JP5170318B2

JP5170318B2 - 高電圧回路の異常検出装置及び異常検出方法

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Publication number: JP5170318B2
Application number: JP2011532960A
Authority: JP
Inventors: 佑一原; 典子星野; 剛森田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: JPWO2011037022A1; US8749247B2; CN102483436B; WO2011037022A1; EP2482088A1; EP2482088A4; EP2482088B1; US20120146656A1; CN102483436A

Description

本発明は、車両に搭載される高電圧回路の地絡、及び電線等を機械的に固定する締結部の緩みを検出する異常検出装置、及び異常検出方法に関する。

特開２００３−２５０２０１号公報は、電気自動車に設けられた高電圧の直流電源のプラス側端子を、コンデンサの一端側に接続し、このコンデンサの他端側となる測定点に矩形波信号を印加し、該測定点に発生する電圧信号を検出して、直流電源の地絡を検出する技術を開示している。

上記技術は、直流電源の地絡を検出することができるものの、直流電源とインバータ回路とを接続する電線等を機械的に固定する締結部に緩みが生じた場合、これを検出することができないという欠点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、地絡、及び締結部の緩みを高精度に検出することが可能な高電圧回路の異常検出装置及び方法を提供することである。

本発明の一態様は、直流電源と、該直流電源と締結部を介して接続されたインバータ回路と、を備えた高電圧回路の地絡及び前記締結部の緩みを検出する、高電圧回路の異常検出装置及び方法である。該高電圧回路の異常検出装置及び方法では、一端が前記直流電源のプラス側端子に接続され、他端が測定点とされた第１コンデンサを設け、前記測定点に矩形波パルスを出力し、前記矩形波パルス信号が第１の位相となる時点で、前記測定点に生じる第１の電圧を測定し、前記矩形波パルス信号が前記第１の位相とは異なる第２の位相となる時点で、前記測定点に生じる第２の電圧を測定し、前記第１の電圧と第２の電圧との差分電圧を求め、前記インバータ回路のプラス側端子とグランドとの間に、第２コンデンサ及びスイッチ手段の直列接続回路を設け、前記スイッチ手段を開路した状態で求めた差分電圧に基づいて、前記直流電源の地絡を検出するとともに、前記地絡が検出されていないときに、前記スイッチ手段を閉路した状態で求めた差分電圧に基づいて、前記締結部の緩み状態を検出する。

図１は、本発明の一実施形態に係る高電圧回路の異常検出装置の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態に係る高電圧回路の異常検出装置の、異常検出の処理手順を示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態に係る高電圧回路の異常検出装置の、差分電圧Ｖp-pの大きさと絶縁抵抗の低下、締結部の緩み発生の関係を示す判定表である。図４は、本発明の一実施形態に係る高電圧回路の異常検出装置の、差分電圧Ｖp-pの変化を示す特性図であり、（ａ）はＳＷ１オフ時で絶縁抵抗に異常が発生していない場合、（ｂ）はＳＷ１オン時で締結部に緩みが生じていない場合、（ｃ）はＳＷ１オン時で締結部に緩みが生じている場合を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明に係る高電圧回路Ａは、直流電源１とインバータ回路２とを備えており、直流電源１より出力される直流電力をインバータ回路２で交流電力に変換して、電気自動車やハイブリッド自動車等に設けられる駆動モータ（図示省略）等に電力を供給する。直流電源１のプラス側端子とインバータ回路２のプラス側端子との間には、電線、端子等の機械的な固定又は締結によって直流電源１とインバータ回路２とを電気的に接続する締結部ｐ２が設けられている。

本発明の一実施形態に係る異常検出装置３は、高電圧回路Ａの地絡及び締結部ｐ２の緩みを検出する装置であり、直流電源１のプラス側端子に接続された第１回路部３ａと、インバータ回路２のプラス側端子に接続された第２回路部３ｂと、を備えている。
第１回路部３ａは、制御回路４と、カップリングコンデンサＣ１（第１コンデンサ）と、バッファアンプ５、６と、抵抗Ｒ１と、電圧測定回路１８と、を備えている。

