JP2021081243A - 地絡検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することを簡易に可能にする。【解決手段】地絡検出装置は、フライングキャパシタとして動作するコンデンサと、バッテリの正極側とコンデンサの第1の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、コンデンサの第1の極板が測定抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第1の切替部と、高電圧バッテリの負極側と検出用コンデンサの第2の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、検出用コンデンサの第2の極板が抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第2の切替部と、第1の切替部および第2の切替部を制御する制御部と、測定抵抗に生じた電圧を分圧してオフセットするオフセット分圧回路と、を有し、制御部は、測定抵抗に生じた電圧の入力を受ける第1のポートと、オフセット分圧回路が出力した出力電圧の入力を受ける第2のポートと、を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、フライングキャパシタを用いた地絡検出装置に関する。
駆動源としてエンジンと電気モータとを備えるハイブリッド車や、電気自動車のような車両においては、車体上に搭載したバッテリを充電し、バッテリから供給される電気エネルギーを利用して推進力を発生する。一般に、バッテリ関連の電源回路は、200V以上の高電圧を扱う高電圧回路として構成されており、安全性確保ため、バッテリを含む高電圧回路は接地の基準電位点となる車体から電気的に絶縁された非接地構成となっている。
また、負荷の駆動効率を高めるために、バッテリの正電位を昇圧して負荷に供給する昇圧器を備える車両がある。昇圧器を備える車両においては、バッテリの出力、すなわち昇圧器の1次側と共に、昇圧器の出力、すなわち2次側も車体から電気的に絶縁された非接地の構成となっており、車両はバッテリおよび昇圧器の接地として使用されない構成となっている。このため、昇圧器を有する車両では、地絡状態を監視するために、バッテリと接地との間の絶縁抵抗と共に、昇圧器の2次側と接地との間の絶縁抵抗も検出する必要がある。
そこで、バッテリおよび昇圧器が設けられた系、具体的には、バッテリから昇圧器を介して電気モータ等の負荷に至るメインの電源系と車体との地絡状態を監視するために、地絡検出装置が備えられている。地絡検出装置は、フライングキャパシタと呼ばれるコンデンサを利用した方式が広く用いられている。
図12は、フライングキャパシタ方式の従来の地絡検出装置500の構成例を示すブロック図である。地絡検出装置500は、非接地のバッテリBと接続し、バッテリBおよび昇圧器520が設けられた系の地絡を検出する装置である。地絡検出装置500、昇圧器520、負荷540等は、不図示の上位装置である外部制御装置により制御される。
ここで、バッテリB出力側、すなわち1次側の正極と接地間の絶縁抵抗をRLp1と表し、負極と接地間の絶縁抵抗をRLn1と表すものとする。また、昇圧器520出力側、すなわち2次側の正極と接地間の絶縁抵抗をRLp2と表し、負極と接地間の絶縁抵抗をRLn2と表すものとする。正極側絶縁抵抗RLpは、RLp1とRLp2との合成抵抗となり、負極側絶縁抵抗RLnは、RLn1とRLn2との合成抵抗となる。そして、正極側絶縁抵抗RLpと負極側絶縁抵抗RLnとの合成抵抗が系の絶縁抵抗RLとなる。
フライングキャパシタとして機能するコンデンサC1は、スイッチS1〜スイッチS4のオンオフで形成される経路において充電され、その充電電圧が制御装置510で計測されるようになっている。
絶縁抵抗RLを取得する手法として、V0とVcnとVcpとを測定して、(Vcn+Vcp)/V0を演算し、得られた演算値に基づいて、あらかじめ作成されたテーブルデータを参照して絶縁抵抗RLを算出する技術が知られている。地絡検出装置500は、得られた絶縁抵抗RLが所定の基準値を下回っている場合に、地絡が発生していると判定し、外部制御装置に警告を出力する。
ここで、V0は、スイッチS1とスイッチS2とをオンにして形成される経路で計測されるバッテリBの電圧に相当する値である。このとき、コンデンサC1の極板のうち、バッテリBの正極側に接続される極板を第1極板と称し、バッテリBの負極側に接続される極板を第2極板と称するものとする。
Vcnは、スイッチS1とスイッチS4とをオンにして形成されるバッテリBの正極側による充電経路で計測される電圧値であり、負極側絶縁抵抗RLnの影響を含んだ電圧値である。Vcpは、スイッチS2とスイッチS3とをオンにして形成されるバッテリBの負極極側による充電で計測される電圧値であり、正極側絶縁抵抗RLpの影響を含んだ電圧値である。
一般に、地絡判定においては、V0測定、Vcn測定、V0測定、Vcp測定を1サイクルとして計測を行ない、各測定の切換え時に、スイッチS3とスイッチS4とをオンにして形成される経路でコンデンサC1の充電電圧の読み取りと、コンデンサC1の放電とが行なわれる。
ところで、昇圧器520が昇圧動作を行なっている場合に、スイッチS1とスイッチS4とをオンにしてVcnを計測する際、コンデンサC1の第2極板には、昇圧された電圧を正極側絶縁抵抗RLpと負極側絶縁抵抗RLnとで分圧した電圧が印加される。
この電圧が、バッテリBの正極側から印加される電圧よりも大きくなると、電流の回り込みにより、通常と逆極性でコンデンサC1が充電されることになる。すなわち、第2電極板側が高電位となり、測定抵抗である抵抗R3にかかる電圧が負になる。制御装置510は一般に正電位を測定範囲としていることから、この場合、制御装置510で測定される電圧が0となり、絶縁抵抗RLの算出ができなくなってしまう。
