JP2022070050A - 漏電検出装置および漏電検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池との間が断線状態なのか電池の状態が正常状態なのかを区別することができる漏電検出装置および漏電検出方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る漏電検出装置は、信号発生部と、漏電判定部と、周波数変更部と、断線判定部とを備える。信号発生部は、交流信号を発生させて電池の負極へ出力する。漏電判定部は、交流信号の状態に基づいて、電池の漏電状態を判定する。周波数変更部は、交流信号の周波数を変更する。断線判定部は、周波数が変更された交流信号の状態に基づいて、信号発生部と電池の負極との間の断線状態を判定する。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、漏電検出装置および漏電検出方法に関する。

電気自動車等には、モータ等の負荷に高電圧の電流を供給する絶縁された直流電源が設けられる。かかる電気自動車等には、直流電源からの漏電を監視する漏電検出装置が設けられる。例えば、漏電検出装置は、交流信号を電池の負極へ出力し、交流信号の状態に基づいて電池の漏電状態を判定する（例えば、特許文献１参照）。

交流信号の波高値は、漏電状態でない場合に比べて漏電状態である場合の方が小さくなる。このため、漏電検出装置は、例えば、交流信号の波高値が所定の閾値以上であれば、漏電状態でないと判定することができる。

特開２０１７－９０２５７号公報

しかしながら、漏電検出装置は、漏電検出装置と電池との間に断線が発生した場合に、断線状態なのか漏電状態でない正常状態なのかを区別することが困難になる。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、電池との間が断線状態なのか電池の状態が正常状態なのかを区別することができる漏電検出装置および漏電検出方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る漏電検出装置は、信号発生部と、漏電判定部と、周波数変更部と、断線判定部とを備える。信号発生部は、交流信号を発生させて電池の負極へ出力する。漏電判定部は、前記交流信号の状態に基づいて、前記電池の漏電状態を判定する。周波数変更部は、前記交流信号の周波数を変更する。断線判定部は、前記周波数が変更された交流信号の状態に基づいて、前記信号発生部と前記電池の負極との間の断線状態を判定する。

実施形態の一態様に係る漏電検出装置および漏電検出方法は、電池との間が断線状態なのか電池の状態が正常状態なのかを区別することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る漏電検出装置の構成例を示す図である。 図２は、実施形態に係る漏電検出装置の動作例を示す図である。 図３は、実施形態に係る漏電検出装置の処理部が実行する処理の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、漏電検出装置および漏電検出方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施形態に係る電源監視装置は、例えば、電気自動車およびハイブリッド自動車等に搭載され、車両を走行させるモータ等に電力を供給するリチウムイオンバッテリ等の電池の状態を監視する装置である。

図１は、実施形態に係る漏電検出装置の構成例を示す図である。図１に示すように、漏電検出装置１は、電源装置１００に接続される。電源装置１００は、電池１０１と、絶縁抵抗Ｒ２と、ＹコンデンサＹＣと、インバータ１０２とを含む。

電池１０１は、例えば、直列に接続される複数のリチウムイオンバッテリによって構成される。電池１０１の正極および負極は、インバータ１０２に接続される。電池１０１の負極とグランドとの間には、絶縁抵抗Ｒ２が接続される。絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値は、例えば、約２〔ＭΩ〕と非常に大きい。

ＹコンデンサＹＣは、高圧側コンデンサＣ２と、低圧側コンデンサＣ３とを含む。高圧側コンデンサＣ２は、一方の電極が電池の正極に接続され、他方の電極がグランドに接続される。低圧側コンデンサＣ３は、一方の電極が電池１０１の負極に接続され、他方の電極がグランドに接続される。ＹコンデンサＹＣは、インバータ１０２のノイズを除去するフィルタとして機能する。

インバータ１０２には、負荷１０３が接続される。負荷１０３は、例えば、車両を走行させるモータである。インバータ１０２は、電池１０１から入力される直流電流を交流電流に変換して負荷１０３へ供給する。

電源装置１００が備える電池１０１は、例えば、絶縁抵抗Ｒ２の劣化によって漏電することがある。漏電は、車両や車両の乗員に悪影響をおよぼす。このため、漏電検出装置１は、電池１０１の漏電状態を監視して判定する。また、漏電検出装置１は、漏電検出装置１と電源装置１００との間に断線が発生した場合、電池１０１の漏電を判定することができない。このため、漏電検出装置１は、漏電検出装置１と電源装置１００との間の断線も判定する機能を備える。

漏電検出装置１は、処理部２と、検出抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ１と、フィルタ３と、スイッチＳＷと、漏電状態形成部４とを備える。検出抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１は、処理部２と電源装置１００との間に直列に接続される。

