JP2014081267A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサの静電容量を演算式に考慮することなく、簡単な計算式で正確かつ速やかに組電池の漏電を検出する。
【解決手段】電源装置は、出力側の高電圧ライン１７とシャーシーアース９との間にコンデンサ８を接続してなる組電池２の漏電を検出する漏電検出回路１を備える。漏電検出回路１は、直列接続された複数の電池３の任意の点を、漏電検出スイッチ１０を介してシャーシーアース９に接続する漏電検出抵抗５と、漏電検出スイッチ１０をオン状態に切り換えた状態で、漏電検出抵抗５の両端の漏電電圧を所定の周期で検出する電圧検出回路４と、この電圧検出回路４が所定の時間間隔で検出する複数の漏電電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算する演算回路７とを備える。演算回路７は、電圧検出回路４が所定の時間間隔で検出する少なくとも３回の漏電電圧から漏電電圧が収束する漏電電圧を演算して、収束される漏電電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主として複数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている組電池の漏電を検出する漏電検出回路を備える電源装置に関し、とくに、ハイブリッドカーや電気自動車等の電動車両用の電源、あるいは太陽電池や深夜電力などの電力を蓄える電源等に最適な電源装置に関する。

複数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている電源装置は、たとえば電動車両を走行させる電源として使用される。この電源装置は、走行モータに供給する電力を大きくするために、多数の電池を直列に接続して電圧を高くしている。出力が電圧に比例して大きくなるからである。たとえば、ハイブリッドカーや電気自動車を走行させる電源装置の出力電圧は２００Ｖ以上と極めて高く設定される。高電圧の電源装置は、漏電による弊害が大きいので、安全性を考慮してグランドラインをシャーシーアースには接続しない。この電源装置は、高電圧ラインからシャーシーアースへの漏電は、直ちに検出する必要がある。それは漏電（高電圧漏えい）が乗員や整備員の人体を脅かす危険性があるからである。漏電検出は、電池から当該シャーシへ接続される漏電抵抗の抵抗値を検出して行われる。車両用の電源装置にあっては、電池の漏電を検出すると、車両側に通知すると共に、電源装置の出力側に設けているリレーをオフ状態に切り換えて高電圧ラインを遮断する。車両用の電源装置に限らず、出力電圧の高い装置は漏電を検出すると、出力側に接続しているリレーをオフ状態に切り換えて高電圧ラインを遮断する。

漏電抵抗は、電源装置とアースとの間の抵抗である。図１は、下記の特許文献１における電源装置の回路図であって、漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出する回路を示す。この図に示す漏電検出回路９１は、漏電検出抵抗９５と漏電検出スイッチ９３と漏電検出抵抗９５に発生する電圧を検出する電圧検出回路９４とを備える。漏電抵抗６０があると、漏電検出スイッチ９３をオンにする状態で、漏電検出抵抗９５に電流が流れる。したがって、漏電検出抵抗９５の電圧を検出して漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出できる。

しかしながら、図１の漏電検出回路９１は、漏電抵抗値Ｒ_Ｌを速やかに検出できない欠点がある。それは、図１の鎖線で示すように、組電池９２の出力側に接続された高電圧ライン９７とシャーシーアース９９との間に雑音を除去する等の目的でコンデンサ９８が接続されるので、このコンデンサ９８が、漏電検出スイッチ９３をオンに切り換えてから、漏電検出抵抗９５の電圧が所定の電圧に収束するまでの時間を遅らせるからである。漏電検出抵抗の電圧から漏電抵抗値を演算するには、漏電検出スイッチをオンに切り換えた後、漏電検出抵抗の電圧が収束する電圧を検出する必要がある。変化する電圧が一定の電圧に収束するまでの時間は、コンデンサの静電容量と漏電抵抗の抵抗値の積から演算される時定数に比例して長くなる。時定数の５〜６倍の時間で、収束する電圧を正確に検出できるとすれば、たとえば、コンデンサの静電容量を０．４５μＦ、漏電抵抗の抵抗値を１ＭΩとすれば、時定数は、０．４５ｓｅｃとなり、その５倍の時間では約２秒以上となって、速やかに漏電抵抗値を検出できない。とくに、車両に搭載される電源装置にあっては、組電池の電圧が充放電により大きく変化するために、検出時間の遅れは、漏電抵抗値の検出精度を低下させる弊害となる。

この欠点を解消する電源装置は開発されている。（特許文献２参照）
この電源装置は、漏電検出抵抗の両端の電圧を所定のサンプリング周期で検出し、検出される電圧変化から漏電抵抗値を検出する。

特開２００３−１６９４０１号公報 特開２００８−１３９２４９号公報

以上の電源装置は、電圧変化から漏電抵抗値を演算するので、速やかに漏電抵抗値を検出できるが、コンデンサの静電容量を考慮して漏電抵抗値を演算するので、コンデンサの静電容量が経時的に変化すると、正確に漏電抵抗値を演算できず、また、相当に複雑な計算式で演算するので、簡単かつ容易に、しかも安価な演算回路で速やかに演算するのが難しい欠点がある。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、コンデンサの静電容量を演算式に考慮することなく、簡単な計算式で正確に、しかも速やかに組電池の漏電を検出できる電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の電源装置は、出力側の高電圧ライン１７とシャーシーアース９との間にコンデンサ８を接続してなる組電池２の漏電抵抗を検出する漏電検出回路１、４１、５１を備えている。漏電検出回路１、４１、５１は、組電池２を構成する直列に接続された複数の電池３の任意の点を、漏電検出スイッチ１０を介してシャーシーアース９に接続する漏電検出抵抗５、４５、５５と、漏電検出スイッチ１０をオン状態に切り換えて、組電池２の任意の点をシャーシーアース９に接続する状態で、漏電検出抵抗５、４５、５５の両端の漏電電圧を所定の周期（Δｔ）で検出する電圧検出回路４、４４、５４と、この電圧検出回路４、４４、５４が所定の時間間隔で検出する複数の漏電電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算する演算回路７、４７、５７とを備えている。演算回路７、４７、５７は、電圧検出回路４、４４、５４が所定の時間間隔で検出する少なくとも３回の漏電電圧から漏電電圧が収束する漏電電圧を演算して、収束される漏電電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算している。

