JP4917192B1 - 車両用絶縁抵抗検出装置 - Google Patents

Abstract

車両用絶縁抵抗検出装置は、周期信号を生成する周期信号生成部と、一端に周期信号が印加される第１抵抗と、第１抵抗の他端に一端が接続され、他端が高電圧回路に接続された第１キャパシタと、第１抵抗の他端に一端が接続された第２キャパシタと、第２キャパシタの他端に一端が接続され、他端が低電圧回路の回路グラウンドである低圧グラウンドに接続された第２抵抗と、第２キャパシタの他端から第２キャパシタの一端へ向かう方向が順方向になる向きのダイオードと第３抵抗とが直列に接続されて構成され、かつ第２キャパシタと並列に接続された直列回路と、前記低圧グラウンドと前記第２キャパシタの他端との間の電圧を、検出信号として検出する電圧検出部と、検出信号の振幅に基づいて、絶縁抵抗の抵抗値を検出する絶縁抵抗検出部とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、低電圧回路と高電圧回路との間の絶縁抵抗を検出する車両用絶縁抵抗検出装置に関する。

近年、エンジンと電気モータとを併用したハイブリッドカーが広く用いられ、電気自動車の利用も拡大しつつある。このような、電気モータを動力源として用いる車両は、モータ駆動用の電源として、高電圧、例えば２８８Ｖ〜６００Ｖ程度の電圧を出力する高電圧電源を備えている。このような高電圧電源は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池が複数直列接続された組電池によって、構成されている。

そして、このような高電圧電源から電源電圧が供給されるモータやインバータ、あるいはこれらに電源電圧を配電する配線等、高電圧電源に接続された回路である高電圧回路は、車体とは絶縁されている。これにより、車体に触れたユーザが感電することを防止する構造になっている。

また、例えば車内のステレオや照明、カーナビゲーション装置等の電気機器類や、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の低電圧で動作する機器に電源電圧を供給するために、例えば１２Ｖの鉛蓄電池が低電圧電源として車両に搭載されている。そして、車両の車体が、この低電圧電源から電源電圧が供給される電気機器類やＥＣＵ等の低電圧回路の回路グラウンドになっている。すなわち、車体は、低電圧回路の一部である回路グラウンドを構成しており、高電圧回路と低電圧回路とは絶縁されている。

そして、このような高電圧部分を備えた車両において、高電圧回路と車体（低電圧回路）との間の絶縁抵抗値を測定する絶縁抵抗検出回路が用いられている。例えばケーブルの被覆が破れて車体に接触する等、地絡の発生により高電圧回路と車体との間の絶縁抵抗が低下すると、このような絶縁抵抗値の低下が絶縁抵抗検出回路によって検出され、車両内のインストルメントパネルにある警告灯が点灯されて、乗員やサービスマンに注意を促すようになっている。

このような絶縁抵抗検出回路として、従来、測定用の交流信号を抵抗とキャパシタ（以下、結合キャパシタと称する）とを介して高電圧回路へ出力し、抵抗と結合キャパシタとの接続点に生じた電圧をＡ／Ｄコンバータで検出し、その検出電圧の信号振幅から、絶縁抵抗を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような絶縁抵抗検出回路自体は低電圧回路であるため、結合キャパシタを介して絶縁抵抗検出回路と高電圧回路とを接続することで、直流電流を遮断し、高電圧回路と低電圧回路との間の絶縁を維持するようになっている。

このような絶縁抵抗検出回路では、結合キャパシタと絶縁抵抗との直列インピーダンスと、前記抵抗とによる分圧比に応じて、上記信号振幅が変化するので、信号振幅から絶縁抵抗を検出できる。

しかしながら、上述の絶縁抵抗検出回路では、地絡が生じた瞬間は、高電圧電源の高電圧によって、結合キャパシタの絶縁抵抗検出回路側の電圧（電位）が瞬時に変動するため、Ａ／Ｄコンバータに入力される直流電位が数百ボルト変化する。そうすると、Ａ／Ｄコンバータの入力電圧範囲は通常、５Ｖ〜１０Ｖ程度であるから、結合キャパシタの電圧がＡ／Ｄコンバータの入力電圧範囲外になってしまい、上記信号振幅を検出することができなくなってしまう。

