JP4293942B2 - 電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法 - Google Patents

電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、主として二次電池の充放電回路の漏電を検出する回路及び方法に関し、例えばハイブリッドカーや電気自動車等の電動車両を走行させるモーターを駆動する電源装置の漏電を検出する電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法に関する。
電動車両を走行させる電源装置は、出力を大きくするために電圧を高くする必要がある。出力が電圧と電流の積に比例するからである。たとえば、ハイブリッドカーや電気自動車を走行させる電源装置の出力電圧は200V以上と極めて高い。高電圧の電源装置は、漏電による弊害が大きいので、安全性を考慮してアースには接続されない。アースに接続されない電源装置は、漏電を防止するために、漏電抵抗を検出する必要がある。漏電抵抗は、電源装置とアースとの間の抵抗である。図4は下記特許文献における図1であって、電源装置の漏電抵抗を検出する検出回路を示す。この図に示す漏電検出回路50は、漏電検出抵抗51と漏電検出スイッチ52と漏電検出抵抗51に発生する電圧を検出する電圧検出回路53とを備える。漏電抵抗Rrがあると、漏電検出スイッチ52をオンにする状態で、漏電検出抵抗51に電流が流れる。したがって、漏電検出抵抗51の電圧を検出して漏電を検出できる。
特開2003−169401号公報
しかしながら従来の漏電検出回路では、漏電抵抗値を正確に演算することが困難であった。本発明は、このような従来技術に鑑み、より簡単かつ正確に漏電抵抗を演算可能な電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法を提供することを目的とするものである。
上記の目的を達成するために、本発明の電動車両用漏電検出回路は、電動車両用の組電池10の漏電を検出するための電動車両用漏電検出回路であって、複数の電池11を直列に接続した組電池10と、電池11の任意の高電圧側と低電圧側との2箇所の電池端子とグランドとの間に、それぞれ直列に接続された漏電検出抵抗R、Rと、tのタイミングで、高電圧側の電池端子での電圧を、Vg11(t)、低電圧側の電池端子での電圧を、Vg12(t)として測定する電圧検出手段200と、漏電検出抵抗R、Rの間に直列に接続された漏電検出スイッチSW、SWと、高電圧側の電池端子に接続された一方の漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じ他方の漏電検出スイッチSWを開いたとき漏電検出スイッチSWと接続された漏電検出抵抗Rに発生する電圧Vl11(t)、及び、低電圧側の電池端子に接続された他方の漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じ一方の漏電検出スイッチSWを開いたとき他方の漏電検出スイッチSWと接続された漏電検出抵抗Rに発生する電圧Vl12(t)を検出する電圧検出回路20、20とを備える。さらに、漏電抵抗の合成値Rを、異なるtのタイミングを、t、tとするとき、
Figure 0004293942
に基づいて演算する漏電演算部40を備える。この構成によって漏電抵抗値を容易に得ることができ、漏電箇所が複数あっても回路全体の漏電抵抗値を演算することが可能である。
また、本発明の他の電動車両用漏電検出回路は、tのタイミングで組電池10の両端の端子間電圧V(t)を測定する回路を備え、漏電演算部40が、漏電箇所が一箇所である場合に、tのタイミングで漏電が発生した電池端子の電圧をV(t)として、この電圧を端子間電圧V(t)と比例定数KとによりK(t)と表わされるときに、
Figure 0004293942
に基づきkを演算し、kに基づいて漏電箇所を推定する。この構成によって、漏電抵抗値のみならず漏電位置を特定できる。