カップリングコンデンサＣ１は、一端を、締結部ｐ２を介さずに直流電源１のプラス側端子に接続され（締結部ｐ２を介してインバータ回路２のプラス側端子に接続され）、他端を、電圧測定回路１８を介してグランドに接地されている。以下、このカップリングコンデンサＣ１の他端を測定点ｐ１とする。
電圧測定回路１８は、互いに直列に接続された抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ３から構成される。抵抗Ｒ２は、一端を測定点ｐ１に接続され、他端をコンデンサＣ３に接続されている。コンデンサＣ３は、一端を抵抗Ｒ２に接続され、他端をグランドに接地されている。

制御回路４は、測定点ｐ１に矩形波パルス信号を出力し、且つ、該測定点ｐ１に発生する電圧を測定して、高電圧回路Ａに地絡（絶縁抵抗の低下）が発生しているか否かを検出する。制御回路４は、矩形波パルス信号を出力する出力部（パルス出力手段）１６と、電圧測定回路１８より出力される電圧信号（抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３との接続点ｐ３に発生する電圧信号）をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１７と、制御中枢となるＣＰＵ１１、ＲＡＭ１２、ＲＯＭ１３、タイマ１４、及びカウンタ１５と、を具備している。出力部１６の出力側には、バッファアンプ５が設けられ、Ａ／Ｄ変換器１７の入力側には、バッファアンプ６が設けられている。バッファアンプ５の出力端子は、抵抗Ｒ１を介して測定点ｐ１に接続されている。

第２回路部３ｂは、互いに直列に接続されたコンデンサＣ２（第２コンデンサ）及びスイッチＳＷ１（スイッチ手段）から構成された直列接続回路である。コンデンサＣ２の静電容量は、カップリングコンデンサＣ１の静電容量より大きく設定されている。
コンデンサＣ２は、一端を、締結部ｐ２を介さずにインバータ回路２のプラス側端子に接続され（締結部ｐ２を介して直流電源１のプラス側端子に接続され）、他端をスイッチＳＷ１の一端に接続されている。また、スイッチＳＷ１は、一端をコンデンサＣ２に接続され、他端をグランドに接地されている。スイッチＳＷ１は、ＣＰＵ１１の制御下でオン、オフ動作する。

また、後述するようにＣＰＵ１１は、測定点ｐ１に出力する矩形波パルス信号の周波数及びデューティ比（例えば、５０％）を設定し、スイッチＳＷ１をオフ（開路）とした状態で、出力部１６から矩形波パルス信号を上記周波数及びデューティ比で出力させ、このとき測定点ｐ１に発生する電圧を測定することにより、高電圧回路Ａに地絡が発生しているか否かを判定する。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオン（閉路）とした状態で、上記矩形波パルス信号を出力部１６から出力させ、このとき測定点ｐ１に発生する電圧を測定することにより、締結部ｐ２に緩みが発生しているか否かを判定する。ここで、締結部の緩み又は緩み状態とは、例えば、電線、端子等をボルト締結した場合の該ボルトの緩みなど、機械的な固定又は締結手段によって２以上の要素を電気的に接続した部位において当該接続状態が悪化すること又は悪化した状態を意味する。

即ち、ＣＰＵ１１は、出力部１６より出力された矩形波パルス信号が第１の位相となる時点（例えば、デューティ比を５０％に設定した場合、周期Ｔの１／２（＝Ｔ／２）の奇数倍で、矩形波パルス信号がＨレベルからＬレベルに変化する時点）で、測定点ｐ１に生じる第１の電圧を測定し、矩形波パルス信号が第１の位相とは異なる第２の位相となる時点（例えば、デューティ比を５０％に設定した場合、Ｔ／２の偶数倍で、矩形波パルス信号がＬレベルからＨレベルに変化する時点）で、測定点ｐ１に生じる第２の電圧を測定し、且つ、第１の電圧と第２の電圧との差分電圧Ｖp-pを求める電圧測定手段としての機能を備える。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオフ（開路）とした状態で、上記のように測定・算出した差分電圧Ｖp-pに基づいて、直流電源１の地絡を検出する地絡検出手段としての機能を備える。更に、ＣＰＵ１１は、直流電源１の地絡が検出されていないときに、スイッチＳＷ１をオン（閉路）とした状態で、上記のように測定・算出した差分電圧Ｖp-pに基づいて、締結部ｐ２の緩みを検出する緩み状態検出手段としての機能を備える。