この問題を解決するために、特許文献1には、図13に示すような、負電位計測回路620を備えた地絡検出装置600が開示されている。ここで、負電位計測回路620は、ダイオードDa、抵抗Ra、光MOS−FETで構成されたスイッチSa、抵抗Rbを備えている。また、地絡検出装置600には、スイッチS5と抵抗R5とが備えられている。
地絡検出装置600は、Vcnを計測する際に通常と逆極性でコンデンサC1が充電された場合には、スイッチS3とスイッチS4とをオンにして制御装置610のA/D1でコンデンサC1の充電電圧を測定するのではなく、スイッチS5とスイッチSaとをオンにして制御装置610のA/D2でコンデンサC1の充電電圧を測定する。これにより、逆極性で充電されたコンデンサC1の充電電圧が測定され、絶縁抵抗RLの算出ができるようになる。
特開2011−17586号公報
特許文献1に記載された発明では、ダイオードと抵抗とスイッチとを備えた負電位計測回路を設けることにより、昇圧器を含んだ系の地絡検出装置において、フライングキャパシタが逆極性で充電された場合であっても充電電圧の測定を可能としている。しかしながら、特許文献1に記載された発明では、スイッチS5、Saの制御が必要であり、構成や制御が煩雑である。
また、図12に示した構成では、故障等により万が一、スイッチS1とスイッチS3の両方がオンになった場合には、バッテリBと制御装置610が抵抗を介さずに接続してしまい、制御装置610が高電圧に晒される危険が生じる。そこで、図14に示した地絡検出装置700のように、スイッチS1とスイッチS3とが抵抗を介さずに接続しない構成にすることで、制御装置710を保護することが行われている。しかしながら、このような地絡検出装置700では、ダイオードD0が存在するため、コンデンサC1の第1極板からダイオードD0の方向に電流が流れることができず、たとえコンデンサC1の第2極板に印加される電圧がバッテリBの正極側から印加される電圧よりも大きくなったとしても、コンデンサC1に電流が流れ込むことがなく、コンデンサC1は充電されないままである。このため、図14に示した地絡検出装置700では、たとえ図13に示したような負電位計測回路を追加したとしても、コンデンサC1の第2極板に印加される電圧がバッテリBの正極側から印加される電圧よりも大きい場合には、絶縁抵抗RLの算出ができない。
そこで、本発明は、フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することを簡易に可能にすることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の地絡検出装置は、昇圧回路を介して負荷に電源を供給する非接地のバッテリと接続し、前記バッテリが設けられた系の絶縁抵抗を算出して地絡を検出する地絡検出装置であって、第1の極板と第2の極板とを有し、フライングキャパシタとして動作するコンデンサと、前記バッテリの正極側と前記コンデンサの第1の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、前記コンデンサの第1の極板が測定抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第1の切替部と、前記高電圧バッテリの負極側と前記検出用コンデンサの第2の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、前記検出用コンデンサの第2の極板が抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第2の切替部と、前記第1の切替部および前記第2の切替部を制御する制御部と、前記測定抵抗に生じた電圧を分圧してオフセットするオフセット分圧回路と、を有し、前記制御部は、前記測定抵抗に生じた電圧の入力を受ける第1のポートと、前記オフセット分圧回路が出力した出力電圧の入力を受ける第2のポートと、を有する。
また、前記制御部は、前記第1の切替部および前記第2の切替部を制御することで、前記バッテリ、前記コンデンサを含んだV0充電経路と、前記バッテリ、前記バッテリの負極側と接地との絶縁抵抗である負側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcn充電経路と、前記バッテリ、前記バッテリの正極側と接地との絶縁抵抗である正側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcp充電経路と、前記コンデンサと測定抵抗を含んだ充電電圧測定経路とを切り換え、前記充電電圧測定経路において、前記V0充電経路で前記コンデンサに充電された電圧V0に基づく電圧、前記Vcn充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Vcnに基づく電圧、前記Vcp充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Vcpに基づく電圧の各々の入力を、前記第1のポートおよび前記第2のポートから受け、前記第1のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値が0より大きいときは、前記第1のポートから受けた電圧V0に基づく電圧、電圧Vcnに基づく電圧、電圧Vcpに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出するようにしてもよい。