以上の電源装置は、従来のようにコンデンサの静電容量を演算式のパラメーターとして使用することなく、簡単な計算式で正確に、しかも速やかに組電池の漏電を検出できる特徴がある。それは、以上の電源装置の演算回路が、所定の時間間隔で検出される少なくとも３回の漏電電圧から、収束される漏電電圧を演算して、収束される漏電電圧から漏電抵抗値を演算するからである。漏電検出抵抗の電圧が収束する漏電電圧は、コンデンサの静電容量を考慮することなく少なくとも３回の漏電電圧から簡単な計算式で演算できる。したがって、以上の電源装置は、検出される漏電電圧から収束される漏電電圧を演算し、この収束される漏電電圧から漏電抵抗値を演算することで、短時間に正確に漏電抵抗値を演算できる特徴がある。

本発明の電源装置は、電圧検出回路４、４４、５４が所定の周期（Δｔ）で検出する少なくとも３回の漏電電圧から、演算回路７、４７、５７が以下の数１で収束される漏電電圧（Ｖ_∞）を演算して、収束される漏電電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算することができる。

ただし、これらの式において、
Ｙ1は時間（ｔ）における漏電電圧Ｖ(t)、
Ｙ2は時間（ｔ＋Δｔ）における漏電電圧Ｖ(t+Δt)、
Ｙ3は時間（ｔ＋２Δｔ）における漏電電圧Ｖ(t+2Δt)である。

以上の電源装置は、指数関数などの複雑な計算式によらず、極めて簡単な計算式で収束される漏電電圧を演算できる。収束される漏電電圧が演算されると、この収束される漏電電圧から簡単に漏電抵抗値Ｒ_Ｌを演算できる。

本発明の電源装置は、漏電検出スイッチ１０が、組電池の高電圧側に接続している第１の漏電検出スイッチ１０Ａと低電圧側に接続している第２の漏電検出スイッチ１０Ｂとを備えて、漏電検出回路４１が、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂを交互にオンオフに切り換える制御回路４６と、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂを介して組電池２に接続されて、中間点をシャーシーアース９に接続している漏電検出抵抗４５と、この漏電検出抵抗４５の中間点よりも高電圧側と低電圧側の漏電電圧を検出する電圧検出回路４４とを備えることができる。演算回路４７は、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオンとして第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオフに制御する第１のタイミングにおいて、電圧検出回路４４が検出する複数の漏電電圧から第１の収束される漏電電圧（Ｖ_１∞）を演算し、さらに、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオフとして第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンに制御する第２のタイミングにおいて、電圧検出回路４４が検出する複数の漏電電圧から第２の収束される漏電電圧（Ｖ_２∞）を演算し、演算する第１の収束される漏電電圧（Ｖ_１∞）と第２の収束される漏電電圧（Ｖ_２∞）から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算することができる。

本発明の電源装置は、漏電検出回路４１が、組電池２の総電圧を検出する総電圧検出回路４９を備えて、演算回路４７が、第１の収束される漏電電圧（Ｖ_１∞）と第２の収束される漏電電圧（Ｖ_２∞）と組電池２の総電圧（Ｖ_ｔ）から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算することができる。

本発明の電源装置は、漏電検出抵抗４５が、互いに直列に接続されて中間の接続点１４をシャーシーアース９に接続している第１の電圧検出抵抗２１及び第２の電圧検出抵抗２２と、第１の電圧検出抵抗２１を第１の漏電検出スイッチ１０Ａを介して組電池２の高電圧側に接続している第１の分圧抵抗３１と、第２の電圧検出抵抗２２を第２の漏電検出スイッチ１０Ｂを介して組電池２の低電圧側に接続している第２の分圧抵抗３２とを備えて、電圧検出回路４４が互いに直列に接続している第１の電圧検出抵抗２１と第２の電圧検出抵抗２２の両端の電圧を検出することができる。

本発明の電源装置は、演算回路４７が下記の式で漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を検出することができる。

ただし、この式において、Ｒ_ａは第１の電圧検出抵抗２１及び第２の電圧検出抵抗２２の電気抵抗、Ｒ_ｂは第１の分圧抵抗３１及び第２の分圧抵抗３２の電気抵抗、Ｖ_ｔ(t1)は、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオン、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオフに制御するタイミングｔ1における組電池２の総電圧、Ｖ_ｈ(t1)はタイミングｔ2における第１の電圧検出抵抗２１の第１の収束される漏電電圧、Ｖ_ｔ(t2)は、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオフ、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンに制御するタイミングｔ2における組電池２の総電圧、Ｖ_ｇ(t2)はタイミングｔ2における第２の電圧検出抵抗２２の第２の収束される漏電電圧である。

