JP2013113710A - 絶縁異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フローティング状態にある高電圧側電池の絶縁異常を検出する絶縁異常検出装置に関し、簡単な回路構成で絶縁異常検出回路の自己診断を可能とする。
【解決手段】絶縁異常検出回路は、第１の端子が高圧側電池１０２に接続される第１のスイッチ１０８と、その第２の端子に接続され反対側が接地されている第１のカップリングコンデンサ１０９、検出抵抗１１０、および発振回路１１１の直列接続回路とを備える。自己診断回路は、第１のスイッチ１０８の第２の端子に接続される第２のスイッチ１１２と、それに接続され反対側が接地されている第２のカップリングコンデンサ１１３および自己診断抵抗１１４の直列接続回路とを備える。自己診断指令部１１５は、第１および第２のスイッチ１０８，１１２のオンまたはオフを制御する。フィルタ回路１１７、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９は、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続部分の信号波高値を算出して、絶縁異常の検出と絶縁異常検出回路の自己診断を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、フローティング状態にある高電圧側電池の絶縁異常を検出する絶縁異常検出装置に関する。

いわゆるハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、あるいはハイブリッドビークル、ハイブリッドエレクトリックビークルなどと呼ばれる、エンジンに加えてモータ（電動機）を動力源として備えた車両または輸送機械（以下、「車両等」と称する）が実用化されている。さらには、エンジンを備えずモータのみで車両を駆動する電気自動車も実用化されつつある。それらのモータを駆動する電源として、小型、大容量の特徴を有するリチウムイオン電池などが多く使用されるようになってきている。そして、このような用途においては、複数の電池セルが例えば直列に接続されて電池スタックが構成され、さらにこの電池スタックを組み合わして接続される組電池として供給される場合がある。電池セルの直列接続により車両のモータを駆動するのに必要な高電圧が得られ、電池ブロックをさらに直列や並列に組み合わして接続することにより必要な電流容量やさらなる高電圧が得られる。

このような電池は、高電圧を発生するので、ボデーに接地させることはできず、フローティング状態にされる。この結果、電池とボデー接地の間には、仮想的に絶縁抵抗が存在することになる。そして、正常な状態であれば、この絶縁抵抗は十分に高い値を示し、安全な絶縁状態にある。しかし、なんらかの原因でこの絶縁抵抗の値が低くなりまたはゼロになってしまって絶縁異常となる可能性がある。このような状態になると、ボデーを介して電流が流れるおそれがあるため、絶縁異常を検出する回路が求められている。

絶縁異常検出回路の従来技術としては、高圧側電池のマイナス極との接続点にカップリングコンデンサを配置し、そのカップリングコンデンサに直列に、パルス信号の発振回路と、そのパルス信号を検出するための検出抵抗からなる回路が知られている。このような構成により、高圧側電池と絶縁異常検出回路側が直流的に絶縁されるため、高圧側電池の絶縁抵抗が正常値であれば、発振回路で発振されたパルス信号が検出抵抗を介してほぼそのままの電圧で検出できる。一方、絶縁異常であれば、検出抵抗からカップリングコンデンサおよび高圧側電池を介してボデーに電流が流れるため、検出抵抗と絶縁性が低下した絶縁抵抗との分圧比で発振回路で発振されたパルス信号の電圧が低下したパルス信号が検出される。これにより、絶縁異常を検出することができる。

ところが、絶縁異常検出回路自体に故障が発生する場合がある。例えば、検出抵抗や発振回路に故障が発生すると、絶縁異常を検出できなくなる。あるいは、カップリングコンデンサにオープン故障が発生した場合も、その部分で回路が切断されるため、絶縁異常を検出できなくなる。さらには、カップリングコンデンサにショート（短絡）故障が発生した場合には、高圧側電池から検出抵抗および発振回路を介してボデーに電流が流れてしまい、絶縁状態が維持できなくなる。

このようなことから、絶縁異常検出回路自体の自己診断技術も求められている。
絶縁異常検出回路を自己診断するための従来技術としては、いくつかの方式が知られている（例えば特許文献１または２に記載の技術）。

しかし、これらの従来技術では、カップリングコンデンサの診断ができなかったり、複雑な回路構成を必要としたりするという問題点を有していた。

特開２００５−１２７８２１号公報 特開２００５−９１２２４号公報

本発明は、簡単な回路構成で絶縁異常検出装置の自己診断を可能とすることを目的とする。

本発明に係る絶縁異常検出装置は、第１の端子が高圧側電池に接続される第１のスイッチと、該第１のスイッチの第２の端子に接続され反対側が接地されている第１のカップリングコンデンサ、検出抵抗、および発振回路の直列接続回路とを備える絶縁異常検出回路と、前記第１のスイッチの第２の端子に第１の端子が接続される第２のスイッチと、該第２のスイッチの第２の端子に接続され反対側が接地されている第２のカップリングコンデンサおよび自己診断抵抗の直列接続回路とを備える自己診断回路と、前記第１および第２のスイッチのオンまたはオフを制御する自己診断指令部と、前記検出抵抗と前記第１のカップリングコンデンサの接続部分の信号波高値を算出する波高値算出部とを備える。

