JP4092654B2 - 地絡検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、車体に対して絶縁される直流高電圧電源の地絡検出装置に関する。

電気自動車に搭載されるモータ駆動装置は、高電圧のバッテリ（直流電源）を使用している。そのため、安全性の観点から、そのバッテリと、その高電圧が印加されるインバータ回路及びモータ巻線は、一般に車体に対して絶縁されている。そして、さらに、それらが車体と電気的に接触する、いわゆる地絡を検出するための地絡検出装置が設けられている。

この地絡検出装置として、例えば、車体に対して絶縁された高電圧のバッテリ群と、発振回路と、検出部とを備えた地絡検出回路が特開平８−７０５０３公報に開示されている。この地絡検出回路の発振回路は、一定周波数の矩形波を発生する発振器と、インピーダンス変換器と、インピーダンス変換器の後段に接続され、矩形波パルスを検出する検出抵抗とから構成されている。発振回路の出力は、検出部と接続されるとともに、カップリングコンデンサを介してバッテリ群のプラス母線に接続される。そのため、発振回路と検出部とは、高電圧のバッテリ群と直流的に絶縁される。そして、例えばバッテリ群のマイナス母線と車体との間で地絡が発生した場合、発振回路から出力される矩形波パルスは、検出抵抗と地絡抵抗とで分圧されるため、検出抵抗の出力端における波高値が低下する。この矩形波パルスの波高値の変化を、検出部が検出することにより、地絡を検出することができる。また、発振回路や検出部は、高電圧のバッテリ群と直流的に絶縁されているため、車体に対して接地された低電圧のバッテリで作動する回路で、それらの信号を処理することが可能となり、回路構成を簡素化することができる。
特開平８−７０５０３号公報

しかし、このような地絡検出回路において、カップリングコンデンサが短絡故障すると、高電圧のバッテリ群は、地絡検出回路と直流的に絶縁を確保できなくなり、その結果、地絡検出回路のもつインピーダンスを介して地絡状態となる。ところで、この地絡検出回路は、矩形波パルスを検出抵抗と地絡抵抗とで分圧し、地絡を検出するため、この分圧に影響を与えるカップリングコンデンサのインピーダンスは、検出抵抗や地絡抵抗に比べ十分小さな値に設定されている。そのため、カップリングコンデンサが短絡故障しても、コンデンサのインピーダンスによる電圧降下の減少は極わずかであり、そのわずかな電圧の変化を、検出部で検出することは極めて困難である。つまり、カップリングコンデンサが短絡故障しても、地絡検出回路で検出することは極めて困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、直流電源と地絡検出装置とを直流的に絶縁するためのコンデンサにおいて、その短絡を確実に検出できる地絡検出装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、コンデンサを直流電源から切り離すことにより、コンデンサの短絡を検出できることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の地絡検出装置は、車体に対して絶縁される直流電源と、前記直流電源及び／又は前記直流電源に接続される回路における地絡を検出する地絡検出手段と、前記地絡検出手段と前記直流電源との間に接続されるコンデンサとを備えた地絡検出装置において、さらに、前記コンデンサを前記直流電源と接続又は遮断する第１開閉手段と、前記コンデンサと前記第１開閉手段との間にある第１接続点を擬似地絡抵抗を介して前記車体に接続又は遮断する第２開閉手段と、信号発生手段と、一端が前記信号発生手段の出力にある第２接続点に接続されるとともに他端は前記コンデンサと前記地絡検出手段との間にある第３接続点に接続されるコンデンサ短絡検出抵抗と、前記コンデンサ短絡検出抵抗と前記第３接続点との間に接続され前記コンデンサの短絡を判定するコンデンサ短絡判定手段と、から構成される前記コンデンサの短絡を検出するコンデンサ短絡検出手段と、を有し、前記コンデンサの短絡判定時及び前記地絡検出手段の動作確認時には、前記第１開閉手段が前記コンデンサを前記直流電源から遮断し、前記第２開閉手段が前記擬似地絡抵抗を介して前記第１接続点を前記車体に接続することを特徴とする。