次に、上記のように構成された本実施形態に係る異常検出装置の動作を、図２に示すフローチャート、図３に示す判定表、及び図４に示す特性図を参照して説明する。

始めに、ステップＳ１１において、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオフとする。次いで、ステップＳ１２において、ＣＰＵ１１は、出力部１６より出力する矩形波パルス信号を０［Ｖ］からＥ［Ｖ］に上昇させる。この矩形波パルス信号の電圧は、バッファアンプ５、抵抗Ｒ１を介してカップリングコンデンサＣ１の他端である測定点ｐ１に供給される。なお、出力部１６より出力される矩形波パルス信号は、０〜Ｅ［Ｖ］で変化するデューティ比５０％の信号である。

ステップＳ１３において、ＣＰＵ１１は、矩形波パルス信号を０［Ｖ］からＥ［Ｖ］に上昇させた時点（時刻ｔ１）から時間Ｔ／２が経過した時点（第１の位相：時刻ｔ１＋Ｔ／２）にて、測定点ｐ１に生じる電圧Ｖh（第１の電圧）を検出する。測定点ｐ１に生じる電圧は、抵抗Ｒ２及びバッファアンプ６を介してＡ／Ｄ変換器１７に入力され、ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換器１７に入力された電圧データに基づいて、測定点ｐ１に生じる電圧Ｖhを検出する。

時刻ｔ１から時間Ｔ／２が経過したとき、ステップＳ１４において、ＣＰＵ１１は、出力部１６より出力する矩形波パルス信号をＥ［Ｖ］から０［Ｖ］に低下させる。従って、この時点でカップリングコンデンサＣ１に供給される電圧は、０［Ｖ］となる。

ステップＳ１５において、ＣＰＵ１１は、時刻ｔ１から時間Ｔが経過した時点（第２の位相：時刻ｔ１＋Ｔ）において、測定点ｐ１に生じる電圧Ｖl（第２の電圧）を検出する。

ステップＳ１６において、ＣＰＵ１１は、ステップＳ１３の処理で検出した電圧ＶhからステップＳ１５の処理で検出した電圧Ｖlを減算することにより差分電圧Ｖp-p（＝Ｖh−Ｖl）を算出する。

ステップＳ１７において、ＣＰＵ１１は、ステップＳ１６の処理で求めた差分電圧Ｖp-pと、予め設定した第１基準電圧Ｖref1と、を比較する。そして、ＣＰＵ１１は、差分電圧Ｖp-pが第１基準電圧Ｖref1を下回っている（Ｖp-p＜Ｖref1）と判断した場合には（ステップＳ１７でＹＥＳ）、高電圧回路Ａに地絡等の絶縁異常が発生しているものと判断し、ステップＳ１８において、地絡の発生を操作者に報知する。

即ち、直流電源１のプラス側端子とマイナス側端子（グランド）との間には、図１に破線で示したように、仮想的に絶縁抵抗ＲL及び車両静電浮遊容量ＣLが存在しており、絶縁抵抗ＲLが低下すると、該絶縁抵抗ＲLを介して流れる電流が増加し、測定点ｐ１の電圧が低下する。そして、ＣＰＵ１１は、差分電圧Ｖp-pが第１基準電圧Ｖref1を下回った時点で、操作者に地絡の発生を報知する。

