JP2016531301A - クリティカルな状況下での絶縁不良を試験する絶縁不良検出装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、第1〜第3のノードが直流電圧源に接続される第1〜第4のノード(461、462、463、464)と、第1及び第2のノードを接続する第1の分岐と、第2及び第3のノードを接続する第2の分岐と、第1及び第4のノードを接続する第3の分岐と、第3及び第4のノードを接続する第4の分岐と、第2及び第4のノードを接続し、かつ、第2及び第4のノード間に接続されるキャパシタ(421)を有する第5の分岐と、を有するブリッジ構造と、a)キャパシタを充電するためにスイッチを閉じ、b)一つのスイッチを閉じて他のスイッチを開いたままで維持する、ことを連続的に行うようにスイッチを制御する制御回路(40)と、キャパシタ(421)に流れる電流を測定する測定回路(431)と、ステップb)で測定された電流に応じて絶縁不良の大きさを決定する回路(43)と、を有する。【選択図】図2

Description

本発明は、接地に対するDC電源の絶縁に関し、特に、高出力電源の絶縁不良の演出に関する。
高出力DC電源システムは、現在多くの開発努力の目的となっている。その原因として、多くの輸送システムが電源を有していることが挙げられる。
エンジン/電気ハイブリッド車又は電気自動車は、特に高出力バッテリーを有する。適切なレベルの電圧を得るには、いくつかの電気化学的蓄電池が直列に配置される。高出力及び大容量を得るには、いくつかの蓄電池群が並行に配置される。段の数(直列の蓄電池の群の数)及び各段において並列された蓄電池の数は、バッテリーの電圧、電流及び望ましい容量の関数として変化する。いくつかの蓄電池の群は、蓄電池バッテリーと呼ばれる。
このような車両に用いられる電気化学的蓄電池は、一般に、抑制的な重量と容積に対して大量のエネルギーを貯蔵する能力の故に、リチウムイオンタイプである。リン酸鉄LiFePOリチウムイオンタイプのバッテリー技術は、エネルギー貯蔵密度はやや減少するが、その本質的安全性に高さから、大規模な普及のための主題となっている。
このようなバッテリーは、インバータによってAC電気モータを駆動するために用いられる。このようなモータに求められる電圧レベルは、数百ボルト、典型的には400ボルトにも達する。また、このようなバッテリーは、電気モードにおける車両の自律性を高めるために、大容量を有する。
自動車のパワーバッテリーの接地へ接続する回路図は、通常は、換言すれば、接地に対して絶縁された中性端子及び接地される機械的グランド(機械的グランドがタイヤにより接地から絶縁される運転時を除く)を有する、給電線のIT中性端子構成に対応する。
仏国特許発明第2976038号明細書 米国特許出願公開第2010/156426号明細書
車両応用での特有の理由によって、(車両のシャーシ及び金属ボディにより形成されることでユーザに利用可能な)車両の機械的グランドとバッテリーの電位との間の絶縁体の使用が導かれる。主な理由としては、運転中に最初の絶縁不良が生じたときに、駆動バッテリーを瞬時に切り離すことを想定し得ないからである。例えば、バッテリーの端子の1つが機械的グランドに接続され、かつ、他の端子で絶縁不良が生じている場合、短絡や保護ヒューズの即時破断に帰結する。これは、駆動力やエネルギー回生ブレーキの消失により、車両の危険性が示される効果をもたらす。また、これにより、バッテリーを絶縁し、かつ、人的安全性の理由により、絶縁監視器によって絶縁を監視する必要が有る。実際に、最初の不良が生じた際にユーザに対するリスクがない場合、バッテリーの正端子と負端子との間が短絡したためにバッテリーが切り離される効果をもたらす第2の不良が起きる前に、この最初の不良にかかる警告が与えられる。また、この第2の不良が生じた場合、バッテリーの電圧が直接的に車両の機械的グランドに接続され、これにより、ユーザは後者と潜在的に繋がる。このようなユーザ用エネルギー源の潜在的リスクのため、バッテリーと機械的グランドとの間を絶縁し、この絶縁を監視する特定の処置がなされる。バッテリーに電気的に接続される車両の全部品は、グランドに対して絶縁されなければならない。絶縁は、絶縁材料を使用することでもたらされる。絶縁体は、(振動、機械的衝撃、塵及び埃などにより)経時劣化するので、機械的グランドに危険な電位を印加する。