具体的には、検出抵抗Ｒ１は、一端が処理部２に接続され、他端がコンデンサＣ１の一方の電極に接続される。コンデンサＣ１の他方の電極は、電池１０１の負極に接続される。フィルタ３は、検出抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とを接続する配線と、処理部２との間に接続される。

スイッチＳＷおよび漏電状態形成部４は、検出抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とを接続する配線と、グランドとの間に直列に接続される。具体的には、スイッチＳＷは、一方の端子が検出抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とを接続する配線に接続され、他方の端子が漏電状態形成部４の一方の端子に接続される。漏電状態形成部４の他方の端子は、グランドに接続される。

漏電状態形成部４は、例えば、抵抗である。漏電状態形成部４の抵抗値は、電池１０１が漏電する程度に劣化した絶縁抵抗Ｒ２の抵抗値と同等であり、例えば、数１００〔ｋΩ〕である。フィルタ３は、後述する所定周波数帯域の信号を選択的に通過させるバンドパスフィルタである。

処理部２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。処理部２は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを、ＲＡＭを作業領域として使用して実行することにより機能する信号発生部２１、周波数変更部２２、漏電判定部２３、および断線判定部２４を備える。

なお、処理部２が備える信号発生部２１、周波数変更部２２、漏電判定部２３、および断線判定部２４は、一部または全部がＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成されてもよい。

処理部２が備える信号発生部２１、周波数変更部２２、漏電判定部２３、および断線判定部２４は、それぞれ以下に説明する情報処理の作用を実現または実行する。なお、処理部２の内部構成は、図１に示した構成に限られず、後述する情報処理を行う構成であれば他の構成であってもよい。

処理部２は、電池１０１からの漏電の有無、および、漏電検出装置１と電源装置１００とを接続する配線の断線の有無を監視する。以下、電池１０１からの漏電のことを漏電と称し、漏電検出装置１と電源装置１００とを接続する配線の断線のことを単に断線と称する。

処理部２は、漏電よび断線を判定する場合、検出抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１を介して電池１０１の負極へ交流信号を出力する。このとき、処理部２から出力される交流信号は、検出抵抗Ｒ１およびフィルタ３を介して、処理部２にも入力される。

処理部２に入力される交流信号の波高値は、インピーダンスＺｏによって変化する。具体的には、処理部２に入力される交流信号は、検出抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ１から後段（電源装置側）のインピーダンスＺｏとの分圧電圧として、フィルタ３を通過して処理部２に入力される。

例えば、漏電が発生している場合（漏電状態）では、インピーダンスＺｏは、小さくなる。その結果、処理部２に入力される交流信号の波高値は、小さくなる。逆に、漏電が発生していない場合（正常状態）では、インピーダンスＺｏは、大きくなる。その結果、処理部２に入力される交流信号の波高値は、大きくなる。

一方、断線が発生している場合（断線状態）では、インピーダンスＺｏは、大きくなる。その結果、処理部２に入力される交流信号の波高値は、大きくなる。逆に、断線が発生していない場合（非断線状態）では、インピーダンスＺｏは、小さくなる。その結果、処理部２に入力される交流信号の波高値は、小さくなる。

このため、漏電判定の閾値としてＶＲを設定し、断線判定の閾値としてＶＤを設定して、処理部２に入力される交流信号の波高値と比較することによって、漏電と断線とを判定することは理論上可能である。

しかしながら、実機において漏電を検出するために最適となるようにパラメータを設計した場合、処理部２に入力される交流信号の波高値は、断線状態と正常状態とで、ほとんど差がない。このため、漏電検出装置１では、誤判定しない断線判定用の閾値ＶＤを決定することができず、これまで断線状態と通常状態とを区別することが困難であった。

そこで、漏電検出装置１は、断線状態と通常状態とを区別することができる構成を備える。まず、漏電判定については、漏電時のインピーダンスＺｏ付近で、処理部２に入力される交流信号の波高値の傾きが大きくなるように回路設計を行うことにより、漏電時の絶縁抵抗Ｒ２を正確に測定できる。これにより、漏電判定閾値が定まる。したがって、漏電検出装置１は、処理部２に入力される交流信号の波高値が漏電閾値以下となれば、漏電と判定することにより、漏電故障を確実に検出することができる。

一方、断線を判定する場合、漏電検出装置１は、漏電判定期間よりも、出力する交流信号の周波数を高めることによって、断線状態と正常状態とを区別することができる。具体的には、処理部２から出力する交流信号の周波数を高めると、正常状態ではＹコンデンサＹＣのインピーダンスが小さくなる。