その後、結合キャパシタがその時定数に応じて、測定用の交流信号によって充放電されて、結合キャパシタの電圧がＡ／Ｄコンバータの入力電圧範囲内に戻るまで、Ａ／Ｄコンバータによって上記信号振幅を検出することができないから、絶縁抵抗を検出することもできない。そうすると、地絡などによって絶縁抵抗が低下してから、乗員やサービスマンに警告を発するまでに時間遅れが生じることになり、不都合である。

この時間遅れは、結合キャパシタの充放電に係る時定数によって生じているから、結合キャパシタの静電容量を小さくすれば、地絡の発生から絶縁抵抗の検出が可能になるまでの遅れ時間を短縮できると考えられる。

しかしながら、結合キャパシタの静電容量を小さくすると、車両走行時のノイズやインバータノイズ等の影響で結合キャパシタの電圧が変動しやすくなり、絶縁抵抗の誤検出や誤動作が生じやすくなるという、不都合があった。

特開２００４−１０４９２３号公報

本発明の目的は、結合キャパシタの静電容量を小さくすることなく、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間を短縮することができる車両用絶縁抵抗検出装置を提供することである。

本発明の一局面に従う車両用絶縁抵抗検出装置は、低電圧回路と高電圧回路との間の絶縁抵抗を検出する車両用絶縁抵抗検出装置であって、予め設定された設定周波数を有する周期信号を生成する周期信号生成部と、前記周期信号生成部に一端が接続され、当該一端に前記周期信号が印加される第１抵抗と、前記第１抵抗の他端に一端が接続され、他端が前記高電圧回路に接続された第１キャパシタと、前記第１抵抗の他端に一端が接続された第２キャパシタと、前記第２キャパシタの他端に一端が接続され、他端が前記低電圧回路の回路グラウンドである低圧グラウンドに接続された第２抵抗と、前記第２キャパシタの他端から前記第２キャパシタの一端へ向かう方向が順方向になる向きのダイオードと第３抵抗とが直列に接続されて構成され、かつ前記第２キャパシタと並列に接続された直列回路と、前記低圧グラウンドと前記第２キャパシタの他端との間の電圧を、検出信号として検出する電圧検出部と、前記検出信号の振幅に基づいて、前記絶縁抵抗の抵抗値を検出する絶縁抵抗検出部とを備える。

本発明の一実施形態に係る絶縁抵抗検出装置を備えた車両の構成の一例を示す回路図である。 図１に示す絶縁抵抗検出装置の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 図１に示す絶縁抵抗検出装置の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 図１に示す絶縁抵抗検出装置の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 図１に示す絶縁抵抗検出装置の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 図１に示す絶縁抵抗検出装置の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 比較例に係る絶縁抵抗検出装置を示す回路図である。 図７に示す比較例の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 図７に示す比較例の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 図７に示す比較例の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 図７に示す比較例の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 図７に示す比較例の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号と検出値との変化を示すグラフである。 本発明に係る実施例と、比較例とで、地絡したときの抵抗値ｒと絶縁抵抗の検出可能時間との関係を示したグラフである。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る絶縁抵抗検出装置を備えた車両の構成の一例を示す回路図である。図１に示す車両１は、例えばハイブリッドカーや燃料電池車等の電気自動車である。なお、車両には、ハイブリッドカーや燃料電池車の他、内燃機関を用いない電気自動車、及び電動二輪車等、種々の車両が含まれる。

図１に示す車両１は、モータ４、組電池３、インバータ５、電圧監視回路６、二次電池７、及び絶縁抵抗検出装置２を備えている。絶縁抵抗検出装置２は、車両用絶縁抵抗検出装置の一例である。絶縁抵抗検出装置２は、周期信号生成部２１、ＡＤ（Analog Digital）コンバータ２２（電圧検出部）、絶縁抵抗検出部２３、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２４、抵抗Ｒ１（第１抵抗）、結合キャパシタＣ１（第１キャパシタ）、キャパシタＣ２（第２キャパシタ）、抵抗Ｒ２（第２抵抗）、定電圧源Ｅ１（中間電圧生成部）、抵抗Ｒ３（第３抵抗）、ダイオードＤ、抵抗Ｒ４、及びキャパシタＣ３を備えている。