また、電源線から直流的に絶縁されていない充電器を用いてもよい。車両の機械的グランドは、規範的には、再充電の間は接地される。慣例的に、中立端子構成(TT構成)は、居住モードでは中立端子が接地される。これは、再充電の間に、車両の機械的グランドを、バッテリーの電位の一つに接続することに対応する。よって、バッテリーのフル電圧は、通常時にはこの電圧の半分のみが印加され、かつ、何にもまして制御されているのに対して、再充電動作の間は絶縁体の端子に印加される。この絶縁体は、短絡に帰結する第2の不良を即座に引き起こすフル電圧に対処する能力がない。
絶縁不良を検出する既知の装置は、端子と通常動作での電位差よりも高いグランドとの間の電位差が有る場合での絶縁不良を予期して設計されていない。故に、これらの装置は、生起するクリティカルな状況化での絶縁不良を試験しない。また、絶縁不良を検出する装置の大半は、車両の自律性の結果として、無視しえない電力消費を招く。
特許文献1には、4つの分岐の制御スイッチを有するブリッジ構造と、ブリッジ構成される5つの分岐に設けられる検出回路と、を有する絶縁装置が記載されている。制御回路は、消費電流を制限するデューティサイクルにて前記スイッチを開いたままで維持する。
特許文献2は、DC電圧源とグランドとの間の絶縁不良を検出する装置を開示している。制御スイッチが設けられたブリッジ構造は、一方ではグランドに接続され、他方ではDC電圧源に連続的に接続される。
本発明は、これらの問題点の一以上を解決することを目的とする。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲で規定されるような、DC電圧源とグランドとの間の絶縁不良を検出する装置に関する。
また、本発明は、添付の特許請求の範囲で規定されるようなシステムに関する。
本発明のその他の特徴的構成及び効果は、図を参照して、制限されない例示による下記の説明から明確に明らかとなるであろう。
バッテリーにより電源供給される電気モータを有する車両の一例の概略図である。 本発明の一形態での絶縁不良検出回路の概要図である。 検出回路が設けられた車両の絶縁不良の一種が存在する場合での電気回路図である。 第1タイプの試験用の図2の検出回路の一連の構成を示す。 第1タイプの試験用の図2の検出回路の一連の構成を示す。 検出回路のキャパシタを流れる前記電流を示す図である。 第2タイプの試験用の図2の検出回路の一連の構成を示す。 第2タイプの試験用の図2の検出回路の一連の構成を示す。
図1に、本発明の一実施例を組み込んだ車両1の例を示す。車両1は、周知のように、直列接続された電気化学的蓄電池21を有するバッテリー2を有する。バッテリー2は、多数の直列接続された蓄電池21を有し、典型的には、要求される電圧及び使用される蓄電池のタイプに依存して40個から150個の蓄電池を有する。フル充電されたバッテリー2の端子間の電圧は、典型的には約400Vである。バッテリー2は、電圧+Vbatを第1の端子に印加し、電圧−Vbatを第2の端子に印加する。蓄電池21は、高出力電気配線を介して直列に接続される。バッテリー2の端子は、インバータ6のDCインターフェイスに接続される。電気モータ7は、インバータ6のACインターフェイスに接続される。
バッテリー2の端子とインバータ6のDCインターフェイスとの間の接続は、保護回路3と電力結合回路5とを介して成される。周知の通り、保護回路3は、短絡時に接続を開放するように構成されたヒューズを有する。電力結合回路5は、インバータ6のDCインターフェイスに対してバッテリー2の端子を選択的に接続/開放できるスイッチ51及び52を有する。スイッチ51及び52の開閉は、典型的にはバッテリー2の動作を管理するコンピュータである制御回路8によって制御される。制御回路8は、典型的には、バッテリー2よりもはるかに低い電圧レベルを有する、車両1の車載システムの電源であるバッテリー92によって電源供給される。制御回路8は、典型的には、車両1のシャーシや車体93を含む機械的グランド91と接続される。絶縁不良検出装置4は、バッテリー2と機械的グランド91とに接続される。