前記制御部は、前記第1の切替部および前記第2の切替部を制御することで、前記バッテリ、前記コンデンサを含んだV0充電経路と、前記バッテリ、前記バッテリの負極側と接地との絶縁抵抗である負側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcn充電経路と、前記バッテリ、前記バッテリの正極側と接地との絶縁抵抗である正側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcp充電経路と、前記コンデンサと測定抵抗を含んだ充電電圧測定経路とを切り換え、前記充電電圧測定経路において、前記V0充電経路で前記コンデンサに充電された電圧V0に基づく電圧、前記Vcn充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Vcnに基づく電圧、前記Vcp充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Vcpに基づく電圧の各々の入力を、前記第1のポートおよび前記第2のポートから受け、前記第1のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値が0より大きいときは、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧V0と前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧V0の平均値、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧Vcnと前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧Vcnの平均値、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧Vcpと前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧Vcpの平均値により前記絶縁抵抗を算出するようにしてもよい。
前記制御部は、前記第1のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値が0であるときは、前記第2のポートから受けた電圧V0に基づく電圧、電圧Vcnに基づく電圧、電圧Vcpに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出するようにしてもよい。
前記制御部は、前記第1のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値が0であるときは、前記第1のポートから受けた電圧V0に基づく電圧、電圧Vcpに基づく電圧の測定値、および前記第2のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出するようにしてもよい。
前記地絡検出装置は、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧V0と前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧V0の差、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧Vcnと前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧Vcnの差、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧Vcpと前記第2のポートにおけるに基づく電圧Vcpの差、の少なくとも1つを算出し、当該算出された差が所定の閾値以上であるときに、前記第1のポートと前記第2のポートの少なくともいずれかに異常が発生していると判定するポート故障発生判定部をさらに有するようにしてもよい。
また、前記オフセット分圧回路は、前記測定抵抗に生じた電圧が入力される入力端と、前記出力電圧を出力する出力端と、前記入力端と前記出力端との間に接続された第1の抵抗と、定電圧を供給する電圧源と、一端が前記電圧源に接続され、他端が前記第1の抵抗と前記出力端とを接続する線に接続された第2の抵抗と、一端が接地しており、他端が前記第1の抵抗と前記出力端とを接続する線に接続された第3の抵抗と、を有するようにしてもよい。
本発明によれば、フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することを簡易に可能である。
本実施形態の地絡検出装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態の地絡検出装置の別の構成を示すブロック図である。 本実施形態の地絡検出装置における動作を示すフローチャートである。 V0充電経路を説明する図である。 充電計測・放電経路を説明する図である。 Vcn充電経路を説明する図である。 Vcp充電経路を説明する図である。 本実施形態のオフセット分圧回路の構成例を示すブロック図である。 本実施形態におけるフライングキャパシタに蓄えられる電圧と測定電圧との関係を示す図である。 本実施形態の地絡検出装置の別の構成を示すブロック図である。 本実施形態の地絡検出装置の別の構成を示すブロック図である。 フライングキャパシタ方式の従来の地絡検出装置の構成例を示すブロック図である。 フライングキャパシタが逆極性で充電された場合であっても充電電圧の測定を可能とする従来の構成を示すブロック図である。 制御装置を高電圧から保護する従来の構成を示すブロック図である。
<地絡検出装置100>
本発明の実施形態である地絡検出装置について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態の地絡検出装置100の構成を示すブロック図である。地絡検出装置100は、負荷540に電力を供給する非接地のバッテリBと接続し、バッテリBおよび昇圧器520が設けられた系の地絡を検出する装置である。地絡検出装置100、昇圧器520、負荷540等は、図示しない上位装置である外部制御装置により制御される。
ここで、バッテリBの出力側、すなわち1次側の正極と接地間の絶縁抵抗をRLp1と表し、負極と接地間の絶縁抵抗をRLn1と表すものとする。また、昇圧器520の出力側、すなわち2次側の正極と接地間の絶縁抵抗をRLp2と表し、負極と接地間の絶縁抵抗をRLn2と表すものとする。正極側絶縁抵抗RLpは、RLp1とRLp2との合成抵抗となり、負極側絶縁抵抗RLnは、RLn1とRLn2との合成抵抗となる。そして、正極側絶縁抵抗RLpと負極側絶縁抵抗RLnとの合成抵抗が系の絶縁抵抗RLとなる。
