JP2023076590A - 地絡検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁型のスイッチング素子を用いない地絡検出装置を提供する。【解決手段】この地絡検出装置は、少なくとも２値の電位が時系列的に並ぶ基準電圧を発生する可変電圧発生器と、地絡検出対象の電圧である対象電圧と基準電圧とを混合することにより評価電圧を生成する地絡信号発生器と、評価電圧を所定のしきい値と比較することにより地絡を判定する地絡判定部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、地絡検出装置に関する。

下記特許文献１には、高電圧バッテリが設けられた系の地絡を検出する地絡検出装置が開示されている。この地絡検出装置は、高電圧バッテリの正極及び負極をスイッチング素子を介して検出用コンデンサに接続し、また当該検出用コンデンサの一端をスイッチング素子を介して制御装置に接続すると共に検出用コンデンサの他端をスイッチング素子を介して接地するように構成されている。すなわち、この地絡検出装置は、4つのスイッチング素子を用いており、これらは何れも光ＭＯＳＦＥＴのような絶縁型のスイッチング素子である。

日本国特開２０１８－１２７０８５号公報

ところで、上述した従来の地絡検出装置は、絶縁型のスイッチング素子を４つも使用するものであり、比較的大きな実装面積を必要とするという問題点がある。また、光ＭＯＳＦＥＴのような絶縁型のスイッチング素子は、種々の半導体スイッチの中でも比較的高価であり、よって従来の地絡検出装置は、コストが比較的高いという問題点もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、絶縁型のスイッチング素子を用いない地絡検出装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、地絡検出装置に係る第１の解決手段として、少なくとも２値の電圧が時系列的に並ぶ基準電圧を発生する可変電圧発生器と、地絡検出対象の電圧である対象電圧と前記基準電圧とを混合することにより評価電圧を生成する地絡信号発生器と、前記評価電圧を所定のしきい値と比較することにより地絡を判定する地絡判定部とを備える、という手段を採用する。

本発明では、地絡検出装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記地絡信号発生器が、第１差動増幅器を用いて前記対象電圧と前記基準電圧とを混合する、という手段を採用する。

本発明では、地絡検出装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記地絡信号発生器が、前記第１差動増幅器の第１差電圧をサンプリングするサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路のサンプル電圧と前記第１差電圧とを差動増幅する第２差動増幅器とを備える、という手段を採用する。

本発明では、地絡検出装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記地絡信号発生器が、前記第２差動増幅器の第２差電圧を所定の直流電圧と差動増幅する第３差動増幅器を備える、という手段を採用する。

本発明では、地絡検出装置に係る第５の解決手段として、上記第１～第４のいずれか一つの解決手段において、前記可変電圧発生器が、前記基準電圧として２値の電圧がステップ状に並ぶステップ信号を生成する、という手段を採用する。

本発明では、地絡検出装置に係る第５の解決手段として、上記第１～第５のいずれか一つの解決手段において、前記地絡検出対象が、電池の負電極あるいは当該負電極に接続される伝送線である、という手段を採用する。

本発明によれば、絶縁型のスイッチング素子を用いない地絡検出装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る地絡検出装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における地絡信号発生器の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における可変電圧発生器の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る地絡検出装置の動作を示す波形図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る地絡検出装置Ａは、図１に示すように、一端が電池Ｘの正電極に接続される正極伝送線Ｌｐあるいは一端が電池Ｘの負電極に接続される負極伝送線Ｌｎの地絡を検出する装置である。

上記正電極と接地電位（ＧＮＤ）との間の正極地絡抵抗Ｒｐは、抵抗値が正極伝送線Ｌｐが健全な状態と地絡した状態とで変化する。また、負電極と接地電位（ＧＮＤ）との間の負極地絡抵抗Ｒｎは、抵抗値が負極伝送線Ｌｎが健全な状態と地絡した状態とで変化する。本実施形態に係る地絡検出装置Ａは、このような正極地絡抵抗Ｒｐあるいは負極地絡抵抗Ｒｎの抵抗値変化を利用することにより地絡（漏電）の発生を検出する。

このような地絡検出装置Ａは、図１に示すように、第１増幅器１、第２増幅器２、差動増幅器３、総電圧検出部４、地絡信号発生器５、可変電圧発生器６及び地絡判定部７を備えている。

