JP5015685B2

JP5015685B2 - 充電監視装置

Info

Publication number: JP5015685B2
Application number: JP2007192246A
Authority: JP
Inventors: 潔後藤; 博昭小新; 博史大屋
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-07-24
Also published as: JP2009033790A

Description

本発明は、外部交流電源と該外部交流電源からのグランドライン及び２本の交流ラインを経て充電される蓄電池との間に介設され、前記２本の交流ラインを個々に開閉する各リレー接点を有する開閉器を備えた充電監視装置に関する。

従来、電池からの電力を利用して駆動される電気車両や電池に蓄積された電力を必要時に取り出すことが可能となる補助電源システムが知られている、これら装置がもつ電池への充電は、主に家庭用あるいは工業用の外部交流電源から行われるようになっている。この場合、充電ラインと装置との接続不良とか装置の電池まわりに生じ得る絶縁不備等によって、充電時に漏電が生じる可能性がある。このような漏電は感電、装置の故障、また充電効率を損なう等の理由により早期の検出が望まれる。また、装置がグランドに対して絶縁されている構造では、充電時の漏電電荷が人体を介してグランドに流れる際に不快感を生じることがある。

そこで、特許文献１に示すように、外部交流電源とバッテリの間に、リレーを備えた充電装置を介設した状態で充電を行うようにしている。このリレーは、外部交流電源からの２本の交流ラインに対してそれぞれリレー接点を有する電磁リレーである。そして、特許文献１に示すように、漏電検出回路によって漏電が確認されると、電磁リレーの両リレー接点を同時に開状態に切り換えて、外部交流電源をバッテリ側から開放するようにしている。

ところで、この種の装置のバッテリへの充電は十数アンペアという比較的大きな電流で行われることから、電磁リレーはオンオフの繰り返し時に生じる過渡的な突入電流によってリレー接点がわずかながら溶解を繰り返し、場合によっては固定端と溶着してしまう虞がある。そのため、従来、充電監視装置内に電磁リレーの溶着を検出する回路を備えたものが知られている。この溶着検出回路は、外部交流電源と接続し、かつ電磁リレーを開状態にする指示信号を与えた状態で、２本の交流ライン間の電圧の有無を検出するもので、電圧が検出されれば溶着有りとするものである。

さらに、リレー接点と固定点との溶着を検出する技術として、特許文献２に示すように、電気車両において、バッテリとインバータ間とを繋ぐ２本の電流供給ラインの途中に介設された溶着検出装置が知られている。この溶着検出装置は、２本の電流供給ラインのそれぞれに介設されたメインリレーＲ１，Ｒ２の個々について溶着の有無を検出し得るようにしたもので、片方ずつの溶着の有無を検出することで、両方のリレー接点が溶着してしまう前にできるだけ早期にリレーの異常を検出するようにしている。
特開平１１−２０５９０９号公報特開２００６−３１０２１９号公報

しかしながら、特許文献２に記載の溶着検出装置は、メインリレーＲ１，Ｒ２が独自にオンオフ駆動可能な、いわば個別のリレーであり、従って各リレーに順次駆動信号を与えつつ、順番に検出動作を行うものであって、各リレー接点が同期してオンオフする１個の電磁リレーとは異なるものである。ところで、電磁リレーの各リレー接点の溶着の有無を個別に検出する回路構成として、電磁リレーを開状態に指示したとき、各交流ラインとグランドラインとの間の電圧の有無をそれぞれ検出する一対の回路を有するものが考えられる。

一方、特許文献１とは異なり、微小な漏電を検出し得るものとして、従来、外部交流電源からの２本の交流ラインを一次側として挿通した零相変流器を設け、両交流ラインに流れる電流のレベルの差分を検出することで微小な漏電電流を検出可能にした漏電監視装置が一般的に採用されている。従って、溶着検出回路として一対の回路構成を採用すると、一方の交流ラインとグランドライン間に溶着検出回路を介して流れる電流により、両交流ライン間に流れる電流が不平衡となり、漏電検出回路が誤動作をしてしまう可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、交流ラインのそれぞれに設けられた各リレー接点の溶着の有無をグランドラインとの間の電圧検出によって個々に検出する回路構成を備えながらも、零相変流器を用いた漏電検出の精度への影響を防止して微小レベルの漏電に対しても誤検出することのない漏電監視装置を提供するものである。