そして、組電池３と、組電池３に接続された、モータ４、インバータ５、及び電圧監視回路６の一部とによって、高電圧回路１０１が構成されている。また、二次電池７と、二次電池７に接続された、絶縁抵抗検出装置２、及び電圧監視回路６の一部によって、低電圧回路１０２が構成されている。高電圧回路１０１は、低電圧回路１０２より高い電圧を用いる回路であり、ユーザの感電を防止するべく低電圧回路１０２とは絶縁されている。電圧監視回路６は、高電圧回路１０１と低電圧回路１０２との間に跨って設けられている。

絶縁抵抗検出装置２は、高電圧回路１０１と低電圧回路１０２の間の抵抗である絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒを測定し、その抵抗値ｒに基づき地絡の発生を検出する。

組電池３は、複数の二次電池３１、例えば１個で１．２Ｖを出力するニッケル水素二次電池が複数、例えば２４０個〜５００個程度直列に接続されて、２８８Ｖ〜６００Ｖ程度の高電圧を出力する。なお、燃料電池車の場合は、組電池３の代わりに燃料電池が用いられる。

インバータ５は、組電池３から出力された直流電圧をモータ駆動用の三相電源電圧Ｕ，Ｖ，Ｗに変換する。インバータ５のスイッチング周波数は、例えば１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚとなっている。

電圧監視回路６は、例えばＡＤコンバータを用いて構成されており、組電池３の端子電圧、あるいは組電池３を構成する個々の二次電池３１の端子電圧を測定し、図略のＥＣＵへ出力する。このＥＣＵは、電圧監視回路６により測定された組電池３や各二次電池３１の端子電圧に応じて、組電池３の充放電を制御したり、インバータ５の動作を制御したりする。電圧監視回路６には、組電池３とは別に設けられた二次電池７から、動作用電源電圧が供給されている。

二次電池７は、低電圧回路１０２用の低電圧電源であり、例えば１２Ｖの鉛蓄電池により構成されている。二次電池７が出力する直流１２Ｖの電源電圧や、あるいはこの電源電圧が図略の電源回路によって例えば５Ｖの電源電圧にされて、これらの電源電圧が低電圧回路１０２の各部の動作用電源電圧として供給されている。

そして、二次電池７は、その負極が車両１の車体に接続されて、その車体が、低電圧回路１０２の回路グラウンドである低圧グラウンドＢになっている。そうすると、組電池３は、電圧監視回路６の内部抵抗を介して低圧グラウンドＢ、すなわち車体に接続されることとなる。

図１において、抵抗８は、電圧監視回路６の内部抵抗等により生じた抵抗を示している。抵抗８は、例えば組電池３の出力電圧が４００Ｖの場合、正常時（抵抗９がオープン）において、抵抗８を流れる電流が例えば１ｍＡ以下になるように、５００ｋΩ以上の抵抗値にされている。１ｍＡは、人体の感知電流である３〜４ｍＡより十分小さい電流値である

また、抵抗９は、組電池３の正極端子３２に接続された配線Ｌ１や組電池３の負極端子３３に接続された配線Ｌ２が、地絡事故により低圧グラウンドＢである車体に接触すると、地絡抵抗として生じた抵抗９が、抵抗８と並列に接続される。絶縁抵抗Ｒは、抵抗８と抵抗９とが並列に接続された合成抵抗として得られる。

なお、図１においては、抵抗９が負極端子３３に接続される例、すなわち配線Ｌ２が車体に接触した例を示しているが、組電池３の内部抵抗は小さいので、配線Ｌ１が車体に接触したことにより生じる抵抗も、配線Ｌ２が車体に接触した場合と同様、抵抗９で表される。

周期信号生成部２１は、設定周波数ｆｓの周期信号Ｓ１を生成する発振回路である。設定周波数ｆｓは、インバータ５のスイッチング周波数である１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚよりも十分低い周波数に設定されており、例えば１Ｈｚ〜１０Ｈｚ程度の周波数とされている。これにより、インバータ５から生じるスイッチングノイズの周波数よりも、設定周波数ｆｓが小さくなるようにされている。周期信号生成部２１は、周期信号Ｓ１として、正弦波を出力してもよく、矩形波を出力してもよい。

