JP3590679B2 - 浮動直流電源の異常検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、浮動直流電源の異常検出装置に関し、特に電気自動車等に用いられる高圧浮動直流電源における配線系の地絡及び電源電圧を検出する異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、交流配電系においては交流アースが構成されることから電源の地絡による漏電発生時には閉回路が形成され、従って地絡検出が可能である。
【０００３】
しかしながら、電源が浮動状態で用いられる直流配電系においては、電源の一方の電極がフレーム、地面等に地絡していても閉回路が形成されないため地絡による漏電を検出できなかった。その点で、特開平６−３０８，１８５号公報は、漏電の発生及び漏電箇所並びに直流電源電圧を検出する技術を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術においては、電源電圧を検出抵抗及び保護抵抗により分圧すると共に、保護抵抗の両端をスイッチで短絡または開放し、それぞれの時点の出力を検出してその和や差を求めて比較するように構成されており、回路構成が複雑であった。
【０００５】
従って、この発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消することにあり、浮動直流電源の地絡及び電源電圧を簡易に検出できるようにした浮動直流電源の異常検出装置の提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、浮動直流電源Ｅ０の正負電極間に４個の基準抵抗素子をＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが直列接続されると共に、正負電極側の２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｄ同士及び中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃ同士の抵抗値がそれぞれ等しく設定された直列抵抗回路（１）と、前記直列抵抗回路（１）に対し独立に構成された回路であって、前記直列抵抗回路（１）の中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃの接続点に一端が接続されて前記浮動直流電源Ｅ０より小さい基準直流電圧Ｅ１を印加すると共に、他端が接地された基準電圧印加回路（２）とを備えると共に、前記浮動直流電源Ｅ０の正極側に位置する２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｂの接続点の電位Ｖａｂと、負極側に位置する２個の抵抗素子Ｒｃ，Ｒｄの接続点の電位Ｖｃｄを同相加算し、同相加算値と基準直流電圧Ｅ１を２倍した基準値２Ｅ１との比較に基いて前記浮動直流電源Ｅ０の地絡を検出する手段（３）と、前記浮動直流電源Ｅ０の正極側に位置する２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｂの接続点の電位Ｖａｂと、負極側に位置する２個の抵抗素子Ｒｃ，Ｒｄの接続点の電位Ｖｃｄとを差動増幅し、差動増幅値の変動に基いて前記浮動直流電源Ｅ０の電圧を検出する手段（９）とを備えるように構成した。
【０００８】
まず、本発明に係る異常検出装置の原理を説明すると次のとおりである。
【０００９】
即ち、図２に示されるように、浮動直流電源Ｅ０の正負電極間に４個の基準抵抗素子Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが直列接続されると共に、正負電極側の２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｄ同士及び中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃ同士の抵抗値がそれぞれ等しく設定された直列抵抗回路（２０）を考える。
