JP5687484B2 - 絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接地電源の接地電位部に対する地絡や絶縁状態を検出するユニットに係り、特に、地絡や絶縁状態を検出するのに用いるフライングキャパシタの故障を検出する装置に関するものである。

例えば、推進用エネルギーとして電力を利用する車両においては、高圧化（例えば２００Ｖ）された直流電源を車体から絶縁して非接地電源とするのが通常である。このような非接地電源の接地電位部に対する地絡や絶縁状態の検出には、フライングキャパシタを用いた検出ユニットが用いられる。

この検出ユニットでは、内部のスイッチを切り換えつつ、フライングキャパシタを、接地電位部から絶縁した直流電源の電源電圧に応じた電荷量、直流電源の正端子側の地絡抵抗に応じた電荷量、及び、直流電源の負端子側の地絡抵抗に応じた電荷量でそれぞれ充電させる。そして、検出ユニットのコントローラにおいて、各充電電圧を測定し、その測定値に基づいて正端子側及び負端子側の地絡抵抗を算出することで、地絡や絶縁状態を検出することができる。

ところで、近年では、フライングキャパシタとして小型で高容量のセラミックスコンデンサを用いることが望まれている。このセラミックスコンデンサについては、ＤＣバイアスによって静電容量が大きく変わることが知られている。そこで、ＤＣバイアスによる静電容量変化の影響を排除するために、地絡抵抗が警報レベルの値であるときのセラミックスコンデンサの充電電圧が、直流電源の電源電圧に応じた電荷量による充電電圧と等しくなるように、検出ユニットを構成することが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−２８１９８６号公報

ところで、フライングキャパシタが静電容量変化を起こす要因は、上述したＤＣバイアスだけでなく、例えば、環境温度や特性の個体差等もある。したがって、これらの特性ばらつきによるフライングキャパシタの静電容量変化に広く対応できる絶縁状態検出を実現する構成を採用することが理想的である。

その一方、フライングキャパシタに静電容量変化を伴うような故障が生じた場合には、正常に機能しているフライングキャパシタの特性ばらつきによる静電容量変化とは区別して、フライングキャパシタの故障状態を検出できるようにすることが望まれる。

特に、大容量対応とするために複数のセラミックスコンデンサを並列に接続してフライングキャパシタを構成する場合、例えば一部のセラミックスコンデンサにオープン故障等の故障が発生すると、正常に機能しているフライングキャパシタの特性ばらつきが原因で起こるような静電容量変化が、発生する可能性がある。このようなフライングキャパシタの故障状態を、フライングキャパシタの特性ばらつきによる静電容量変化と混同することなく検出できるようにすることは、非常に有用である。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、フライングキャパシタを用いて地絡や絶縁状態を検出するのに当たり、正常に機能しているフライングキャパシタに生じる静電容量変化とは区別して、静電容量変化を伴うフライングキャパシタの故障を検出することができる絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置は、
接地電位部から絶縁した直流電源の電源電圧に応じた電荷量でフライングキャパシタが充電されるときの充電電圧と、前記直流電源の絶縁抵抗を含む前記直流電源の絶縁抵抗測定回路による前記フライングキャパシタの充電電圧とに基づいて、前記直流電源の絶縁状態を検出するユニットの、前記フライングキャパシタの故を検出する装置であって、
前記フライングキャパシタの充電電圧のピーク値を測定する充電電圧測定手段と、
前記充電電圧測定手段で測定されたピーク値の充電電圧で充電された前記フライングキャパシタの放電開始から所定時間が経過した時点で、該フライングキャパシタの放電電圧を測定する放電電圧測定手段と、
前記充電電圧測定手段が測定した充電電圧のピーク値と前記放電電圧測定手段が測定した放電電圧との差分から求まる、前記放電開始から前記所定時間経過時点までの放電割合と、正常に機能しているフライングキャパシタが前記放電開始から前記所定時間までに行う放電の割合とに基づいて、前記フライングキャパシタの故障を、正常に機能しているフライングキャパシタに生じる静電容量変化とは区別して診断する診断手段と、
ことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置によれば、フライングキャパシタがオープン故障を起こすと、フライングキャパシタの静電容量が正常時よりも下がる。これに伴い、フライングキャパシタの充電量が正常時よりも高くなり、充電されたフライングキャパシタが放電開始からしばらくの間に放電する放電量が正常時よりも高くなる。

そこで、充電電圧測定手段と放電電圧測定手段との各測定値の差分から求まる、フライングキャパシタが放電開始から所定時間経過時点までに放電した放電量が、例えば同じ期間に正常なフライングキャパシタが放電する放電量等の基準値と比較して明らかに高ければ、フライングキャパシタにオープン故障が生じているとの故障診断をすることができる。