図2は、バッテリー2に取り付けられる、本発明の一態様にかかる絶縁不良検出装置4の一例の概略図である。絶縁不良検出装置4は、第1〜第4ノード461〜464を有するブリッジ構造を有する。第1の分岐は、ノード461と462とを電気的に接続するものであり、第1の制御スイッチ401を有する。第2の分岐は、ノード462と463とを電気的に接続するものであり、第2の制御スイッチ402を有する。第3の分岐は、ノード461と464とを電気的に接続するものであり、第3の制御スイッチ403を有する。この第3のスイッチ403は、好都合にも、一方向導通体411を有する第1の素子と直列に接続されている。第4の分岐は、ノード464と463とを電気的に接続するものであり、第4のスイッチ404を有する。この第4のスイッチ404は、好都合にも、一方向導通体412を有する第2の素子と直列に接続されている。第5の分岐は、ノード462と464とを電気的に接続するものである。キャパシタ421と抵抗性負荷422とは、第5の分岐のノード462と464との間に接続される。キャパシタ421と抵抗性負荷422との間のノード465は、機械的グランド91の電位と接続される。電流センサ431は、好都合にも、キャパシタ421に流れる電流を測定する。電流センサ432は、好都合にも、抵抗性負荷422に流れる電流を測定する。絶縁不良検出装置4は、検出回路43を有する。検出回路43は、絶縁不良を、かつ、測定に応じて潜在的に絶縁不良の大きさをも判定する。
バッテリー2の電位+Vbatは、ノード461に印加される。バッテリー2の電位−Vbatは、ノード463に印加される。制御スイッチ401〜404は、それぞれの分岐の導通を選択的に遮断するように構成される。スイッチ401〜404の開閉は、制御回路40により制御される。制御スイッチ401〜404は、例えばゲートが制御回路40によって制御される電界効果トランジスタである。制御回路40によるスイッチ401〜404の制御モードの例については以下で説明する。一方向導通素子411によって、ノード461からノード464への導通のみが可能となる。一方向導通素子412によって、ノード464からノード463への導通のみが可能となる。この場合、一方向導通素子411及び412は、ダイオードである。スイッチ403により、ダイオード411のアノードはノード461と接続され、ダイオード411のカソードはノード464と接続される。スイッチ404により、ダイオード412のアノードはノード464と接続され、ダイオード412のカソードはノード463と接続される。
図3は、機械的グランド91とバッテリー2の正端子との間の絶縁不良の一例の存在下における検出装置4が設けられた車両の電気回路図である。ノード461とノード465との間に接続される抵抗451は、バッテリー2の正端子と機械的グランド91との間の絶縁不良抵抗の典型例である。ノード461とノード465との間で抵抗451と並列に接続されるキャパシタ452は、バッテリー2の正端子とグランド91との間の浮遊容量、車両の干渉抑制コンデンサ、及び、これら2つの組み合わせのいずれかの典型例である。
図4及び5に、バッテリー2の正端子に対する絶縁不良の試験を行う間の、絶縁不良検出装置4のブリッジ構成のスイッチの一連の構成を示す。
まず、絶縁不良試験が行われていない場合、制御回路40は、検出回路4での電力消費をなくすため、スイッチ401〜404のセットを同時に開いたままで維持する。好都合にも、スイッチ401〜404は、少なくとも98%、好適には99%のデューティ比で開いたままで維持される。