請求項１記載の発明は、外部交流電源と該外部交流電源からのグランドライン及び２本の交流ラインを経て充電される蓄電池との間に介設され、前記２本の交流ラインを個々に開閉する各リレー接点を有する開閉器を備えた充電監視装置において、前記開閉器を開状態に指示した状態において、前記開閉器よりも前記蓄電池側における前記各交流ラインと前記グランドラインから分岐したサブグランドラインとの間の電圧の発生をそれぞれ検出する接点状態検出手段と、前記開閉器よりも前記外部交流電源側において前記２本の交流ライン及び前記サブグランドラインに流れる電流のレベルの差分を検出する零相変流器を有し、差分が有る場合に漏電と判断する漏電検出手段とを備えたことを特徴とするものである。

この構成によれば、外部交流電源と該外部交流電源からのグランドライン及び２本の交流ラインを経て充電される蓄電池との間に介設された開閉器は、２本の交流ラインを個々に開閉する各リレー接点を有する。従って、開閉器は両方のリレー接点が溶着する場合の他、片方のリレー接点のみが溶着する場合もある。前記開閉器を開状態に指示された状態で、接点状態検出手段によって、前記開閉器よりも前記蓄電池側における各交流ラインとグランドラインから分岐したサブグランドラインとの間の電圧の発生がそれぞれ検出される。少なくとも一方で電圧の発生が検出されれば、対応する側のリレー接点が溶着していることとなり、いずれの側でも電圧の発生が検出できなければ、原則的に各リレー接点の溶着がないことになる。また、開閉器よりも外部交流電源側において２本の交流ライン及びサブグランドラインに流れる電流のレベルの差分が零相変流器を介して電圧として検出される。差分の電圧が検出されれば、漏電有りと判断され、そうでなければ漏電無しとされる。ここにおいて、充電動作中に、各交流ラインから接点状態検出手段を介してサブグランドラインのループで交流電流の一部が流れるが、このサブグランドラインを零相変流器の一次側とすることで、両交流ラインとサブグランドラインとの鎖交磁束数は相殺され、この結果、溶着状態検出手段の存在によっても、漏電検出手段が誤検出を行うことがなくなり、微小レベルの漏電に対しても検出できることとなる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の充電監視装置において、接点状態検出手段は、その入力段に直流分を遮断する直流成分遮断回路を有していることを特徴とする。この構成によれば、バッテリが接続された状態で溶着状態の検出が行われても、バッテリ側から流入する直流電流が全てカットされるので、溶着状態の検出に際して、バッテリ側の影響は排除される。なお、この構成では、交流ラインからサブグランドラインへの電流の環流があるものの、サブグランドラインが零相変流器の一次側とされているので、上述したように、その影響は排除される。

請求項１記載の発明によれば、溶着状態検出手段の存在によっても漏電検出手段が誤検出を行うことがなくなり、微小レベルの漏電に対しても検出できることとなる。

請求項２記載の発明によれば、バッテリが接続された状態で溶着状態の検出を行っても、バッテリ側から流入する直流電流を全てカットして（バッテリ側の影響を排除して）、溶着の有無の検出ができる。また、交流ラインからサブグランドラインへの電流の環流分に対しても、サブグランドラインを零相変流器の一次側としたので、上述したように、その影響が排除できる。

図１は、本発明に係る充電監視装置を蓄電池（バッテリ）を備える充電装置に適用した場合の一実施形態を示すブロック図である。図１において、充電監視装置１は、外部交流電源ＡＣ側と接続するプラグＰ１と前記充電装置（負荷部）のバッテリと接続するプラグ（ソケット）Ｐ２とを備え、その間に充電監視のための回路ブロックを有して構成されている。プラグＰ１，Ｐ２間には交流ラインＬ１，Ｌ２（Ｈｏｔ、Ｃｏｌｄ）、グランドライン（ＧＮＤ）、及び負荷部との制御信号線が設けられている。