従来の電源装置の漏電検出回路を示す回路図である。 本発明の一実施の形態にかかる電源装置の漏電検出回路を示す回路図である。 漏電電圧が変化する特性を示すグラフであって、漏電電圧を所定の時間間隔で３回検出する一例を示す図である。 従来の電源装置が漏電電圧の収束を待って漏電検出する動作状態を示す図である。 本発明の一実施の形態にかかる電源装置が漏電検出する動作状態を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる電源装置の漏電検出回路を示す回路図である。 図６に示す電源装置が第１のタイミングにおいて第１の収束される漏電電圧Ｖを検出する状態を示す図である。 図６に示す電源装置が第２のタイミングにおいて第２の収束される漏電電圧Ｖを検出する状態を示す図である。 図６に示す電源装置が組電池のプラス側とマイナス側で漏電する状態を示す図である。 図６に示す電源装置が漏電検出する動作状態を示す図である。 漏電電圧が収束するまで待って漏電抵抗値を演算する参考例の動作状態を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる電源装置の漏電検出回路を示す回路図である。 本発明の一実施の形態にかかる電源装置を車体に実装する状態を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

図２に、本発明の一実施の形態に係る電源装置の一例を示す。この図に示す電源装置は、出力側に接続された高電圧ライン１７とシャーシーアース９との間にコンデンサ８を接続している組電池２の漏電を検出する漏電検出回路１を備える。漏電検出回路１は、複数の電池３を直列に接続した組電池２の漏電を検出する。ただし、組電池２は、負荷や充放電回路を接続しているので、漏電検出回路１は、組電池２に接続している回路の漏電も検出できる。したがって、本明細書において、漏電検出回路が「組電池の漏電を検出する」とは、組電池に接続している回路の漏電をも検出する広い意味に使用する。ただし、図２は、組電池２に接続する充放電回路等は図示していない。なお、電池３は、図においては単位セルとして示されているが、複数セルを直列あるいは並列接続したものでも良い。

図２の漏電検出回路１は、組電池２のいずれかの点を漏電検出スイッチ１０を介してシャーシーアース９に接続する漏電検出抵抗５と、漏電検出スイッチ１０をオンオフに切り換える制御回路６と、漏電検出抵抗５の電圧、すなわち漏電電圧を検出する電圧検出回路４と、電圧検出回路４で検出する漏電電圧から収束される漏電電圧を演算し、さらに収束される漏電電圧から漏電抵抗値Ｒ_Ｌを演算する演算回路７とを備えている。

制御回路６は、漏電電圧を検出するタイミングで漏電検出スイッチ１０をオン状態に切り換える。漏電検出をしない状態で、漏電検出スイッチ１０はオフ状態に保持される。図３は、漏電検出スイッチ１０がオンに切り換えられたタイミングから漏電検出抵抗５の電圧、すなわち漏電電圧が変化するカーブを示している。この図に示すように、漏電電圧は、漏電検出スイッチ１０がオンに切り換えられた瞬間から次第に小さくなって、相当の時間経過すると一定の収束される漏電電圧に収束する。漏電電圧が収束する時間は、漏電抵抗６０の抵抗値とコンデンサ８の静電容量Ｃの積から演算される時定数で特定され、漏電抵抗値Ｒ_Ｌと、コンデンサ８の静電容量Ｃが大きくなるにしたがって長くなる。漏電電圧は、時定数の５〜６倍もかかって収束するので、漏電電圧が収束するまで待ってから、漏電抵抗値Ｒ_Ｌを演算すると時間がかかる。

図２に示す漏電検出回路１は、以下のようにして、収束される漏電電圧を演算する。
図３で示すように、漏電電圧は、漏電検出スイッチ１０をオンに切り換えた瞬間の電圧であるＶ_１から時間が経過して収束される漏電電圧Ｖ_２に指数関数的に変化するとき以下の数３が成り立つ。

上記数３より、ｔ＝Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３のときのＶ(t)の値をＹ１，Ｙ２，Ｙ３とすると、以下の数４が得られる。ただし、Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘ３とする。

上記数４を変形してＸ１、Ｘ２、Ｘ３について解くと、以下の数５が得られる。

ここで、Δｔ＝Ｘ２−Ｘ１＝Ｘ３−Ｘ２とすると、以下の数６、数７が成り立つ。

上記数６と数７の左辺が一定値を示すことから数８が得られる。

上記数８を変形してＶ２について解くと、以下の数９が得られる。

漏電検出回路１は、電圧検出回路４が所定の周期Δｔで検出する少なくとも３回の漏電電圧Ｖ(t)から、演算回路７が以下の数１０に基づいて、収束される漏電電圧Ｖ_∞を演算する。

ただし、これらの式において、
Ｙ_１は時間（ｔ）における漏電電圧Ｖ(t)、
Ｙ_２は時間（ｔ＋Δｔ）における漏電電圧Ｖ(t+Δt)、
Ｙ_３は時間（ｔ＋２Δｔ）における漏電電圧Ｖ(t+2Δt)である。

以上の数１０から収束される漏電電圧Ｖ_∞が演算されると、図２の電源装置においては、以下の数１１から漏電抵抗値Ｒ_Ｌが演算される。

ただし、この式において、Ｒは漏電検出抵抗５の抵抗値、Ｅは漏電検出抵抗５を接続している接続点と漏電抵抗６０が接続される接続点との間の電圧である。

以上の電源装置は、所定の時間間隔で検出される少なくとも３回の漏電電圧から収束される漏電電圧を演算し、収束される漏電電圧から漏電抵抗値Ｒ_Ｌを演算できるので、漏電電圧が収束するのを待って、漏電抵抗値Ｒ_Ｌを演算する必要がなく、極めて短時間に漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出できる。