図4では、バッテリー2の正端子と機械的グランド91との間で、絶縁不良試験が始まる。キャパシタ421が初めに放電されるものとする。そして、制御回路40は、第1ステップの間は、スイッチ401及び404を閉じ、かつ、スイッチ402及び403を開いたままで維持する。バッテリー2の端子間の電位差は、第5の分岐の端子に印加される(スイッチ401及び404での電圧降下は無視する)。第1ステップの間は、キャパシタ421は充電され、充電電流はバッテリー2によって供給され、スイッチ401及び404を流れる。好都合にも、この第1ステップは、Eをバッテリー2の端子間の電圧として、キャパシタ421の端子間の電位差Vcが少なくともE/2に達するのに十分な時間である。好適には、第1ステップは、キャパシタ421の端子間の電位差Vcが少なくとも0.9Eに達し、又は、Eと等しくなるのに十分な時間である。
キャパシタ421を充電する第1ステップに続いて、制御回路40はバッテリー2の陽極とグランド91との間の絶縁不良を試験する第2ステップを開始する。制御回路40は、スイッチ402を閉じ、スイッチ401、403及び404を開いたままで維持する。そして、キャパシタ421とバッテリー2とは、ノード461と465との間の電位差がE(バッテリー2の端子間の電位差)とVc(キャパシタ421の端子間の電位差)との代数和に対応するように、ノード461とグランド(ノード465)との間に直列に接続される。これにより、電位差Vc+Eがグランド91とノード461との間に印加される。
絶縁不良抵抗451又はキャパシタ452が存在する場合、キャパシタ452により、キャパシタ421を放電させる回路がノード461とノード465との間に形成される。図6では、この第2ステップの間にキャパシタ421に流れる電流を示している。ここで、キャパシタ421は、キャパシタ452よりも大幅に高い、典型的には少なくとも4倍は高い抵抗値を有するものと仮定する。第1フェーズP1の間は、絶縁不良抵抗に流れる電流が無視できる一方で、キャパシタ452は充電され、その影響はキャパシタ421の放電曲線の形状に対して支配的となる。キャパシタ421の放電電流は指数関数的に減少し、このフェーズの間に移動する電荷はキャパシタ452の容量値に比例する。第2フェーズP2では、測定期間よりもはるかに長い時定数の指数関数的放電により、キャパシタ421の放電電流は実質的に一定の値で安定する。この安定値は、絶縁不良抵抗451の値を規定する。絶縁不良抵抗451が存在しない場合、フェーズP2での放電電流はゼロとなる(破線曲線)。当然ながら、放電電流の安定化は、キャパシタ421が無限大の容量値を有すると仮定した近似値である。
第1の変形例によれば、フェーズP2の間にキャパシタ421の放電を継続することで、回路43は、スイッチ402を閉じた後の一定期間の(センサ431を用いた)キャパシタ421に流れる電流の測定に基づいて、絶縁不良抵抗の存在とその大きさを判定することができる。この絶縁不良抵抗は、安定化されたフェーズP2の間のキャパシタ421の放電電流に比例する。フェーズP1の間の一定時間でのキャパシタ421の端子間の電圧に依存して、キャパシタ452の容量値を決定することができる。実際に、フェーズP1の間のキャパシタ421の放電は、キャパシタ452の放電を本質的に保証するものと考えてもよい。
第2の変形例によれば、キャパシタ452の容量値はキャパシタ421の残存電荷を測定することで決定される。フェーズP1の終わりでは、キャパシタ451の放電電流は依然として絶縁不良抵抗を示している。キャパシタ452の容量を測定するため、制御回路40は、フェーズP1の終わりにスイッチ402及び403を閉じ、スイッチ401及び404を開く。(抵抗値がキャリブレーションされる)抵抗性負荷422に流れる(センサ432で測定される)電流を測定することで、回路43はキャパシタ421の残存電荷を測定する。また、スイッチ402及び403の構成により、キャパシタ421は、例えばバッテリーの他の端子の試験など、後の試験ステップで放電することができる。更に、キャパシタ421の残存電荷は、バッテリー2により、この放電過程の間に少なくとも部分的に回収される。
第1及び第2の変形例は、双方ともに、例えば冗長化のために、検出回路4によって実現されてもよい。
キャパシタ452の容量を決定することで、例えば、浮遊容量の大きさ又は干渉抑制キャパシタの経年劣化を判定することができる。
よって、本発明により、