つまり、図３の判定表に示すように、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１がオフとされているときに、差分電圧Ｖp-pが第１基準電圧Ｖref1を下回っている場合には、地絡が発生しているものと判断する。

一方、図４（ａ）に示すように、差分電圧Ｖp-pが充分に大きく、ステップＳ１７において、ＣＰＵ１１が、差分電圧Ｖp-pが第１基準電圧Ｖref1以上である（Ｖp-p≧Ｖref1）と判断した場合には（ステップＳ１７でＮＯ）、ＣＰＵ１１は、高電圧回路Ａに地絡等の絶縁異常は発生していないと判断し、締結部ｐ２の緩みを検出する処理に移る。

ステップＳ１９において、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオンとする。即ち、インバータ回路２の高電圧側端子を、コンデンサＣ２を介してグランドに接続する。

ステップＳ２０において、ＣＰＵ１１は、出力部１６より出力する矩形波パルス信号を０［Ｖ］からＥ［Ｖ］に上昇させる。この矩形波パルス信号の電圧は、バッファアンプ５、抵抗Ｒ１を介してカップリングコンデンサＣ１の他端である測定点ｐ１に供給される。

ステップＳ２１において、ＣＰＵ１１は、矩形波パルス信号を０［Ｖ］からＥ［Ｖ］に上昇させた時点（時刻ｔ２）から時間Ｔ／２が経過した時点（第１の位相：時刻ｔ２＋Ｔ／２）にて、測定点ｐ１に生じる電圧Ｖh（第１の電圧）を検出する。即ち、測定点ｐ１に生じる電圧は、抵抗Ｒ２及びバッファアンプ６を介してＡ／Ｄ変換器１７に入力され、ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換器１７に入力された電圧データに基づいて、測定点ｐ１に生じる電圧Ｖhを検出する。

そして、時刻ｔ２から時間Ｔ／２が経過したとき、ステップＳ２２において、ＣＰＵ１１は、出力部１６より出力する矩形波パルス信号をＥ［Ｖ］から０［Ｖ］に低下させる。従って、この時点でカップリングコンデンサＣ１に供給される電圧は、０［Ｖ］となる。

ステップＳ２３において、ＣＰＵ１１は、時刻ｔ２から時間Ｔが経過した時点（第２の位相：時刻ｔ２＋Ｔ）にて、測定点ｐ１に生じる電圧Ｖl（第２の電圧）を検出する。

ステップＳ２４において、ＣＰＵ１１は、ステップＳ２１の処理で検出した電圧ＶhからステップＳ２３の処理で検出した電圧Ｖlを減算することにより差分電圧Ｖp-p（＝Ｖh−Ｖl）を算出する。

ステップＳ２５において、ＣＰＵ１１は、ステップＳ２４の処理で求めた差分電圧Ｖp-pと、予め設定した第２基準電圧Ｖref2と、を比較する。そして、ＣＰＵ１１は、差分電圧Ｖp-pが第２基準電圧Ｖref2以下となっている（Ｖp-p≦Ｖref2）と判断した場合には（ステップＳ２５でＹＥＳ）、締結部ｐ２における緩み等の異常は発生していないものと判断し、ステップＳ２７において、締結部ｐ２の緩みが発生していないことを操作者に通知する。即ち、締結部ｐ２にて緩みが発生していない場合には、測定点ｐ１の電圧はコンデンサＣ２の影響を受けて、差分電圧Ｖp-pは小さくなる。この場合、図４（ｂ）に示すように、オンデューティ時とオフデューティ時の電圧の差が小さくなり、差分電圧Ｖp-pは第２基準電圧Ｖref2以下となることから、締結部ｐ２に緩みが発生していないことを確認できる。