請求項２に記載の地絡検出装置は、請求項１に記載の地絡検出装置において、さらに、前記信号発生手段は、前記コンデンサの短絡判定時にステップ信号を出力することを特徴とする。

請求項３に記載の地絡検出装置は、請求項２に記載の地絡検出装置において、さらに、前記コンデンサ短絡判定手段は、所定時間経過後に前記コンデンサの前記車体に対する電圧が基準電圧以上である場合、又は、前記コンデンサの前記車体に対する電圧が所定電圧に到達するまでの時間が基準時間以下である場合に、前記コンデンサが短絡していると判定することを特徴とする。

なお、本明細書でいう第１、第２及び第３接続点とは、素子間の接続関係を明確にするために便宜的に導入したものであって、回路上の一点のみを示す場合には限らない。従って、それは、素子間の接続区間と考えてもよいものである。

請求項１に記載の地絡検出装置によれば、第１開閉手段は、コンデンサを直流電源から電気的に切り離すことができる。そのため、直流電源や直流電源に接続される回路における、車体との間の浮遊容量や絶縁抵抗等の影響を受けることなく、コンデンサの短絡を検出することができる。また、第２開閉手段は、コンデンサを車体に電気的に接続できる。そのため、直流電源の電圧変動等に伴いコンデンサに蓄積された電荷を、車体に放電することができる。その結果、コンデンサに蓄積される電荷の影響を受けることなく、コンデンサの短絡を精度よく検出することができる。また、擬似的に地絡を発生させることにより、コンデンサ及び地絡検出手段の動作を確認することもできる。さらに、コンデンサ短絡検出手段は、信号発生手段により発生させた信号を、抵抗とコンデンサとからなるＲＣ積分回路に入力し、その出力をコンデンサ短絡判定手段により監視できる。そのため、抵抗とコンデンサとからなるＲＣ積分回路に入力される入力信号に対し、出力信号を比較することにより、コンデンサの短絡を確実に検出することができる。加えて、コンデンサの短絡判定時に、第１開閉手段は、コンデンサを直流電源から電気的に切り離し、さらに、第２開閉手段は、コンデンサを車体に電気的に接続する。そのため、コンデンサの短絡判定時に、直流電源側の浮遊容量や絶縁抵抗等の影響だけでなく、コンデンサに蓄積された電荷の影響も取り除くことができ、コンデンサの短絡をより精度よく検出することができる。

請求項２に記載の地絡検出装置によれば、信号発生手段は、抵抗とコンデンサとからなるＲＣ積分回路にステップ信号を入力する。そのため、コンデンサが短絡している場合、コンデンサからステップ状の信号が出力され、コンデンサが短絡していない場合、抵抗とコンデンサの容量で決まる時定数に従って、指数関数的に変化する信号が出力される。その結果、コンデンサの短絡を明確に検出することができる。

請求項３に記載の地絡検出装置によれば、コンデンサ短絡判定手段は、所定時間後のコンデンサの出力電圧が、基準電圧以上、又は、コンデンサの出力電圧が所定電圧に到達するまでの時間が、基準時間以下である場合に、コンデンサが短絡していると判定する。そのため、コンデンサが短絡している場合に出力されるステップ状の信号と、コンデンサが短絡していない場合に出力される指数関数的に変化する信号とを、確実に区別することができる。その結果、コンデンサの短絡をより明確に検出することができる。

本実施形態は、地絡検出装置を電気自動車の主電源装置に適用した例を示す。

（第１実施形態）
第１実施形態における地絡検出装置の回路図を図１に、コンデンサの短絡検出動作のフローチャートを図２に、コンデンサの短絡判定に関連する信号波形を図３及び図４に示す。

まず、図１を参照して具体的構成について説明する。図１に示すように、地絡検出装置１は、高電圧バッテリ２（直流電源）と、地絡検出部３（地絡検出手段）と、コンデンサ短絡検出部４（コンデンサ短絡検出手段）と、カップリングコンデンサ５と、第１スイッチ６（第１開閉手段）と、第２スイッチ７（第２開閉手段）とを備えている。