バッテリBは、リチウムイオン電池等のように充電可能なバッテリにより構成されており、バッテリBの正極は昇圧器520を介して電気モータ等の負荷540の正極に接続され、バッテリBの負極は負荷540の負極に接続されている。
本図に示すように、地絡検出装置100は、フライングキャパシタとして機能するコンデンサC1を備えている。
地絡検出装置100は、計測経路を切り替えるとともに、コンデンサC1の充放電を制御するために、コンデンサC1の周辺に4つのスイッチS1〜S4を備えている。これらのスイッチは、光MOS−FETのような絶縁型のスイッチング素子で構成することができる。
スイッチS1は、一端がバッテリBの正極と接続し、他端が抵抗R1と接続している。抵抗R1の他端は、コンデンサC1の第1極板に接続している。従来は、図14に示したように、スイッチS1と抵抗R1との間にバッテリBの正極からコンデンサC1の方向を順方向としたダイオードを接続していたが、本実施形態ではこのダイオードを省いている。これにより、本実施形態では、コンデンサC1の第2極板に印加される電圧がバッテリBの正極側から印加される電圧よりも大きい場合には、コンデンサC1が、通常と逆極性でコンデンサC1が充電されることになる。
コンデンサC1の第1極板は、抵抗R6が直列に接続されたダイオードD1とダイオードD2との並列回路の一端にも接続している。ここで、ダイオードD1とダイオードD2とは順方向が逆向きになるように接続し、ダイオードD1のアノードがコンデンサC1の第1極板側に接続している。
抵抗R6が直列に接続されたダイオードD1とダイオードD2との並列回路の他端は、スイッチS3の一端と接続し、スイッチS3の他端は抵抗R3に接続し、抵抗R3の他端は接地している。このため、コンデンサC1の第1極板の電圧は、抵抗R6と抵抗R3に分圧される。一般に、バッテリBは、高電圧であるので、コンデンサC1に充電される電圧も高電圧になる。そこで、本実施形態では、制御装置110で測定する電圧を低く抑えるために、抵抗R6と抵抗R3により、コンデンサC1の第1極板の電圧を分圧している。また、スイッチS3と抵抗R3を接続する線には、制御装置110の第1のA/DポートA/D1が接続している。
さらに、本実施形態では、スイッチS3と抵抗R3を接続する線には、制御装置110の第1のA/DポートA/D1に加え、オフセット分圧回路120の一端が接続し、オフセット分圧回路120の他端が制御装置110の第2のA/DポートA/D2と接続している。オフセット分圧回路120は、抵抗R3にかかる電圧を、分圧かつオフセットする回路である。つまり、オフセット分圧回路120は、抵抗R3にかかる電圧VR3を、a倍(0<a<1)になるように分圧し、かつ所定の電圧b(b>0)だけ大きい電圧にオフセット(シフト)する回路である。本実施形態では、抵抗R3にかかる電圧を分圧かつオフセットした電圧(aVR3+b)も、制御装置110により測定されることになる。
スイッチS2は、一端がバッテリBの負極と接続し、他端がコンデンサC1の第2極板と接続している。スイッチS4は、一端がコンデンサC1の第2極板と接続し、他端が抵抗R4と接続している。抵抗R4の他端は接地している。
制御装置110は、マイクロコンピュータ等で構成され、あらかじめ組み込まれたプログラムを実行することにより、地絡検出装置100における各種動作を制御する。具体的には、スイッチS1〜S4を個別に制御して計測経路を切り替えるとともに、コンデンサC1の充電および放電を制御する。
また、制御装置110は、測定抵抗である抵抗R3に生じるアナログ電圧レベルを第1のA/DポートA/D1から入力する。制御装置110は、測定値に基づいて所定の演算を行なって絶縁抵抗RLを算出する。制御装置110の測定データや地絡が検出された場合の警報等は、外部制御装置に出力される。
制御装置110は、例えば、0V〜5Vの正の所定範囲電圧を測定対象としている。このため、コンデンサC1が逆方向に充電されることを考慮していない従来の地絡検出装置では、抵抗R3に係る電圧が0〜5Vの範囲で収まるように抵抗R6と抵抗R3の値を定めていた。仮に、コンデンサC1の充電範囲が0〜500Vであれば、1/100程度に分圧するように抵抗R6と抵抗R3の値が定められた。
しかしながら、コンデンサC1が逆方向に充電されることも考慮すると、コンデンサC1の充電範囲は、−500〜500Vとなる。このとき、抵抗R3にかかる電圧は、−5〜5Vの範囲となってしまい、制御装置110の測定範囲よりも広くなってしまう。制御装置110は、測定範囲外の電圧を測定した場合には、測定値として0を出力する。よって、抵抗R3にかかる電圧が−5V〜0Vの範囲にある場合、制御装置110の第1のA/DポートA/D1から入力された電圧は、−5V〜0Vであり、制御装置110は、測定値として、0を出力する。このため、制御装置110の第1のA/DポートA/D1から入力された電圧値だけでは、絶縁抵抗RLを算出することができない。
そこで、本実施形態の地絡検出装置100は、抵抗R3にかかる電圧の範囲を分圧することで圧縮し、さらに、正方向にオフセットすることで、正の電圧値を出力するオフセット分圧回路120を有しており、オフセット分圧回路120により分圧されてオフセットされた電圧が第2のA/DポートA/D2から制御装置110に入力される。このため、本実施形態では、たとえ通常とは逆極性でコンデンサC1が充電されたとしても、第2のA/DポートA/D2からは、制御装置110に正の電圧値が入力される。このため、本実施形態では、たとえ通常とは逆極性でコンデンサC1が充電されたとしても、制御装置110により電圧を測定することで可能である。つまり、本実施形態では、フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することが可能である。