周期信号生成部２１は、例えば５Ｖの電源電圧で動作し、周期信号Ｓ１として、振幅（ピークｔｏピーク電圧）が５Ｖの信号、すなわち２．５Ｖを中心電圧として±２．５Ｖの範囲で変化する信号を出力する。

抵抗Ｒ１の一端は周期信号生成部２１に接続され、抵抗Ｒ１の他端は結合キャパシタＣ１の一端に接続されている。結合キャパシタＣ１の他端は組電池３の負極端子３３、すなわち高電圧回路１０１に接続されている。そして、周期信号生成部２１は、抵抗Ｒ１と結合キャパシタＣ１との直列回路を介して周期信号Ｓ１を負極端子３３へ出力する。

また、抵抗Ｒ１の他端と結合キャパシタＣ１との接続点Ｐ１に、キャパシタＣ２の一端が接続され、キャパシタＣ２の他端が抵抗Ｒ２と定電圧源Ｅ１とを介して低圧グラウンドＢに接続されている。定電圧源Ｅ１は、ＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲の上限値と下限値との中間の電圧を出力する定電圧電源回路である。

ＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲が例えば０Ｖ〜１０Ｖであった場合、定電圧源Ｅ１は、周期信号生成部２１から出力される周期信号Ｓ１の振幅の１／２である２．５Ｖより高く、かつＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲の上限値より２．５Ｖ以上低い電圧、例えば３．３Ｖを出力する。

これにより、抵抗Ｒ２と定電圧源Ｅ１との直列回路は、接続点Ｐ１からキャパシタＣ２を通過した交流信号の下限値を０Ｖより上に持ち上げ、交流信号の上限値を１０Ｖ以下にすることで、キャパシタＣ２を通過した交流信号がＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲に入るように調整する。

なお、定電圧源Ｅ１は、必ずしも必要ではなく、接続点Ｐ２は、抵抗Ｒ２を介して低圧グラウンドＢに接続されていてもよい。

また、定電圧源Ｅ１を備えず、マイナスの電圧範囲が含まれる入力電圧範囲を有するＡＤコンバータ２２、例えば入力電圧範囲が−５Ｖ〜＋５ＶのＡＤコンバータ２２を用いてもよい。

また、キャパシタＣ２の他端と抵抗Ｒ２との接続点Ｐ２に、抵抗Ｒ３の一端が接続され、抵抗Ｒ３の他端がダイオードＤのアノードに接続され、ダイオードＤのカソードが接続点Ｐ１に接続されている。これにより、抵抗Ｒ３とダイオードＤとの直列回路がキャパシタＣ２と並列に接続されている。また、ダイオードＤは、接続点Ｐ２から接続点Ｐ１へ向かう方向が順方向になるように、その向きが設定されている。

なお、ダイオードＤと抵抗Ｒ３とは、その位置が入れ替わってもよく、接続点Ｐ２に、ダイオードＤのアノードが接続され、ダイオードＤのカソードが抵抗Ｒ３の一端に接続され、抵抗Ｒ３の他端が接続点Ｐ１に接続されていてもよい。

接続点Ｐ２には、抵抗Ｒ４の一端が接続され、抵抗Ｒ４の他端がキャパシタＣ３の一端に接続され、キャパシタＣ３の他端が低圧グラウンドＢに接続されている。抵抗Ｒ４とキャパシタＣ３は、ローパスフィルタ２５を構成している。

ローパスフィルタ２５のカットオフ周波数は、設定周波数ｆｓよりも高く、インバータ５のスイッチング周波数よりも低い周波数、例えば１００Ｈｚ程度にされている。

なお、必ずしもローパスフィルタ２５を備える必要はなく、接続点Ｐ２が直接ＡＤコンバータ２２に接続されていてもよい。

ＡＤコンバータ２２は、抵抗Ｒ４とキャパシタＣ３との接続点Ｐ３の電圧を、検出信号Ｓ２として検出する。ＡＤコンバータ２２は、検出信号Ｓ２を逐次デジタル値に変換して検出値Ｓ３として絶縁抵抗検出部２３へ出力する。ＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲は、例えば０Ｖ〜１０Ｖとなっており、この入力電圧範囲外の電圧についてはデジタル変換することができない。