バッテリーの充電レベルに関わりなく、バッテリー2の一端子とグランド91間の高電位を用いて、
簡易な構造によって、バッテリーの名目電圧よりも高い電位を用いて、
大幅に少ない消費電力にて、
絶縁不良の検出の実行が可能となる。
上記で説明した例では、抵抗性負荷は第1ステップの間にキャパシタ421の充電電流を制限する役割も有している。特に、この制限は、バッテリー2への保護をもたらす。
一方向導通素子411及び412は、スイッチ403及び404が逆電圧に耐えられない場合に、それぞれスイッチ403及び404の寄生ダイオードに電流が流れることを防止するために用いられる(例えば、スイッチ403及び404がMOSFETトランジスタである場合)。
図7及び8は、バッテリー2の負端子に対する絶縁不良試験の間の、絶縁不良検出回路のブリッジ構成のスイッチの一連の構成を示す。
図7では、バッテリー2の負端子と機械的グランド91との間の絶縁不良試験が開始される。キャパシタ421が初めに放電されるものとする。制御回路40は、第1ステップの間、スイッチ402及び403を閉じ、スイッチ401及び404を開いたままにする。バッテリー2の端子間の電位差は、第5の分岐の端子に印加される。第1ステップの間、キャパシタ421はチャージアップし、バッテリー2から充電電流が供給され、スイッチ402及び403に流れる。
キャパシタ421を充電する第1ステップに続いて、制御回路40は、バッテリー2の負端子とグランド91との間の絶縁不良を試験する第2ステップを開始する。そして、制御回路40は、スイッチ401を閉じ、スイッチ402、403及び404を開いたままにする。ノード463と465との間の電位差がバッテリー2の端子間の電位差Eとキャパシタ421の端子間の電位差Vcとの代数和に対応するように、キャパシタ421とバッテリー2とは直列に接続される。これにより、電位差Vc+Eは、グランド91とノード463との間に印加される。
上述の第1及び第2の変形例は、絶縁不良、及び/又は、バッテリー2の負端子とグランド91との間のキャパシタ452の容量値の測定に用いてもよい。
動作中、キャパシタ421、一方向性導通素子411及び412、及び、スイッチ401及び402は、値Eの電位差に曝される。抵抗性負荷422及びスイッチ403、404は、値が2×Eの電位差に曝される。当業者は、これらのコンポーネントの寸法を適宜設計することができる。好都合にも、抵抗性負荷422は、少なくとも100kΩに等しい抵抗を有する。種々の変形例で示された抵抗性負荷422により、キャパシタ421を流れる電流の大きさを減少させることができる。しかし、本発明は、このような負荷なしに実現されてもよい。
自動車については、車両の運転中又は停止中にかかわらず、絶縁不良試験は、定期的に又は一度限りの試験として実行されてもよい。

Claims (10)

  1. DC電圧源と電気的グランドとの間の絶縁不良を検出する装置(4)であって、
    ブリッジ構造を備え、
    前記ブリッジ構造は、
    第1及び第3のノードが高出力DC電圧源の端子に接続されるように構成される第1〜第4ノード(461、462、463、464)と、
    前記第1及び第2のノードを接続する、第1の分岐の導通を選択的に遮断するように構成された第1の制御スイッチ(401)を有する第1の分岐と、
    前記第2及び第3のノードを接続する、第2の分岐の導通を選択的に遮断するように構成された第2の制御スイッチ(402)を有する第2の分岐と、
    前記第1及び第4のノードを接続する、第3の分岐の導通を選択的に遮断するように構成された第3の制御スイッチ(403)を有する第3の分岐と、
    前記第3及び第4のノードを接続する、第4の分岐の導通を選択的に遮断するように構成された第4の制御スイッチ(404)を有する第4の分岐と、
    前記第2及び第4のノードを接続する第5の分岐と、を有し、
    前記第5の分岐は、前記第2及び第4のノードとの間に接続されるキャパシタ(421)と、前記キャパシタと前記第4のノードとの間の前記第5の分岐に接続される電気的グランド(491)と、を有し、