さらに、本発明の電動車両用漏電検出方法は、電動車両用の組電池10の漏電を検出するための電動車両用漏電検出方法であって、組電池10を構成する直列に接続された複数の電池11の内、任意の高電圧側と低電圧側との2箇所の電池端子とグランドとの間に、それぞれ直列に接続された漏電検出抵抗R、Rと、漏電検出抵抗R、Rの間に直列に接続された漏電検出スイッチSW、SWとを備える電動車両用漏電検出回路の、高電圧側の電池端子に接続された一方の漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じ他方の漏電検出スイッチSWを開いたとき漏電検出抵抗Rに発生する電圧Vl11(t)を測定するステップと、低電圧側の電池端子に接続された他方の漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じ一方の漏電検出スイッチSWを開いたとき漏電検出抵抗R、電圧Vl12(t)を測定するステップと、高電圧側の電池端子での電圧を、Vg11(t)、低電圧側の電池端子での電圧を、Vg12(t)として測定するステップと、異なるtのタイミングを、t、tとするなら、ステップにより測定された値に基づき、漏電抵抗の合成値R
Figure 0004293942
に基づいて演算するステップとを有する。この方法であれば、漏電抵抗値を容易に得ることができ、漏電箇所が複数あっても回路全体の漏電抵抗値を演算可能である。
さらにまた、本発明の他の電動車両用漏電検出方法は、tのタイミングで組電池10の両端の端子間電圧V(t)を測定するステップを備え、さらに漏電箇所が一箇所である場合に、漏電が発生した電池端子の電圧をV(t)として、この電圧を端子間電圧V(t)と比例定数KとによりK(t)と表わすときに、tのタイミングで漏電が発生した電池端子の電圧をV(t)として、この電圧を端子間電圧V(t)と比例定数KとによりK(t)と表わされるときに、
Figure 0004293942
に基づきkを演算し、kに基づいて漏電箇所を推定するステップを有する。この方法であれば、漏電抵抗値のみならず漏電位置を特定できる。
本発明の電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法は、特定の数式に基づいて漏電に関する情報を演算でき、しかも特別な装置を付加する必要がないため既存の設備に容易に適用して、安価かつ簡単に漏電抵抗値や漏電の位置などを特定して速やかに必要な策を講じ、電動車両を安全に使用することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法を例示するものであって、本発明は電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
図1に、本発明の一実施の形態に係る電動車両用漏電検出回路の一例を示す。この図に示す電動車両用漏電検出回路100は、n個の電池11を直列に接続した組電池10に対して付加されるものであって、説明のため組電池10の充放電回路等は図示していない。なお、電池11は、図においては単位セルとして示されているが、複数セルを直列或いは並列接続したものでも良い。
この電動車両用漏電検出回路100は、各電池11の端子位置における電圧V0〜nを所定のタイミングで測定可能な電圧検出手段200を備えている。ここで電圧検出手段200で時間tに測定された電圧をV0〜n(t)とする。ここで、本実施例においては、V(t)、V(t)、V(t)、…、Vn−1(t)、V(t)は、V(t)に対する電位とする。また、いずれかの電池11で漏電が発生した場合は各電池11の端子から接地まで通電するため、漏電の等価回路として各電池11の端子が漏電抵抗R0〜nを介してグランドに接地(ここでは車両のシャーシに接続)されたものとする。さらに各漏電抵抗R0〜nには、電流I0〜nが流れていると想定している。ここで電流測定回路で時間tに測定された電流をI0〜n(t)とする。図1において、I0〜n(t、t)と示されるのは、I0〜n(t)または、I0〜n(t)ということを意味している。