高電圧バッテリ２は、定格電圧数百Ｖの直流電源であり、車体に対して絶縁されている。そして、電気自動車の走行用モータ（図示略）に、インバータ回路（図示略）を介して電力を供給している。

地絡検出部３は、交流信号発生回路３ａと、地絡検出抵抗３ｂと、地絡判定回路３ｃとから構成されている。そして、マイクロコンピュータ８に接続されるとともに、後述するカップリングコンデンサ５と、カップリングコンデンサ５に直列接続される第１スイッチ６とを介して、高電圧バッテリ２の負極端２ａに接続されている。

交流信号発生回路３ａは、一端がマイクロコンピュータ８と接続され、他端が地絡検出抵抗３ｂを介して、カップリングコンデンサ５の一端にある計測点Ａ（第３接続点）に接続されている。そして、マイクロコンピュータ８からの信号に基づき、地絡検出抵抗３ｂを介して、カップリングコンデンサ５の計測点Ａに矩形波パルスを出力する。

地絡判定回路３ｃは、一端が地絡検出抵抗３ｂの他端、つまり、カップリングコンデンサ５の計測点Ａと接続され、他端がマイクロコンピュータ８と接続されている。そして、カップリングコンデンサ５の計測点Ａの電圧レベルに基づいて、高電圧バッテリ２と高電圧バッテリ２に接続される回路における地絡判定を行い、判定結果をマイクロコンピュータ８に出力する。

コンデンサ短絡検出部４は、ステップ信号発生回路４ａ（信号発生手段）と、コンデンサ短絡検出抵抗４ｂと、コンデンサ短絡判定回路４ｃ（コンデンサ短絡判定手段）とから構成され、マイクロコンピュータ８に接続されるとともに、後述するカップリングコンデンサ５に接続されている。

ステップ信号発生回路４ａは、一端がマイクロコンピュータ８と接続され、他端（第２接続点）がコンデンサ短絡検出抵抗４ｂを介して、カップリングコンデンサ５の一端にある計測点Ａに接続されている。そして、マイクロコンピュータ８からの信号に基づき、地絡検出抵抗３ｂを介して、カップリングコンデンサ５の計測点Ａにステップ信号を出力する。

コンデンサ短絡判定回路４ｃは、一端がコンデンサ短絡検出抵抗４ｂの他端、つまり、カップリングコンデンサ５の一端にある計測点Ａと接続され、他端がマイクロコンピュータ８と接続されている。そして、ステップ信号発生回路４ａが出力するステップ信号の立ち上がり時から所定の時間ｔ０経過した後、計測点Ａにおける電圧Ｖ０を測定し、その電圧値Ｖ０が、あらかじめ設定されている基準電圧Ｖｒ以上である場合に短絡と判定する。その判定結果はマイクロコンピュータ８に出力される。

カップリングコンデンサ５は、電解コンデンサであり、その一端にある計測点Ａが地絡検出部３及びコンデンサ短絡検出部４と接続され、後述する第１スイッチ６を介して、他端が高電圧バッテリ２の負極端２ａに接続されている。そのため、地絡検出部３は高電圧バッテリ２から直流的に絶縁される。

第１スイッチ６は、フォトリレーで構成され、カップリングコンデンサ５と高電圧バッテリ２との間に接続されている。また、第１スイッチ６のオン／オフを制御するための端子は、マイクロコンピュータ８と接続される。そして、マイクロコンピュータ８からの信号に基づいて、カップリングコンデンサ５を、高電圧バッテリ２に接続、又は、高電圧バッテリ２から遮断する。

第２スイッチ７は、フォトリレーで構成され、一端が車体に接続され、他端が擬似地絡抵抗７ａを介して、第１スイッチ６がカップリングコンデンサ５と接続される接続点（第１接続点）に接続されている。また、第２スイッチ７のオン／オフを制御するための端子は、マイクロコンピュータ８と接続される。そして、マイクロコンピュータ８からの信号に基づいて、擬似地絡抵抗７ａを介して、カップリングコンデンサ５を、車体に接続、又は、車体から遮断する。