上記構成によれば、波高値算出部が算出する信号波高値に基づいて、絶縁異常および絶縁異常検出回路の異常を検出することができる。
上記構成において、前記自己診断指令部は、例えば、自己診断モード時には、前記第１のスイッチをオフ、前記第２のスイッチをオンとし、絶縁異常検出モード時には、前記第１のスイッチをオン、前記第２のスイッチをオフとする。

また、前記波高値算出部は、例えば、前記絶縁異常検出モードにおいて、第１の波高値付近を検出しているときに、絶縁正常状態であると判定し、前記絶縁異常検出モードにおいて、前記第１の波高値よりも低い波高値を検出しているときに、絶縁異常状態であるまたは前記第１のカップリングコンデンサがショート故障であると判定し、前記自己診断モードにおいて、前記第１の波高値よりも低い第２の波高値付近を検出しているときに、自己診断正常状態であると判定し、前記自己診断モードにおいて、前記第２の波高値よりも高い波高値を検出しているときに、前記検出抵抗がショート故障であると判定し、前記自己診断モードにおいて、ゼロの波高値を検出しているときに、前記検出抵抗がオープン故障であると判定し、前記自己診断モードにおいて、前記第１の波高値付近を検出しているときに、前記第１のカップリングコンデンサがオープン故障であると判定する。

本発明によれば、簡単な回路構成で絶縁異常検出装置の自己診断が可能になる。

本実施形態の回路構成図である。 本実施形態の動作波形図（その１）である。 本実施形態の動作波形図（その２）である。 本実施形態の動作波形図（その３）である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の回路構成図である。
高圧側電池１０２は、例えば車両に搭載される走行用電池であり、そのプラス極およびマイナス極に、例えば走行用モータである負荷１０４が接続されている。このマイナス極は、高電圧を発生するので、１０５ボデーに接地させることなくフローティング状態にされる。この結果、高圧側電池１０２とボデー接地１０５との間には、仮想的な絶縁抵抗１０４が存在する。

高圧側電池１０２のマイナス極には、絶縁異常検出装置１０１が接続される。絶縁異常検出装置１０１は、高圧側電池１０２の絶縁異常を検出する装置である。絶縁異常検出装置１０１は、絶縁抵抗低下検出器１０６と、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１０７を備える。

絶縁抵抗低下検出器１０６は、第１の端子が高圧側電池１０２のマイナス極に接続される第１のスイッチ１０８と、第１のスイッチ１０８の第２の端子に接続され反対側が接地されている第１のカップリングコンデンサ１０９、検出抵抗１１０、および発振回路１１１の直列接続回路とを備える絶縁異常検出回路部分を有する。

また、絶縁抵抗低下検出器１０６は、第１のスイッチ１０８の第２の端子に第１の端子が接続される第２のスイッチ１１２と、第２のスイッチ１１２の第２の端子に接続され反対側が地絡されている第２のカップリングコンデンサ１１３および自己診断抵抗１１４の直列接続とを備える自己診断回路を有する。

ＣＰＵ１０７は、自己診断指令部１１５、パルス指令部１１６、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９を備える。Ａ／Ｄ変換部１１８は、ＣＰＵ１０７がハードウェアとして内蔵している。自己診断指令部１１５、パルス指令部１１６、および波高値算出部１１９は、ＣＰＵ１０７が特には図示しないメモリに記憶された制御プログラムを実行する機能として実現される。

自己診断指令部１１５は、第１および第２のスイッチ１０８，１１２のオンまたはオフを制御する。
フィルタ回路１１７、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９からなる回路部分は、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続部分の信号波高値をデジタル値として算出する。フィルタ回路１１７は、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続部分の波形の高周波成分を除去する。Ａ／Ｄ変換部１１８は、アナログ信号波形をデジタル値に変換する。波高値算出部１１９は、デジタル波形の波高値を算出する。

以上の実施形態の回路構成において、絶縁異常検出モード時には、第１のスイッチ１０８をオン、第２のスイッチ１１２をオフとする。絶縁異常検出モードは、車両のイグニッションスイッチがオンされて後述する自己診断モードが実行された後に実行されるモードであり、車両の走行中に、高圧側電池１０２の絶縁抵抗１０４に関する絶縁異常を検出するモードである。