例えば、抵抗R3にかかる電圧の範囲を1/2に圧縮して−2.5〜2.5Vの範囲とし、さらに、2.5Vだけオフセットすると、抵抗R3にかかる−5〜5Vの範囲の電圧を、0〜5Vの範囲で測定することができるようになる。後述するように、回路構成を簡易化するために、例えば、抵抗R3にかかる電圧の範囲を2/5に圧縮し、2Vだけオフセットすることにより、抵抗R3にかかる−5〜5Vの範囲の電圧を、0〜4Vの範囲で測定するようにしてもよい。もちろん、コンデンサC1の充電範囲と制御装置の測定範囲に対応させた他の分圧比、オフセット量であってもよい。
また、図2に示すように、地絡検出装置100は、ノイズを除去するために、フィルタF1、F2を有するようにしてもよい。また、図2に示すように、地絡検出装置100は、制御装置110を保護するために、制御装置110に入力される電圧の値を制限する電圧制限部130を有するようにしてもよい。電圧制限部130は、例えば、図2に示すように、抵抗と、接地に接続したダイオードと、電圧源に接続したダイオードと、により構成し、この電圧源の電圧を制御装置110の測定範囲の上限値以下に設定するとよい。このようにすることで、測定抵抗R3に生じる電圧がどのような値であっても、制御装置110には、測定範囲内の電圧が入力されることになる。
<地絡検出装置100の動作>
図3のフローチャートを参照し、上記構成の地絡検出装置100の動作について説明する。地絡検出装置100は、例えば、V0計測期間(ステップS201)、Vcn計測期間(ステップS202)、V0計測期間(ステップS203)、Vcp計測期間(ステップS204)、絶縁抵抗RL算出、地絡判定(ステップS205〜S209)を1サイクルとして計測動作を繰り返す。
V0計測期間(ステップS201、ステップS203)では、バッテリB電圧に相当する電圧V0を計測する。このため、スイッチS1、スイッチS2をオンにし、スイッチS3、スイッチS4をオフにして電圧V0の充電を行なう。このとき、図4に示すように、バッテリB、抵抗R1、コンデンサC1が充電経路となり、コンデンサC1は順極性で充電される。
その後、図5に示すように、スイッチS1、スイッチS2をオフにし、スイッチS3、スイッチS4をオンにして、第1のA/DポートA/D1からの入力に基づいて、制御装置110でV0の計測を行ない、第2のA/DポートA/D2からの入力に基づいて、V0が分圧されオフセットされた値V02の計測を行なう。そして、同じ回路で、次の計測のためにコンデンサC1の放電を行なう。
Vcn計測期間(ステップS202)では、負極側絶縁抵抗RLnの影響を反映した電圧を計測する。このため、スイッチS1、スイッチS4をオンにし、スイッチS2、スイッチS3をオフにして電圧Vcnの充電を行なう。このとき、図6に示すように、バッテリB、抵抗R1、コンデンサC1、抵抗R4、負極側絶縁抵抗RLnが計測経路となる。
その後、図5に示したように、スイッチS1、スイッチS2をオフにし、スイッチS3、スイッチS4をオンにして、第1のA/DポートA/D1からの入力に基づいて、制御装置110でVcnの計測を行ない、第2のA/DポートA/D2からの入力に基づいて、Vcnが分圧されオフセットされた値Vcn2の計測を行なう。
昇圧器520が昇圧動作を行なっている場合、コンデンサC1の第2極板には、昇圧された電圧を正極側絶縁抵抗RLpと負極側絶縁抵抗RLnとで分圧した電圧が印加される。この電圧が、バッテリBの正極側から印加される電圧よりも大きくなると、電流の回り込みにより、通常とは逆極性でコンデンサC1が充電されることになる。
逆極性でコンデンサC1が充電された場合、Vcnは、マイナスの値を取り、制御装置110の測定範囲外の値となる。このため、第1のA/DポートA/D1からの入力に基づいて、制御装置110でVcnの計測を行なった場合、計測値は0になってしまう。一方、Vcn2は、上述したように、オフセット分圧回路120により、Vcnが分圧されオフセットされており、制御装置110の測定範囲内の値を取る。このため、本実施形態では、Vcnがマイナスであっても、制御装置110は、第2のA/DポートA/D2からの入力に基づいて、Vcnが分圧されオフセットされた値Vcn2を計測することが可能である。つまり、本実施形態では、逆極性でコンデンサC1が充電されたとしても、負極側絶縁抵抗RLnの影響を反映した電圧を計測することが可能である。
Vcp計測期間(ステップS204)では、正極側絶縁抵抗RLpの影響を反映した電圧を計測する。このため、スイッチS2、スイッチS3をオンにし、スイッチS1、スイッチS4をオフにしてVcpの充電を行なう。このとき、図7に示すように、バッテリB、正極絶縁抵抗RLp、抵抗R3、コンデンサC1が充電経路となり、コンデンサC1は順極性で充電される。
その後、図5に示したように、スイッチS1、スイッチS2をオフにし、スイッチS3、スイッチS4をオンにして、第1のA/DポートA/D1からの入力に基づいて、制御装置110でVcpの計測を行ない、第2のA/DポートA/D2からの入力に基づいて、Vcpが分圧されオフセットされた値Vcp2の計測を行なう。そして、同じ回路で次の計測サイクルのためにコンデンサC1の放電を行なう。
制御装置110は、Vcnが0である否かを判定し(ステップS205)、Vcnが0でないときに(ステップS205、NO)、上述の計測期間で得られたV0、Vcn、Vcpに基づいて、絶縁抵抗RLを算出する(ステップS206)。そして、絶縁抵抗RLが所定の判定基準レベル以下となった場合に(ステップS207、NO)、地絡が発生しているものとして判定し、外部制御装置に警報を出力する(ステップS208)。
一方、制御装置110は、Vcnが0であるときは(ステップS205、YES)、上述の計測期間で得られたV02、Vcn2、Vcp2に基づいて、あらかじめ作成されたテーブルデータを参照して絶縁抵抗RLを算出する(ステップS209)。
