形態では、検出部14が検出手段に相当する。開閉回路20a,20bおよび22が遮断手段に相当する。制御回路16が制御手段に相当する。バッテリ104が蓄電装置に相当する。
ついで、図3を参照して、機器100に用いた漏電検出装置10の動作について説明する。
まず、電圧検出回路14cによって零相変流器12からの出力電圧が検出され(ステップS1)、その出力電圧が2Vより大きいか否かがCPU16aによって判断される(ステップS3)。零相変流器12からの出力電圧が2V以下であれば、その出力電圧が0.3V以上か否かがCPU16aによって判断される(ステップS5)。零相変流器12からの出力電圧が0.3V以上であれば、CPU16aによって、その出力電圧に対応する重み係数が、0.6/[(出力電圧)×{2.35−1.17×(出力電圧)}]によって算出される(ステップS7)。そして、CPU16aによって、出力電圧と重み係数との積が算出され、その値がその時点での漏電積分値に加算され(ステップS9)、漏電解消タイマがクリアされる(ステップS11)。ここで、漏電積分値とは、零相変流器12からの出力電圧とその出力電圧に対応する重み係数との積を加算して得られる値をいう。漏電解消タイマは、電圧検出回路14cによって検出される零相変流器12からの出力電圧が0.3V未満である状態の継続時間を計測する。
そして、漏電積分値が所定の遮断閾値(この実施形態では300)より大きいか否かがCPU16aによって判断される(ステップS13)。漏電積分値が所定の遮断閾値より大きければ、CPU16aからの遮断制御信号に基づいて開閉回路20aおよび20bがオフされかつCPU16aからの制御信号に基づいて開閉回路22がオフされ、第1プラス側配線106a、第1マイナス側配線106b、第2プラス側配線110aおよび第2マイナス側配線110bが遮断され、モータ102への通電が遮断される(ステップS15)。そして、CPU16aから警告部18への警告出力に基づいて、表示部18aおよび/またはブザー18bによってオペレーターへ警告され(ステップS17)、終了する。一方、ステップS13において漏電積分値が所定の遮断閾値以下であれば、終了する。
ステップS3において零相変流器12からの出力電圧が2Vより大きければ、直接ステップS15に進む。
また、ステップS5において零相変流器12からの出力電圧が0.3V未満であれば、CPU16aによって、漏電解消タイマが開始あるいは加算され(ステップS19)、漏電解消タイマの値がタイマ閾値(たとえば1秒)より大きいか否かが判断される(ステップS21)。漏電解消タイマの値がタイマ閾値より大きければ、漏電は解消したと判断され、漏電解消タイマと漏電積分値とがクリアされ(ステップS23)、終了する。一方、ステップS21において漏電解消タイマの値がタイマ閾値以下であれば、終了する。ここで、タイマ閾値とは、漏電が解消したか否かを判断するために用いられる閾値をいう。
この実施形態では、図3に示す動作は、2msのインターバルで繰り返し行われる。
このような漏電検出装置10によれば、バッテリ104および発電機108を含む複数の電気システムを備えた機器100であっても、複雑な装置を用いることなく1つの零相変流器12を用いて簡単に漏電を検出できる。
また、外来ノイズなどによる誤動作を防ぎつつ、漏電時には確実に遮断動作を行うことができる。
さらに、零相変流器12を、バッテリ104と発電機108との電気的な接続点114aおよび114bよりもバッテリ104側でありかつ発電機108側に設けることによって、発電機108を運転してバッテリ104を充電する際にも漏電を検出することができる。したがって、モータ102、バッテリ104および発電機108のいずれの組合せであっても漏電を検出することができる。
また、漏電を検出した場合、開閉回路20a,20bおよび開閉回路22によって、第1プラス側配線106a,第1マイナス側配線106b,第2プラス側配線110aおよび第2マイナス側配線110bが遮断されることによって、漏電している部位への電流を確実に遮断できる。
ついで、図4を参照して、この発明の他の実施形態の漏電検出装置10aについて説明する。
漏電検出装置10aの制御回路24は、マイクロコンピュータ以外の電子部品を用いた専用の信号処理回路として構成される。すなわち、制御回路24は、ローパスフィルタ24aと、積分部24bと、遮断判定部24cと、開閉回路駆動部24dとを含む。