さらに、高電圧側と低電圧側との任意の2つの電池端子A、Bに、それぞれ漏電検出抵抗R、漏電検出スイッチSW、SW、漏電検出抵抗Rを直列に接続して接地する。ここで、電池端子A、Bは、組電池10の両端子でも良い。A、B点にそれぞれ接続される漏電検出抵抗R、Rの抵抗値はそれぞれ同じとし、漏電検出スイッチSW、SWは個別のタイミングで開閉可能とする。図1の例では、A点に接続された漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じたとき、漏電検出抵抗R、Rに流れる電流をIg11(t)とし、tのタイミングで閉じたとき、漏電検出抵抗R、Rに流れる電流をIg11(t)とする。またB点に接続された漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じたとき、漏電検出抵抗R、Rに流れる電流をIg12(t2)とし、tのタイミングで閉じたとき、漏電検出抵抗R、Rに流れる電流をIg12(t)とする(ここで計測される電流は、電流回路30を利用している)。さらにまた、A、B点における電圧を、それぞれt、tのタイミングで 電圧検出回路(20)を用いて測定された電圧をVl11(t)、Vl11(t)、Vl12(t)、Vl12(t)とする。ここで、漏電検出抵抗R、Rの合成抵抗をRとし、またA−B間の電圧をV(t、t)とすると、以下の数9が成立する。
Figure 0004293942
ここで、Vg11 (t)は、上述の電池端子Bでの電圧(図1においてはVn−2 (t))であり、Vg12 (t)は、上述の電池端子Aでの電圧(図1においてはV(t))である。下記に詳細に説明するが、上式を利用すると、図1の漏電抵抗値Rは、以下の数10で表現できる。
Figure 0004293942
さらに、図1の電動車両用漏電検出回路は漏電を検出し、漏電抵抗を演算、あるいは漏電位置を検出するための漏電演算部40を備える。漏電演算部40はゲートアレイ(FPGAやASIC等)のハードウェアやソフトウェアで実現できる。また、演算結果として漏電抵抗値や漏電位置などを表示可能な表示部を備えてもよい。表示部はLEDによる7セグメント表示器や液晶モニタなどが利用できる。
以下、上式を求める手順を詳述する。まず、時間tにおいて、図2のように漏電検出スイッチSWを開き、漏電検出スイッチSWを閉じた時点では、A点に接続された漏電検出抵抗Rに流れる電流Ig11(t)は、各漏電電流の総和となるから、以下の数11で表現できる。
Figure 0004293942
一方、漏電抵抗Rに流れる電流I(t)は、以下の数12のように求めることができる。ただし上述の通りR=R+Rとする。
Figure 0004293942
上記数11、数12より、Ig11(t)は、以下の数13のように表現できる。
Figure 0004293942
よって、上記数13を変形して、Ig11(t)は、以下の数14のように表現できる。
Figure 0004293942
一方、図3のように時間tにおいて、漏電検出スイッチSWを開き、漏電検出スイッチSWを閉じた時点では、B点に接続された漏電検出抵抗Rに流れる電流Ig12(t)は、各漏電電流の総和となるから、以下の数15で表現できる。
Figure 0004293942
上述の通り、漏電抵抗Rに流れる電流I(t)より、上記数15は以下の数16のように変形できる。
Figure 0004293942
ゆえに、上記数16を変形して電流Ig12(t)は、以下の数17で表現できる。
Figure 0004293942
ここで、漏電が発生している位置、漏電抵抗値は、検出中、時間にかかわらず変化しないとしている。よって、漏電が発生している位置は、漏電検出スイッチSW、SWを切り替えても変化しないため、以下の数18が成立する。
更には、ここでは、漏電抵抗値が十分に大きい範囲において漏電を想定しているので、漏電があってもなくても、漏電の大小にかかわらず、漏電が発生している位置が変化しないなら、任意の端子位置におけるV(t)は、後述する端子間電圧V(t)に比例定数Kを掛けた値として表すことができる。そして、t、tにおいて、同じ端子位置のV、端子間電圧Vは変動するかもしれないが、比例定数Kは変動しないことになる。よって、次の式10が成り立つ。
Figure 0004293942
ここで、V(t)は、組電池10の両端に位置する端子間電圧、すなわち総電圧を表す。よって、各電池11は直列に接続されていることより、上記数18を用いて、上記数14、数17は以下の数19、数20のように変形できる。また、本実施例において、端子間電圧V(t)は、電圧検出手段200にて電圧V(t)、V(t)を測定し、漏電演算部40にて差を求めることで得ることができる。つまり、ここでは、端子間電圧V(t)の測定は、電圧検出手段200及び漏電演算部40の回路にて行われる。これに代わって、端子間電圧V(t)を直接測定する回路を設けて測定し、測定値を漏電演算部40に出力しても良い。