充電監視のための回路ブロックは、交流ラインＬ１，Ｌ２にそれぞれ介設されるリレー接点１１１，１１２を備える開閉器である電磁リレー１１、その外部交流電源ＡＣ側で交流ラインＬ１，Ｌ２に設けられる電流検出回路である零相変流器（ＺＣＴ）１２、及び交流ラインＬ１，Ｌ２に跨って、かつＺＣＴ１２を跨いで接続されるテスト用の電磁リレー１３を備える。また、充電監視のための回路ブロックは、プラグＰ１の直ぐ入力側の交流ラインＬ１，Ｌ２に接続され、外部交流電源ＡＣに接続されることで各回路部に必要なレベルの電源電圧を生成する電源回路２１、負荷部５０の、例えば充電制御回路５１（図３参照）との間で、バッテリ５３（図３参照）との接続確認、テスト動作の指示及び充電開始のための許可信号の交信を行うための制御回路２２、ＺＣＴ１２の出力側に接続された漏電検出回路２３、グランドモニタ２４、プラグＰ２の直ぐ入力側の交流ラインＬ１，Ｌ２に接続され、交流ラインＬ１，Ｌ２間の電圧を検出する電圧モニタ２５及びテスト動作を行わせるためのテスト回路２６とを備えている。電圧モニタ２５には、さらにグランドラインＧＮＤから分岐されたサブグランドラインＳ−ＧＮＤがＺＣＴ１２を介して（一次側とされて）、入力されている。

漏電検出回路２３の出力側の励磁コイル２３０は漏電が検出された場合に電流供給が停止されて電磁リレー１１のリレー接点１１１，１１２を一括で閉状態から開状態に戻すためのものであり、充電開始時は、リレー接点１１１，１１２を一括で開状態から閉状態に切り換えるためのものである。

制御回路２２は、電源回路２１からの電力供給を受けると、起動して負荷部５０の、例えば充電制御回路５１と接続確認のための交信を行い、接続が確認されるとテスト回路２６に対してテスト動作を指示するものである。そして、テスト動作によって正常と判断すると、充電開始の許可を行うものである。テスト回路２６は、テスト用の電磁リレー１３を閉状態に切り替えて、交流ラインＬ１，Ｌ２を抵抗Ｒ１３を介して所定時間だけ短絡すると共に、この短絡によって、後述するように漏電検出回路２３で異常（漏電）が発生したことが検出され、電磁リレー１１が開状態に切り替わり、この切り換わりによって交流ラインＬ１，Ｌ２間に電圧が消失したことを電圧モニタ２５が検知すると、漏電検知回路２５、電磁リレー１１が正常に動作したとして、この検知結果を制御回路２２に出力するものである。逆に電圧モニタ２５が電圧変化を検知しないなど異常を検知した場合には、テスト時点で異常があった旨の信号を制御回路２２に出力するものである。なお、電圧モニタ２５におけるチェックには電磁リレー１１のリレー接点１１１，１１２の溶着の有無が含まれており、詳細は図２に示す。制御回路２２は、正常であると充電開始指示を行い、異常であると充電を不許可とするものである。

図２は、電圧モニタ２５の一例を示す詳細なブロック図である。図２において、ＺＣＴ１２は、例えばパーマロイ等の強磁性体からなる環状のコアに複数回巻回された二次巻線（コイル）から構成され、この環状の内側に交流ラインＬ１，Ｌ２及びサブグランドラインＳ−ＧＮＤを一次側として挿通したものである。サブグランドラインＳ−ＧＮＤは、グランドラインＧＮＤの途中であるプラグＰ１とＺＣＴ１２の間で分岐させたもので、後述するように電圧モニタ２５のコモンライン（グランド）として用いられるものである。