このモードにおいては、発振回路１１１が、パルス指令部１１６から指令された例えば２．５Ｈｚ程度の周波数、例えば５０％程度のデューティー比、および５ボルト程度の波高値で、パルス信号を発振する。例えば図２から図４のＡとして示されるような信号である。

ここで、絶縁抵抗１０４に異常がなければ、第１のカップリングコンデンサ１０９から上側の高圧側電池１０２の部分は直流的に絶縁されているため、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続点には、上記パルス信号とほぼ同じパルス信号が現れる。例えば図２（ａ）のＢとして示されるような信号である。Ａに対してほぼ相似形の波形Ｂが現れる。フィルタ回路１１７、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９は、このパルス信号の状態を捉えることにより、絶縁異常が発生していないことを把握する。

一方、絶縁異常が生じて絶縁抵抗１０４の値が小さくなったりゼロになったりすると、発振回路１１１でパルス信号が発振された場合、検出抵抗１１０、第１のカップリングコンデンサ１０９、第１のスイッチ１０８を介して、高圧側電池１０２のマイナス極側からボデー接地１０５に交流信号として電流が流れる。この結果、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続点には、検出抵抗１１０の抵抗値と、第１のカップリングコンデンサ１０９のインピーダンスおよび絶縁抵抗１０４の抵抗値との分圧比で、発振回路１１１で発振されたパルス信号の波高値よりも低い波高値のパルス信号が現れ、または絶縁抵抗１０４がゼロになっている場合はパルス信号が現れない。フィルタ回路１１７、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９は、このパルス信号の状態を捉えることにより、絶縁異常が発生していることを把握する。

ここで、絶縁異常検出回路を構成する第１のスイッチ１０８、第１のカップリングコンデンサ１０９、検出抵抗１１０、または発振回路１１１のいずれかの回路素子自体に故障が発生した場合、絶縁異常を正しく検出することができなくなる。そこで、イグニッションオン時等において、上述の絶縁異常検出モードの実行に先立って、自己診断モードが実行される。自己診断指令部１１５は、自己診断モード時には、第１のスイッチ１０８をオフ、第２のスイッチ１１２をオンとする。

自己診断モードでは、まず第１のスイッチ１０８がオフされることにより、絶縁異常検出回路が高圧側電池１０２から切り離される。そして、第２のスイッチ１１２がオンされることにより、第２のカップリングコンデンサ１１３および自己診断抵抗１１４からなる一方がボデー接地１０５に接地されている直列回路部分を含む自己診断回路が絶縁異常検出回路に接続される。これにより、擬似的な絶縁異常の状態が創り出される。

この自己診断モードにおいて、絶縁異常検出回路の各回路素子が正常であれば、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続点は、擬似的な絶縁異常の状態を検出する。すなわち、この接続点には、検出抵抗１１０の抵抗値と、第１のカップリングコンデンサ１０９のインピーダンス、第２のカップリングコンデンサ１１３のインピーダンス、および自己診断抵抗１１４の抵抗値との分圧比に応じた、発振回路１１１で発振されたパルス信号の波高値よりも低い波高値のパルス信号が現れる。例えば図２（ｂ）のＣとして示される信号である。波形Ｃの波高値は、発振回路１１１が発振する波形Ａの波高値よりもかなり低くなっている。フィルタ回路１１７、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９は、自己診断モードにおいて、このパルス信号の状態を捉えることにより、絶縁異常検出回路が正常に動作していることを把握する。

自己診断モードにおいて、絶縁異常検出回路内の検出抵抗１１０がショート（短絡）故障を起こしている場合には、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続点には、発振回路１１１で発振されたパルス信号がほぼそのまま現れる。例えば図３（ｃ）のＤとして示される信号である。波形Ｄの波高値は、発振回路１１１が発振する波形Ａの波高値とほぼ相似形になっている。フィルタ回路１１７、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９は、自己診断モードにおいて、このパルス信号の状態を捉えることにより、絶縁異常検出回路内の検出抵抗１１０がショート故障を起こしていることを把握する。

自己診断モードにおいて、絶縁異常検出回路内の検出抵抗１１０がオープン故障を起こしている場合には、検出抵抗１１０が発振回路１１１側を電気的に遮断してしまうため、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続点にはパルス信号は現れない。例えば図３（ｄ）のＥとして示される状態である。フィルタ回路１１７、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９は、自己診断モードにおいて、この無信号の状態を捉えることにより、絶縁異常検出回路内の検出抵抗１１０がオープン故障を起こしていることを把握する。