図４と図５は、漏電電圧が収束するまで待って漏電検出する従来の電源装置（図４）と、漏電電圧の収束を待つことなく収束される漏電電圧を演算して、漏電検出する本発明の電源装置（図５）の動作状態を比較する図である。図４に示す従来の電源装置は、漏電電圧が収束するまで待って漏電検出するので、漏電検出に時間遅れが発生する。

これに対して、図５に示す本発明の電源装置は、収束を待つことなく漏電電圧が変化するタイミングにおいて、所定の周期で検出される少なくとも３回の漏電電圧から収束される漏電電圧を演算し、演算された収束される漏電電圧から漏電抵抗値を演算するので、漏電が発生して短時間に漏電を検出できる。たとえば、漏電電圧が収束するまでに数秒待って漏電検出する図４の装置は、漏電検出の時間遅れが数秒となる。これに対して、本発明の電源装置は、図３に示すように、たとえば、５ｍｓｅｃの周期Δｔで３回の漏電電圧を検出して収束される漏電電圧を演算することにより、約１０ｍｓｅｃという短時間で収束される漏電電圧を演算して漏電抵抗値を演算するので、漏電検出を開始してから漏電抵抗値が演算されるまでにかかる時間を短縮して、漏電検出の時間遅れを極減できる。

本発明の電源装置は、漏電検出回路１でもって、所定の時間間隔で検出される少なくとも３回の漏電電圧から収束される漏電電圧を演算し、演算される収束される漏電電圧から漏電抵抗値を演算することを特徴とする。したがって、本発明の電源装置は、漏電検出回路の回路構成を特定するものではない。本発明の電源装置は、組電池の特定の点を漏電検出抵抗と漏電検出スイッチとでシャーシーアースに接続して、漏電検出抵抗の電圧を検出して漏電検出する全ての回路構成で漏電検出できる。

図６に示す電源装置の漏電検出回路４１は、組電池２の高電圧側に接続している第１の漏電検出スイッチ１０Ａと低電圧側に接続している第２の漏電検出スイッチ１０Ｂとを有する漏電検出スイッチ１０と、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂを交互にオンオフに切り換える制御回路４６と、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂを介して組電池２に接続されて、中間点をシャーシーアース９に接続している漏電検出抵抗４５と、この漏電検出抵抗４５の中間点よりも高電圧側と低電圧側の漏電電圧を検出する電圧検出回路４４と、電圧検出回路４４の出力を演算して漏電を検出する演算回路４７とを備える。

図の漏電検出抵抗４５は、４つの抵抗を備える。４つの抵抗は、互いに直列に接続されて中間の接続点１４をシャーシーアース９に接続している第１の電圧検出抵抗２１及び第２の電圧検出抵抗２２と、第１の電圧検出抵抗２１を第１の漏電検出スイッチ１０Ａを介して組電池２の高電圧側に接続している第１の分圧抵抗３１と、第２の電圧検出抵抗２２を第２の漏電検出スイッチ１０Ｂを介して組電池２の低電圧側に接続している第２の分圧抵抗３２とからなる。第１の電圧検出抵抗２１と第２の電圧検出抵抗２２は同じ電気抵抗Ｒａとし、また、第１の分圧抵抗３１と第２の分圧抵抗３２も同じ電気抵抗Ｒｂとする。ただし、第１の電圧検出抵抗と第２の電圧検出抵抗は必ずしも同じ電気抵抗とする必要はなく、また第１の分圧抵抗と第２の分圧抵抗の電気抵抗も必ずしも同じ電気抵抗とする必要はない。

漏電検出抵抗４５を電圧検出抵抗２０と分圧抵抗３０の直列回路とする漏電検出回路４１は、互いに直列に接続している第１の電圧検出抵抗２１と第２の電圧検出抵抗２２の両端の電圧を電圧検出回路４４に入力する。この漏電検出回路４１は、高電圧側と低電圧側の電圧を、分圧抵抗３０と電圧検出抵抗２０で分圧して電圧検出回路４４に入力する。電圧検出抵抗２０と分圧抵抗３０が電圧を分圧する分圧比は、分圧抵抗３０と電圧検出抵抗２０の電気抵抗の比率で特定される。分圧抵抗３０の電気抵抗を電圧検出抵抗２０に比較して大きくして、電圧の分圧比を大きく、すなわち電圧検出回路４４の入力電圧を小さくできる。この漏電検出回路４１は、電圧検出回路４４の入力電圧を、高電圧側と低電圧側の電圧よりも低くでき、電圧検出回路４４の入力側に使用するアンプに耐入力電圧の低い安価なものを使用できる。ただし、漏電検出回路は、必ずしも漏電検出抵抗を電圧検出抵抗と分圧抵抗の直列回路として、高電圧側と低電圧側の電圧を分圧して電圧検出回路に入力する必要はない。

第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂは、分圧抵抗３０と電圧検出抵抗２０との間に接続している。ただ、第１の漏電検出スイッチと第２の漏電検出スイッチは、電圧検出抵抗とシャーシーアースとの間に接続することもできる。また、第１の漏電検出スイッチを第１の分圧抵抗と組電池の高電圧側との間に接続し、第２の漏電検出スイッチを第２の分圧抵抗と組電池の低電圧側との間に接続することもできる。