なお、フライングキャパシタが複数のコンデンサ（キャパシタ）を並列接続して構成されている場合は、オープン故障を起こしたコンデンサの数に応じていくつかの基準値を設定し、そのそれぞれと、求めた放電量とを比較することで、どのようなオープン故障がフライングキャパシタに起こっているのかを診断することもできる。

また、請求項２に記載した本発明の絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置は、請求項１に記載した本発明の絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置において、前記電源電圧に応じた電荷量で充電されたフライングキャパシタの充電電圧が、前記放電電圧測定手段が測定した放電電圧に基づいて求められることを特徴とする。

請求項２に記載した本発明の絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置によれば、請求項１に記載した本発明の絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置において、直流電源の絶縁状態を検出するのに必要なフライングキャパシタの充電電圧を求めるのに用いる放電状態測定手段の測定値を、フライングキャパシタの故障診断に流用することになる。

このため、フライングキャパシタの故障診断のために新たに設ける構成を極力少なくして、絶縁状態検出ユニット全体の構成の煩雑化を抑制することができる。

本発明の絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置によれば、フライングキャパシタを用いて地絡や絶縁状態を検出するのに当たり、正常に機能しているフライングキャパシタに生じる静電容量変化とは区別して、静電容量変化を伴うフライングキャパシタの故障を検出することができる。

本発明の一実施形態に係るフライングキャパシタ故障検出装置を有する絶縁状態検出ユニットを示す回路図である。 図１のサンプルホールド回路を示す回路図である。 図１及び図２の各スイッチのオンオフとコンデンサの充電状態との関係を示すタイムチャートである。 （ａ）は図１のフライングキャパシタの具体的構成例を示す説明図、（ｂ）は（ａ）のフライングキャパシタの故障状態例を示す説明図である。 図４（ｂ）に示す例の故障状態を検出するための充電電圧測定タイミングの説明図である。 図４（ｂ）に示す例の故障状態を検出する際に用いる閾値の設定基準例を示す説明図である。 図１のマイコンがＲＯＭに記憶されたプログラムにしたがい実行する故障診断処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るフライングキャパシタ故障検出装置を有する絶縁状態検出ユニットを示す回路図である。本実施形態の絶縁状態検出ユニットは、車両（図示せず）の車体等の接地電位部から絶縁された直流電源Ｂの正端子側の主回路配線１ｐや負端子側の主回路配線１ｎにおける地絡や絶縁状態を検出するユニットである。

図１中引用符号ＲLpは正端子側の地絡抵抗、ＲLnは負端子側の地絡抵抗であり、それぞれ、正端子側の主回路配線１ｐや負端子側の主回路配線１ｎに地絡が発生した場合の仮想抵抗である。

主回路配線１ｐ，１ｎの地絡や絶縁状態を検出する絶縁状態検出ユニット１０は、フライングキャパシタＣ１（請求項中のコンデンサに相当）を含む地絡検出回路１１と、フライングキャパシタＣ１の充電電圧や放電電圧をサンプルホールドするサンプルホールド回路１３と、サンプルホールド回路１３のホールド値を検出してフライングキャパシタＣ１の充電電圧や放電電圧を測定するマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する。）１５とを有している。フライングキャパシタＣ１は、本実施形態では、セラミックスコンデンサを用いている。

地絡検出回路１１は、フライングキャパシタＣ１の他、フライングキャパシタＣ１を直流電源Ｂの正極及び負極にそれぞれ選択的に接続するスイッチＳ１，Ｓ２と、フライングキャパシタＣ１をマイコン１５及び接地電位部に選択的に接続するスイッチＳ３，Ｓ４とを有している。フライングキャパシタＣ１とスイッチＳ１，Ｓ２との間には、抵抗Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ直列に接続されている。

なお、後述するマイコン１５によってフライングキャパシタＣ１の充電電圧や放電電圧を測定する際の直流電源Ｂに対する絶縁性を確保するために、抵抗Ｒ１，Ｒ２には、同じ値の高い抵抗値の抵抗が使用される。

サンプルホールド回路１３は、図２の回路図に示すように、マイコン１５の第１Ａ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ１に一端が接続されたスイッチＳａと、このスイッチＳａの一端と接地電位部との間に接続された読込用コンデンサＣａと、スイッチＳａの他端とスイッチＳ３との間に直列接続される抵抗Ｒａとを有している。

読込用コンデンサＣａは、スイッチＳａが閉じている間、抵抗Ｒ５を介してスイッチＳａの一端に現れる電位で充電される。

マイコン１５は直流電源Ｂよりも低い低圧系の電源（図示せず）によって動作するもので、直流電源Ｂはマイコン１５の接地電位からも絶縁されている。地絡検出回路１１の各スイッチＳ１〜Ｓ４，Ｓａとサンプルホールド回路１３のスイッチＳａとは、例えば光ＭＯＳＦＥＴで構成されており、直流電源Ｂから絶縁してマイコン１５によりオンオフ制御できるようになっている。