次に、図２〜図４を参照して具体的動作について説明する。電気自動車は、イグニッションスイッチがオンされると、主電源装置のイニシャルチェック（初期動作確認）を開始する。カップリングコンデンサ５の短絡検出は、このイニシャルチェック時に行われ、図２に示すように、ステップＳ１〜Ｓ９で構成される。

まず、第１スイッチ６が、マイクロコンピュータ８からの信号によりオフ（Ｓ１）される。これにより、カップリングコンデンサ５は、高電圧バッテリ２から電気的に切り離される。そのため、コンデンサ短絡検出部４は、高電圧バッテリ２やそれに接続される回路における、車体との間の浮遊容量や絶縁抵抗等の影響を受けることはない。

次に、第２スイッチ７が、マイクロコンピュータ８からの信号によりオン（Ｓ２）される。これにより、カップリングコンデンサ５は、擬似地絡抵抗７ａを介して車体に接続され、蓄積された電荷を車体に放電する。そのため、コンデンサ地絡検出部３は、カップリングコンデンサ５に蓄積された電荷の影響を受けることはない。

その後、カップリングコンデンサ５に蓄積された電荷を放電するために必要な所定の時間が経過（Ｓ３）した後、ステップ信号発生回路４ａが、マイクロコンピュータ８からの信号によりステップ信号を出力（Ｓ４）する。そして、このステップ信号の立ち上がり時から所定の時間ｔ０が経過（Ｓ５）した後、コンデンサ短絡判定回路４ｃが、計測点Ａにおける電圧Ｖ０を測定（Ｓ６）し、その電圧値Ｖ０を、あらかじめ設定されているコンデンサ短絡判定の基準電圧Ｖｒと比較（Ｓ７）する。この計測点Ａにおける電圧値Ｖ０が、コンデンサ短絡判定の基準電圧Ｖｒ以上であった場合、カップリングコンデンサ５は短絡と判定（Ｓ８）され、マイクロコンピュータ８がＬＥＤ等を点灯し警報する。そして、それ以外の場合、カップリングコンデンサ５は正常、つまり、短絡なしと判定（Ｓ９）される。

ところで、図３に示すように、カップリングコンデンサ５が短絡している場合、ステップ信号は、直列接続されたコンデンサ短絡検出抵抗４ｂと擬似地絡抵抗７ａに入力される。そのため、計測点Ａでは、コンデンサ短絡検出抵抗４ｂと擬似地絡抵抗７ａとによって分圧されたステップ状の電圧波形が測定される。

これに対し、図４に示すように、カップリングコンデンサ５が正常であり、短絡していない場合、ステップ信号は、コンデンサ短絡検出抵抗４ｂと擬似地絡抵抗７ａとからなる抵抗群と、カップリングコンデンサ５とで構成されるＲＣ積分回路に入力される。そのため、計測点Ａでは、これら抵抗群とコンデンサ容量で決まる時定数に基づき、時間とともに指数関数的に上昇していく電圧波形が測定される。

従って、カップリングコンデンサ５が短絡している場合と短絡していない場合とでは、電圧波形の立ち上がり特性、つまり、所定時間ｔ０経過後の波高値に違いがある。コンデンサ短絡判定の基準電圧Ｖｒは、この波高値の差を区別できる値に設定されている。

引き続き、カップリングコンデンサ５を含めた地絡検出部３の動作確認が行われる。

ところで、高電圧バッテリ２とそれに接続される回路において地絡が発生した場合、地絡検出部３の交流信号発生回路３ａから出力される矩形波パルスは、地絡検出部３の地絡検出抵抗３ｂと、地絡部分における地絡抵抗とかなる分圧回路によって分圧され、その波高値が低下する。地絡判定回路３ｃは、計測点Ａにおける電圧を測定し、その電圧値を、あらかじめ設定されている地絡判定のための基準電圧と比較することにより、矩形波パルスの波高値の低下を検出し、地絡と判定する。