第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂは、トランジスタやＦＥＴ等の半導体スイッチング素子、あるいはリレー等の機械的なスイッチで、制御回路４６にコントロールされてオンオフに切り換えられる。第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂは、一方をオンに切り換える状態で他方をオフに切り換える。すなわち、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂはオンオフを反対に切り換える。図の漏電検出回路４１は、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂを制御する制御ラインに、オンオフの制御信号を反転する反転回路１３を接続している。この回路構成によると、制御回路４６からオンの制御信号を出力して、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオン、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオフに切り換え、また、制御回路４６からオフの制御信号を出力して、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオフ、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンに切り換えできる。この回路構成は、制御回路４６からひとつの制御信号を出力して、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンオフに切り換えできる。

電圧検出回路４４は、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂのいずれかをオンに切り換えた後、漏電検出抵抗４５に発生する漏電電圧を所定の周期で検出する。電圧検出回路４４は、たとえば５ｍｓｅｃの周期で漏電電圧を検出する。さらに、この電圧検出回路４４は、より正確に漏電電圧を検出するために、たとえば、１００μｓｅｃのサンプリング周期で漏電検出抵抗４５の電圧を検出して、５回の検出電圧から最大と最小の検出電圧を除く３回の検出電圧を平均して１回の漏電電圧を検出することができる。この電圧検出回路４４は、５回の検出電圧を検出して平均する時間が約５００μｓｅｃとなり、この検出を５ｍｓｅｃの周期で少なくとも３回行うことによって、より正確に漏電電圧を検出できる。このように、複数回の検出電圧を平均して１回の漏電電圧を検出する方法は、複数の検出電圧のサンプリング周期を、たとえば、１μｓｅｃ〜２ｍｓｅｃとすることができる。ただ、電圧検出回路は、複数の検出電圧を平均することなく、漏電電圧を検出することができる。また、漏電電圧を検出する周期は、５ｍｓｅｃに特定されず、たとえば、１ｍｓｅｃ以上であって、１００ｍｓｅｃよりも短く、好ましくは１ｍｓｅｃよりも長くて５０ｍｓｅｃよりも短くする。電圧検出回路４４が漏電電圧を検出する周期は、短くすることにより、より短時間で漏電抵抗値を検出できる。ただ、漏電電圧を検出する時間を短くすると、使用する電子部品に高速処理用の電子部品を使用する必要があって部品コストが高くなる。したがって、電圧検出回路４４が漏電電圧を検出する周期は、部品コストと、漏電検出に要求される時間とを考慮して最適値に設定される。

図の電圧検出回路４４は、電圧検出抵抗２０と分圧抵抗３０との接続点の漏電電圧を検出する。図の電圧検出回路４４は、入力側に接続しているバッファーアンプ１５と、各々のバッファーアンプ１５の出力の電圧差を検出する差動アンプ１６を備える。バッファーアンプ１５は１００％負帰還の電圧を増幅しないオペアンプである。差動アンプ１６は、負帰還量で増幅率を所定の大きさとするオペアンプからなる。このような電圧検出回路４４は、インスツルメンテーションアンプと呼ばれるもので、入力の電圧差を増幅している。

図６の漏電検出回路４１は、ＭＰＵ４８に制御回路４６と演算回路４７を内蔵させている。制御回路４６は、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンオフに切り換える制御信号を出力する。演算回路４７は、電圧検出回路４４から入力される、所定の時間間隔、たとえば５ｍｓｅｃの周期で検出される３回の漏電電圧を演算して、収束される漏電電圧を演算する。収束される漏電電圧Ｖ_∞は、前述した以下の数１２で演算される。

ただし、この式において、
Ｙ_１は、時間（ｔ）における漏電電圧Ｖ(t)、
Ｙ_２は、時間（ｔ＋Δｔ）における漏電電圧Ｖ(t+Δt)、
Ｙ_３は、時間（ｔ＋２Δｔ）における漏電電圧Ｖ(t+2Δt)で、
Δｔは、たとえば５ｍｓｅｃである。

数１２で演算される収束される漏電電圧から、以下の式で漏電抵抗値Ｒ_Ｌを演算する。漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出するために、漏電検出抵抗４５を接続している高電圧側と低電圧側の総電圧Ｖ_ｔを検出する必要がある。図の漏電検出回路４１は、総電圧を検出する総電圧検出回路４９を設けている。このように、総電圧検出回路４９で総電圧を検出する漏電検出回路４１は、漏電抵抗値Ｒ_Ｌを正確に演算できる特長がある。ただ、この総電圧検出回路は、必ずしも設ける必要はない。それは、電池を直列に接続している個数と電池電圧の積が総電圧となるからである。電池電圧は残容量により変動するが、電池電圧に比例して収束される漏電電圧も変動することから正確に漏電抵抗値を演算できる。また、直列に接続している組電池の総電圧を検出する回路を備える車両にあっては、この回路を総電圧検出回路に併用することもできる。

図６の漏電検出回路４１は、組電池２のプラス側出力を高電圧側とし、またマイナス側出力を低電圧側とするので、漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出するための総電圧Ｖ_ｔは、組電池２の出力電圧となる。したがって、出力電圧の検出回路を内蔵する電源装置にあっては、出力電圧の検出回路を総電圧検出回路に併用できる。さらに、図の漏電検出回路４１は、組電池２のプラス側出力を高電圧側として、マイナス側出力を低電圧側とするが、直列に接続している電池の接続点、すなわち組電池の途中を高電圧側と低電圧側として漏電抵抗値を検出することもできる。したがって、本発明は、組電池の高電圧側をプラス側出力に特定せず、また低電圧側をマイナス側出力にも特定しない。