ローパスフィルタ24aは電圧検出回路14cによって検出された出力電圧からノイズ成分を除去して、積分部24bに与える。積分部24bでは与えられた電圧値が積算されて漏電積分値が求められる。その漏電積分値は遮断判定部24cにおいて所定の遮断閾値と比較され、遮断の要否が判定される。遮断判定部24cでは、漏電積分値が遮断閾値より大きければ遮断が必要と判断され、一方、漏電積分値が遮断閾値以下であれば遮断は不要と判断され、判定結果に応じた信号が開閉回路駆動部24dに与えられる。開閉回路駆動部24dは、遮断判定部24cから与えられた信号に応じて、開閉回路20a,20bに遮断制御信号を与え、開閉回路22に制御信号を与え、開閉回路20a,20bおよび22の動作を制御する。
なお、ローパスフィルタ24a、積分部24b、遮断判定部24cおよび開閉回路駆動部24dの個々の回路は、汎用の回路またはそれをアレンジすることによって容易に構成できる。その他の構成については、図1に示す漏電検出装置10と同様であるので、その重複する説明は省略する。
このような漏電検出装置10aにおいても漏電検出装置10と同様の効果が得られる。
また、漏電検出装置10は、図5および図6に示すような輸送機器の一例であるハイブリッド式の自動二輪車200にも好適に用いることができる。図5はこの発明の一実施形態の自動二輪車200を示す。図6は自動二輪車200におけるモータ102、バッテリ104、発電機108および零相変流器12の位置関係を示す図解図である。
図5を参照して、自動二輪車200は、前輪202と後輪204とを備える。前輪202と後輪204との間には車両本体206が形成され、車両本体206の中央下部には駆動ユニット208が配置される。また、車両本体206の前側上部には、アクセルグリップとブレーキレバー(図示せず)とを備えたハンドル210が設けられ、車両本体206の中央上部には、シート212が設けられる。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、自動二輪車200のシート212にドライバがそのハンドル210に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。
図6を参照して、駆動ユニット208は、エンジン214、動力分配装置216、駆動力伝達機構218、発電機108、モータ102、減速装置220および駆動輪伝達装置222を備える。
自動二輪車200は、動力源としてのエンジン214およびモータ102を個々に、または組み合わせて駆動輪である後輪204を駆動させるシリーズ・パラレルハイブリッド式の二輪車として構成される。すなわち、自動二輪車200は、エンジン214が発生する駆動力を駆動力伝達機構218を介して動力分配装置216に与えて分割する。そして、減速装置220および駆動輪伝達装置222を介して後輪206を直接駆動する一方、発電機108を作動させて発電させる。そして、発電機108が発電した電力でモータ102を作動させ、動力分配装置216、減速装置220および駆動輪伝達装置222を介して後輪206を駆動する。動力分配装置216が分割する駆動力の割合は、自動二輪車200の走行状態に応じて適宜制御される。なお、発電機108、動力分配装置216およびモータ102は、エンジン214の後方で車幅方向(左右方向)に並び、右側から発電機108、動力分配装置216およびモータ102の順に配置される。
このような駆動ユニット208の中央部右側近傍には、零相変流器12が配置され、そのやや後方にはバッテリ104が配置される。すなわち、零相変流器12は、バッテリ104および発電機108近傍に配置され、かつ接続点114aおよび114bよりもバッテリ104側でありかつ発電機108側に配置される。
このような自動二輪車200によれば、モータ102、発電機108およびエンジン214の配置自由度は小さいので、相対的にバッテリ104の配置自由度が大きくなる。したがって、図6に示すようにバッテリ104を適切な位置に配置することによって、モータ102、発電機108およびバッテリ104を接続する配線長を短くし、配線抵抗による損失を低減できる。
