JP2013024694A - 漏電状態の検出装置および検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁抵抗の抵抗値を特定することができる検出装置および検出方法を提供する。
【解決手段】 検出装置は、直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、直流電源を収容するケースに接続された直流電源における漏電状態を検出する。検出装置は、交流電源と、追加抵抗と、電圧検出回路と、演算部とを有する。交流電源は、検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、直流電源の負極端子と接続されるとともに、ケースに接続されており、交流信号を出力する。追加抵抗は、絶縁抵抗に対して並列に接続される。電圧検出回路は、検出抵抗の電圧を検出し、検出情報を演算部に出力する。演算部は、電圧検出回路の検出結果を用いて、絶縁抵抗および追加抵抗の合成抵抗の抵抗値を特定するとともに、合成抵抗の抵抗値から絶縁抵抗の抵抗値を特定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電源の漏電状態を検出する検出装置および検出方法に関するものである。

電池パックは、複数の単電池によって構成される組電池と、組電池を収容するケースとを有している。ここで、例えば、電池パックを出荷するときには、組電池が漏電しているか否かの検出を行っている。

組電池の漏電検出では、交流電源を、検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、組電池の負極端子に接続しておき、検出抵抗およびカップリングコンデンサの接続点における電圧を検出している。そして、検出電圧が閾値よりも低いときには、組電池が漏電していると判別している。

特開平０８−０４５５３８号公報 特開２００７−０３３２４９号公報 特開２０１０−１８１３６８号公報 特開２００９−０８５８３０号公報

上述した従来の漏電検出では、組電池が漏電しているか否かの検出を行っているだけであり、絶縁抵抗の抵抗値を特定するものではない。また、絶縁抵抗の抵抗値は、検出抵抗の抵抗値よりも高すぎるため、絶縁抵抗の抵抗値を特定し難いことがある。

また、組電池の漏電は、漏電電流がカップリングコンデンサに流れたときに検出することができるが、絶縁抵抗の抵抗値が低下したとしても、漏電電流によってカップリングコンデンサが充電させるまでに時間がかかってしまうこともある。

本願第１の発明は、直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、直流電源を収容するケースに接続された直流電源における漏電状態を検出する検出装置である。検出装置は、交流電源と、追加抵抗と、電圧検出回路と、演算部とを有する。交流電源は、検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、直流電源の負極端子と接続されるとともに、ケースに接続されており、交流信号を出力する。追加抵抗は、絶縁抵抗に対して並列に接続される。電圧検出回路は、検出抵抗の電圧を検出し、検出情報を演算部に出力する。演算部は、電圧検出回路の検出結果を用いて、絶縁抵抗および追加抵抗の合成抵抗の抵抗値を特定するとともに、合成抵抗の抵抗値から絶縁抵抗の抵抗値を特定する。

本願第１の発明によれば、絶縁抵抗に対して追加抵抗を並列に接続することにより、絶縁抵抗および追加抵抗の合成抵抗の抵抗値を特定しやすくなり、合成抵抗の抵抗値に基づいて、絶縁抵抗の抵抗値を特定することができる。

電圧検出回路による検出電圧が閾値よりも低いときに、絶縁抵抗の抵抗値が低下していると判別することができる。すなわち、絶縁抵抗の抵抗値が低下しているときには、直流電源が漏電していると判別することができる。

合成抵抗の抵抗値は、検出抵抗の抵抗値よりも低くすることができる。これにより、合成抵抗の抵抗値を特定しやすくなる。

追加抵抗は、絶縁抵抗の抵抗値を特定するときに、絶縁抵抗に接続することができる。言い換えれば、絶縁抵抗の抵抗値を特定した後においては、追加抵抗を取り外すことができる。追加抵抗は、具体的には、直流電源の正極端子と、ケースとに接続することができる。

本願第２の発明は、直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、直流電源を収容するケースに接続された直流電源における漏電状態を検出する検出装置である。本願第２の発明である検出装置は、本願第１の発明と同様に、交流電源と、追加抵抗と、電圧検出回路とを有する。演算部は、電圧検出回路による検出電圧が閾値よりも低いときに、絶縁抵抗の抵抗値が低下していると判別することができる。