このように、本実施形態では、Vcnがプラスであるときは、第1のA/DポートA/D1からの入力されたV0、Vcn、Vcpに基づいて、地絡が発生した否かの判定を行い、Vcnがマイナスであるときは、第2のA/DポートA/D2からの入力されたV02、Vcn2、Vcp2に基づいて、地絡が発生した否かの判定を行う。上述したように、オフセット分圧回路120からの出力は、常にプラスの値であるので、第2のA/DポートA/D2からの入力された電圧値のみを使っても、地絡が発生した否かの判定を行うことが可能である。しかしながら、上述したように、オフセット分圧回路120は、抵抗R3に係る電圧の範囲を圧縮する。このため、オフセット分圧回路120から出力され、第2のA/DポートA/D2からの入力された電圧値は、第1のA/DポートA/D1からの入力された電圧値に比べ、解像度が低くなっており、第2のA/DポートA/D2からの入力された電圧値のみを用いて地絡の発生の検出をした場合、地絡の検出精度が低下してしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、Vcnがプラスであるときは、地絡の検出精度が低下を防ぐために、第1のA/DポートA/D1からの入力されたV0、Vcn、Vcpに基づいて、地絡が発生した否かの判定を行うようにしている。
ステップS209において、V02、Vcn2、Vcp2ではなく、V0、Vcn2、Vcpに基づいて、あらかじめ作成されたテーブルデータを参照して絶縁抵抗RLを算出するようにしてもよい。このように、Vcnがマイナスであるときも、地絡の発生の判定に、第1のA/DポートA/D1からの入力されたV0、Vcpを用いることで、地絡の検出精度の低下を抑えることが可能になる。
また、ステップS206において、第2のA/DポートA/D2からの入力された電圧値に基づいたV0、Vcn、Vcpを算出し、この算出されたV0と上述の計測期間で得られたV0の平均値、この算出されたVcnの平均値と上述の計測期間で得られたVcn、この算出されたVcpと上述の計測期間で得られたVcpの平均値を用いて、絶縁抵抗RLを算出するようにしてもよい。このようにすることで、ノイズの影響を低減した上で、地絡の発生を検出することが可能になる。
また、本実施形態では、制御装置110に入力される電圧値をプラスにするために、オフセット分圧回路120により、抵抗R3にかかる電圧VR3を、a倍になるように分圧した後に、所定の電圧bだけ大きい電圧(aVR3+b)にオフセットしている。このため、抵抗R3にかかる電圧VR3が0であるとき、Vcn2は、bである。そこで、ステップS205において、Vcnが0である否かを判定するに加え、Vcn2がb以上であるか否かも判定するようにするとよい。そして、Vcnが0であり、かつVcn2がb未満のときに、V02、Vcn2、Vcp2に基づいて、絶縁抵抗RLを算出するようにし、Vcnが0でない、またはVcn2がb以上のときに、V0、Vcn、Vcpに基づいて、絶縁抵抗RLを算出するようにしてもよい。このようにすることで、Vcnにノイズが入った場合であっても、Vcnがマイナスであるか否かの判定をより正確にすることが可能になる。
また、第2のA/DポートA/D2からの入力された電圧値に基づいてV0(Vcn、Vcp)を算出し、この算出されたV0(Vcn、Vcp)と上述の計測期間で得られたV0(Vcn、Vcp)の差と所定の閾値とを比較するようにしてもよい。第1のA/DポートA/D1と第2のA/DポートA/D2の両方が正常であれば、これらの値は、ほぼ同じ値になるはずである。よって、これらの値の差が回路間のバラツキから想定される値より大きいときは、第1のA/DポートA/D1と第2のA/DポートA/D2の少なくともいずれかが故障や劣化をしている可能性が高い。そこで、地絡検出装置100は、第2のA/DポートA/D2からの入力された電圧値に基づいて算出されたV0(Vcn、Vcp)と上述の計測期間で得られたV0(Vcn、Vcp)の差を算出し、この差が所定の閾値以上であるときに、第1のA/DポートA/D1と第2のA/DポートA/D2の少なくともいずれかに異常が発生していると判定するポート故障発生判定部を有するようにしてもよい。その後、第1のA/DポートA/D1と第2のA/DポートA/D2のどちらに異常が発生しているのかを調べ、異常が発生していない方のポートを使用するようにするとよい。
<オフセット分圧回路120>
図8は、本実施形態のオフセット分圧回路120の構成例を示すブロック図である。オフセット分圧回路120は、スイッチS3と抵抗R3とを接続する線に接続した入力端121と、制御装置110に接続した出力端122と、3つの抵抗RO1、RO2、RO3と、定電圧を供給する電圧源VSと、を有している。抵抗RO1の一端は、入力端121に接続しており、抵抗RO1の他端は、出力端122に接続している。抵抗RO2の一端は、電圧源VSに接続しており、抵抗RO2の他端は、抵抗RO1と出力端122を接続する線に接続している。抵抗RO3の一端は、接地しており、抵抗RO3の他端は、抵抗RO1と出力端122を接続する線に接続している。この回路において、抵抗RO3にかかる電圧VRO3が出力端122から出力され、制御装置110により測定される。
この回路において、抵抗RO3にかかる電圧VRO3は、下記の式により求まる。
Figure 2021081243
よって、この回路では、制御装置110が測定できる電圧の上限値がVcmaxである場合には、0≦VRO3≦Vcmaxとなるように、3つの抵抗RO1、RO2、RO3と、定電圧を供給する電圧源VSの値を設定すれば、通常とは逆極性でコンデンサC1が充電されたとしても、制御装置110で電圧を測定することが可能になる。
例えば、R6/R3=99とした場合、コンデンサC1に蓄電される電圧が−500Vから500Vの間で変化するときに、抵抗R3にかかる電圧が−5Vから5Vの間で変化する。よって、本実施形態のオフセット分圧回路120が存在せず、制御装置110が抵抗R3にかかる電圧を直接に測定したとすると、コンデンサC1に蓄電される電圧の値が−500Vから0Vの間である場合に、制御装置110による測定電圧は、図7に点線で示すように0になってしまい、制御装置110により抵抗R3にかかる電圧を正確に測定することができない。