以上の漏電検出回路４１は、図７に示すように、制御回路４６によって、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオン、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオフに制御する第１のタイミングにおいて、第１の収束される漏電電圧Ｖ_１∞を検出する。また、図８に示すように、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオフ、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンに制御する第２のタイミングにおいて、第２の収束される漏電電圧Ｖ_２∞を検出する。図の漏電検出回路４１は、第１の電圧検出抵抗２１の両端の電圧Ｖｈを第１の収束される漏電電圧Ｖ_１∞として検出し、第２の電圧検出抵抗２２の両端の電圧Ｖｇを第２の収束される漏電電圧Ｖ_２∞として検出する。検出された第１の収束される漏電電圧Ｖ_１∞と第２の収束される漏電電圧Ｖ_２∞から、演算回路４７が漏電抵抗値Ｒ_Ｌを以下の数１３で演算して漏電を検出する。漏電しない組電池２は、漏電抵抗値Ｒ_Ｌが無限大もしくは極めて大きい抵抗値となる。漏電抵抗値Ｒ_Ｌが所定の電気抵抗よりも小さくなると、漏電と判定する。漏電状態は、表示器（図示せず）で表示する。また、漏電状態になると、組電池２の出力側に接続しているコンタクタ（図示せず）をオフに切り換えて、出力電圧を遮断して感電などの弊害を防止する。

ただし、この式において、Ｒ_ａは第１の電圧検出抵抗２１及び第２の電圧検出抵抗２２の電気抵抗、Ｒ_ｂは第１の分圧抵抗３１及び第２の分圧抵抗３２の電気抵抗、Ｖ_ｔ(t1)は、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオン、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオフに制御する第１のタイミングｔ1における組電池の総電圧、Ｖ_ｈ(t1)は、第１のタイミングｔ1における第１の電圧検出抵抗２１に発生する第１の収束される漏電電圧、Ｖ_ｔ(t2)は、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオフ、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンに制御する第２のタイミングｔ2における組電池の総電圧、Ｖ_ｇ(t2)は、第２のタイミングｔ2における第２の電圧検出抵抗２２に発生する第２の収束される漏電電圧である。

以下、上記の数１３を求める手順を詳述する。まず、時間ｔ1において、図７に示すように、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオン、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオフとする第１のタイミングにおいて、第１の電圧検出抵抗２１に発生する第１の収束される漏電電圧Ｖ_ｈ(t1)を検出する。第１の収束される漏電電圧Ｖ_ｈ(t1)は、所定の時間周期、たとえば５ｍｓｅｃの周期で検出される３回の漏電電圧から前述した方法で演算される。第１の収束される漏電電圧Ｖ_ｈ(t1)を検出すると、以下の数１４が成立する。この数１４は、漏電抵抗値Ｒ_Ｌと第１の電圧検出抵抗２１（抵抗値Ｒ_ａ）と第１の分圧抵抗３１（抵抗値Ｒ_ｂ）の直列回路に、組電池２の高電圧側の電圧である総電圧Ｖ_ｔ(t1)と漏電位置の電圧Ｖ_Ｌ(t1)との差電圧が供給されることから導かれる。

その後、第２のタイミングである時間ｔ2において、図８に示すように、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオフ、第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンとする状態で第２の電圧検出抵抗２２に発生する第２の収束される漏電電圧Ｖ_ｇ(t2)を演算する。第２の収束される漏電電圧Ｖ_ｇ(t2)も、所定の時間周期、たとえば５ｍｓｅｃの周期で検出される３回の漏電電圧から演算される。第２の収束される漏電電圧Ｖ_ｇ(t2)を検出すると、以下の数１５が成立する。この数１５は、漏電抵抗値Ｒ_Ｌと第２の電圧検出抵抗２２（抵抗値Ｒ_ａ）と第２の分圧抵抗３２（抵抗値Ｒ_ｂ）の直列回路に、漏電位置の電圧Ｖ_Ｌ(t2)が供給されることから導かれる。

第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンオフに切り換える状態で、漏電の位置が変化しないとすれば、以下の数１６と数１７が成立する。ここで、０≦ｋ≦１とする。

数１６と数１７を数１４と数１５に代入して、以下の数１８と数１９とが得られる。

このふたつの式から数１３が求められる。この数１３から、組電池２の出力側の高電圧ライン１７の漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出することができる。また、複数カ所で漏電が発生する状態にあっては、漏電抵抗値Ｒ_Ｌの合算値（並列抵抗値）として演算できる。また、第１の漏電検出スイッチ１０Ａと第２の漏電検出スイッチ１０Ｂの切り換え時間に生じる組電池２の電圧変動による影響もなく漏電抵抗値Ｒ_Ｌを正確に検出できる。それは、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオンとする時間ｔ1の第１のタイミングにおいて、総電圧Ｖ_ｔ(t1)および漏電電圧Ｖ_ｈ(t1)が検出され、第２の漏電スイッチ１０Ｂをオンとする時間ｔ2の第２のタイミングにおいて、総電圧Ｖ_ｔ(t2)および漏電電圧Ｖ_ｇ(t2)が検出されるため、漏電検出スイッチ１０を切り替える状態において、漏電の位置が変化しないとすれば電圧変動の影響はないからである。