第１増幅器１は、各々１つの入力端及び出力端と所定の増幅度（第１増幅度）とを備え、入力端が正極伝送線Ｌｐの他端に接続され、出力端が差動増幅器３の一方の入力端に接続されている。この第１増幅器１は、上記正電極の電圧（電位）を第１増幅度で増幅し、正極電圧Ｖｐとして差動増幅器３に出力する。

第２増幅器２は、各々１つの入力端及び出力端と所定の増幅度（第２増幅度）とを備え、入力端が負極伝送線Ｌｎの他端に接続され、出力端が差動増幅器３の他方の入力端及び地絡信号発生器５の一方の入力端に各々接続されている。この第２増幅器２は、上記負電極の電圧（電位）を第２増幅度で増幅し、負極電圧Ｖｎとして差動増幅器３に出力する。

ここで、上記負極電圧Ｖｎは、本発明の対象電圧に相当する。すなわち、本実施形態における負電極及び負極伝送線Ｌｎは、本発明の地絡検出対象に相当する。

差動増幅器３は、一対の入力端、１つの出力端及び所定の増幅度（第３増幅度）を備え、一方の入力端が第１増幅器１の出力端に接続され、他方の入力端が第２増幅器２の出力端に接続され、出力端が総電圧検出部４の入力端に接続されている。この差動増幅器３は、上記正極電圧Ｖｐと上記負極電圧Ｖｎとの差分を第３増幅度で増幅し、差電圧ΔＶとして総電圧検出部４に出力する。

総電圧検出部４は、１つの入力端を備え、当該入力端が差動増幅器３の出力端に接続されている。また、この総電圧検出部４は、上述した第１～第３増幅度を予め記憶しており、差動増幅器３から入力される差電圧ΔＶと第１～第３増幅度とに基づいて電池Ｘの正電極と負電極との電位差を総電圧Ｖｓとして検出する。

地絡信号発生器５は、２つの入力端と１つの出力端とを備え、一方の入力端が第２増幅器２の出力端に接続され、他方の入力端が可変電圧発生器６の出力端に接続され、自らの出力端が地絡判定部７の入力端に接続されている。この地絡信号発生器５は、第２増幅器２から入力される負極電圧Ｖｎに可変電圧発生器６から入力される基準電圧Ｖrefを加えて、算出することにより評価電圧Ｖｈを生成する。

より具体的には、地絡信号発生器５は、図２に示すように、第１差動増幅器５ａ、バッファ回路５ｂ、サンプルホールド回路５ｃ、第２差動増幅器５ｄ及び第３差動増幅器５ｅを備えている。

第１差動増幅器５ａは、一対の入力端、１つの出力端及び所定の増幅度（第４増幅度）を備え、一方の入力端が第２増幅器２の出力端及び差動増幅器３の他方の入力端に接続され、他方の入力端が可変電圧発生器６の出力端に接続され、出力端がバッファ回路５ｂの入力端に接続されている。この第１差動増幅器５ａは、上記負極電圧Ｖｎと基準電圧Ｖrefとの差分を第４増幅度で増幅し、第１差電圧ΔＶ１としてバッファ回路５ｂに出力する。

バッファ回路５ｂは、１つの入力端と同じく１つの出力端とを備え、入力端が第１差動増幅器５ａの出力端に接続され、出力端が第２差動増幅器５ｄの一方の入力端及びサンプルホールド回路５ｃの入力端に接続されている。このバッファ回路５ｂは、第１差動増幅器５ａとサンプルホールド回路５ｃ及び第２差動増幅器５ｄとの回路的な干渉を低減させるためのものである。すなわち、このバッファ回路５ｂは、第１差電圧ΔＶ１の信号インピーダンスを低減させて第２差動増幅器５ｄ及びサンプルホールド回路５ｃに出力する回路であり、例えばボルテージフォロア回路あるいはエミッタフォロア回路である。

サンプルホールド回路５ｃは、１つの入力端と同じく１つの出力端とを備え、入力端がバッファ回路５ｂの出力端及び第２差動増幅器５ｄの一方の入力端に接続され、出力端が第２差動増幅器５ｄの他方の入力端に接続されている。このサンプルホールド回路５ｃは、バッファ回路５ｂから入力される第１差電圧ΔＶ１を所定のサンプリング信号を用いて抽出（サンプリング）すると共にサンプル電圧Ｖshを保持（ホールド）し、当該サンプル電圧Ｖshを第２差動増幅器５ｄに出力する。