マイコン１５の第１Ａ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ１はサンプルホールド回路１３を介してスイッチＳ３と接続されている。サンプルホールド回路１３とスイッチＳ３との接続点は、抵抗Ｒ４を介して接地されており、スイッチＳ４と接地電位部との間には、抵抗Ｒ５が接続されている。また、フライングキャパシタＣ１の一端（図１中上方の極）側のスイッチＳ１，Ｓ３は直列接続されており、両者の接続点とフライングキャパシタＣ１の一端との間には、電流方向切替回路Ｘが接続されている。

電流方向切替回路Ｘは並列回路であり、その一つは、スイッチＳ１からフライングキャパシタＣ１の一端に向けて順方向となるダイオードＤ０と抵抗Ｒ１の直列回路で構成され、他の一つは、スイッチＳ３からフライングキャパシタＣ１の一端に向けて順方向となるダイオードＤ１で構成され、最後の一つは、フライングキャパシタＣ１の一端からスイッチＳ３に向けて順方向となるダイオードＤ２と抵抗Ｒ３の直列回路で構成されている。

次に、上述した絶縁状態検出ユニット１０において、地絡や絶縁状態を検出する際の手順について説明する。まず、マイコン１５の制御により、予め決定しておいた予定時間に亘って、スイッチＳ１，Ｓ２をオンさせると共にスイッチＳ３，Ｓ４，Ｓａをオフさせる。ここで、予定時間とは、フライングキャパシタＣ１が完全に充電されるのに要する時間よりも短い時間である。

これにより、直流電源Ｂの正極から、正端子側の主回路配線１ｐ、スイッチＳ１、ダイオードＤ０、抵抗Ｒ１、フライングキャパシタＣ１の一端（図１中上方の極）、他端（同下方の極）、抵抗Ｒ２、スイッチＳ２、及び、負端子側の主回路配線１ｎを経て、直流電源Ｂの負極に至る充電回路を形成する。以後、この充電回路を第１充電回路と称する。

そして、この第１充電回路において、フライングキャパシタＣ１を直流電源Ｂの電圧に応じた電荷量で充電する。この充電により、フライングキャパシタＣ１の一端が正極、他端が負極となる。

続いて、マイコン１５の制御により、スイッチＳ１，Ｓ２をオフさせると共にスイッチＳ３，Ｓ４をオンさせる。これにより、フライングキャパシタＣ１の正極が、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ３、及び、スイッチＳ３を介してサンプルホールド回路１３に接続され、負極がスイッチＳ４、及び、抵抗Ｒ５を介して接地電位部に接続される。これにより、フライングキャパシタＣ１を放電させる。

また、図３のタイムチャートに示すように、スイッチＳ３，Ｓ４のオンと同時（Ｔ１の時点）に、マイコン１５の制御により、サンプルホールド回路１３のスイッチＳａを短時間（Ｔ１〜Ｔ２の期間、例えば、２００〜３００μｓ）オンさせる。これにより、フライングキャパシタＣ１の充電電圧を抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧したうちの、抵抗Ｒ３の両端電圧の差に相当する電位で、読込用コンデンサＣａが充電される。

ところで、フライングキャパシタＣ１の放電開始時には、直流電源Ｂの電圧に応じた電荷量でフライングキャパシタＣ１が充電された状態にある。そのため、フライングキャパシタＣ１の放電開始直後にその放電電圧で充電される読込用コンデンサＣａには、直流電源Ｂの電圧に応じた電荷量のうち、抵抗Ｒ４，Ｒ５の分圧比に応じた電荷量が蓄積されることになる。

そして、マイコン１５の制御によりサンプルホールド回路１３のスイッチＳａをオフさせると（Ｔ２の時点）、読込用コンデンサＣａの充電電圧を分圧した電位が、サンプルホールド回路１３を介してマイコン１５の第１Ａ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ１に入力されて測定される。そこで、この測定値と、抵抗Ｒ３，Ｒ４の分圧比と、抵抗Ｒ４，Ｒ５の分圧比とから、直流電源Ｂの電圧に応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１をマイコン１５で測定させる。

なお、サンプルホールド回路１３のスイッチＳａをオフさせた後、フライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１を測定している間も、スイッチＳ３，Ｓ４はオンされたままであるので、フライングキャパシタＣ１は引き続き放電状態にある。

さらに、フライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１の測定終了後（Ｔ３の時点）、マイコン１５の制御により、サンプルホールド回路１３のスイッチＳａをオンさせる。これにより、フライングキャパシタＣ１と読込用コンデンサＣａとを放電状態とする。それぞれを完全に放電させた時点で（Ｔ４の時点）、マイコン１５の制御により、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓａをオフさせる。