その結果、正常状態では、処理部２に入力される交流信号の波高値は、小さくなる。逆に、断線状態では、処理部２に入力される交流信号の波高値は、大きくなる。その結果、断線状態では、処理部２に入力される交流信号の波高値は、大きくなる。

このように、処理部２から出力する交流信号の周波数を高めると、処理部２に入力される交流信号の波高値は、正常状態と断線状態とで差が大きくなる。これにより、漏電検出装置１は、交流信号がフィルタ３を通過できる程度の高い周波数に設定し、処理部２に入力される交流信号の波高値が断線判定用の閾値以上となれば、正常状態ではなく断線状態であると的確に判定することができる。したがって、漏電検出装置１は、正常状態と断線状態とを正確に区別することができる。

ただし、漏電検出装置１は、漏電検出機能が正常に作動するか否かを事前に点検する必要がある。そこで、処理部２は、車両が起動されると、まず、スイッチＳＷをＯＮにして、漏電状態形成部４を有効化して疑似的な漏電状態を形成し、漏電状態を検出することによって、漏電検出機能の自己診断を行う。これにより、漏電検出装置１は、漏電検出機能の自己診断を行うことができる。その後、処理部２は、スイッチＳＷをＯＦＦにし、断線判定と漏電判定とを実行する。

次に、図２を合わせて参照しながら、漏電検出装置１の動作について説明する。図２は、実施形態に係る漏電検出装置の動作例を示す図である。図２に示す出力信号は、信号発生部２１から出力される交流信号である。図２に示す検出信号は、漏電判定部２３および断線判定部２４に入力される交流信号である。

図２に示すように、漏電検出装置１は、車両が起動されると、時刻ｔ０から時刻ｔ４までの間に、起動シーケンスを行い、その後、時刻ｔ４から通常動作を行う。具体的には、信号発生部２１は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間、例えば、１〔Ｈｚ〕の交流信号を出力する。

漏電判定部２３は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、検出信号の波形安定待ちを行う。時刻ｔ１になると、処理部２は、スイッチＳＷをＯＮにして漏電状態形成部４を有効化する。そして、漏電判定部２３は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、漏電検出機能の自己診断を行う。

このとき、漏電判定部２３は、漏電状態でない場合の検出信号（例えば、時刻ｔ４以降の検出信号）の波形よりも低い閾値以下の検出信号を検出した場合に、漏電検出機能が正常であると自己診断する。このように、漏電判定部２３は、起動シーケンスにおいて事前に漏電検出機能の自己診断を行うことができる。

その後、時刻ｔ２になると、処理部２は、スイッチＳＷをオフにして、漏電状態形成部４を無効化する。また、周波数変更部２２は、時刻ｔ２になると、出力信号の周波数を１〔Ｈｚ〕から、例えば、１０〔Ｈｚ〕に変更する。そして、信号発生部２１は、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの間、周波数が１０〔Ｈｚ〕の出力信号を出力する。

断線判定部２４は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、検出信号の波形安定待ちを行う。時刻ｔ３になると、断線判定部２４は、断線判定を行う。このとき、出力信号の波高値が例えば、５〔Ｖ〕である場合、１〔Ｈｚ〕の周波数帯を通過させるフィルタ３は、入力される交流信号の周波数が１０〔Ｈｚ〕であるため、減衰した検出信号を断線判定部２４へ出力する。かかるフィルタ３によれば、例えば、インバータ１０２の動作に伴うノイズを検出信号から除去することができる。

このとき、フィルタ３は、断線状態であれば、波高値が例えば３〔Ｖ〕の検出信号を出力し、正常状態であれば、波高値が例えば２〔Ｖ〕の検出信号を出力する。すなわち、断線判定部２４には、断線状態であれば、例えば、波高値が３〔Ｖ〕の検出信号が入力され、正常状態であれば、例えば、波高値が２〔Ｖ〕の検出信号が入力される。このため、断線判定部２４は、断線判定用の閾値を２．５〔Ｖ〕に設定し、検出信号の波高値が閾値以上である場合に、断線状態と判定し、閾値未満である場合に、正常状態であると判定する。

その後、時刻ｔ４になると、周波数変更部２２は、出力信号の周波数を１０〔Ｈｚ〕から１〔Ｈｚ〕に変更する。そして、漏電判定部２３は、時刻ｔ４以降、車両が起動されている間、継続して漏電判定を行う。

このとき、フィルタ３は、入力される交流信号の周波数が１〔Ｈｚ〕であるため、交流信号を減衰させない。フィルタ３は、漏電状態でなければ、時刻ｔ４以降の検出信号を出力する。フィルタ３は、漏電状態であれば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの検出信号を出力する。