なお、ＡＤコンバータ２２は、必ずしも１素子で構成されている必要はなく、例えばアンプとＡＤコンバータとが組み合わされて、ＡＤコンバータ２２が構成されていてもよい。

絶縁抵抗検出部２３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びその周辺回路等を備えて構成されている。そして、例えばＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、ＡＤコンバータ２２から出力された電圧値に基づき、絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒを取得したり、絶縁抵抗Ｒの異常、例えば地絡を検出したりする。

具体的には、図１に示すように、周期信号生成部２１から出力された周期信号Ｓ１が、抵抗Ｒ１と、結合キャパシタＣ１及び絶縁抵抗Ｒの直列回路とによって得られる分圧比Ｘで分圧されて、その分圧電圧が接続点Ｐ１に現れる。そうすると、接続点Ｐ１に現れる交流信号の振幅も、分圧比Ｘに応じて変化する。そして、分圧比Ｘは、絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒに応じて決まるから、接続点Ｐ１に現れる交流信号の振幅もまた、絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒに応じて決定されることになる。

このようにして接続点Ｐ１に現れた交流信号は、キャパシタＣ２を通過し、抵抗Ｒ２と定電圧源Ｅ１とによって、その振幅の中心が３．３Ｖにされ、さらにローパスフィルタ２５によってインバータノイズが低減されて、検出信号Ｓ２としてＡＤコンバータ２２へ入力される。そうすると、検出信号Ｓ２のピークｔｏピーク電圧、すなわち振幅Ｖｐｐもまた、絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒに応じて決定され、抵抗値ｒが小さくなるほど振幅Ｖｐｐも小さくなることになる。

そして、絶縁抵抗検出部２３は、例えば、ＡＤコンバータ２２によってデジタル値に変換された検出値Ｓ３の、上限ピーク値から下限ピーク値を減算することによって、検出信号Ｓ２の振幅Ｖｐｐを算出する。

上述のように、振幅Ｖｐｐは、絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒに応じて決定される。そこで、例えば、振幅Ｖｐｐと、絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒとの対応関係が、予め求められてＬＵＴ（Look Up Table）としてＲＯＭに記憶されている。この場合、ＬＵＴは、振幅Ｖｐｐが小さいほど、抵抗値ｒが小さくなるように、振幅Ｖｐｐと、抵抗値ｒとを対応付けて記憶することになる。絶縁抵抗検出部２３は、このＬＵＴによって、振幅Ｖｐｐと対応付けて記憶されている抵抗値ｒを、絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒとして取得する。

また、絶縁抵抗検出部２３は、振幅Ｖｐｐから求められた抵抗値ｒが、予め設定された判定値、例えば４０ｋΩを下回った場合に、地絡事故等による絶縁抵抗の低下が生じたものと判定し、例えば車両内のインストルメントパネルに設けられたＬＥＤ２４を発光させる。これにより、絶縁抵抗検出部２３は、絶縁抵抗の異常を乗員やサービスマンに報知する。

なお、ＬＥＤ２４の代わりに液晶表示器等の表示装置を備え、絶縁抵抗検出部２３により算出された抵抗値ｒや警告メッセージを表示装置に表示させてもよい。

次に、上述のように構成された絶縁抵抗検出装置２の、地絡が発生したときの動作について説明する。図２〜図６は、図１に示す絶縁抵抗検出装置２の動作をシミュレーションすることによって得られた検出信号Ｓ２と検出値Ｓ３との変化を示すグラフである。横軸はシミュレーション開始（０秒）からの時間の経過を示し、縦軸が電圧を示している。

また、キャパシタＣ２、抵抗Ｒ２，Ｒ３、ダイオードＤによる、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間の短縮効果を示すために、図７に示す比較回路のシミュレーション結果を図８〜図１２に示す。