自己診断モードにおいて、絶縁異常検出回路内の第１のカップリングコンデンサ１０９がオープン故障を起こしている場合には、第１のカップリングコンデンサ１０９が第２のスイッチ１１２側を電気的に遮断するため、検出抵抗１１０と第１のカップリングコンデンサ１０９の接続点には、発振回路１１１で発振されたパルス信号がほぼそのまま現れる。例えば図４（ｅ）のＦとして示される信号である。波形Ｆの波高値は、発振回路１１１が発振する波形Ａの波高値とほぼ相似形になっている。フィルタ回路１１７、Ａ／Ｄ変換部１１８、および波高値算出部１１９は、自己診断モードにおいて、このパルス信号の状態を捉えることにより、絶縁異常検出回路内の第１のカップリングコンデンサ１０９がショート故障を起こしていることを把握する。

自己診断モードにおいて、絶縁異常検出回路内の第１のカップリングコンデンサ１０９がショート故障を起こしている場合には、発振回路１１１で発振されたパルス信号は、第１のカップリングコンデンサ１０９をスルーしてそのまま第２のスイッチ１１２側に伝達されるため、見かけ上、自己診断モードで絶縁異常検出回路が正常であるときと同様の状態が現れる。例えば、図４（ｆ）のＧとして示される信号である。この信号は、自己診断モードで絶縁異常検出回路が正常であるときに現れる図２（ｂ）の信号とほぼ同じである。この場合には、絶縁異常検出モードにおいて、第１のカップリングコンデンサ１０９が高圧側電池１０２の直流電圧信号を伝達する状態になって、絶縁異常が発生したときと同様の状態になるため、この状態の検出をもって、絶縁異常が発生しているか第１のカップリングコンデンサ１０９に異常が発生しているかのいずれかであると判定する。

以上のようにして、本実施形態では、簡単な回路構成で、絶縁異常検出回路によって高圧側電池１０２の絶縁異常を検出できるとともに、自己診断回路によって絶縁異常検出回路の自己診断を行うことが可能となる。

１０１ 絶縁異常検出装置
１０２ 高圧側電池
１０３ 負荷
１０４ 絶縁抵抗
１０５ ボデー接地
１０６ 絶縁抵抗低下検出器
１０７ ＣＰＵ（中央演算処理装置）
１０８ 第１のスイッチ
１０９ 第１のカップリングコンデンサ
１１０ 検出抵抗
１１１ 発振回路
１１２ 第２のスイッチ
１１３ 第２のカップリングコンデンサ
１１４ 自己診断抵抗
１１５ 自己診断指令部
１１６ パルス指令部
１１７ フィルタ回路
１１８ Ａ／Ｄ変換部
１１９ 波高値算出部

Claims (3)

1. 第１の端子が高圧側電池に接続される第１のスイッチと、該第１のスイッチの第２の端子に接続され反対側が接地されている第１のカップリングコンデンサ、検出抵抗、および発振回路の直列接続回路とを備える絶縁異常検出回路と、
   前記第１のスイッチの第２の端子に第１の端子が接続される第２のスイッチと、該第２のスイッチの第２の端子に接続され反対側が接地されている第２のカップリングコンデンサおよび自己診断抵抗の直列接続回路とを備える自己診断回路と、
   前記第１および第２のスイッチのオンまたはオフを制御する自己診断指令部と、
   前記検出抵抗と前記第１のカップリングコンデンサの接続部分の信号波高値を算出する波高値算出部と、
   を備えることを特徴とする絶縁異常検出装置。
2. 前記自己診断指令部は、自己診断モード時には、前記第１のスイッチをオフ、前記第２のスイッチをオンとし、絶縁異常検出モード時には、前記第１のスイッチをオン、前記第２のスイッチをオフとする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁異常検出装置。
3. 前記波高値算出部は、
   前記絶縁異常検出モードにおいて、第１の波高値付近を検出しているときに、絶縁正常状態であると判定し、
   前記絶縁異常検出モードにおいて、前記第１の波高値よりも低い波高値を検出しているときに、絶縁異常状態であるまたは前記第１のカップリングコンデンサがショート故障であると判定し、
   前記自己診断モードにおいて、前記第１の波高値よりも低い第２の波高値付近を検出しているときに、自己診断正常状態であると判定し、
   前記自己診断モードにおいて、前記第２の波高値よりも高い波高値を検出しているときに、前記検出抵抗がショート故障であると判定し、
   前記自己診断モードにおいて、ゼロの波高値を検出しているときに、前記検出抵抗がオープン故障であると判定し、
   前記自己診断モードにおいて、前記第１の波高値付近を検出しているときに、前記第１のカップリングコンデンサがオープン故障であると判定する、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の絶縁異常検出装置。