JP2023076590A - 地絡検出装置 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
(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
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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