本願第２の発明によれば、絶縁抵抗に対して追加抵抗を並列に接続することにより、追加抵抗において、電流（特に、漏電電流）を流しやすくなり、この電流によって、カップリングコンデンサを素早く充電することができる。カップリングコンデンサの充電を素早く行うことにより、検出電圧が閾値よりも低いか否かの判別を短時間で行うことができる。

本願第３の発明は、直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、直流電源を収容するケースに接続された直流電源における漏電状態を検出する検出方法である。この検出方法では、検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、直流電源の負極端子と接続されるとともに、ケースに接続された交流電源が交流信号を出力するとき、絶縁抵抗に対して追加抵抗を並列に接続した状態において、検出抵抗の電圧を検出する。そして、検出抵抗における検出電圧を用いて、絶縁抵抗および追加抵抗の合成抵抗の抵抗値を特定するとともに、合成抵抗の抵抗値から絶縁抵抗の抵抗値を特定することができる。本願第３の発明においても、本願第１の発明と同様の効果を得ることができる。

本願第４の発明は、直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、直流電源を収容するケースに接続された直流電源における漏電状態を検出する検出方法である。この検出方法では、検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、直流電源の負極端子と接続されるとともに、ケースに接続された交流電源が交流信号を出力するとき、絶縁抵抗に対して追加抵抗を並列に接続した状態において、検出抵抗の電圧を検出する。そして、検出抵抗における検出電圧が閾値よりも低いときに、絶縁抵抗の抵抗値が低下していると判別することができる。本願第４の発明においても、本願第２の発明と同様の効果を得ることができる。

実施例１において、組電池の漏電状態を検出する構成を示す概略図である。 実施例１の変形例において、漏電状態の検出が正常に動作しているか否かを判別する構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本実施例の電池パック１は、組電池（直流電源に相当する）１０およびパックケース２０を有する。パックケース２０は、組電池１０を収容しており、金属で形成することができる。

組電池１０は、直列に接続された複数の単電池１１を有する。単電池１１は、正極端子および負極端子を有している。直列に接続される２つの単電池１１に関して、一方の単電池１１の正極端子と、他方の単電池１１の負極端子とは、バスバーを介して電気的に接続される。

単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。本実施例では、組電池１０が、直列に接続された複数の単電池１１で構成されているが、これに限るものではない。並列に接続された複数の単電池１１が組電池１０に含まれていてもよい。

組電池１０は、負荷４０と接続することができる。組電池１０を車両に搭載するときには、負荷４０として、例えば、モータ・ジェネレータを用いることができる。モータ・ジェネレータは、組電池１０からの電力を受けることにより、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータで生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。

また、車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換して、組電池１０に出力する。これにより、組電池１０は、回生電力を蓄えることができる。

組電池１０およびモータ・ジェネレータの間には、インバータや昇圧回路を配置することができる。インバータを用いれば、組電池１０から出力された直流電力を交流電力に変換することができ、モータ・ジェネレータとして、交流モータを用いることができる。昇圧回路を用いれば、組電池１０の出力電圧を昇圧して、昇圧後の電力をモータ・ジェネレータに供給することができる。

組電池１０は、絶縁抵抗Ｒ２を介してパックケース２０と接続されている。絶縁抵抗Ｒ２は、組電池１０の正極端子およびパックケース２０に接続されている。絶縁抵抗Ｒ２は、高抵抗であるため、組電池１０は、パックケース２０に対して電気的に絶縁された状態となっている。絶縁抵抗Ｒ２には、追加抵抗Ｒ３が並列に接続される。

追加抵抗Ｒ３は、組電池１０の漏電状態を検出するときに用いられる。例えば、製造後の電池パック１を出荷するときに、組電池１０の漏電状態を検出することができ、このときに追加抵抗Ｒ３が用いられる。漏電状態には、組電池１０が漏電しているか否かの状態や、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値の状態が含まれる。

追加抵抗Ｒ３および絶縁抵抗Ｒ２の合成抵抗Ｒ４の抵抗値は、後述する検出抵抗Ｒ１の抵抗値よりも低くなっている。この条件を満たすように、追加抵抗Ｒ３の抵抗値が設定される。

追加抵抗Ｒ３は、電池パック１に備え付けられるものではなく、例えば、電池パック１を車両に搭載するときには、追加抵抗Ｒ３は、電池パック１から外される。組電池１０の漏電状態を検出するときには、追加抵抗Ｒ３の一端が、組電池１０の正極端子と接続され、追加抵抗Ｒ３の他端がパックケース２０と接続される。