一方、本実施形態では、例えば、RO1=RO2=RO3/2とし、VS=5Vとしたとき、抵抗RO3にかかる電圧VRO3は、(2/5)(VR3+5)になる。このため、コンデンサC1に蓄電される電圧が−500Vから500Vの間の範囲にあり、抵抗R3にかかる電圧が−5Vから5Vの間にあるときには、抵抗RO3にかかる電圧VRO3は、0Vから4Vの間にある。つまり、本実施形態では、たとえコンデンサC1に蓄電される電圧が負であっても、抵抗RO3にかかる電圧VRO3は、負になることなく、正であり、かつ5V以下になる。よって、図9の実線で示すように、本実施形態では、制御装置110は、コンデンサC1に蓄電される電圧の値が−500Vから0Vの間であるときであっても、電圧を正確に測定することが可能である。つまり、本実施形態では、たとえ通常とは逆極性でコンデンサC1が充電されたとしても、制御装置110により電圧を測定することが可能になる。つまり、本実施形態では、フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することが可能である。
また、このとき、抵抗RO3を直列に接続した2つの同じ抵抗値の抵抗RO32、RO32により構成してもよい。このときは、RO1=RO2=RO32=RO32となり、4つの同じ抵抗値の抵抗でオフセット分圧回路を構成することが可能になり、結果、精度のよいオフセット分圧回路120を構成することが可能になる。
なお、図8に示したオフセット分圧回路120は一例であり、他の回路構成であってもよい。例えば、入力端の電圧を2つの抵抗で分圧し、オペアンプ等で構成した加算回路を用いてオフセットするようにしてもよい。
抵抗RO2を、スイッチを介して、抵抗RO1と出力端122に接続する線に接続し、抵抗RO3を、スイッチを介して、抵抗RO1と出力端122を接続する線に接続し、これらのスイッチをオフにすることでも、第1のA/DポートA/D1からの入力される電圧値に対応する電圧値を、第2のA/DポートA/D2から入力することが可能である。つまり、第1のA/DポートA/D1を備えることなく、上記と同様の方法で、地絡の検出を行うことが可能である。しかしながら、スイッチをオンにすることでオフセット分圧回路120による作用を受けた電圧値と、スイッチをオフにすることでオフセット分圧回路120による作用を受けていない電圧値と、では、入り込むノイズが異なってくる。このため、本実施形態は、2つのA/Dポートを設けている。本実施形態では、第1のA/DポートA/D1と第2のA/DポートA/D2の2つのA/Dポートを有しているため、オフセット分圧回路120による作用を受けた電圧値と、オフセット分圧回路120による作用を受けていない電圧値と、を異なるA/Dポートで受けることが可能であり、例えば、図2に示すように、それぞれの電圧値に適したフィルタF1、F2を挿入することが可能になる。
<切替部>
本実施形態では、常に、スイッチS1とスイッチS3のどちらかはオンになっている。また、両方のスイッチが、同時にオンになることはない。よって、スイッチS1とスイッチS3は、バッテリBの正極側とコンデンサC1の正極側端とが直列的に接続する状態と、コンデンサC1の正極側端が接地に接続する状態と、を切り替える切替部を構成する。この切替部は、スイッチS1、スイッチS2の代わりに、図10に示すように、C接点スイッチSc1により構成してもよいし、図11に示すように、連動して動作する2つのC接点スイッチから成るツインリレーSt1により構成してもよい。
同様に、本実施形態では、常に、スイッチS2とスイッチS4のどちらかはオンになっている。また、両方のスイッチが、同時にオンになることはない。よって、スイッチS2とスイッチS4は、バッテリBの負極側とコンデンサC1の負極側端とが直列的に接続する状態と、コンデンサC1の負極側端が接地に接続する状態と、を切り替える切替部を構成する。この切替部は、スイッチS1、スイッチS2の代わりに、図10に示すように、C接点スイッチSc2により構成してもよいし、図11に示すように、ツインリレーSt2により構成してもよい。
以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更が可能である。
100 地絡検出装置
110 制御装置
120 オフセット分圧回路
520 昇圧器
540 負荷
A/D1 第1のA/Dポート
A/D2 第2のA/Dポート

Claims (7)

  1. 昇圧回路を介して負荷に電源を供給する非接地のバッテリと接続し、前記バッテリが設けられた系の絶縁抵抗を算出して地絡を検出する地絡検出装置であって、
    第1の極板と第2の極板とを有し、フライングキャパシタとして動作するコンデンサと、
    前記バッテリの正極側と前記コンデンサの第1の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、前記コンデンサの第1の極板が測定抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第1の切替部と、
    前記高電圧バッテリの負極側と前記検出用コンデンサの第2の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、前記検出用コンデンサの第2の極板が抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第2の切替部と、
    前記第1の切替部および前記第2の切替部を制御する制御部と、
    前記測定抵抗に生じた電圧を分圧してオフセットするオフセット分圧回路と、を有し、
    前記制御部は、
    前記測定抵抗に生じた電圧の入力を受ける第1のポートと、
    前記オフセット分圧回路が出力した出力電圧の入力を受ける第2のポートと、を有する、地絡検出装置。
  2. 前記制御部は、
    前記第1の切替部および前記第2の切替部を制御することで、前記バッテリ、前記コンデンサを含んだV0充電経路と、前記バッテリ、前記バッテリの負極側と接地との絶縁抵抗である負側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcn充電経路と、前記バッテリ、前記バッテリの正極側と接地との絶縁抵抗である正側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcp充電経路と、前記コンデンサと測定抵抗を含んだ充電電圧測定経路とを切り換え、