このため、漏電判定部２３は、図２に示す時刻ｔ４以降の検出信号波高値と、図２に示す時刻ｔ１から時刻ｔ２までの検出信号の波高値との間の値となるように、漏電判定用の閾値を事前に設定する。そして、漏電判定部２３は、検出信号の波高値が閾値以上であれば、漏電状態でないと判定し、閾値未満であれば漏電状態であると判定する。このように、漏電検出装置１によれば、漏電検出機能の自己診断を事前に行った後に、断線判定および漏電判定を行うので、正確な断線判定および漏電判定を行うことができる。

次に、図３を参照し、実施形態に係る処理部２が実行する処理の一例について説明する。図３は実施形態に係る漏電検出装置の処理部が実行する処理の一例を示すフローチャートである。

図３に示すように、処理部２は、車両が起動されると、まず、処理部２は、漏電判定用周波数（例えば、１〔Ｈｚ〕）の交流信号を出力し（ステップＳ１０１）、漏電状態形成部４を有効化する（ステップＳ１０２）。

続いて、処理部２は、漏電検出機能の自己診断を行い（ステップＳ１０３）、その後、漏電状態形成部４を無効化し（ステップＳ１０４）、交流信号の周波数を変更する（ステップＳ１０５）。そして、処理部２は、断線判定用周波数（例えば、１０〔Ｈｚ〕）の交流信号を出力する（ステップＳ１０６）。

続いて、処理部２は、断線判定を行い（ステップＳ１０７）、交流信号の周波数を変更する（ステップＳ１０８）。そして、処理部２は、漏電判定用周波数（例えば、１〔Ｈｚ〕）の交流信号を出力し（ステップＳ１０９）、漏電判定を行う（ステップＳ１１０）。

その後、処理部２は、動作を終了するか否かを判定する（ステップＳ１１１）。そして、処理部２は、動作を終了しないと判定した場合（ステップＳ１１１，Ｎｏ）、処理をステップＳ１１０へ移す。また、処理部２は、動作を終了しないと判定した場合（ステップＳ１１１，Ｙｅｓ）、処理を終了する。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 漏電検出装置
２ 処理部
２１ 信号発生部
２２ 周波数変更部
２３ 漏電判定部
２４ 断線判定部
３ フィルタ
４ 漏電状態形成部
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ 高圧側コンデンサ
Ｃ３ 低圧側コンデンサ
ＹＣ Ｙコンデンサ
Ｒ１ 検出抵抗
Ｒ２ 絶縁抵抗
ＳＷ スイッチ
１００ 電源装置
１０１ 電池
１０２ インバータ
１０３ 負荷

Claims (6)

1. 交流信号を発生させて電池の負極へ出力する信号発生部と、
   前記交流信号の状態に基づいて、前記電池の漏電状態を判定する漏電判定部と、
   前記交流信号の周波数を変更する周波数変更部と、
   前記周波数が変更された交流信号の状態に基づいて、前記信号発生部と前記電池の負極との間の断線状態を判定する断線判定部と
   を備えることを特徴とする漏電検出装置。
2. 疑似的な前記漏電状態を形成する漏電状態形成部
   をさらに備え、
   前記漏電判定部は、
   前記疑似的な漏電状態を検出することによって、漏電検出機能の自己診断を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の漏電検出装置。
3. 前記漏電判定部は、
   前記自己診断後に、前記漏電状態の判定を開始し、
   前記断線判定部は、
   前記自己診断後に、前記断線状態の判定を開始する
   ことを特徴とする請求項２に記載の漏電検出装置。
4. 前記周波数変更部は、
   前記断線状態の判定期間における前記交流信号の周波数が前記漏電状態の判定期間における前記交流信号の周波数よりも高くなるように変更する
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の漏電検出装置。
5. 前記信号発生部と前記電池の負極との間に直列に接続される検出抵抗およびコンデンサと、
   前記検出抵抗と前記コンデンサとの接続線と、前記漏電判定部と前記断線判定部との間に設けられ、前記漏電状態の判定期間における前記交流信号の周波数帯域の信号を通過させるフィルタと
   を備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の漏電検出装置。
6. 交流信号を発生させて漏電検出装置から電池の負極へ出力する工程と、
   前記交流信号の状態に基づいて、前記電池からの漏電状態を判定する工程と、
   前記交流信号の周波数を変更する工程と、
   前記周波数が変更された交流信号の状態に基づいて、前記漏電検出装置と前記電池の負極との間の断線状態を判定する工程と
   を含むことを特徴とする漏電検出方法。

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