【００１０】
ここに、浮動直流電源Ｅ０の正極側に位置する２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｂの接続点の電位をＶａｂ、中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃの接続点の電位をＶｂｃ、負極側に位置する２個の抵抗素子Ｒｃ，Ｒｄの接続点の電位をＶｃｄ、回路の電流をＩ０とすると、電位Ｖａｂ及びＶｃｄは電源Ｅ０の負極側電位を基準と考えて、

となる。
【００１１】
次に、図３のように、前記中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃの接続点に直流電源Ｅ１の正極側が接続されると共に、抵抗素子Ｒｘを介して閉回路が形成された基準電圧印加回路（３０）を形成し、該基準電圧印加回路（３０）における電源Ｅ１の負極側をフレームや筐体等に接地した場合を考える。すると、電源Ｅ１の負極側から見た前記電位Ｖｂｃは、Ｖｂｃ＝Ｅ１であるから、電位Ｖａｂ，Ｖｃｄはそれぞれ
Ｖａｂ＝Ｅ１＋Ｒｂ×Ｉ０
Ｖｃｄ＝Ｅ１−Ｒｂ×Ｉ０
と表すことができる。
【００１２】
上記において、電位ＶａｂとＶｃｄとを同相加算すると、その出力は２Ｅ１となる。而して、直列抵抗回路（２０）における浮動直流電源Ｅ０の負極側が地絡した場合、直列抵抗回路（２０）の電源Ｅ０の負極側と基準電圧印加回路（３０）の電源Ｅ１の負極側が接続されることになる。このとき、電源Ｅ１の負極側から見た直列抵抗回路（２０）の各部の電位のうち、ＶｂｃはＥ１で変わらないが、抵抗素子Ｒａ，Ｒｂを流れる電流値とＲｃ，Ｒｄを流れる電流値はバランスが崩れて異なるものとなるため、電位Ｖａｂ，Ｖｃｄは増減する。
【００１３】
従って、電位ＶａｂとＶｃｄの同相加算値は２Ｅ１に対して大小に変化することになり、これを検出することにより、浮動直流電源Ｅ０の地絡を検出することができる。これらの動作は浮動直流電源Ｅ０の正極側が地絡した場合も同様となる。同相加算値の２Ｅ１に対する大小は地絡した電源ラインの極性の認識に用い、同相加算値の大きさは地絡している抵抗値に対応する。
【００１４】
一方、直列抵抗回路（２０）における浮動直流電源Ｅ０が地絡していない状態で、電位ＶａｂとＶｃｄとを差動増幅すると、その出力は２Ｒｂ×Ｉ０を増幅した値となる。而して、Ｒｂは一定値でありＩ０は電源電圧Ｅ０の値によって変化するから、前記差動増幅後の出力値を監視することにより電源電圧Ｅ０の電圧を検出することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
【００１６】
同図において、（１）は直列抵抗回路であり、直列電源Ｅ０ の正負両電極間に４個の基準抵抗素子Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが直列接続されている。そして、正負電極側の２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｄ同士、及び中間の２個の抵抗Ｒｂ，Ｒｃ同士の抵抗値がＲａ＝Ｒｄ，Ｒｂ＝Ｒｃに設定されている。前記直流電源Ｅ０は例えば２００〜６００Ｖの高電圧電源であり、正負両電極ともに浮動状態（いわゆるフローティング状態）で使用されている。この電源には、例えば直流モータ等が接続されている（図示省略）。
【００１７】
（２）は５Ｖ程度の低電圧の基準直流電源Ｅ１を有する基準電圧印加回路である。この基準電圧印加回路（２）の前記基準直流電源Ｅ１は、その正極側が前記直列抵抗回路（１）における中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃの接続点に接続されると共に、電源Ｅ１の負極側はフレームや筐体等に接地されており、前記直列抵抗回路（１）とは異なる独立した回路に構成されている。従って、浮動直流電源Ｅ０が地絡していない状態において、基準直流電源Ｅ１の負極側から見た場合の抵抗Ｒａ，Ｒｂ間の電位Ｖａｂ、及び抵抗Ｒｃ，Ｒｄ間の電位Ｖｃｄは、直列抵抗回路（１）の電流をＩ０とすると、