追加抵抗Ｒ３としては、追加抵抗Ｒ３の抵抗値を有するものであれば、いかなる機器を用いることもできる。例えば、抵抗器を用意しておき、抵抗器に接続された配線を、組電池１０の正極端子およびパックケース２０に接続することができる。パックケース２０への接続位置は、適宜設定することができる。組電池１０への接続位置は、組電池１０の正極端子と接続されるライン上であればよい。例えば、組電池１０への接続位置としては、組電池１０の正極端子として機能する単電池１１の正極端子としたり、組電池１０の正極端子に接続された高圧ケーブルとしたりすることができる。

漏電検出回路３０は、組電池１０の負極端子と、パックケース２０とに接続されている。漏電検出回路３０は、交流電源３１、検出抵抗Ｒ１およびカップリングコンデンサ３２を有する。カップリングコンデンサ３２の一端は、組電池１０の負極端子と接続され、カップリングコンデンサ３２の他端は、検出抵抗Ｒ１と接続されている。

検出抵抗Ｒ１およびカップリングコンデンサ３２の接続点Ｐには、この接続点Ｐの電圧（検出抵抗Ｒ１の電圧）を検出する電圧検出回路３３が接続されている。電圧検出回路３３の検出情報は、マイクロコンピュータ（マイコンという、演算部に相当する）５０に出力される。交流電源３１は、検出抵抗Ｒ１およびパックケース２０に接続されており、所定周波数の交流信号を出力する。

本実施例によれば、組電池１０の漏電状態を検出することができる。具体的には、交流電源３１から交流信号を出力し、検出抵抗Ｒ１およびカップリングコンデンサ３２の接続点Ｐにおける電圧を、電圧検出回路３３によって検出する。検出電圧は、組電池１０が漏電していないときには低下しないが、組電池１０が漏電しているときには低下する。すなわち、組電池１０の漏電によって絶縁抵抗Ｒ２が低下すると、検出電圧も低下する。

したがって、マイコン５０は、検出電圧を監視することにより、組電池１０が漏電しているか否かを判別（検出）することができる。すなわち、マイコン５０は、検出電圧が閾値よりも低いときには、組電池１０が漏電していると判別することができる。閾値は、組電池１０の漏電状態を考慮して、予め設定された値である。閾値に関する情報は、メモリに格納しておくことができ、マイコン５０は、メモリから閾値に関する情報を取得することができる。

本実施例では、絶縁抵抗Ｒ２に対して追加抵抗Ｒ３が並列に接続された状態において、組電池１０の漏電検出を行っているが、追加抵抗Ｒ３を省略した構成であっても、組電池１０が漏電しているか否かを判別（検出）することができる。

また、本実施例では、追加抵抗Ｒ３を用いることにより、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値を取得することができる。絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値を取得するときには、絶縁抵抗Ｒ２に対して、追加抵抗Ｒ３が並列に接続される。

電圧検出回路３３によって、検出抵抗Ｒ１およびカップリングコンデンサ３２の接続点Ｐにおける電圧Ｖ１を検出すれば、マイコン５０は、絶縁抵抗Ｒ２および追加抵抗Ｒ３の合成抵抗Ｒ４における抵抗値を特定（算出）することができる。すなわち、検出電圧Ｖ１と、交流電源３１の電圧Ｖｔと、検出抵抗Ｒ１の抵抗値とに基づいて、合成抵抗Ｒ４の抵抗値を特定することができる。

具体的には、下記式（１）に基づいて、合成抵抗Ｒ４の抵抗値を特定することができる。
Ｖ１／Ｒ１＝（Ｖｔ−Ｖ１）／Ｒ４ ・・・（１）
式（１）において、Ｒ１は、検出抵抗Ｒ１の抵抗値を示し、Ｒ４は、検出抵抗Ｒ４の抵抗値を示す。

一方、合成抵抗Ｒ４の抵抗値は、下記式（２）に基づいて求めることができる。

Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３） ・・・（２）
ここで、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、絶縁抵抗Ｒ２，追加抵抗Ｒ３および合成抵抗Ｒ４の抵抗値をそれぞれ示している。

上記式（２）を変形すると、下記式（３）が得られる。
Ｒ２＝Ｒ３×Ｒ４／（Ｒ３−Ｒ４） ・・・（３）

追加抵抗Ｒ３の抵抗値は、予め決められているため、合成抵抗Ｒ４の抵抗値を取得できれば、上記式（３）に基づいて、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値を算出することができる。