電圧モニタ２５は、第１、第２の電圧モニタ回路２５１，２５２とから構成され、両者は基本的に同一の回路構成を有する。第１の電圧モニタ回路２５１は、入力される信号から直流成分を遮断する、例えばコンデンサなどからなるＤＣカット回路２５１１、入力される交流信号を直流信号に整流する整流回路２５１２、整流された電圧信号のレベルを検出する電圧検出回路２５１３、及び検出された電圧レベルが所定の設定値を超えているか否かを検出乃至は判定する判定回路２５１４の順で接続されて構成されている。同様に、第２の電圧モニタ回路２５２も、ＤＣカット回路２５２１、整流回路２５２２、電圧検出回路２５２３及び判断回路２５２４の順で接続されて構成されている。

第１の電圧モニタ回路２５１において、ＤＣカット回路２５１１にはＺＣＴ１２及び開閉器１１を経た位置で交流ラインＬ１に接続され、各回路部のコモン側はそれぞれサブグランドラインＳ−ＧＮＤに接続されている。第２の電圧モニタ回路２５２において、ＤＣカット回路２５２１にはＺＣＴ１２及び開閉器１１を経た位置で交流ラインＬ２に接続され、各回路部のコモン側はそれぞれサブグランドラインＳ−ＧＮＤに接続されている。

次に、電圧モニタ２５による開閉器１１の溶着状態検出動作について説明する。まず、テスト回路２６から開閉器１１を開状態とする指示信号が出力される。具体的には、励磁コイル２３０への励磁電流の供給を停止する。各リレー接点１１１，１１２が正常に動作すれば（溶着していなければ）、いずれもオープン状態となり、そうでなければ、少なくとも一方の異常（溶着）なリレー接点１１１，１１２はクローズのままとなる。

次いで、テスト回路２６から、第１、第２の電圧モニタ回路２５１，２５２に対してそれぞれ検出動作を行う指示が出力される。この指示を受けて第１、第２の電圧モニタ回路２５１，２５２は検出動作を開始し、検出電圧のレベルに従って判定結果をモニタ回路２６に出力する。

今、開閉器１１のリレー接点１１１，１１２がいずれも正常であるとすると、ＤＣカット回路２５１１，２５２１には電圧が発生しない。しかし、プラグＴＬを有する負荷部５０（図３参照）内の後述する電位差吸収用のコンデンサＣ５０，Ｃ５１，Ｃ５２のいずれかから、蓄積電荷分の電流が流入してくると、その電流レベルに応じた直流電圧が発生することとなる。しかし、ＤＣカット回路２５１１，２５２１で、この直流電圧分はカットされるため、整流回路２５１２，２５２２側には出力は出ない。従って、このような場合でも、開閉器１１の溶着状態検出が正常に行われる。

次に、開閉器１１のリレー接点１１１，１１２がいずれか一方、例えばリレー接点１１１が溶着しているとすると、交流ラインＬ１を経て入力される交流電流によってＤＣカット回路２５１１にのみ電圧が発生する。この発生電圧は整流回路２５１２で整流され、電圧検出回路２５１３で電圧レベルの検出が行われ、所定の設定レベルを超えているとして判定回路２５１４で異常と判定される。従って、リレー接点１１１に対して溶着が検出される。同様にして、両リレー接点１１１，１１２が溶着している場合には、判定回路２５１４，２５２４の双方から異常と判定される。従って、いずれの場合でも、開閉器１１のリレー接点毎の溶着状態検出が正常に行われる。なお、各電圧モニタ回路２５１，２５２は、ＤＣカット回路２５１１，２５２１に入力される直流分を遮断して交流成分のみを全て通過させ、サブグランドラインＳ−ＧＮＤに帰還させる構成を採用しているため、後述するように、グランドラインＧＮＤに帰還させる構成の場合に比べると、ＺＣＴ１２での一次側のラインでの鎖交磁束数を平衡にでき、その結果、電圧モニタ回路２５１，２５２の存在にも関わらず、漏電検出回路２６の正常動作を確保することができる。なお、電圧検出回路２５１３，２５２３はデジタル処理で行われてもよく、従って、マイクロコンピュータを用いて判定回路２５１４，２５２４をソフトウエアで判定処理してもよい。