第２差動増幅器５ｄは、一対の入力端、１つの出力端及び所定の増幅度（第５増幅度）を備え、一方の入力端がバッファ回路５ｂの出力端に接続され、他方の入力端がサンプルホールド回路５ｃの出力端に接続され、出力端が第３差動増幅器５ｅの一方の入力端に接続されている。この第２差動増幅器５ｄは、バッファ回路５ｂから入力される第１差電圧ΔＶ１とサンプルホールド回路５ｃから入力されるサンプル電圧Ｖshとの差分を第５増幅度で増幅し、第２差電圧ΔＶ２として第３差動増幅器５ｅに出力する。

第３差動増幅器５ｅは、一対の入力端、１つの出力端及び所定の増幅度（第６増幅度）を備え、一方の入力端が第２差動増幅器５ｄの出力端に接続され、他方の入力端が電源端子に接続され、出力端が地絡判定部７の入力端に接続されている。この第３差動増幅器５ｅは、第２差動増幅器５ｄから入力される第２差電圧ΔＶ２と電源端子から入力される電源電圧Ｖcc（直流電圧）との差分を第６増幅度で増幅し、評価電圧Ｖｈとして地絡判定部７に出力する。

図１に示すように、可変電圧発生器６は、１つの出力端を備え、当該出力端が地絡信号発生器５の他方の入力端に接続されている。この可変電圧発生器６は、図３に示すように可変分圧回路６ａとバッファ回路６ｂとを備えており、少なくとも２値の電圧が時系列的に並ぶ基準電圧Ｖrefを地絡信号発生器５に出力する。この基準電圧Ｖrefは、例えば２値の電圧が所定のタイムインターバルでステップ的に交互に繰り返すステップ信号である。

可変分圧回路６ａは、電源端子とＧＮＤ端子と１つの出力端子とを備えており、電源端子が電源に接続され、ＧＮＤ端子が接地され、また出力端子がバッファ回路６ｂの入力端に接続されている。この可変分圧回路６ａは、電源端子に外部から入力される電源電圧Ｖccを接地電位との間で抵抗分圧すると共に分圧比を所定のタイムインターバル毎に２値に切り替える分圧比可変型の抵抗分圧回路である。この可変分圧回路６ａは、２値の電圧が所定のタイムインターバルで交互に繰り返すステップ信号を生成してバッファ回路６ｂに出力する。

バッファ回路６ｂは、１つの入力端と同じく１つの出力端とを備え、入力端が可変分圧回路６ａの出力端に接続され、出力端が地絡信号発生器５の他方の入力端に接続されている。このバッファ回路６ｂは、可変分圧回路６ａと地絡信号発生器５との回路的な干渉を低減させるためのものであり、例えばボルテージフォロア回路あるいはエミッタフォロア回路である。このようなバッファ回路６ｂは、可変分圧回路６ａから入力されたステップ信号を基準電圧Ｖrefとして地絡信号発生器５に出力する。

地絡判定部７は、１つの入力端を少なくとも備え、当該入力端が地絡信号発生器５の出力端に接続されている。この地絡判定部７は、地絡信号発生器５から入力される評価電圧Ｖhを所定のしきい値と比較することにより上記地絡検出対象の地絡を判定する。

次に、本実施形態に係る地絡検出装置Ａの動作について、図４の波形図も参照して詳しく説明する。

最初に、総電圧Ｖｓの検出動作について説明すると、総電圧Ｖｓは、総電圧検出部４において、差動増幅器３から入力される差電圧ΔＶと第１～第３増幅度とに基づいて演算される。上記差電圧ΔＶは、正極伝送線Ｌｐの電圧に基づいて第１増幅器１が差動増幅器３に出力する正極電圧Ｖｐと、負極伝送線Ｌｎの電圧に基づいて第２増幅器２が差動増幅器３に出力する負極電圧Ｖｎと、に基づいて生成される電圧である。