本実施例によれば、絶縁抵抗Ｒ２に対して、追加抵抗Ｒ３を並列に接続するだけで、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値を特定することができる。すなわち、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値の低下（言い換えれば、組電池１０の漏電）を検出することができる構成において、追加抵抗Ｒ３を用意しておくだけでよい。

組電池１０が漏電しているか否かを判別（検出）するときの感度を向上させるためには、検出抵抗Ｒ１の抵抗値を低下させることが好ましい。これに伴い、検出抵抗Ｒ１の抵抗値として取り得る範囲の上限値も低下する。ここで、検出抵抗Ｒ１の抵抗値を低下させると、検出抵抗Ｒ１および絶縁抵抗Ｒ２における抵抗値の差が広がってしまう。このような構成では、漏電検出回路３０を用いて、絶縁抵抗Ｒ２を特定することは困難である。

追加抵抗Ｒ３を用いない場合には、下記式（４）に基づいて、絶縁抵抗Ｒ２を理論上、特定することができる。

Ｖ１／Ｒ１＝（Ｖｔ−Ｖ１）／Ｒ２ ・・・（４）
式（４）において、Ｖ１は、式（１）で説明した検出電圧を示し、Ｖｔは、交流電源３１の電圧を示す。Ｒ１は、検出抵抗Ｒ１の抵抗値を示し、Ｒ２は、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値を示す。

一般的には、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値は、検出抵抗Ｒ１の抵抗値よりも、はるかに高く、抵抗値の桁が異なることもあるため、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値を正確に特定することは困難である。

本実施例では、絶縁抵抗Ｒ２に対して追加抵抗Ｒ３を並列に接続することにより、絶縁抵抗Ｒ２および追加抵抗Ｒ３の合成抵抗Ｒ４の抵抗値を低下させている。そして、合成抵抗Ｒ４の抵抗値を、検出抵抗Ｒ１の抵抗値よりも低くしている。これにより、検出抵抗Ｒ１の抵抗値を用いて、合成抵抗Ｒ４の抵抗値を特定するときに、合成抵抗Ｒ４の抵抗値として、正確な値が得やすい。合成抵抗Ｒ４の抵抗値を特定できれば、上述したように、絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値を特定することができる。

本実施例では、合成抵抗Ｒ４の抵抗値を、検出抵抗Ｒ１の抵抗値よりも低くしているが、これに限るものではない。例えば、合成抵抗Ｒ４の抵抗値を、検出抵抗Ｒ１の抵抗値と等しくしたり、検出抵抗Ｒ１の抵抗値よりも、わずかに高くしたりすることができる。すなわち、合成抵抗Ｒ４の抵抗値として、正確な値を得られやすくできればよい。

合成抵抗Ｒ４の抵抗値を低下させることにより、合成抵抗Ｒ４を流れる電流量を増加させることができる。言い換えれば、絶縁抵抗Ｒ２よりも抵抗値が低い追加抵抗Ｒ３に電流が流れやすくなり、この電流によって、カップリングコンデンサ３２の充電を素早く行うことができる。

組電池１０が漏電しているときには、漏電電流がカップリングコンデンサ３２に蓄えられることになり、これによって、組電池１０の漏電状態を検出することができる。上述したように、追加抵抗Ｒ３を用いれば、漏電電流をカップリングコンデンサ３２に流しやすくすることができ、漏電状態を検出する時間を短縮することができる。すなわち、漏電状態の検出を素早く行うことができる。

図２は、本実施例の変形例である構成を示す概略図である。本変形例では、組電池１０の漏電状態を検出する動作が正常に行われているか否かを判別するようにしている。以下、実施例１と異なる点について、主に説明する。

組電池１０の正極端子には、スイッチ素子５１が接続されている。スイッチ素子５１は、第１接続端子５２ａに接続される位置と、第２接続端子５２ｂに接続される位置との間で切り替わる。第１接続端子５２ａには、抵抗Ｒ５が接続されており、第２接続端子５２ｂには、抵抗Ｒ６が接続されている。抵抗Ｒ５の抵抗値は、抵抗Ｒ６の抵抗値よりも高くなっている。