Ｖａｂ＝Ｅ１＋Ｒｂ×Ｉ０
Ｖｃｄ＝Ｅ１−Ｒｂ×Ｉ０
となる。
【００１８】
（３）は地絡検出手段であり、インピーダンス変換器（４）及び（５）を介して出力される前記２つの電位Ｖａｂ及びＶｃｄを同相加算する同相加算器（６）を備える。この同相加算器（６）は演算増幅器及びこれを動作させるための抵抗素子によって構成される。また、前記インピーダンス変換器（４）及び（５）も演算増幅器によって構成される。そして、同相加算器（６）の出力はＡ／Ｄ変換器（７）によりＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ（８）に入力され、該ＣＰＵ（８）は後述のように入力値を監視し、その変動に応じて浮動直流電源Ｅ０の地絡状態を判断する。
【００１９】
（９）は浮動直流電源Ｅ０の電圧を検出する電源電圧検出手段であり、差動増幅器（１０）、基準電圧発生器（１１）、ゲイン調整器（１２）とを備える。前記差動増幅器（１０）は、前記インピーダンス変換器（４）及び（５）を介して出力される２つの電位Ｖａｂ，Ｖｃｄを差動増幅する。また、前記基準電圧発生器（１１）は、分圧抵抗（１１ａ），（１１ｂ）の分圧比に基いて電圧Ｖｃｃを分圧し、これを基準電圧として出力する。
【００２０】
また前記ゲイン調整器（１２）は前記差動増幅器（１０）の出力と、抵抗（１１ａ），（１１ｂ）によって決定される基準電圧発生器（１１）の基準電圧とを比較し、その差を適宜なゲインで増幅して出力する。尚、これらの差動増幅器（１０）、基準電圧発生器（１１）、ゲイン調整器（１２）はいずれも演算増幅器と動作用の抵抗素子によって構成される。
【００２１】
次に、図示実施形態に係る異常検出装置の動作を説明する。
【００２２】
前述の通り、基準直流電源Ｅ１の負極側から見た場合の抵抗Ｒａ，Ｒｂ間の電位Ｖａｂ、及び抵抗Ｒｃ，Ｒｄ間の電位Ｖｃｄは、
Ｖａｂ＝Ｅ１＋Ｒｂ×Ｉ０
Ｖｃｄ＝Ｅ１−Ｒｂ×Ｉ０
と表されるから、前記同相加算器（６）の出力は、電位Ｖａｂ及びＶｃｄを同相加算した値となるが、この同相加算器（６）の出力はＡ／Ｄ変換器（７）によりＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ（８）により基準値２Ｅ１と比較される。直列抵抗回路（１）が地絡していない状態では同相加算器（６）の出力は２Ｅ１であり基準値２Ｅ１に等しいから、ＣＰＵは地絡を生じていないと判断する。
【００２３】
次に、直列抵抗回路（１）における浮動直流電源Ｅ０の負極側が地絡した場合、該電源Ｅ０の負極側と基準電圧印加回路（２）における基準電源Ｅ１の負極側が接続されたことになるから、抵抗素子Ｒｂを流れる電流が増加し、Ｒｃを流れる電流が減少する。従って、電位ＶａｂとＶｃｄを同相加算した値は２Ｅ１より大きくなり、これがＣＰＵ（８）により判断されて電源Ｅ０の負極側が地絡したことが検出される。
【００２４】
次に、直列抵抗回路（１）における電源Ｅ０の正極側が地絡した場合、電源Ｅ０の正極側と基準電圧印加回路（２）における基準電源Ｅ１の負極側が接続されたのと同じ状態となるから、抵抗素子Ｒｂを流れる電流が減少し、Ｒｃを流れる電流が増加する。従って、電位ＶａｂとＶｃｄを同相加算した値は２Ｅ１より小さくなり、これがＣＰＵ（８）により判断されて電源Ｅ０の正極側が地絡したことが検出される。
【００２５】
このように同相加算器（６）の低電圧出力を監視することにより、直列抵抗回路（１）における浮動高圧直流電源Ｅ０の地絡を検出することができる。
【００２６】
一方、直列抵抗回路（１）の地絡が生じていないとき、差動増幅器（１０）の出力は２Ｒｂ×Ｉ０を増幅した値となり、この値と基準電圧発生器（１１）による基準電圧とがゲイン調整器（１２）で比較される。ここで、抵抗値Ｒｂは一定であり直列抵抗回路（１）を流れる電流Ｉ０は浮動直流電源Ｅ０の電圧値の大きさによって変化する。
【００２７】
前述の如く、前記ゲイン調整器（１２）は前記差動増幅器（１０）の出力と基準電圧発生器（１１）による基準電圧を比較し、差を増幅して出力することから、電源電圧の変化を精度良く監視することができる。