Figure 0004293942
Figure 0004293942
上記数19は、以下の数21のように変形できる。
Figure 0004293942
数21を数20に代入すると、以下の数22が得られる。
Figure 0004293942
ここで、Vg11(t)とVg12(t)の位置は、総電圧V(t)、V(t)に対して変化しないため、以下の数23が成立する。
Figure 0004293942
上記においてεは定数である。したがって上記数22は、さらに以下の数24のように変形できる。
Figure 0004293942
ここで、以下の数25〜数28が成立する。
Figure 0004293942
Figure 0004293942
Figure 0004293942
Figure 0004293942
したがって、上記数25〜数28を数24に代入すると、以下の数29、即ち、数10のRが得られる。
Figure 0004293942
以上のようにして、漏電抵抗の合成抵抗値が演算により求められる。そして、漏電演算部40において、この演算された漏電抵抗が、所定値と比較し、所定値以下である場合、警告表示等の対策を取ることになる。一方、漏電が一箇所で発生している場合は、抵抗値のみならず漏電の発生している部位についても演算することが可能となる。ここで、漏電がl点のみで発生したと想定し、l点以外の漏電抵抗値が無限大であると仮定すると、以下の数30が成立する。ただし、0≦l≦nとする。
Figure 0004293942
このとき、上記数19を変形してIg11(t)を求めると、以下の数31が成立する。
Figure 0004293942
よって、上記数9に数31を代入すると、以下の数32が成立する。
Figure 0004293942
この式から、数30より、1/∞=0として展開すると、kは、以下の数33のように演算できる。
Figure 0004293942
ここで、上式の分母のV(t)は、数18より、V(t)−V(t)である。
したがって、前述の数29に基づき各測定値よりRが求めるまることより、上記数33を演算することでkの値を得ることができる。そして、上述の数18で示されるように、比例定数Kは、漏電抵抗Rが接続された電池端子での電圧V(t)(=K(t))を表すときにおいて、端子間電圧V(t)に掛ける比例定数Kである。したがって、この比例定数Kとは、漏電抵抗Rが接続された電池端子の位置を意味することになるので、この値に基づいて漏電の発生部位を知ることが可能となる。なお、上記の方法では漏電箇所が一箇所の場合はkを正しく演算できるが、漏電が複数の部位で発生している場合には発生箇所を特定することは困難となる。ただ、この場合においても回路全体の漏電抵抗の合成値は上記数29から得ることができる。
以上のようにして漏電演算部40で漏電抵抗Rや漏電位置を示すkなどを演算し、必要に応じて演算結果を他の処理のため送出し、あるいは表示部で表示する。この方法は2つの時点における測定値に基づき、演算のみで漏電に関する情報を取得できるので、極めて容易に漏電を把握でき、特別なハードウェアを付加することなく既存の設備に適用できるという優れた特長が実現される。
本発明の電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源装置に好適に利用できる。
本発明の一実施の形態に係る電動車両用漏電検出回路を示す回路図である。 図1の回路において、時間tでの動作を示す回路図である。 図1の回路において、時間tでの動作を示す回路図である。 従来の電動車両用漏電検出回路を示す回路図である。
符号の説明
100…電動車両用漏電検出回路
200…電圧検出手段
10…組電池
11…電池
20…電圧検出回路
30…電流検出回路
40…漏電演算部
50…漏電検出回路
51…漏電検出抵抗
52…漏電検出スイッチ
53…電圧検出回路
SW、SW…漏電検出スイッチ
R0〜n…漏電抵抗
、R…漏電検出抵抗

Claims (4)

  1. 電動車両用の組電池(10)の漏電を検出するための電動車両用漏電検出回路であって、
    複数の電池(11)を直列に接続した組電池(10)と、
    前記電池(11)の任意の高電圧側と低電圧側との2箇所の電池端子とグランドとの間に、それぞれ直列に接続された漏電検出抵抗R、Rと、