    a)前記キャパシタを充電するために、前記第1及び第4のスイッチを閉じたまま、かつ、前記第2及び第3のスイッチを開いたままで維持し、
    b)前記第2のスイッチを閉じたまま、かつ、前記第1、第3及び前記第4のスイッチを開いたままで維持する、
    ための一連のステップを実行するように、前記スイッチを制御する制御回路(40)と、
    前記キャパシタ(421)を流れる電流を測定する第1測定回路(431)と、
    前記ステップb)の間に前記測定回路で測定された電流の関数として、絶縁不良の大きさを決定する分析回路(43)と、を有する
    絶縁不良検出装置。
  2. 前記第5の分岐は、グランド電位と前記第4のノード(464)との間に接続される抵抗性負荷(422)を更に有することを特徴とする、
    請求項1に記載の絶縁不良検出装置。
  3. 前記ステップb)の後の前記キャパシタの残存電荷を決定する回路(43)を更に有し、前記分析回路は、前記第1のノード(461)と前記電気的グランドとの間の容量値を決定した前記残存電荷の関数として決定する、
    請求項1又は2に記載の絶縁不良検出装置。
  4. 前記抵抗性負荷(422)に流れる前記電流を測定する第2測定回路(432)を更に備え、
    前記制御回路(40)は、前記ステップb)に続いてステップc)を実行するように前記スイッチを制御し、
    前記ステップc)は、前記第2及び第3のスイッチを閉じたまま、かつ、前記第1及び第4のスイッチを開いたままで維持し、
    前記残存電荷を決定する前記回路(43)は、前記キャパシタの前記残存電荷を、前記ステップc)の間に前記第2の測定装置が測定した前記電流の関数として決定する、ことを特徴とする、
    請求項2及び3に記載の絶縁不良検出装置。
  5. 前記制御回路(40)は、
    d)前記キャパシタを充電するために、前記第2及び第3のスイッチを閉じたまま、かつ、前記第1及び第4のスイッチを開いたままで維持し、
    e)前記第1のスイッチを閉じたまま、かつ、前記第2、第3及び第4のスイッチを開いたままで維持する、
    ための一連のステップを実行するように前記スイッチを更に制御し、
    前記分析回路(43)は、更に、前記ステップe)の間に前記測定回路により測定された前記電流の関数として、絶縁不良の大きさを決定するように構成される、ことを特徴とする、
    先行する請求項のいずれか一項に記載の絶縁不良検出装置。
  6. 前記第3の分岐は、前記第1のノードから前記第4のノードへの第1の一方向性導通素子(411)を更に有し、かつ、前記第3のスイッチ(403)と直列に接続され、
    前記第4の分岐は、前記第4のノードから前記第3のノードへの第2の一方向性導通素子(412)を更に有し、かつ、前記第4のスイッチ(404)と直列に接続される、ことを特徴とする、
    先行する請求項のいずれか一項に記載の絶縁不良検出装置。
  7. 前記第3及び第4のスイッチは、MOSFET型トランジスタである、ことを特徴とする、
    先行する請求項のいずれか一項に記載の絶縁不良検出装置。
  8. 前記制御回路は、前記第1〜第4のスイッチ(401、402、403、404)を少なくとも98%に等しいデューティ比で同時に開いたままで維持するように構成される、ことを特徴とする、
    先行する請求項のいずれか一項に記載の絶縁不良検出装置。
  9. 高出力DC電圧源(2)と、
    第1〜第3のノードが前記高出力電圧源の端子に接続される、先行する請求項のいずれか一項に記載の絶縁不良検出装置(4)と、を有し、
    前記電気的グランドは、前記高出力電圧源の前記端子に対して絶縁されている、
    システム。
  10. 前記制御回路(40)は、前記高出力電圧源の端子間の電圧をEとして、前記ステップa)が少なくとも0.5×Eと等しくなった後に充電される前記キャパシタの端子間の前記電圧に対して十分に長い期間にて、前記ステップa)を実行するように構成される、ことを特徴とする、
    請求項9に記載のシステム。
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