そして、フライングキャパシタＣ１と読込用コンデンサＣａとを完全に放電させた後、マイコン１５の制御により、上述した予定時間に亘って、スイッチＳ１，Ｓ４をオンさせると共にスイッチＳ２，Ｓ３をオフさせる。

これにより、直流電源Ｂの正極から、正端子側の主回路配線１ｐ、スイッチＳ１、ダイオードＤ０、抵抗Ｒ１、フライングキャパシタＣ１の一端、他端、スイッチＳ４、抵抗Ｒ５、（接地電位部、）負端子側の地絡抵抗ＲLn、及び、負端子側の主回路配線１ｎを経て、直流電源Ｂの負極に至る充電回路を形成する。以後、この充電回路を第２充電回路と称する。

そして、この第２充電回路において、フライングキャパシタＣ１を、負端子側の地絡抵抗ＲLnに応じた電荷量で充電する。この充電により、フライングキャパシタＣ１の一端が正極、他端が負極となる。

続いて、マイコン１５の制御により、スイッチＳ１，Ｓ２をオフさせると共にスイッチＳ３，Ｓ４をオンさせ（図３のＴ１の時点）、かつ、サンプルホールド回路１３のスイッチＳａを短時間（図３のＴ１〜Ｔ２の期間、例えば、２００〜３００μｓ）オンさせる。

その後、マイコン１５の制御によりサンプルホールド回路１３のスイッチＳａを再びオンさせるまでの間（図３のＴ２〜Ｔ３の期間）、直流電源Ｂの電圧に応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１の測定の際と同様にして、負端子側の地絡抵抗ＲLnに応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１−をマイコン１５で測定させる。

そして、フライングキャパシタＣ１と読込用コンデンサＣａとを完全に放電させた後、マイコン１５の制御により、上述した予定時間に亘って、スイッチＳ２，Ｓ３をオンさせると共にスイッチＳ１，Ｓ４をオフさせる。

これにより、直流電源Ｂの正極から、正端子側の主回路配線１ｐ、正端子側の地絡抵抗ＲLp、（接地電位部、）抵抗Ｒ４、スイッチＳ３、ダイオードＤ１、フライングキャパシタＣ１の一端、他端、抵抗Ｒ２、スイッチＳ２、及び、負端子側の主回路配線１ｎを経て、直流電源Ｂの負極に至る充電回路を形成する。以後、この充電回路を第３充電回路と称する。

そして、この第３充電回路において、フライングキャパシタＣ１を、正端子側の地絡抵抗ＲLpに応じた電荷量で充電する。この充電により、フライングキャパシタＣ１の一端が正極、他端が負極となる。

続いて、マイコン１５の制御により、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ５をオフさせると共にスイッチＳ３，Ｓ４をオンさせ（図３のＴ１の時点）、かつ、サンプルホールド回路１３のスイッチＳａを短時間（図３のＴ１〜Ｔ２の期間、例えば、２００〜３００μｓ）オンさせる。

その後、マイコン１５の制御によりサンプルホールド回路１３のスイッチＳａを再びオンさせるまでの間（図３のＴ２〜Ｔ３の期間）、直流電源Ｂの電圧に応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１の測定の際や、負端子側の地絡抵抗ＲLnに応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１−の測定の際と同様にして、正端子側の地絡抵抗ＲLpに応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１＋をマイコン１５で測定させる。そして、フライングキャパシタＣ１と読込用コンデンサＣａとを完全に放電させる。

ところで、直流電源Ｂの電圧に応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１、負端子側の地絡抵抗ＲLnに応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１−、及び、正端子側の地絡抵抗ＲLpに応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１＋と、正端子側の地絡抵抗ＲLpと負端子側の地絡抵抗ＲLnとの並列合成抵抗値Ｒ＝（ＲLp＋ＲLn）／（ＲLp×ＲLn）との間には、下記関係式
（ＲLp＋ＲLn）／（ＲLp×ＲLn）＝｛（Ｖｃ１＋）＋（Ｖｃ１−）｝／Ｖｃ１
なる関係がある。

そこで、マイコン１５は、上記の関係式を用いて正端子側と負端子側の地絡抵抗ＲLp，ＲLnの並列合成抵抗値を算出し、直流電源Ｂの地絡や絶縁状態を検出することができる。

なお、本実施形態の地絡検出回路１１でフライングキャパシタＣ１として用いているセラミックスコンデンサは、ＤＣバイアスによって静電容量が大きく変わる。また、絶縁状態検出ユニット１０の環境温度やフライングキャパシタＣ１として用いているセラミックスコンデンサの特性の個体差等によっても、静電容量が大きく変わる。