    tのタイミングで、前記高電圧側の前記電池端子での電圧を、Vg11(t)、前記低電圧側の前記電池端子での電圧を、Vg12(t)として測定する電圧検出手段(200)と、
    前記漏電検出抵抗R、Rの間に直列に接続された漏電検出スイッチSW、SWと、
    前記高電圧側の前記電池端子に接続された一方の漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じ他方の漏電検出スイッチSWを開いたとき前記漏電検出スイッチSWと接続された漏電検出抵抗Rに発生する電圧Vl11(t)、及び、前記低電圧側の前記電池端子に接続された他方の漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じ前記一方の漏電検出スイッチSWを開いたとき前記他方の漏電検出スイッチSWと接続された漏電検出抵抗Rに発生する電圧Vl12(t)を検出する電圧検出回路(20、20)とを備え、
    漏電抵抗の合成値Rを、異なるtのタイミングを、t、tとするとき、
    Figure 0004293942

    に基づいて演算する漏電演算部(40)と、
    を備えることを特徴とする電動車両用漏電検出回路。
  2. 請求項1に記載の電動車両用漏電検出回路であって、
    tのタイミングで前記組電池(10)の両端の端子間電圧V(t)を測定する回路を備え、
    前記漏電演算部(40)が、漏電箇所が一箇所である場合に、tのタイミングで漏電が発生した電池端子の電圧をV(t)として、この電圧を前記端子間電圧V(t)と比例定数KとによりK(t)と表わされるときに、
    Figure 0004293942

    に基づきkを演算し、kに基づいて漏電箇所を推定することを特徴とする電動車両用漏電検出回路。
  3. 電動車両用の組電池(10)の漏電を検出するための電動車両用漏電検出方法であって、
    組電池(10)を構成する直列に接続された複数の電池(11)の内、任意の高電圧側と低電圧側との2箇所の電池端子とグランドとの間に、それぞれ直列に接続された漏電検出抵抗R、Rと、前記漏電検出抵抗R、Rの間に直列に接続された漏電検出スイッチSW、SWとを備える電動車両用漏電検出回路の、前記高電圧側の前記電池端子に接続された一方の漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じ前記他方の漏電検出スイッチSWを開いたとき漏電検出抵抗Rに発生する電圧Vl11(t)を測定するステップと、
    前記低電圧側の前記電池端子に接続された他方の漏電検出スイッチSWをtのタイミングで閉じ前記一方の漏電検出スイッチSWを開いたとき漏電検出抵抗R、電圧Vl12(t)を測定するステップと、
    前記高電圧側の前記電池端子での電圧を、Vg11(t)、前記低電圧側の前記電池端子での電圧を、Vg12(t)として測定するステップと、
    異なるtのタイミングを、t、tとするなら、前記ステップにより測定された値に基づき、漏電抵抗の合成値R
    Figure 0004293942

    に基づいて演算するステップと、
    を有することを特徴とする電動車両用漏電検出方法。
  4. 請求項3に記載の電動車両用漏電検出方法であって、
    tのタイミングで前記組電池(10)の両端の端子間電圧V(t)を測定するステップを備え、
    さらに漏電箇所が一箇所である場合に、
    漏電が発生した電池端子の電圧をV(t)として、この電圧を前記端子間電圧V(t)と比例定数KとによりK(t)と表わすときに、
    tのタイミングで漏電が発生した電池端子の電圧をV(t)として、この電圧を前記端子間電圧V(t)と比例定数KとによりK(t)と表わされるときに、
    Figure 0004293942

    に基づきkを演算し、kに基づいて漏電箇所を推定するステップを有することを特徴とする電動車両用漏電検出方法。
JP2004160344A 2004-05-28 2004-05-28 電動車両用漏電検出回路および電動車両用漏電検出方法 Active JP4293942B2 (ja)

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