図９に示すように、組電池２のプラス側とマイナス側とが漏電して、漏電抵抗６０Ａ、６０Ｂが接続された状態では、漏電抵抗値Ｒ_Ｌはふたつの漏電抵抗値Ｒ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２の合成抵抗となるので、数２０が成り立つ。

上記数２０を漏電抵抗値Ｒ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２について解くと以下のようになる。

ここで、ｘ＝Ｖ_ｈ(t1)／Ｖ_ｔ(t1)、ｙ＝Ｖ_ｇ(t2)／Ｖ_ｔ(t2)とすると、前述の数１３及び数２１は、以下の数２２で表される。

以上の電源装置が、漏電電圧から収束される漏電電圧を演算して漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出する状態を図１０に示している。この図の電源装置は、第１の漏電検出スイッチと第２の漏電検出スイッチとを交互にオンオフに切り換える第１のタイミングと第２のタイミングとを繰り返して、収束される漏電電圧を演算し、演算される収束される漏電電圧から漏電抵抗値を検出することができる。

図１１は、参考として収束される漏電電圧を演算しないで、漏電電圧が収束するまで待って漏電抵抗値を演算する状態を示している。この図に示すように、従来の電源装置は、漏電電圧が収束するまで待ち時間があるので、短時間に漏電抵抗値を検出できない。

さらに、以上の電源装置は、直列に接続している２個の電圧検出抵抗２０及び分圧抵抗３０からなる漏電検出抵抗４５の電圧を電圧検出回路４４で検出して漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出するが、本発明は漏電検出抵抗の電圧を検出する回路構成を特定せず、たとえば、図１２に示すように、直列に接続している２組の漏電検出抵抗５５の電圧を２組の電圧検出回路５４Ａ、５４Ｂで検出して漏電抵抗値Ｒ_Ｌを検出することもできる。

この電源装置の漏電検出回路５１は、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオンとして第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオフとする第１のタイミング（ｔ1）と、第１の漏電検出スイッチ１０Ａをオフとして第２の漏電検出スイッチ１０Ｂをオンとする第２のタイミング（ｔ2）において検出された電圧から、演算回路５７が漏電抵抗値Ｒ_Ｌを以下の数２３で演算する。

なお、上記数２３において、Ｖ_Ｌ１(t1)、Ｖ_Ｌ２(t2)は、電圧検出回路５４でもって所定の周期で検出される少なくとも３回の漏電電圧から前述した方法で演算して収束される漏電電圧として検出される。また、この式において、Ｖ_ｇ１(t1)は、第１のタイミング（ｔ1）における高電圧側の直列接続点５２Ａに対する中間接続点５３の電圧、Ｖ_ｇ２(t1)は、第１のタイミング（ｔ1）における低電圧側の直列接続点５２Ｂに対する中間接続点５３の電圧、Ｖ_ｇ１(t2)は、第２のタイミング（ｔ2）における高電圧側の直列接続点５２Ａに対する中間接続点５３の電圧、Ｖ_ｇ２(t2)は、第２のタイミング（ｔ2）における低電圧側の直列接続点５２Ｂに対する中間接続点５３の電圧をそれぞれ示している。さらにまた、この式において、Ｒ_ａは漏電検出抵抗５５ａの抵抗値、Ｒ_ｂは漏電検出抵抗５５ｂの抵抗値である。

さらに、図１３は、漏電検出回路１を備える電源装置を、車体７０に実装する状態を示す。漏電検出回路１の電源のグランドは、車載用の１２Ｖ鉛バッテリー７４のマイナス端子７５となるが、それは車体７０に設置された場所近傍の車体７０と接続される場合が多い。本発明の電源装置は、漏電検出回路１が実装される回路基板７３のグランド７１と車体７０のグランド７２との間の線路が長くなり、この間のインピーダンスが高くなって、ここにノイズ等が誘導されても、電圧検出回路は電圧差を増幅しているだけなので、漏電抵抗の検出精度には影響がなく、常に正確に漏電抵抗値を検出できる。

本発明の電源装置は、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両、又は太陽電池発電装置や風力発電などの自然エネルギーを蓄電し、あるいは深夜電力の蓄電装置などに好適に利用できる。

１…漏電検出回路
２…組電池
３…電池
４…電圧検出回路
５…漏電検出抵抗
６…制御回路
７…演算回路
８…コンデンサ
９…シャーシーアース
１０…漏電検出スイッチ １０Ａ…第１の漏電検出スイッチ
１０Ｂ…第２の漏電検出スイッチ
１３…反転回路
１４…接続点
１５…バッファーアンプ
１６…差動アンプ
１７…高電圧ライン
２０…電圧検出抵抗
２１…第１の電圧検出抵抗
２２…第２の電圧検出抵抗
３０…分圧抵抗
３１…第１の分圧抵抗
３２…第２の分圧抵抗
４１…漏電検出回路
４４…電圧検出回路
４５…漏電検出抵抗
４６…制御回路
４７…演算回路
４８…ＭＰＵ
４９…総電圧検出回路
５１…漏電検出回路
５２Ａ…高電圧側の直列接続点
５２Ｂ…低電圧側の直列接続点
５３…中間接続点
５４…電圧検出回路 ５４Ａ…電圧検出回路
５４Ｂ…電圧検出回路
５５…漏電検出抵抗 ５５ａ…漏電検出抵抗
５５ｂ…漏電検出抵抗
５７…演算回路
６０…漏電抵抗 ６０Ａ…漏電抵抗
６０Ｂ…漏電抵抗
７０…車体
７１…グランド
７２…グランド
７３…回路基板
７４…１２Ｖ鉛バッテリー
７５…マイナス端子
９１…漏電検出回路
９２…組電池
９３…漏電検出スイッチ
９４…電圧検出回路
９５…漏電検出抵抗
９７…高電圧ライン
９８…コンデンサ
９９…シャーシーアース

