JP5015686B2 - 充電監視装置 - Google Patents

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本発明は、外部交流電源と該外部交流電源からの両交流ラインを経て充電される蓄電池との間に介設され、前記外部交流電源と前記蓄電池との間を開閉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。
また、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本の直流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本の直流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。
また、特許文献1に示されるような外部交流電源とバッテリとの間に介設された電磁リレーに対して溶着検出を行う場合、負荷部に敷設されたコンデンサに電荷が蓄積されている状態では、電磁リレーの両側に、いわゆる電源部が存在することから、検出すべき電流レベルがバッテリ側からの影響を受けるなどして、正確な溶着検出ができない可能性がある。また、外部交流電源のグランドラインが何等かの事情によってアースから浮き、両者間が容量結合された状態になると、この容量結合が検出するべき電流に影響し、正確な溶着検出ができない可能性がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、他部位からの回り込み電流の影響を排除して外部交流電源からの交流電流の有無を正確に検出することで、開閉器のリレー接点の溶着検知を正確に行うようにした充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両交流ラインを経て充電される蓄電池との間に介設され、前記外部交流電源と前記蓄電池との間を開閉する、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で、前記開閉器よりも前記蓄電池側における前記交流ライン間の電圧を検出する接点状態検出手段を備え、前記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ものである。
この構成によれば、開閉器は、外部交流電源と該外部交流電源からの両交流ラインを経て充電される蓄電池との間に介設されて、前記外部交流電源と前記蓄電池との間がリレー接点の開閉動作によって開閉される。接点状態検出手段は、前記開閉器が開状態に指示された状態(指示されている間)で、前記開閉器よりも前記蓄電池側における前記交流ライン間の電圧の検出をする。すなわち、外部交流電源からの交流電流が開閉器を介して検出されるか否かによってリレー接点の溶着の有無が検出されることとなる。また、接点状態検出手段の入力段に直流分を遮断する直流成分遮断回路を有することで、蓄電池側からの直流電流成分の回り込みや、外部交流電源のグランドがアースとの間で容量結合されている結果回り込む直流電流を遮断するので、接点状態検出手段によって外部交流電源からの交流電流の有無のみが正確に検出されることとなる。
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、前記開閉器は、前記外部交流電源の交流ラインを個々に開閉する各リレー接点を有するものであり、前記接点状態検出手段は、前記各交流ラインとグランドラインとの間の電圧をそれぞれ検出する回路を備えていることを特徴とするものである。この構成によれば、接点状態検出手段は、交流ラインの一方とグランドライン間、及び交流ラインの他方とグランドライン間に流れる外部交流電源からのそれぞれの交流電流の有無を個別に検出するので、各交流ラインに対応して介設されたリレー接点の溶着が個別に検出可能となる。
請求項1記載の発明によれば、外部交流電源からの交流電流が開閉器を介して検出されるか否かによってリレー接点の溶着の有無を検出することができる。また、接点状態検出手段の入力段に直流分を遮断する直流成分遮断回路を設けたので、蓄電池側からの直流電流成分の回り込みや、外部交流電源のグランドがアースとの間で容量結合されている結果回り込む直流電流を遮断でき、外部交流電源からの交流電流の有無のみを正確に検出できる。
請求項2記載の発明によれば、各交流ラインに対応して介設されたリレー接点の溶着を個別に検出することができる。
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。
本実施形態では、電圧モニタ25にサブグランドラインS−GNDを採用することで、電圧モニタ25の存在にも関わらず漏電検出回路23の高精度での検出動作を確保するようにしたものであるが、充電前のテスト動作以降(テスト充電動作中)においては、例えば電圧モニタ25を電気的あるいは機械的に交流ラインL1,L2から切り離す等のスイッチを設けることで、電圧モニタ25による影響を排除することが可能である。あるいは他の種々の方法を採用することで電圧モニタ25が存在することによる漏電検出精度への影響を抑制することは可能である。この場合、電圧モニタ25としては、以下のような他の実施形態が採用可能であり、サブグランドラインS−GNDも不要となる。
図4は、電圧モニタの他の実施形態のブロック図である。図4に示す電圧モニタ回路250は、図2の電圧モニタ回路251(252)と同一の回路構成を有し、DCカット回路2501、整流回路2502、電圧検出回路2503及び判定回路2504がこの順に接続されて構成されている。なお、電圧モニタ回路250の入力段のDCカット回路250には交流ラインL1,L2の分岐ラインL11,L21が接続されている。図4の実施形態では、電磁リレー11の各リレー接点111,112に対して個別の溶着検出をするものではなく、リレー接点111,112の少なくとも一方に溶着が生じていることを検出可能にするものである。かかる回路構成によっても、負荷側50のコンデンサC50,C51,C52からの蓄積電荷による電流の回り込みに対して、直流分を遮断でき、溶着状態を誤検出することなく、精度良く検出することが可能となる。
また、本発明は、図2に示す電圧モニタ25の実施形態に対し、各電圧モニタ回路251,252のコモン側をサブグランドラインS−GNDに接続する態様に代えて、グランドラインGNDと接続する態様としてもよい。このようにしても図4の場合と同様に対処することで、精度良い溶着検出を確保しながら、漏電検出回路23への影響を抑制することが可能である。
なお、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。 電圧モニタの一実施形態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。 電圧モニタの他の実施形態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
234 DCカットフィルタ
235 整流平滑回路
236 判定回路
25,250 電圧モニタ(接点状態検出手段)
2501,2511,2521 DCカット回路
2502,2512,2522 整流回路
2503,2513,2523 電圧検出回路
2504,2514,2524 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 (2)

  1. 外部交流電源と該外部交流電源からの両交流ラインを経て充電される蓄電池との間に介設され、前記外部交流電源と前記蓄電池との間を開閉する、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で、前記開閉器よりも前記蓄電池側における前記交流ライン間の電圧を検出する接点状態検出手段を備え、前記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充電監視装置。
  2. 前記開閉器は、前記外部交流電源の交流ラインを個々に開閉する各リレー接点を有するものであり、前記接点状態検出手段は、前記各交流ラインとグランドラインとの間の電圧をそれぞれ検出する回路を備えていることを特徴とする請求項1記載の充電監視装置。
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