図２〜図１２に示すシミュレーションの条件は、設定周波数ｆｓ＝２．５Ｈｚ、抵抗Ｒ１：７５ｋΩ、抵抗Ｒ２：１ＭΩ、抵抗Ｒ３：１ＭΩ、抵抗Ｒ４：９１ｋΩ、結合キャパシタＣ１：２．３５μＦ、キャパシタＣ２：１μＦ、キャパシタＣ３：０．１μＦ、定電圧源Ｅ１：３．３Ｖ、ＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲が０Ｖ〜１０Ｖ、組電池３の出力電圧が４００Ｖとした。

図７に示す絶縁抵抗検出装置２ｘは、絶縁抵抗検出装置２の効果を示すための比較例であって、絶縁抵抗検出装置２におけるキャパシタＣ２、抵抗Ｒ２，Ｒ３、ダイオードＤ、及び定電圧源Ｅ１を備えない点を除いて、図１に示す絶縁抵抗検出装置２と同様に構成されている。

まず、図２、図８を参照して、絶縁抵抗検出装置２とその比較例である絶縁抵抗検出装置２ｘの、地絡が発生したときの動作について説明する。図２、図８に示すグラフは、経過時間１秒のタイミングにおいて、組電池３の正極端子３２側の配線Ｌ１と、車体である低圧グラウンドＢとの間で、絶縁抵抗Ｒの抵抗値ｒが２００ｋΩの地絡が発生した場合の検出信号Ｓ２と検出値Ｓ３との変化を示している。

経過時間１秒のタイミングで地絡が発生すると、地絡が生じた瞬間、組電池３の出力電圧によって瞬時に、結合キャパシタＣ１の、抵抗Ｒ１側の接続点Ｐ１の電圧が急激に低下するため、検出信号Ｓ２が急激に低下して検出信号Ｓ２が０Ｖを下回る。そうすると、検出信号Ｓ２がＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲外となって、ＡＤコンバータ２２は検出信号Ｓ２を検出することができない。そのため、検出値Ｓ３が周期信号波形を表さなくなる結果、絶縁抵抗検出部２３は、振幅Ｖｐｐを検出することができず、従って絶縁抵抗Ｒを検出することができなくなる。

その後、結合キャパシタＣ１の充電時定数に応じて、結合キャパシタＣ１が徐々に充電されて検出信号Ｓ２が０Ｖを超えると、一旦ＡＤコンバータ２２は検出信号Ｓ２を検出可能となるが、図２に示すように検出信号Ｓ２はオーバーシュートして１０Ｖを超え、再び検出信号Ｓ２がＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲外となる。そのため、再び検出信号Ｓ２が低下してＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲となる経過時間２．２秒のタイミングになるまで、絶縁抵抗検出部２３は、振幅Ｖｐｐを検出することができず、従って絶縁抵抗Ｒを検出することができない。

すなわち、地絡が発生した経過時間１秒のタイミングから検出信号Ｓ２が安定してＡＤコンバータ２２の入力電圧範囲内になる経過時間２．２秒までの１．２秒が、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間となる。以下、図３〜図６、及び図８〜図１２についても、同様にして地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間をグラフから読み取ることができる。

図２に示す絶縁抵抗検出装置２の実施例では、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間は、約１．２秒となった。これに対し、図８に示す比較例では、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間は、約２．１秒となった。

これにより、絶縁抵抗検出装置２は、キャパシタＣ２、抵抗Ｒ２，Ｒ３、ダイオードＤを備えることによって、抵抗値ｒが２００ｋΩの地絡が発生したとき、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間を短縮できることが確認できた。

図３、図９は、地絡したときの抵抗値ｒを３００ｋΩとしたときの、絶縁抵抗検出装置２の実施例と、比較例とのシミュレーション結果をそれぞれ示すグラフである。図３に示すように、絶縁抵抗検出装置２の実施例では地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が約０．６秒であるのに対し、図９に示す比較例では地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が約２．６秒となった。

図４、図１０は、地絡したときの抵抗値ｒを５００ｋΩとしたときの、絶縁抵抗検出装置２の実施例と、比較例とのシミュレーション結果をそれぞれ示すグラフである。図４に示すように、絶縁抵抗検出装置２の実施例では地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が約０．６秒であるのに対し、図１０に示す比較例では地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が約２．９秒となった。

図５、図１１は、地絡したときの抵抗値ｒを７００ｋΩとしたときの、絶縁抵抗検出装置２の実施例と、比較例とのシミュレーション結果を示すグラフである。図５に示すように、絶縁抵抗検出装置２の実施例では地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が約０．９秒であるのに対し、図１１に示す比較例では地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が約３．３秒となった。