すなわち、総電圧Ｖｓは、電池Ｘの正電極に接続される正極伝送線Ｌｐの電圧及び電池Ｘの負電極に接続される負極伝送線Ｌｎの電圧、また正極伝送線Ｌｐ及び負極伝送線Ｌｎから総電圧検出部４までの電圧伝送路を構成する第１増幅器１の第１増幅度、第２増幅器２の第２増幅度及び差動増幅器３の第３増幅度に基づいて演算されるものである。このような総電圧Ｖｓは、電池Ｘの電極間電圧を正確に示すものである。

続いて、地絡検出対象の地絡検出動作について説明する。可変電圧発生器６は、例えば図４の最上段波形に示すように、２Ｖと３Ｖの電圧を１．２秒毎に繰り返すステップ状の基準電圧Ｖref（ステップ信号）を生成して地絡信号発生器５に出力する。このような基準電圧Ｖrefは、可変電圧発生器６において、可変分圧回路６ａの分圧比が１．２秒毎にステップ状に切り替えられることによって生成され、バッファ回路６ｂを介して地絡信号発生器５の第１差動増幅器５ａに入力される。

第１差動増幅器５ａは、このような基準電圧Ｖref（ステップ信号）を負極電圧Ｖｎと差動増幅することにより第１差電圧ΔＶ１を生成し、当該第１差電圧ΔＶ１をバッファ回路５ｂに出力する。上記第１差電圧ΔＶ１は、図４の第２段波形に示すように、基準電圧Ｖref（ステップ信号）と負極電圧Ｖｎとを差動増幅することにより両電圧を混合させたものである。このような第１差電圧ΔＶ１は、バッファ回路５ｂを介してサンプルホールド回路５ｃ及び第２差動増幅器５ｄに入力される。

ここで、第２増幅器２に実質的に入力される電圧は、電池Ｘの負電極の電圧が当該電池Ｘの内部抵抗と負極地絡抵抗Ｒｎとによって抵抗分圧されたものである。すなわち、第２増幅器２の入力電圧は負極地絡抵抗Ｒｎの抵抗値が変化することによって変動するので、負極電圧Ｖｎ及び第１差電圧ΔＶ１は、負極地絡抵抗Ｒｎの抵抗値が変化することによって当然に変動する。

より具体的には、第１差電圧ΔＶ１は、負極地絡抵抗Ｒｎの抵抗値が小さい程、低い電圧となる。図４の第２段波形では、負極地絡抵抗Ｒｎの抵抗値に応じた第１差電圧ΔＶ１の変動を実線、一点鎖線及び破線で示している。この図４の第２段波形では、電圧値として、実線＞一点鎖線＞破線の関係になっているので、負極地絡抵抗Ｒｎの抵抗値は、実線＞一点鎖線＞破線の関係となる。

サンプルホールド回路５ｃは、このような第１差電圧ΔＶ１をサンプリング信号の入力タイミングでサンプルホールドする。すなわち、サンプルホールド回路５ｃは、サンプリング信号に基づいて、基準電圧Ｖrefが３Ｖである期間の何れかのタイミングでサンプルホールドし、図４の第３段波形に示すサンプル電圧Ｖshを第２差動増幅器５ｄに出力する。

第２差動増幅器５ｄは、このようなサンプル電圧Ｖshと第１差動増幅器５ａから入力される第１差電圧ΔＶ１とを差動増幅することにより、第２差電圧ΔＶ２を第３差動増幅器５ｅに出力する。この第２差電圧ΔＶ２は、サンプル電圧Ｖshと第１差電圧ΔＶ１との差分を示す電圧であり、図４の第４段波形に示すように、基準電圧Ｖrefが３Ｖである期間が選択的に飽和し、基準電圧Ｖrefが２Ｖである期間が飽和していない波形となる。

第３差動増幅器５ｅは、このような第２差電圧ΔＶ２と電源電圧Ｖccと差動増幅することにより、評価電圧Ｖｈを地絡判定部７に出力する。この評価電圧Ｖｈは、図４の最下段波形に示すように、基準電圧Ｖrefが２Ｖである期間において負極地絡抵抗Ｒｎの抵抗値に応じた電圧となる。すなわち、地絡検出対象に地絡が発生すると負極地絡抵抗Ｒｎの抵抗値が小さくなる。地絡判定部７は、このような評価電圧Ｖｈを所定のしきい値と比較することにより地絡の発生を判定する。