そこで、第２スイッチ７が擬似地絡抵抗７ａを車体に接続することにより、強制的に地絡状態を構成し、地絡検出部３がこの地絡を検出できるかどうかで、その動作を確認する。

まず、交流信号発生回路３ａが、マイクロコンピュータ８からの信号により矩形波パルスを出力する。そして、地絡判定回路３ｃが、計測点Ａにおける電圧を測定し、その電圧値を、あらかじめ設定されている地絡判定のための基準電圧と比較する。この計測点Ａのにおける電圧値が、地絡判定のための基準電圧以下であった場合、カップリングコンデンサ５を含めた地絡検出部３は、地絡を検出し、正常に動作していると判定される。それ以外の場合、カップリングコンデンサ５を含めた地絡検出部３は、地絡を検出できず異常と判定され、マイクロコンピュータ８がＬＥＤ等を点灯し警報する。

さらに、マイクロコンピュータ８からの信号により、第２スイッチ７がオフされるとともに、第１スイッチ６がオンされる。これにより、地絡検出部３は、カップリングコンデンサ５を介して高電圧バッテリ２に接続され、高電圧バッテリ２とそれに接続される回路における地絡を常時監視する。

以上説明したように、地絡検出装置１おいて、第１スイッチ６が、カップリングコンデンサ５を高電圧バッテリ２から電気的に切り離し、さらに、第２スイッチ７が、カップリングコンデンサ５を車体に電気的に接続する。そのため、カップリングコンデンサ５の短絡判定時に、高電圧バッテリ２側の浮遊容量や絶縁抵抗等の影響だけでなく、カップリングコンデンサ５に蓄積された電荷の影響も取り除くことができ、カップリングコンデンサ５の短絡を精度よく検出することができる。

また、ステップ信号発生回路４ａは、コンデンサ短絡検出抵抗４ｂと擬似地絡抵抗７ａとからなる抵抗群と、カップリングコンデンサ５とで構成されるＲＣ積分回路にステップ信号を入力する。そのため、カップリングコンデンサ５が短絡している場合、計測点Ａからステップ状の信号が出力され、カップリングコンデンサ５が短絡していない場合、これら抵抗群とコンデンサ容量で決まる時定数に基づき、時間とともに指数関数的に上昇していく電圧が出力される。その結果、電圧波形の立ち上がり特性に違いに基づいて、カップリングコンデンサ５の短絡を明確に検出することができる。

さらに、コンデンサ短絡判定回路４ｃは、所定時間ｔ０後の計測点Ａの電圧Ｖ０を測定し、この電圧値Ｖ０が基準電圧Ｖｒ以上場合に、カップリングコンデンサ５が短絡していると判定する。そのため、カップリングコンデンサ５が短絡している場合に出力されるステップ状の信号と、カップリングコンデンサ５が短絡していない場合に出力される指数関数的に変化する信号とを、確実に区別することができる。その結果、カップリングコンデンサ５の短絡を確実に判定することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態におけるコンデンサの短絡判定に関する信号波形を図５に示す。ここでは、第１実施形態における地絡検出装置１との相違部分についてのみ説明し、共通する部分ついては、必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前記実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。

図５に示すように、ステップ信号の立ち上がり時から所定の時間ｔ１、ｔ２、ｔ３経過した後、コンデンサ短絡判定回路４ｃが、計測点Ａにおける電圧をそれぞれ測定し、その電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を、あらかじめ設定されているｔ１、ｔ２、ｔ３に対応する、コンデンサ短絡判定の基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３とそれぞれ比較する。この計測点Ａにおける電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の少なくともいずれかが、それぞれに対応する、コンデンサ短絡判定の基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３以上であった場合、カップリングコンデンサ５は短絡と判定される。

これら、第２の実施形態によれば、第１の実施形態に対し、電圧の立ち上がり時における比較点数を増やすことで、カップリングコンデンサ５の短絡だけでなく、地絡検出装置１に影響を及ぼすようなカップリングコンデンサ５の容量変化も検出することができる。

なお、上述した実施形態においては、カップリングコンデンサ５の短絡検出は、イニシャルチェック時に行われているが、これに限られるものではない。例えば、一定周期毎に実施してもよいし、必要と判断された時に実施してもよい。どのタイミングでも実施できる。