図６、図１２は、地絡したときの抵抗値ｒを１０００ｋΩとしたときの、絶縁抵抗検出装置２の実施例と、比較例とのシミュレーション結果を示すグラフである。図６に示すように、絶縁抵抗検出装置２の実施例では地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が約１．０秒であるのに対し、図１２に示す比較例では地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が約３．３秒となった。

以上のように、地絡したときの抵抗値ｒが、２００ｋΩ、３００ｋΩ、５００ｋΩ、７００ｋΩ、１０００ｋΩのいずれにおいても、キャパシタＣ２、抵抗Ｒ２，Ｒ３、ダイオードＤを備えない比較例よりも、キャパシタＣ２、抵抗Ｒ２，Ｒ３、ダイオードＤを備える絶縁抵抗検出装置２の方が、結合キャパシタＣ１の静電容量が等しい条件下で、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間が短くなることが確認できた。また、図１３に示すように、地絡したときの抵抗値ｒと絶縁抵抗の検出可能時間との関係から、キャパシタＣ２、抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びダイオードＤを備える絶縁抵抗検出装置２の方が、抵抗値ｒが２００ｋΩ以上のとき絶縁抵抗の検出可能時間がより短縮できていることがわかる。

即ち、本発明の一局面に従う車両用絶縁抵抗検出装置は、低電圧回路と高電圧回路との間の絶縁抵抗を検出する車両用絶縁抵抗検出装置であって、予め設定された設定周波数を有する周期信号を生成する周期信号生成部と、前記周期信号生成部に一端が接続され、当該一端に前記周期信号が印加される第１抵抗と、前記第１抵抗の他端に一端が接続され、他端が前記高電圧回路に接続された第１キャパシタと、前記第１抵抗の他端に一端が接続された第２キャパシタと、前記第２キャパシタの他端に一端が接続され、他端が前記低電圧回路の回路グラウンドである低圧グラウンドに接続された第２抵抗と、前記第２キャパシタの他端から前記第２キャパシタの一端へ向かう方向が順方向になる向きのダイオードと第３抵抗とが直列に接続されて構成され、かつ前記第２キャパシタと並列に接続された直列回路と、前記低圧グラウンドと前記第２キャパシタの他端との間の電圧を、検出信号として検出する電圧検出部と、前記検出信号の振幅に基づいて、前記絶縁抵抗の抵抗値を検出する絶縁抵抗検出部とを備える。

本発明者らは、この構成によれば、結合キャパシタの静電容量を小さくすることなく、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間を短縮できることを見出した。

また、前記電圧検出部が検出可能な電圧範囲の上限値と下限値との間の中間の電圧を生成する中間電圧生成部をさらに備え、前記第２抵抗の他端は、前記中間電圧生成部を介して前記低圧グラウンドに接続されていることが好ましい。

この構成によれば、第１抵抗と、第１キャパシタと絶縁抵抗との直列回路とによって、周期信号が分圧されて得られた交流信号のオフセット電圧が、第２キャパシタを経た後、第２抵抗と中間電圧生成部との直列回路によって、電圧検出部が検出可能な電圧範囲の上限値と下限値との間の中間の電圧に調節されるので、検出信号の電圧を、電圧検出部が検出可能な電圧範囲にすることが容易である。

また、前記設定周波数は、前記高電圧回路で生じるノイズの周波数よりも低い周波数であり、前記車両用絶縁抵抗検出装置は、前記高電圧回路で生じるノイズの周波数よりも低く、前記設定周波数よりも高いカットオフ周波数を有するローパスフィルタをさらに備え、前記ローパスフィルタは、前記第２キャパシタの他端と、前記電圧検出部との間に接続され、前記電圧検出部は、前記ローパスフィルタを介して前記検出信号を検出することが好ましい。

この構成によれば、高電圧回路で生じたノイズ成分が、ローパスフィルタによって、検出信号から低減される。その結果、絶縁抵抗検出部による、検出信号の振幅に基づく絶縁抵抗の検出精度が向上する。