そこで、これらの静電容量変化の影響を排除するために、マイコン１５による各充電電圧Ｖｃ１，Ｖｃ１−，Ｖｃ１＋の測定手順を変更してもよい。以下、その測定手順について説明する。

フライングキャパシタＣ１の静電容量が正常時よりも下がると、フライングキャパシタＣ１を一定時間充電した場合の充電量が正常時よりも高くなり、フライングキャパシタＣ１の放電量が、放電開始からしばらくの間は高くなる。

一方、フライングキャパシタＣ１の静電容量が正常時よりも上がると、フライングキャパシタＣ１を一定時間充電した場合の充電量が正常時よりも低くなり、フライングキャパシタＣ１の放電量が、放電開始からしばらくの間は低くなる。

放電開始からしばらく経過すると、フライングキャパシタＣ１の放電が飽和に近づくので、フライングキャパシタＣ１の静電容量が正常時より上下していても、それ以降のフライングキャパシタＣ１の放電量には大きな差は生じない。

即ち、フライングキャパシタＣ１の静電容量特性のばらつきによる充電量の変動は大きいが、フライングキャパシタＣ１の放電開始からしばらくの間経過した時点における放電電圧のばらつきは小さくなる。具体的には、フライングキャパシタＣ１を一定時間（ｔ１）充電した後に放電した場合の放電開始時点における放電電圧ＶＤ１と、フライングキャパシタＣ１の放電開始から時間ｔ２が経過した時点における放電電圧ＶＤ２とは、下式
ＶＤ１＝Ｖ０×（１−ｅｘｐ^{−｛ｔ１／（Ｃ１×ａ×ＲＣ）｝}）
ＶＤ２＝Ｖ０×（ｅｘｐ^{−｛ｔ２／（Ｃ１×ａ×ＲＤ）｝}）
但し、Ｖ０：充電電圧
Ｃ１：フライングキャパシタＣ１の静電容量
ＲＣ：充電抵抗値
ＲＤ：放電抵抗値
ａ：フライングキャパシタＣ１の静電容量のばらつき係数（正常時の静電容量 に対する比）
によって表される。

上式から明らかなように、フライングキャパシタＣ１の静電容量が下がる方向にばらつきが生じた場合、放電開始時点の放電電圧ＶＤ１は高くなる。また、放電開始から時間ｔ２が経過した時点の放電電圧ＶＤ２も高くなる。反対に、フライングキャパシタＣ１の静電容量が上がる方向にばらつきが生じた場合、放電開始時点の放電電圧ＶＤ１は低くなる。また、放電開始から時間ｔ２が経過した時点の放電電圧ＶＤ２も低くなる。

このように、フライングキャパシタＣ１の静電容量が正常時に対して上下したときに、フライングキャパシタの充電量が正常時に対して高低した分は、フライングキャパシタＣ１の放電量が放電開始からしばらくの間高低することで打ち消されるものと考えられる。

したがって、フライングキャパシタＣ１の放電電圧からフライングキャパシタＣ１を一定時間充電した際の充電電圧を求める場合、放電電圧ＶＤ２を用いた下式
Ｖ０＝ＶＤ２／｛（ｔ２とＣ１×ＲＤとによる放電割合）×（ｔ１とＣ１×ＲＣとによる充電割合）｝・・・（式１）
但し、放電割合：放電後の電荷残存率
充電割合：充電後の電荷残存率
によって充電電圧Ｖ０を求める方が、放電電圧ＶＤ１を用いた下式
Ｖ０＝ＶＤ１／（ｔ１とＣ１×ＲＣとによる充電割合）・・・（式２）
によって充電電圧Ｖ０を求めるよりも、精度が高くなる。

そこで、フライングキャパシタＣ１の放電開始からしばらくの間経過した後に、マイコン１５の制御により、スイッチＳ１，Ｓ２をオフさせると共にスイッチＳ３，Ｓ４，Ｓａをオンさせる（図３のＴ１の時点）。そして、短時間後にマイコン１５の制御によりスイッチＳａをオフさせるまでの間（図３のＴ１〜Ｔ２の期間）に充電された読込用コンデンサＣａの充電電圧を分圧した電位を、マイコン１５の第１Ａ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ１の入力から測定し、これに基づいて、フライングキャパシタＣ１の充電電圧をマイコン１５で測定する。

このようにして、フライングキャパシタＣ１の各充電電圧Ｖｃ１，Ｖｃ１−，Ｖｃ１＋を、フライングキャパシタＣ１の放電開始からしばらくの間経過した後に測定した放電電圧ＶＤ２から求めるようにしてもよい。また、直流電源Ｂの電源電圧に応じた電荷量で充電されたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１を、上述した放電電圧ＶＤ２から求め、負端子側の地絡抵抗ＲLnに応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１−や、正端子側の地絡抵抗ＲLpに応じたフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１＋を、放電開始時点における放電電圧ＶＤ１から求めるようにしてもよい。