一方、ステップＳ２５において、ＣＰＵ１１が、差分電圧Ｖp-pが第２基準電圧Ｖref2を上回った（Ｖp-p＞Ｖref2）と判断した場合には（ステップＳ２５でＮＯ）、ＣＰＵ１１は、締結部ｐ２において緩みが発生していると判断し、ステップＳ２６において、締結異常が発生していることを操作者に報知する。即ち、締結部ｐ２に緩みが発生している場合には、この締結部ｐ２に静電容量が発生して、測定点ｐ１とグランドとの間の合成静電容量が低下することから、差分電圧Ｖp-pは大きくなる。この場合、図４（ｃ）に示すように、オンデューティ時とオフデューティ時の電圧の差が大きくなり、差分電圧Ｖp-pは第２基準電圧Ｖref2を上回ることから、締結部ｐ２に緩みが発生していることを確認できる。つまり、図３の判定表に示すように、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１がオンとされた状態で、差分電圧Ｖp-pが第２基準電圧Ｖref2を上回った場合には、締結部ｐ２に緩みが発生しているものと判断し、これを操作者に報知する。

このようにして、本実施形態に係る高電圧回路Ａの異常検出装置では、インバータ回路２とグランドとの間に、コンデンサＣ２とスイッチＳＷ１とが直列に接続された直列接続回路を設け、スイッチＳＷ１をオフとした状態で、測定点ｐ１に矩形波パルス信号を出力することにより、高電圧回路Ａに地絡が発生しているか否かを判断し、更に、地絡が発生していないという条件下で、スイッチＳＷ１をオンとし、この状態で測定点ｐ１に矩形波パルス信号を出力した際の差分電圧Ｖp-pが第２基準電圧Ｖref2を超えた場合に、締結部ｐ２に緩みが生じていると判断する。従って、締結部ｐ２に緩みが発生していることを確実且つ迅速に検出することができ、締結部ｐ２での締結が完全に外れる（断線する）前の時点でこれを認識することができ、メンテナンス作業等を先行して行うことができる。

また、カップリングコンデンサＣ１よりもコンデンサＣ２の方が静電容量が大きく設定されているので、締結部ｐ２に緩みが発生している場合に差分電圧Ｖp-pの変化を大きくすることができ、締結部ｐ２の緩みを検出する精度を向上させることができる。

また、測定点ｐ１に出力する矩形波パルスのデューティ比を５０％とし、この矩形波パルスがＨレベルからＬレベルに変化する時点の電圧Ｖh、及び矩形波パルスがＬレベルからＨレベルに変化する時点の電圧Ｖlに基づいて差分電圧Ｖp-pを求めるので、オンデューティ時の電圧とオフデューティ時の電圧の差分を正確に求めることができ、地絡検出、及び締結部の緩み検出の精度を向上させることができる。

以上、説明した通り、本発明に係る高電圧回路Ａの異常検出装置及び方法では、スイッチ手段を開路（オフ）した状態で、測定点に矩形波パルス信号を出力し、矩形波パルス信号が第１の位相となる時点で検出される第１の電圧と、矩形波パルス信号が第２の位相となる時点で検出される第２電圧との差分電圧Ｖp-pを求める。そして、この差分電圧Ｖp-pの大きさに基づいて高電圧回路Ａに地絡が発生しているか否かを検出する。更に、地絡が検出されていない場合には、スイッチ手段を閉路（オン）して、測定点に矩形波パルス信号を出力し、矩形波パルス信号が第１の位相となる時点で検出される第１の電圧と、矩形波パルス信号が第２の位相となる時点で検出される第２電圧との差分電圧Ｖp-pを求め、この差分電圧Ｖp-pの大きさに基づいて締結部に緩みが発生しているか否かを検出する。従って、直流電源とインバータ回路とを接続する締結部に緩みが発生している場合には、確実且つ迅速にこれを検出することができる。

以上、本発明の高電圧回路の異常検出装置及び方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本出願は、２００９年９月２４日に出願された日本国特許願第２００９−２１９０３７号に基づく優先権を主張しており、これらの出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、高電圧の直流電源とインバータ回路とを接続する締結部に緩みが発生した場合に、これをいち早く認識する際に利用することができる。