また、図１において、漏電検出回路２３は充電動作中の異常の有無を検知するもので、詳細は図３に示す。

図３は、漏電検出回路２３の一例を示す詳細なブロック図である。図３において、まず、負荷部５０はプラグＰ２と接続されるプラグＴＬを有し、このプラグＴＬを介して、負荷部５０に交流ラインＬ１，Ｌ２、グランドラインＧＮＤ及び制御信号ラインが接続可能にされている。負荷部５０は、インバータ方式の公知の充電制御回路５１，リレー５２及び充放電可能なバッテリ（蓄電池）５３が備えられている。なお、バッテリ５３からの出力側は図略している。また、充電制御回路５１は種々の方式が採用可能であり、例えば交流ラインＬ１、Ｌ２の電圧を一旦チャージし、高周波でスイッチングして所定の直流電圧に変換し、リレー５２を介してバッテリ５３に、例えば十数アンペア程度の電流で充電するものである。リレー５２は、満充電時の充電動作を停止させるためのものである。

また、交流ラインＬ１，Ｌ２間にはコンデンサＣ５０が、交流ラインＬ１とＧＮＤ間にはコンデンサＣ５１が、交流ラインＬ２とＧＮＤ間にはコンデンサＣ５３がそれぞれ接続されている。これらのコンデンサＣ５０，Ｃ５１，Ｃ５２は、プラグＰ２とプラグＴＬとが接続されて充電動作が開始されると、充電制御回路５１内の変換電圧レベルと交流ラインＬ１，Ｌ２の電圧レベルとの間の差を吸収するためのものである。また、充電制御回路５１内で高周波でスイッチング動作を行うことで、高周波ノイズの電流が流れ、同様に電位差を生じて、コンデンサの少なくとも１つにそれぞれのレベルのノイズ電流が流れることになる。そして、上記のような電流によって、充電監視装置１の交流ラインＬ１，Ｌ２間に電流レベル差を生じることとなる。同様に、電力系ライン、各接続用のプラグ、バッテリ５３まわりの絶縁性の低下乃至はグランドや他の電圧を有する部位との短絡などに起因して生じる漏電によっても交流ラインＬ１、Ｌ２間に電流レベル差が生じる。

ＺＣＴ１２は、かかる電流レベルの差を検出するもので、コイルの両端に、交流ラインＬ１，Ｌ２、サブグランドラインＳ−ＧＮＤを流れる通常６０Ｈｚで互いに逆向きの電流のそれぞれによって生じる（逆向きの）各鎖交磁束数の差分に応じた電圧を誘起するものである。従って、交流ラインＬ１，Ｌ２、サブグランドラインＳ−ＧＮＤに正常な交流電流が流れている間は、互いに逆向きの各鎖交磁束数は等しく、差分は零となり、出力がないことになる一方、いずれかの交流ラインに漏電電流が流れたり、他部からの電流が重畳されたりすると、交流ラインＬ１，Ｌ２間の電流レベルが異なるため、コイルの両端に差分電圧が発生することになる。なお、図２で説明したように、交流ラインＬ１．Ｌ２から流入する交流電流は、電圧モニタ回路２５１，２５２の入力段にＤＣカット回路２５１１，２５２１を設けることで、サブグランドラインＳ−ＧＮＤを介して、その交流電流成分を確実に帰還させているので、充電中において漏電を誤検出することもない。

中点グランド回路２３１は、電圧抑圧回路として機能するもので、ＺＣＴ１２のコイルの両端に抵抗値の等しい２個の抵抗Ｒ１，Ｒ２からなる直列回路と、容量値の等しい２個のコンデンサＣ１，Ｃ２からなる直列回路とを並列接続し、かつ抵抗Ｒ１，Ｒ２の中点及びコンデンサＣ１，Ｃ２の中点をグランドに接続したものである。コイルの検出電圧は、中点グランド回路２３１を経て差動増幅回路２３２に入力されるようになっている。

差動増幅回路２３２は、２個のオペアンプからなり、ＺＣＴ１２のコイルの端末をそれぞれ入力端子に接続し、他方の入力端子のグランドとの差分を増幅して出力すると共に、両オペアンプの出力の差分を得るようにしたものである。１個のオペアンプで差分を増幅して出力する態様では、アンプのオフセット電圧が差分電圧に影響して、その分の誤差を含む可能性があるが、２個のオペアンプを並設して採用することで、両オフセット電圧が相殺され、零電位との間で入力電圧の差分を増幅することになって、高い精度が確保できることとなる。