なお、フライングキャパシタＣ１の放電が飽和に近づくペースは、フライングキャパシタＣ１の静電容量によって異なる。したがって、静電容量が正常ではないフライングキャパシタＣ１の放電量が正常な静電容量のフライングキャパシタＣ１の放電量と大きく変わらなくなる時点（放電開始からしばらくの間経過した時点）は、静電容量が正常であるときよりも上か下かによって異なる。

そこで、静電容量が正常ではないフライングキャパシタＣ１の放電量が正常な静電容量のフライングキャパシタＣ１の放電量と大きく変わらなくなる時点の、静電容量が正常であるときよりも上である場合と下である場合との平均を求めて、その平均した時点を、放電電圧ＶＤ２を測定する時点とするようにしてもよい。

ところで、例えば図４（ａ）に示すように、１．２μＦの容量のフライングキャパシタＣ１を構成するために、０．３μＦのコンデンサを４つ並列接続してフライングキャパシタＣ１として用いる場合には、図４（ｂ）に示すように、一部のコンデンサにオープン故障が生じる可能性がある。

この場合、一部のコンデンサが正常であれば、フライングキャパシタＣ１の全体がオープン状態となる訳ではなく、静電容量が正常時よりも低下するに止まる。ここで、上述したように、フライングキャパシタＣ１の放電電圧ＶＤ２を用いて、フライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃ１（や充電電圧Ｖｃ１−，Ｖｃ１＋）を求めると、フライングキャパシタＣ１の一部のコンデンサにオープン故障が生じた場合にもその影響が排除されてしまう。そのため、充電電圧Ｖｃ１（や充電電圧Ｖｃ１−，Ｖｃ１＋）からフライングキャパシタＣ１の一部のコンデンサのオープン故障を判別することができない。

そこで、上述したように、フライングキャパシタＣ１の静電容量が正常時よりも低いと、放電開始からしばらくの間（例えば放電開始から時間ｔ２が経過するまでの間）の放電量が高くなることをうまく利用すれば、フライングキャパシタＣ１の一部のコンデンサのオープン故障を判別することができる。

即ち、図５に示すように、上述した放電開始時点の放電電圧ＶＤ１と放電開始から時間ｔ２が経過した時点の放電電圧ＶＤ２の差分から、その間の放電量（放電割合）をマイコン１５で求めれば、これを基にして、フライングキャパシタＣ１の一部のコンデンサにオープン故障が生じたか否かを診断することができる。

具体的には、図６の説明図に示す数値を利用して決定した放電量の閾値を用いて、故障診断を行うことができる。図６の説明図では、左半分の部分に、充電電圧Ｖ０（図中の印加電圧）＝１００Ｖ、充電抵抗値ＲＣ＝１０００ｋΩ、一定時間（充電時間ｔ１）＝０．１ｓの条件で、フライングキャパシタＣ１が充電された場合の、各数値を示している。

なお、図６中の左半分の部分における「充電Ｒ（Ω）」、「充電Ｃ（Ｆ）」、「放電Ｒ（Ω）」、「高圧換算」とは、充電抵抗値ＲＣ、フライングキャパシタＣ１の充電電荷、放電抵抗値ＲＤ、放電電圧ＶＤ１から（式１）で求めた換算印加電圧（充電電圧Ｖ０）にそれぞれ相当する。

図６中の左半分の部分に示すように、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサが４つとも正常である場合（「基準（４個正常）」）は、フライングキャパシタＣ１の充電電荷が１．２Ｅ−０７（Ｆ）であり、放電電圧ＶＤ１＝５６．５４（Ｖ）、放電電圧ＶＤ１から（式１）で求めた充電電圧Ｖ０＝１００（Ｖ）となる。

一方、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサのうち１〜３個がオープン故障である場合（「１個オープン」、「２個オープン」、「３個オープン」）は、フライングキャパシタＣ１の充電電荷がそれぞれ９．０Ｅ−０８（Ｆ）、６．０Ｅ−０８（Ｆ）、３．０Ｅ−０８（Ｆ）であり、放電電圧ＶＤ１はそれぞれ６７．０８（Ｖ）、８１．１１（Ｖ）、９６．４３（Ｖ）、放電電圧ＶＤ１から（式１）で求めた充電電圧Ｖ０はそれぞれ１１８．６４（Ｖ）、１４３．４６（Ｖ）、１７０．５６（Ｖ）となる。