また、上述した実施形態においては、１回のコンデンサ短絡判定によってコンデンサの短絡の有無を判断しているが、これに限られるものではない。複数回コンデンサ短絡判定を行い、その結果から、コンデンサの短絡を総合的に判断してもよい。例えば、コンデンサ短絡の判定が３回連続した場合に、コンデンサが短絡したものと判断する構成としてもよい。この場合、コンデンサ短絡判定の信頼性をより向上させることができる。

さらに、上述した実施形態においては、コンデンサ短絡判定回路４ｃは、電子回路で構成されているが、これに限られるものではない。例えば、マイクロコンピュータ８が、Ａ／Ｄコンバータを用いて、計測点Ａの電圧をデータとして取り込み、そのデータに基づいて演算処理をして構成してもよい。この場合、測定点Ａにおける電圧の立ち上がり特性の傾きから時定数を算出することにより、カップリングコンデンサ５の容量を推定することも可能となる。

第１実施形態における地絡検出装置の回路図を示す。 第１実施形態におけるコンデンサの短絡検出動作のフローチャートを示す。 第１実施形態におけるコンデンサ短絡時の短絡判定に関する信号波形を示す。 第１実施形態におけるコンデンサ正常時の短絡判定に関する信号波形を示す。 第２実施形態におけるコンデンサの短絡判定に関連する信号波形を示す。

符号の説明

１ ・・・ 地絡検出装置
２ ・・・ 高電圧バッテリ
２ａ ・・・ バッテリの負極端
３ ・・・ 地絡検出部
３ａ ・・・ 交流信号発生回路
３ｂ ・・・ 地絡検出抵抗
３ｃ ・・・ 地絡判定回路
４ ・・・ コンデンサ短絡検出部
４ａ ・・・ ステップ信号発生回路
４ｂ ・・・ コンデンサ短絡検出抵抗
４ｃ ・・・ コンデンサ短絡判定回路
５ ・・・ カップリングコンデンサ
６ ・・・ 第１スイッチ
７ ・・・ 第２スイッチ
７ａ ・・・ 擬似地絡抵抗
８ ・・・ マイクロコンピュータ

Claims (3)

1. 車体に対して絶縁される直流電源と、前記直流電源及び／又は前記直流電源に接続される回路における地絡を検出する地絡検出手段と、前記地絡検出手段と前記直流電源との間に接続されるコンデンサとを備えた地絡検出装置において、
   さらに、前記コンデンサを前記直流電源と接続又は遮断する第１開閉手段と、
   前記コンデンサと前記第１開閉手段との間にある第１接続点を擬似地絡抵抗を介して前記車体に接続又は遮断する第２開閉手段と、
   信号発生手段と、一端が前記信号発生手段の出力にある第２接続点に接続されるとともに他端は前記コンデンサと前記地絡検出手段との間にある第３接続点に接続されるコンデンサ短絡検出抵抗と、前記コンデンサ短絡検出抵抗と前記第３接続点との間に接続され前記コンデンサの短絡を判定するコンデンサ短絡判定手段と、から構成される前記コンデンサの短絡を検出するコンデンサ短絡検出手段と、
   を有し、
   前記コンデンサの短絡判定時及び前記地絡検出手段の動作確認時には、前記第１開閉手段が前記コンデンサを前記直流電源から遮断し、前記第２開閉手段が前記擬似地絡抵抗を介して前記第１接続点を前記車体に接続することを特徴とする地絡検出装置。
2. 前記信号発生手段は、前記コンデンサの短絡判定時にステップ信号を出力することを特徴とする請求項１記載の地絡検出装置。
3. 前記コンデンサ短絡判定手段は、所定時間経過後に前記コンデンサの前記車体に対する電圧が基準電圧以上である場合、又は、前記コンデンサの前記車体に対する電圧が所定電圧に到達するまでの時間が基準時間以下である場合に、前記コンデンサが短絡していると判定することを特徴とする請求項２記載の地絡検出装置。

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