スイッチ素子５１が第１接続端子５２ａに接続されているときと、スイッチ素子５１が第２接続端子５２ｂに接続されているときとで、電圧検出回路３３による検出電圧が変化するときには、漏電検出回路３０が正常に動作していると判別することができる。すなわち、スイッチ素子５１の接続状態に応じて抵抗値が変化するため、電圧検出回路３３によって検出される電圧値も変化することになる。

一方、スイッチ素子５１が第１接続端子５２ａに接続されているときと、スイッチ素子５１が第２接続端子５２ｂに接続されているときとで、電圧検出回路３３による検出電圧が変化しないときには、漏電検出回路３０が正常に動作していないと判別することができる。

１：電池パック １０：組電池（直流電源）
１１：単電池 ２０：パックケース
３０：漏電検出回路 ３１：交流電源
３２：カップリングコンデンサ ３３：電圧検出回路
４０：負荷 ５０：マイクロコンピュータ（演算部）
Ｒ１：検出抵抗 Ｒ２：絶縁抵抗
Ｒ３：追加抵抗

Claims (11)

1. 直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、前記直流電源を収容するケースに接続された前記直流電源における漏電状態を検出する検出装置であって、
   検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、前記直流電源の負極端子と接続されるとともに、前記ケースに接続されており、交流信号を出力する交流電源と、
   前記絶縁抵抗に対して並列に接続される追加抵抗と、
   前記検出抵抗の電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路の検出結果を用いて、前記絶縁抵抗および前記追加抵抗の合成抵抗の抵抗値を特定するとともに、前記合成抵抗の抵抗値から前記絶縁抵抗の抵抗値を特定する演算部と、
   を有することを特徴とする検出装置。
2. 前記演算部は、前記電圧検出回路による検出電圧が閾値よりも低いときに、前記絶縁抵抗の抵抗値が低下していると判別することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記合成抵抗の抵抗値は、前記検出抵抗の抵抗値よりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出装置。
4. 前記追加抵抗は、前記絶縁抵抗の抵抗値を特定するときに、前記絶縁抵抗に接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の検出装置。
5. 前記追加抵抗は、前記直流電源の正極端子と、前記ケースとに接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の検出装置。
6. 直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、前記直流電源を収容するケースに接続された前記直流電源における漏電状態を検出する検出装置であって、
   検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、前記直流電源の負極端子と接続されるとともに、前記ケースに接続されており、交流信号を出力する交流電源と、
   前記絶縁抵抗に対して並列に接続される追加抵抗と、
   前記検出抵抗の電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路による検出電圧が閾値よりも低いときに、前記絶縁抵抗の抵抗値が低下していると判別する演算部と、
   を有することを特徴とする検出装置。
7. 直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、前記直流電源を収容するケースに接続された前記直流電源における漏電状態を検出する検出方法であって、
   検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、前記直流電源の負極端子と接続されるとともに、前記ケースに接続された交流電源が交流信号を出力するとき、前記絶縁抵抗に対して追加抵抗を並列に接続した状態において、前記検出抵抗の電圧を検出し、
   前記検出抵抗における検出電圧を用いて、前記絶縁抵抗および前記追加抵抗の合成抵抗の抵抗値を特定するとともに、前記合成抵抗の抵抗値から前記絶縁抵抗の抵抗値を特定することを特徴とする検出方法。
8. 前記検出抵抗における検出電圧が閾値よりも低いときに、前記絶縁抵抗の抵抗値が低下していると判別することを特徴とする請求項７に記載の検出方法。
9. 前記合成抵抗の抵抗値は、前記検出抵抗の抵抗値よりも低いことを特徴とする請求項７又は８に記載の検出方法。
10. 前記追加抵抗は、前記絶縁抵抗の抵抗値を特定するときに、前記絶縁抵抗に接続されることを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の検出方法。
11. 直流電源の正極端子が絶縁抵抗を介して、前記直流電源を収容するケースに接続された前記直流電源における漏電状態を検出する検出方法であって、
    検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して、前記直流電源の負極端子と接続されるとともに、前記ケースに接続された交流電源が交流信号を出力するとき、前記絶縁抵抗に対して追加抵抗を並列に接続した状態において、前記検出抵抗の電圧を検出し、
    前記検出抵抗における検出電圧が閾値よりも低いときに、前記絶縁抵抗の抵抗値が低下していると判別することを特徴とする検出方法。
    

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