このように、放電電圧ＶＤ１から（式１）で求めた充電電圧Ｖ０は、フライングキャパシタＣ１の静電容量の低下を反映した値となっている。しかし、特性ばらつきによる影響を排除する目的で、放電電圧ＶＤ２から（式２）で充電電圧Ｖ０を求めると、限りなく１００（Ｖ）に近い値が求められて、その値では、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサのうち１〜３個にオープン故障が生じていることを検出することができない。

一方、図６の説明図では、右半分の部分に、フライングキャパシタＣ１の放電開始時点に測定した放電電圧ＶＤ１と、放電開始から時間ｔ２経過後に測定した放電電圧ＶＤ２との差分から、フライングキャパシタＣ１の放電量（放電割合）を求めた場合の各数値を、放電電荷量（５０％）に置き換えた放電開始からの経過時間ｔ２別に示している。

図６に示すように、５０％放電に要する時間だけ放電開始から経過した時間ｔ２の放電電圧ＶＤ２は、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサが４つとも正常である場合（「基準（４個正常）」）と、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサのうち１〜３個がオープン故障である場合（「１個オープン」、「２個オープン」、「３個オープン」）とで、それぞれ、２８．３６（Ｖ）、２６．７３（Ｖ）、２０．４１（Ｖ）、６．１０（Ｖ）である。

そして、放電電圧ＶＤ１と放電電圧ＶＤ２との差分はそれぞれ、−２８．１８（Ｖ）、−４０．３５（Ｖ）、−６０．７１（Ｖ）、−９０．３３（Ｖ）である。これらの差分を、実際のフライングキャパシタＣ１の放電量（放電割合）に換算すると、それぞれ、−４９．８４（％）、−６０．１５（％）、−７４．８４（％）、−９３．６７（％）である。なお、各数値の「−」の符号は、数値が低下していることを示す。

したがって、本来は５０％放電であるところ、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサのうち１〜３個がオープン故障である場合（「１個オープン」、「２個オープン」、「３個オープン」）はいずれも６０％を超える放電が行われていることが分かる。

そこで、例えば、５５％を超える放電が行われていれば、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサのいずれかにオープン故障が生じていることを、マイコン１５によって検出することができる。

また、放電電圧ＶＤ１と放電電圧ＶＤ２との差分から換算した実際のフライングキャパシタＣ１の放電量（放電割合）に関して、−６０．１５（％）と−７４．８４（％）との間や、−７４．８４（％）と−９３．６７（％）との間にも、上述した５５％のような基準にする閾値をそれぞれ設定して、それらの閾値と比較することで、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサのうち何個にオープン故障が生じているかについても、マイコン１５によって検出することができる。

以上に説明した故障検出（診断）を、マイコン１５がＲＯＭ（図示せず）に記憶された故障診断処理プログラムにしたがい実行する際の手順を、図７のフローチャートを参照して説明する。この故障診断処理プログラムは、フライングキャパシタＣ１の各充電電圧Ｖｃ１，Ｖｃ１−，Ｖｃ１＋を求める度に実行してもよいし、各充電電圧Ｖｃ１，Ｖｃ１−，Ｖｃ１＋のうち一部を求めるときに実行してもよい。

まず、マイコン１５は、フライングキャパシタＣ１の放電開始時に、読込用コンデンサＣａの充電電圧に基づいてフライングキャパシタＣ１の放電電圧ＶＤ１（請求項中のフライングキャパシタの充電電圧のピーク値に相当）を測定する（ステップＳ１）。次に、マイコン１５は、放電開始から時間ｔ２が経過した時点で、読込用コンデンサＣａの充電電圧に基づいてフライングキャパシタＣ１の放電電圧ＶＤ２（請求項中のフライングキャパシタの放電電圧に相当）を測定する（ステップＳ３）。

続いて、マイコン１５は、ステップＳ１で測定した放電電圧ＶＤ１とステップＳ３で測定した放電電圧ＶＤ２との差分からフライングキャパシタＣ１の放電量（放電割合）を求め（ステップＳ５）、求めた放電量（放電割合）を基準となるしきい値と比較して、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサに関するオープン故障の有無（及び、必要に応じて故障個数）を診断する（ステップＳ７）。以上で、一連の処理を終了する。検出結果は、適宜、警報表示や絶縁状態検出ユニット１０の動作制御に利用することができる。

以上の説明からも明らかなように、本実施形態では、マイコン１５が行う図７のフローチャートにおけるステップＳ１の処理と、この処理を実行するのに関与する地絡検出回路１１やサンプルホールド回路１３の各構成要素によって、請求項中の充電電圧測定手段が構成されている。

また、本実施形態では、マイコン１５が行う図７中のステップＳ３の処理と、この処理を実行するのに関与する地絡検出回路１１やサンプルホールド回路１３の各構成要素によって、請求項中の放電電圧測定手段が構成されている。