Claims (6)

1. 出力側の高電圧ラインとシャーシーアースとの間にコンデンサを接続してなる組電池の漏電抵抗を検出する漏電検出回路を備える電源装置であって、
   前記漏電検出回路が、前記組電池を構成する直列に接続された複数の電池の任意の点を、漏電検出スイッチを介してシャーシーアースに接続する漏電検出抵抗と、
   前記漏電検出スイッチをオン状態に切り換えて、前記組電池の任意の点をシャーシーアースに接続する状態で、前記漏電検出抵抗の両端の漏電電圧を所定の周期（Δｔ）で検出する電圧検出回路と、
   この電圧検出回路が所定の時間間隔で検出する複数の漏電電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算する演算回路とを備えており、
   前記演算回路が、前記電圧検出回路が所定の時間間隔で検出する少なくとも３回の漏電電圧から漏電電圧が収束する漏電電圧を演算して、収束される漏電電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算するようにしてなることを特徴とする電源装置。
2. 前記電圧検出回路が、所定の周期（Δｔ）で検出する少なくとも３回の漏電電圧から、前記演算回路が以下の式で収束される漏電電圧（Ｖ_∞）を演算して、収束される漏電電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算する請求項１に記載される電源装置。
   

   

   ただし、この式において、
   Ｙ_１は、時間（ｔ）における漏電電圧Ｖ(t)、
   Ｙ_２は、時間（ｔ＋Δｔ）における漏電電圧Ｖ(t+Δt)、
   Ｙ_３は、時間（ｔ＋２Δｔ）における漏電電圧Ｖ(t+2Δt)である。
3. 前記漏電検出スイッチが、組電池の高電圧側に接続している第１の漏電検出スイッチと低電圧側に接続している第２の漏電検出スイッチとからなり、
   前記漏電検出回路が、前記第１の漏電検出スイッチと第２の漏電検出スイッチを交互にオンオフに切り換える制御回路と、
   前記第１の漏電検出スイッチと第２の漏電検出スイッチを介して前記組電池に接続されて、中間点をシャーシーアースに接続している漏電検出抵抗と、
   この漏電検出抵抗の中間点よりも高電圧側と低電圧側の漏電電圧を検出する電圧検出回路とを備え、
   前記演算回路が、第１の漏電検出スイッチをオンとして第２の漏電検出スイッチをオフに制御する第１のタイミングにおいて、前記電圧検出回路が検出する複数の漏電電圧から第１の収束される漏電電圧（Ｖ_１∞）を演算し、
   さらに、第１の漏電検出スイッチをオフとして第２の漏電検出スイッチをオンに制御する第２のタイミングにおいて、前記電圧検出回路が検出する複数の漏電電圧から第２の収束される漏電電圧（Ｖ_２∞）を演算し、
   演算する第１の収束される漏電電圧（Ｖ_１∞）と第２の収束される漏電電圧（Ｖ_２∞）から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算するようにしてなる請求項１又は２に記載される電源装置。
4. 前記漏電検出回路が、前記組電池の総電圧を検出する総電圧検出回路を備えており、
   前記演算回路が、第１の収束される漏電電圧（Ｖ_１∞）と第２の収束される漏電電圧（Ｖ_２∞）と組電池の総電圧から漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を演算するようにしてなる請求項３に記載される電源装置。
5. 前記漏電検出抵抗が、互いに直列に接続されて中間の接続点をシャーシーアースに接続している第１の電圧検出抵抗及び第２の電圧検出抵抗と、第１の電圧検出抵抗を第１の漏電検出スイッチを介して組電池の高電圧側に接続している第１の分圧抵抗と、第２の電圧検出抵抗を第２の漏電検出スイッチを介して組電池の低電圧側に接続している第２の分圧抵抗とからなり、
   前記電圧検出回路が互いに直列に接続している第１の電圧検出抵抗と第２の電圧検出抵抗の両端の電圧を検出する請求項３又は４に記載される電源装置。
6. 前記演算回路が下記の式で漏電抵抗値（Ｒ_Ｌ）を検出する請求項５に記載される電源装置。
   

   

   ただし、この式において、
   Ｒ_ａは、第１の電圧検出抵抗及び第２の電圧検出抵抗の電気抵抗、
   Ｒ_ｂは、第１の分圧抵抗及び第２の分圧抵抗の電気抵抗、
   Ｖ_ｔ(t1)は、第１の漏電検出スイッチをオン、第２の漏電検出スイッチをオフに制御するタイミングｔ1における組電池の総電圧、
   Ｖ_ｈ(t1)は、タイミングｔ1における第１の電圧検出抵抗の第１の収束される漏電電圧、
   Ｖ_ｔ(t2)は、第１の漏電検出スイッチをオフ、第２の漏電検出スイッチをオンに制御するタイミングｔ2における組電池の総電圧、
   Ｖ_ｇ(t2)は、タイミングｔ2における第２の電圧検出抵抗の第２の収束される漏電電圧である。

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