本実施形態によれば、地絡信号発生器５、可変電圧発生器６及び地絡判定部７で地絡検出対象の地絡を検出するので、従来のような絶縁型のスイッチング素子を用いることなく地絡検出対象の地絡を検出することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、負電極及び負極伝送線Ｌｎを地絡検出対象としたが、本発明はこれに限定されない。負電極及び負極伝送線Ｌｎに代えて正電極及び正極伝送線Ｌｐを地絡検出対象としてもよい。

また、負電極及び負極伝送線Ｌｎ及び正電極及び正極伝送線Ｌｐの両方を地絡検出対象としてもよい。この場合には、正極電圧Ｖｐを所定の抵抗器を介して地絡信号発生器５に入力すると共に、負極電圧Ｖｎを同じく所定の抵抗器を介して地絡信号発生器５に入力することにより、正極電圧Ｖｐと負極電圧Ｖｎとが上記抵抗器によって抵抗加算された電圧を第１差動増幅器５ａに入力する。

（２）上記実施形態では、第１差動増幅器５ａ、バッファ回路５ｂ、サンプルホールド回路５ｃ、第２差動増幅器５ｄ及び第３差動増幅器５ｅを備える地絡信号発生器５を採用したが、本発明はこれに限定されない。図２に示す地絡信号発生器５はあくまで一例であり、他の回路構成の地絡信号発生器を採用してもよい。

（３）上記実施形態では、第３差動増幅器５ｅが第２差電圧ΔＶ２と差動増幅する直流電圧を電源電圧Ｖccとしたが、本発明はこれに限定されない。電源電圧Ｖcc以外の直流電圧を第２差電圧ΔＶ２と差動増幅してもよい。

（４）上記実施形態では、第１差動増幅器５ａを電圧混合回路としたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明の電圧混合回路は、負極電圧Ｖｎと基準電圧Ｖrefとの差分を取る回路には限定されず、負極電圧Ｖｎと基準電圧Ｖrefとを加算する電圧加算回路であってもよい。

（５）上記実施形態では、可変分圧回路６ａとバッファ回路６ｂとを備える可変電圧発生器６を採用したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明における基準電圧は、２つの電圧が所定のタイムインターバル毎にステップ状に繰り返す基準電圧Ｖrefに限定されない。

Ａ 地絡検出装置
Ｌｐ 正極伝送線
Ｌｎ 負極伝送線
Ｒｐ 正極地絡抵抗
Ｒｎ 負極地絡抵抗
１ 第１増幅器
２ 第２増幅器
３ 差動増幅器
４ 総電圧検出部
５ 地絡信号発生器
５ａ 第１差動増幅器
５ｂ バッファ回路
５ｃ サンプルホールド回路
５ｄ 第２差動増幅器
５ｅ 第３差動増幅器
６ 可変電圧発生器
７ 地絡判定部

Claims (7)

1. 少なくとも２値の電圧が時系列的に並ぶ基準電圧を発生する可変電圧発生器と、
   地絡検出対象の電圧である対象電圧と前記基準電圧とを混合することにより評価電圧を生成する地絡信号発生器と、
   前記評価電圧を所定のしきい値と比較することにより地絡を判定する地絡判定部と、 を備えることを特徴とする地絡検出装置。
2. 前記地絡信号発生器は、第１差動増幅器を用いて前記対象電圧と前記基準電圧とを混合することを特徴とする請求項１に記載の地絡検出装置。
3. 前記地絡信号発生器は、
   前記第１差動増幅器の第１差電圧をサンプリングするサンプルホールド回路と、
   該サンプルホールド回路のサンプル電圧と前記第１差電圧とを差動増幅する第２差動増幅器と
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の地絡検出装置。
4. 前記地絡信号発生器は、前記第２差動増幅器の第２差電圧を所定の直流電圧と差動増幅する第３差動増幅器を備えることを特徴とする請求項３に記載の地絡検出装置。
5. 前記可変電圧発生器は、前記基準電圧として２値の電圧がステップ状に並ぶステップ信号を生成することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の地絡検出装置。
6. 前記地絡検出対象は、電池の負電極あるいは当該負電極に接続される伝送線であることを特徴とする請求項５に記載の地絡検出装置。
7. 前記地絡検出対象は、電池の負電極あるいは当該負電極に接続される伝送線であることを特徴とする請求項１に記載の地絡検出装置。

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