【００２８】
尚、図示実施形態においては、基準電圧印加回路（２）の電源Ｅ１の負極側をフレーム等に接地しておく場合を示したが、電源Ｅ１の正極側を接地しておいても良い。この場合は、上記と逆に、直列抵抗回路（１）における電源Ｅ０の負極側が地絡した場合には同相加算器（６）の出力は２Ｅ１より小さくなり、電源Ｅ０の正極側が地絡した場合には２Ｅ１より大きくなり、前記と同様にして電源の地絡を判断することができる。
【００２９】
また、電圧検出手段（９）において、差動増幅器（１０）の出力をゲイン調整器（１２）により高精度で電圧を検出する場合を示したが、ＣＰＵを用いて比較しても良い。また、同相加算器（６）や差動増幅器（１０）の構成も図示のものに限定されることはなく、要は直列抵抗回路（１）の２つの電位Ｖａｂ，Ｖｃｄを差動増幅あるいは同相加算して、その結果に基いて浮動直流電源Ｅ０の地絡や電圧を検出する構成であれば良い。
【００３０】
【発明の効果】
この発明によれば、直列抵抗回路の２つの電位Ｖａｂ，Ｖｃｄを同相加算あるいは差動増幅し、それらの値の変動に基いて浮動直流電源の地絡及び電圧を検出するものであるから、極めて簡単な構成で浮動直流電源の地絡及び電圧を検出することができる。
【００３１】
しかも、同相加算した値は、直流抵抗回路の中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃの接続点に印加された直流電圧値の２倍を基準に変動するから、直流電圧値を低電圧に設定することにより、地絡検出手段における取扱い電圧を低くすることができる。また、差動増幅した値も低電圧となるから、電圧検出手段における取扱い電圧も低くすることができる。従って、浮動直流電源が高電圧であっても、低電圧処理により浮動直流電源の地絡及び電圧を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す回路図である。
【図２】この発明の動作原理を説明するための回路図である。
【図３】同じくこの発明の動作原理を説明するための回路図である。
【符号の説明】
１ 直列抵抗回路
２ 基準電圧印加回路
３ 地絡検出手段
６ 同相加算器
９ 電圧検出手段
１０ 差動増幅器
Ｅ０ 浮動直流電源

Claims (1)

1. 浮動直流電源Ｅ０の正負電極間に４個の基準抵抗素子Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが直列接続されると共に、正負電極側の２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｄ同士及び中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃ同士の抵抗値がそれぞれ等しく設定された直列抵抗回路（１）と、
   前記直列抵抗回路（１）に対し独立に構成された回路であって、前記直列抵抗回路（１）の中間の２個の抵抗素子Ｒｂ，Ｒｃの接続点に一端が接続されて前記浮動直流電源Ｅ０より小さい基準直流電圧Ｅ１を印加すると共に、他端が接地された基準電圧印加回路（２）と、
   を備えると共に、
   前記浮動直流電源Ｅ０の正極側に位置する２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｂの接続点の電位Ｖａｂと、負極側に位置する２個の抵抗素子Ｒｃ，Ｒｄの接続点の電位Ｖｃｄを同相加算し、同相加算値と基準直流電圧Ｅ１を２倍した基準値２Ｅ１との比較に基いて前記浮動直流電源Ｅ０の地絡を検出する手段（３）と、
   前記浮動直流電源Ｅ０の正極側に位置する２個の抵抗素子Ｒａ，Ｒｂの接続点の電位Ｖａｂと、負極側に位置する２個の抵抗素子Ｒｃ，Ｒｄの接続点の電位Ｖｃｄとを差動増幅し、差動増幅値の変動に基いて前記浮動直流電流Ｅ０の電圧を検出する手段（９）とを備えるようにしたことを特徴とする浮動直流電源の異常検出装置。

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