    前記充電電圧測定経路において、前記V0充電経路で前記コンデンサに充電された電圧V0に基づく電圧、前記Vcn充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Vcnに基づく電圧、前記Vcp充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Vcpに基づく電圧の各々の入力を、前記第1のポートおよび前記第2のポートから受け、
    前記第1のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値が0より大きいときは、前記第1のポートから受けた電圧V0に基づく電圧、電圧Vcnに基づく電圧、電圧Vcpに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出する、請求項1に記載の地絡検出装置。
  3. 前記制御部は、
    前記第1の切替部および前記第2の切替部を制御することで、前記バッテリ、前記コンデンサを含んだV0充電経路と、前記バッテリ、前記バッテリの負極側と接地との絶縁抵抗である負側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcn充電経路と、前記バッテリ、前記バッテリの正極側と接地との絶縁抵抗である正側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcp充電経路と、前記コンデンサと測定抵抗を含んだ充電電圧測定経路とを切り換え、
    前記充電電圧測定経路において、前記V0充電経路で前記コンデンサに充電された電圧V0に基づく電圧、前記Vcn充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Vcnに基づく電圧、前記Vcp充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Vcpに基づく電圧の各々の入力を、前記第1のポートおよび前記第2のポートから受け、
    前記第1のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値が0より大きいときは、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧V0と前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧V0の平均値、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧Vcnと前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧Vcnの平均値、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧Vcpと前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧Vcpの平均値により前記絶縁抵抗を算出する、請求項1に記載の地絡検出装置。
  4. 前記制御部は、前記第1のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値が0であるときは、前記第2のポートから受けた電圧V0に基づく電圧、電圧Vcnに基づく電圧、電圧Vcpに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出する、請求項1から3のいずれか一項に記載の地絡検出装置。
  5. 前記制御部は、前記第1のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値が0であるときは、前記第1のポートから受けた電圧V0に基づく電圧、電圧Vcpに基づく電圧の測定値、および前記第2のポートから受けた電圧Vcnに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出する、請求項1から3のいずれか一項に記載の地絡検出装置。
  6. 前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧V0と前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧V0の差、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧Vcnと前記第2のポートにおける測定値に基づく電圧Vcnの差、前記第1のポートにおける測定値に基づく電圧Vcpと前記第2のポートにおけるに基づく電圧Vcpの差、の少なくとも1つを算出し、当該算出された差が所定の閾値以上であるときに、前記第1のポートと前記第2のポートの少なくともいずれかに異常が発生していると判定するポート故障発生判定部をさらに有する、請求項1から5のいずれか一項に記載の地絡検出装置。
  7. 前記オフセット分圧回路は、
    前記測定抵抗に生じた電圧が入力される入力端と、
    前記出力電圧を出力する出力端と、
    前記入力端と前記出力端との間に接続された第1の抵抗と、
    定電圧を供給する電圧源と、
    一端が前記電圧源に接続され、他端が前記第1の抵抗と前記出力端とを接続する線に接続された第2の抵抗と、
    一端が接地しており、他端が前記第1の抵抗と前記出力端とを接続する線に接続された第3の抵抗と、を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の地絡検出装置。
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