さらに、本実施形態では、マイコン１５が行う図７中のステップＳ５及びステップＳ７の処理と、この処理を実行するのに関与する地絡検出回路１１やサンプルホールド回路１３の各構成要素によって、請求項中の診断手段が構成されている。

このように構成された本実施形態の絶縁状態検出ユニット１０によれば、フライングキャパシタＣ１の特性ばらつきの影響を排除するために、フライングキャパシタＣ１の放電開始から時間ｔ２後の放電電圧ＶＤ２を用いて、フライングキャパシタの充電電圧Ｖ０を求める場合であっても、フライングキャパシタＣ１を構成する４つのコンデンサの一部にオープン故障が生じたときに、これを検出することができる。

なお、本実施形態では、フライングキャパシタの充電電圧Ｖ０を求めるために測定する、フライングキャパシタＣ１の放電開始時点の放電電圧ＶＤ１と、放電開始から時間ｔ２が経過した時点の放電電圧ＶＤ２とを、フライングキャパシタＣ１の故障検出用に放電量（放電割合）を求める際に流用するものとした。

しかし、フライングキャパシタの充電電圧Ｖ０を求めるために測定する放電電圧ＶＤ１，ＶＤ２とは別に、フライングキャパシタＣ１の放電開始時点から所定時間（例えば時間ｔ２）が経過するまでの間の放電量（放電割合）を求めるために、フライングキャパシタＣ１の充電時のピーク電圧（放電電圧ＶＤ１に対応する電圧）と、放電開始から所定時間経過した時点の放電電圧（放電電圧ＶＤ２に対応する電圧）とを測定してもよい。

また、本実施形態では、フライングキャパシタＣ１の放電開始から時間ｔ２が経過した時点の放電電圧ＶＤ２を用い、フライングキャパシタＣ１の特性ばらつきの影響を排除したフライングキャパシタＣ１の充電電圧Ｖ０（充電時の印加電圧）を求める絶縁状態検出ユニット１０を例に取って説明した。しかし、本発明は、実施形態の冒頭に説明した下記関係式、
（ＲLp＋ＲLn）／（ＲLp×ＲLn）＝｛（Ｖｃ１＋）＋（Ｖｃ１−）｝／Ｖｃ１
や、上述した（式１）によって、フライングキャパシタの充電電圧（充電時の印加電圧）を求める絶縁状態検出ユニットにも、適用可能である。

１ｎ 主回路配線
１ｐ 主回路配線
１０ 絶縁状態検出ユニット
１１ 地絡検出回路
１３ サンプルホールド回路
１５ マイクロコンピュータ
Ａ／Ｄ１ Ａ／Ｄ変換ポート
Ｂ 直流電源
Ｃ１ フライングキャパシタ
Ｃａ 読込用コンデンサ
Ｄ０ ダイオード
Ｄ１ ダイオード
Ｄ２ ダイオード
ＲLn 負端子側の地絡抵抗
ＲLp 正端子側の地絡抵抗
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ 抵抗
Ｒ５ 抵抗
Ｒａ 抵抗
Ｓ１ スイッチ
Ｓ２ スイッチ
Ｓ３ スイッチ
Ｓ４ スイッチ
Ｓａ スイッチ
Ｘ 電流方向切替回路

Claims (2)

1. 接地電位部から絶縁した直流電源の電源電圧に応じた電荷量でフライングキャパシタが充電されるときの充電電圧と、前記直流電源の絶縁抵抗を含む前記直流電源の絶縁抵抗測定回路による前記フライングキャパシタの充電電圧とに基づいて、前記直流電源の絶縁状態を検出するユニットの、前記フライングキャパシタの故障を検出する装置であって、
   前記フライングキャパシタの充電電圧のピーク値を測定する充電電圧測定手段と、
   前記充電電圧測定手段で測定されたピーク値の充電電圧で充電された前記フライングキャパシタの放電開始から所定時間が経過した時点で、該フライングキャパシタの放電電圧を測定する放電電圧測定手段と、
   前記充電電圧測定手段が測定した充電電圧のピーク値と前記放電電圧測定手段が測定した放電電圧との差分から求まる、前記放電開始から前記所定時間経過時点までの放電割合と、正常に機能しているフライングキャパシタが前記放電開始から前記所定時間までに行う放電の割合とに基づいて、前記フライングキャパシタの故障を、正常に機能しているフライングキャパシタに生じる静電容量変化とは区別して診断する診断手段と、
   を備えることを特徴とする絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置。
2. 前記電源電圧に応じた電荷量で充電されたフライングキャパシタの充電電圧が、前記放電電圧測定手段が測定した放電電圧に基づいて求められることを特徴とする請求項１記載の絶縁状態検出ユニットのフライングキャパシタ故障検出装置。

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