また、前記絶縁抵抗検出部は、前記検出信号の振幅が小さくなるほど、前記絶縁抵抗の抵抗値として小さな値を検出することが好ましい。

検出信号の振幅は、第１抵抗と、第１キャパシタと絶縁抵抗との直列回路とによって得られる分圧比に応じて決まる。そして、分圧比は、絶縁抵抗の抵抗値によって変化し、絶縁抵抗の抵抗値が小さいほど、検出信号の振幅が小さくなる。従って、絶縁抵抗検出部は、検出信号の振幅が小さくなるほど、絶縁抵抗の抵抗値として小さな値を検出することで、絶縁抵抗の抵抗値を取得することが可能となる。

また、前記絶縁抵抗検出部は、前記検出信号の振幅が予め設定された判定値を下回ったとき、前記絶縁抵抗に異常が生じたことを検出することが好ましい。

上述のように、絶縁抵抗の抵抗値が小さいほど、検出信号の振幅が小さくなるから、判定値を適宜設定しておくことにより、絶縁抵抗検出部は、検出信号の振幅が予め設定された判定値を下回ったとき、絶縁抵抗に異常が生じたと判定することが可能となる。

このような構成の絶縁抵抗検出装置は、結合キャパシタの静電容量を小さくすることなく、地絡が発生してから絶縁抵抗の検出が可能になるまでの時間を短縮することができる。

この出願は、２０１０年８月３１日に出願された日本国特許出願特願２０１０−１９４４０４号を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施態様又は実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。

高電圧部分を有するハイブリッド自動車や電気自動車、その他の車両の絶縁抵抗を検出する車両用絶縁抵抗検出装置として好適に用いることができる。

Claims (5)

1. 低電圧回路と高電圧回路との間の絶縁抵抗を検出する車両用絶縁抵抗検出装置であって、
   予め設定された設定周波数を有する周期信号を生成する周期信号生成部と、
   前記周期信号生成部に一端が接続され、前記一端に前記周期信号が印加される第１抵抗と、
   前記第１抵抗の他端に一端が接続され、他端が前記高電圧回路に接続された第１キャパシタと、
   前記第１抵抗の他端に一端が接続された第２キャパシタと、
   前記第２キャパシタの他端に一端が接続され、他端が前記低電圧回路の回路グラウンドである低圧グラウンドに接続された第２抵抗と、
   前記第２キャパシタの他端から前記第２キャパシタの一端へ向かう方向が順方向になる向きのダイオードと第３抵抗とが直列に接続されて構成され、かつ前記第２キャパシタと並列に接続された直列回路と、
   前記低圧グラウンドと前記第２キャパシタの他端との間の電圧を、検出信号として検出する電圧検出部と、
   前記検出信号の振幅に基づいて、前記絶縁抵抗の抵抗値を検出する絶縁抵抗検出部と
   を備える車両用絶縁抵抗検出装置。
2. 前記電圧検出部が検出可能な電圧範囲の上限値と下限値との間の中間の電圧を生成する中間電圧生成部をさらに備え、
   前記第２抵抗の他端は、
   前記中間電圧生成部を介して前記低圧グラウンドに接続されている
   請求項１記載の車両用絶縁抵抗検出装置。
3. 前記設定周波数は、
   前記高電圧回路で生じるノイズの周波数よりも低い周波数であり、
   前記車両用絶縁抵抗検出装置は、
   前記高電圧回路で生じるノイズの周波数よりも低く、前記設定周波数よりも高いカットオフ周波数を有するローパスフィルタをさらに備え、
   前記ローパスフィルタは、前記第２キャパシタの他端と、前記電圧検出部との間に接続され、
   前記電圧検出部は、
   前記ローパスフィルタを介して前記検出信号を検出する
   請求項１又は２記載の車両用絶縁抵抗検出装置。
4. 前記絶縁抵抗検出部は、
   前記検出信号の振幅が小さくなるほど、前記絶縁抵抗の抵抗値として小さな値を検出する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用絶縁抵抗検出装置。
5. 前記絶縁抵抗検出部は、
   前記検出信号の振幅が予め設定された判定値を下回ったとき、前記絶縁抵抗に異常が生じたことを検出する
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用絶縁抵抗検出装置。

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