ローパスフィルタ２３３は、漏電電流の周波数特性を加味したフィルタである。漏電電流が多重周波数を含む場合に採用されるフィルタで、その周波数と信号減衰特性は知覚の閾値に合わせてあり、低い周波数側になるほど感度が高く、高い周波数側に移行するほど感度が低くなるように回路素子の値が設定されている。ＤＣカットフィルタ２３４は、交流ラインＬ１，Ｌ２に重畳される、漏電以外の一時的な過渡電流に基づいて検出される差分電圧から直流成分を遮断するもので、代表的には直流分カット用のコンデンサで構成されている。整流平滑回路２３５は、ＤＣカットフィルタ２３４の出力信号を整流し、さらに平滑して出力するものである。整流平滑回路２３５の整流動作を、ＤＣカットフィルタ２３４で直流分をカットしていることから、全波整流方式の回路構成とすることができ、かつ全波整流とすることで、直流成分を抑圧した後に、感度及び応答性を上げることが可能となる。判定回路２３６は、入力信号のレベルと予め設定された基準レベルとを比較する比較回路として構成されたもので、入力信号レベルが基準レベルを超えた時、漏電発生とみなして、励磁コイル２３０への供給電流を停止し、電磁リレー１１を充電中の閉状態から、異常時の開状態に切り換えるものである。なお、判定回路２３６は入力信号をデジタル信号に変換し、マイクロコンピュータを利用してソフトウエアによって比較判定処理する態様でもよい。

また、本実施形態では、単相２００Ｖ交流、６０Ｈｚの例で説明したが、本発明は、種々の外部交流電源（電圧、周波数）に適用可能である。また、本発明は、エンジンと電動機の２つの動力源を持つ自動車や電気自動車のバッテリへの充電システム、家庭用、電動機器のバッテリへの蓄電システム、太陽光発電や風力発電における蓄電システム等にも適用可能である。

本発明に係る充電監視装置を蓄電池（バッテリ）を備える充電装置に適用した場合の一実施形態を示すブロック図である。電圧モニタの一例を示す詳細なブロック図である。漏電検出回路の一例を示す詳細なブロック図である。

符号の説明

１充電監視装置
１１電磁リレー（開閉器）
１１１，１１２リレー接点
１２零相変流器（電流検出回路）
２３漏電検出回路
２３０励磁コイル
２３１中点グランド回路
２３２差動増幅回路
２３３ローパスフィルタ
２３４ＤＣカットフィルタ
２３５整流平滑回路
２３６判定回路
２５電圧モニタ（接点状態検出手段）
２５１１，２５２１ＤＣカット回路
２５１２，２５２２整流回路
２５１３，２５２３電圧検出回路
２５１４，２５２４判定回路
２６テスト回路（接点状態検出手段の一部）
Ｌ１，Ｌ２交流ライン
ＧＶＤグランドライン
Ｓ−ＧＮＤサブグランドライン
Ｐ１，Ｐ２プラグ

Claims

外部交流電源と該外部交流電源からのグランドライン及び２本の交流ラインを経て充電される蓄電池との間に介設され、前記２本の交流ラインを個々に開閉する各リレー接点を有する開閉器を備えた充電監視装置において、
前記開閉器を開状態に指示した状態において、前記開閉器よりも前記蓄電池側における前記各交流ラインと前記グランドラインから分岐したサブグランドラインとの間の電圧の発生をそれぞれ検出する接点状態検出手段と、
前記開閉器よりも前記外部交流電源側において前記２本の交流ライン及び前記サブグランドラインに流れる電流のレベルの差分を検出する零相変流器を有し、差分が有る場合に漏電と判断する漏電検出手段とを備えたことを特徴とする充電監視装置。
接点状態検出手段は、その入力段に直流分を遮断する直流成分遮断回路を有していることを特徴とする請求項１記載の充電監視装置。