１直流電源
２インバータ回路
３異常検出装置
４制御回路
５、６バッファアンプ
ＳＷ１切替スイッチ
Ｃ１カップリングコンデンサ（第１コンデンサ）
Ｃ２コンデンサ（第２コンデンサ）
Ｃ３コンデンサ
１１ＣＰＵ
１２ＲＡＭ
１３ＲＯＭ
１４タイマ
１５カウンタ
１６出力部（パルス出力手段）
１７Ａ／Ｄ変換器
１８電圧測定回路
ＲL 絶縁抵抗
ＣL 車両静電浮遊容量
ｐ１測定点
ｐ２締結部

Claims

直流電源と、該直流電源と締結部を介して接続されたインバータ回路と、を備えた高電圧回路の地絡及び前記締結部の緩みを検出する、高電圧回路の異常検出装置において、
一端が前記直流電源のプラス側端子に接続され、他端が測定点とされた第１コンデンサと、
前記測定点に矩形波パルス信号を出力するパルス出力手段と、
前記インバータ回路のプラス側端子とグランドとの間に設けられた、第２コンデンサ及びスイッチ手段の直列接続回路と、
前記パルス出力手段より出力された矩形波パルス信号が第１の位相となる時点で、前記測定点に生じる第１の電圧と、前記矩形波パルス信号が前記第１の位相とは異なる第２の位相となる時点で、前記測定点に生じる第２の電圧と、を測定し、且つ、前記第１の電圧と第２の電圧との差分電圧を求める電圧測定手段と、
前記スイッチ手段を開路した状態で、前記電圧測定手段により測定された差分電圧に基づいて、前記直流電源の地絡を検出する地絡検出手段と、
前記地絡検出手段にて地絡が検出されていないときに、前記スイッチ手段を閉路した状態で、前記電圧測定手段により測定された差分電圧に基づいて、前記締結部の緩み状態を検出する緩み状態検出手段と、
を備えたことを特徴とする高電圧回路の異常検出装置。
前記矩形波パルスは、デューティ比５０％であり、前記第１の位相は、該矩形波パルスがＨレベルからＬレベルに変化する時点であり、前記第２の位相は、矩形波パルスがＬレベルからＨレベルに変化する時点であることを特徴とする請求項１に記載の高電圧回路の異常検出装置。
前記地絡検出手段は、予め設定した第１基準電圧と前記差分電圧とを比較し、該差分電圧が前記第１基準電圧を下回った場合に、地絡が発生していると判断することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の高電圧回路の異常検出装置。
前記緩み状態検出手段は、予め設定した第２基準電圧と前記差分電圧とを比較し、該差分電圧が前記第２基準電圧を上回った場合に、前記締結部に緩みが発生していると判断することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高電圧回路の異常検出装置。
第２コンデンサは第１コンデンサよりも静電容量が大きいことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の高電圧回路の異常検出装置。
直流電源と、該直流電源と締結部を介して接続されたインバータ回路と、を備えた高電圧回路の地絡及び前記締結部の緩みを検出する、高電圧回路の異常検出方法であって、
一端が前記直流電源のプラス側端子に接続され、他端が測定点とされた第１コンデンサを設け、
前記測定点に矩形波パルスを出力し、
前記矩形波パルス信号が第１の位相となる時点で、前記測定点に生じる第１の電圧を測定し、
前記矩形波パルス信号が前記第１の位相とは異なる第２の位相となる時点で、前記測定点に生じる第２の電圧を測定し、
前記第１の電圧と第２の電圧との差分電圧を求め、
前記インバータ回路のプラス側端子とグランドとの間に、第２コンデンサ及びスイッチ手段の直列接続回路を設け、
前記スイッチ手段を開路した状態で求めた差分電圧に基づいて、前記直流電源の地絡を検出するとともに、
前記地絡が検出されていないときに、前記スイッチ手段を閉路した状態で求めた差分電圧に基づいて、前記締結部の緩み状態を検出することを特徴とする高電圧回路の異常検出方法。