また、バッテリ104はエンジン214を停止しても電力を発生しているので、エンジン214が停止すれば電力を発生しない発電機108と比較すると、感電のリスクが高い。したがって、零相変流器12を発電機108よりもバッテリ104に近接させることによって、零相変流器12とバッテリ104との間の配線劣化による絶縁性低下の影響を受けにくくでき、バッテリ104の漏電をより確実に検出できる。
なお、図6には図示していないが、漏電検出装置10を自動二輪車200に適用する場合においても、図1に示す検出部14、制御回路16、警告部18、開閉回路20a,20bおよび開閉回路22が設けられていることはいうまでもない。
また、漏電検出装置10と同様に、図4に示す漏電検出装置10aを自動二輪車200に適用することもできる。
なお、蓄電装置はバッテリに限定されず、キャパシタ等であってもよい。
また、図2に示す遮断の要否を判定するためのデータは一例であり、具体的な数値はこれに限定されない。
さらに、この発明の漏電検出装置10および10aは、ハイブリッド式以外の自動二輪車にも適用でき、また、自動二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器に好適に用いることができる。この発明の漏電検出装置10および10aは、負荷に蓄電装置と発電機とが接続される任意の機器に用いることができる。
開閉回路20a,20bはリレー等の有接点式に限定されず、トランジスタ等の無接点式でもよい。また、開閉回路22は、トランジスタ等の無接点式に限定されず、リレー等の有接点式でもよい。
検出手段は、零相変流器12からの出力として、出力電圧を検出する場合に限定されず出力電流を検出するようにしてもよい。
この発明の一実施形態の漏電検出装置および機器を示す電気的ブロック図である。 (a)は漏電電流と漏電継続時間とに基づいて遮断の要否を判定するためのデータを示すグラフであり、(b)は零相変流器からの出力電圧とその継続時間とに基づいて遮断の要否を判定するためのデータを示すグラフである。 図1に示す実施形態の漏電検出装置の動作の一例を示すフロー図である。 この発明の他の実施形態の漏電検出装置を示す電気的ブロック図である。 漏電検出装置を含む自動二輪車を示す図解図である。 図5に示す自動二輪車におけるモータ、バッテリ、発電機および零相変流器の位置関係を示す図解図である。
符号の説明
10,10a 漏電検出装置
12 零相変流器
14 電圧回路
16,24 制御回路
18 警告部
20a,20b,22,112 開閉回路
102 モータ
104 バッテリ
106a 第1プラス側配線
106b 第1マイナス側配線
108 発電機
110a 第2プラス側配線
110b 第2マイナス側配線
114a,114b 接続点
200 自動二輪車
208 駆動ユニット
214 エンジン

Claims (4)

  1. 負荷と、前記負荷に与える電力を蓄える蓄電装置と、前記負荷と前記蓄電装置とを接続するための第1プラス側配線および第1マイナス側配線と、前記蓄電装置および前記負荷に電力を与える発電機と、前記発電機と前記蓄電装置とを並列接続するための第2プラス側配線および第2マイナス側配線とを含む機器に用いられる漏電検出装置であって、
    前記第1プラス側配線、前記第1マイナス側配線、前記第2プラス側配線および前記第2マイナス側配線が挿通される零相変流器と、
    前記零相変流器からの出力に基づいて漏電を検出する検出手段とを備える、漏電検出装置。
  2. 前記零相変流器は、前記蓄電装置と前記発電機との電気的な接続点よりも前記蓄電装置側でありかつ前記発電機側に設けられる、請求項1に記載の漏電検出装置。
  3. 前記第1プラス側配線、前記第1マイナス側配線、前記第2プラス側配線および前記第2マイナス側配線を電気的に遮断するために前記零相変流器よりも前記蓄電装置側および前記零相変流器よりも前記発電機側にそれぞれ設けられる遮断手段と、
    前記検出手段の検出結果に基づいて前記遮断手段を制御する制御手段とをさらに備える、請求項1に記載の漏電検出装置。
  4. 請求項1から3のいずれかに記載の漏電検出装置を含む、輸送機器。
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