JP5828396B2 - 直流電源とその地絡検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源とその地絡検出方法に関する。

「地絡」とは、電気回路と大地が相対的に低いインピーダンスで電気的に接続される状態をいう。
直流回路において、直流電源（バッテリ）と直流電源で駆動される電気機器（インバータ、アクチュエータ、電気回路等）は、接地部分以外は完全に大地と絶縁されている必要がある。しかし、この絶縁が何らかの異常により破壊されると、その破壊箇所で電気が大地に向かって流れる地絡（漏電）が発生する。
地絡は、直流電源や電気機器に損傷を与えると共に、感電や火災の原因ともなる。そのため、電気回路における地絡検出手段が種々提案されている（例えば、特許文献１〜３）。

地絡検出手段には、直流電位検出方式と交流電圧印加方式とがある。
特許文献１は、直流電位検出方式であり、回路の中性点を接地して電位の不平衡を検出するものである。
特許文献２，３は、交流電圧印加方式であり、交流電圧を重畳して地絡を検出するものである。

特許第２７０６４２６号公報、「直流回路の地絡検出方法並びにその装置」 特開平８−７０５０３号公報、「電気自動車の地絡検出回路」 特開２００５−１５６３７１号公報、「地絡検出装置」

交流電圧印加方式の地絡検出手段の場合、交流電源を別途必要とし、かつ構造が複雑化するためコスト高となる問題点があった。

一方、従来の直流電位検出方式の地絡検出手段の場合、正負両極端子からそれぞれ直列接続された抵抗を介して接地極に接続し、それぞれの抵抗における電圧降下の大きさを比較する方法が一般的である。しかし、地絡検出をするために、地絡電流を周期的に切替えるなど複雑な制御が必要であった。

また、従来の直流電位検出方式の地絡検出手段の場合、感電を防護する手段を別途設ける必要があった。
さらに、直流電源が７５０Ｖの電圧を超える高電圧バッテリである場合、電気設備基準における高圧に区分されるため、施設の制限が低圧（７５０Ｖ未満）に比較して厳しくなる。そのため、直流電源の不使用時には、直流電源の各部に発生する最大電圧を７５０Ｖ未満に抑えることが望まれていた。

本発明は、上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の主目的は、直流電源の地絡を検出することができ、交流電源が不要であり、切替手段の周期的な切替えが不要であり、コストが低く、制御が容易である直流電源とその地絡検出方法を提供することにある。

本発明によれば、複数の電池セルが直列接続された低圧側及び高圧側の電池モジュールと、
低圧側電池モジュールの負極と接地極とを低圧側抵抗を介して接続する低圧側の接地ラインと、
高圧側電池モジュールの正極と接地極とを高圧側抵抗を介して接続する高圧側の接地ラインと、
低圧側と高圧側の電池モジュールを直列接続し、その間を遮断可能な中間遮断器と、
低圧側と高圧側の接地ラインに発生する電圧降下から地絡検出を検出する地絡検出装置と、を備え、
低圧側と高圧側の前記接地ラインは、接地極以外は互いに独立しており、
前記地絡検出装置は、
低圧側抵抗に発生する低圧側の電圧降下を検出する低圧側の電圧検出器と、
高圧側抵抗に発生する高圧側の電圧降下を検出する高圧側の電圧検出器と、
低圧側と高圧側の電圧降下を比較して地絡検出を検出する検出制御装置とを有する、ことを特徴とする直流電源が提供される。

また本発明によれば、上記の直流電源の地絡検出方法であって、
前記低圧側と高圧側の接地ラインを同一の抵抗値に設定し、
中間遮断器を接続し、
低圧側抵抗に発生する低圧側の電圧降下と高圧側抵抗に発生する高圧側の電圧降下とを同時に検出し、
低圧側と高圧側の前記電圧降下の差が予め設定した閾値以下の場合には、地絡なしと判断し、
前記差が前記閾値を超える場合には、地絡ありと判断する、ことを特徴とする直流電源の地絡検出方法が提供される。

上記装置と方法によれば、低圧側と高圧側の接地ラインに発生する電圧降下から地絡検出を検出する地絡検出装置を備え、中間遮断器を接続し、各接地ラインに発生する電圧降下を同時に検出し、その電圧降下から地絡検出を検出するので、直流電源の地絡を検出することができる。

また、低圧側及び高圧側の電池モジュールと接地ライン、中間遮断器、及び地絡検出装置で構成されるので、交流電源が不要である。
さらに、中間遮断器を接続するだけで地絡検出装置により地絡検出を検出するので、切替手段の周期的な切替えが不要である。
従って、コストが低く、制御が容易である。

また、地絡を検出した場合に、中間遮断器を遮断することで、感電を防護する手段を別途設けることなく、感電事故を防止することができる。
また、直流電源が７５０Ｖの電圧を超える高電圧バッテリである場合でも、低圧側と高圧側の電池モジュールの間を遮断可能な中間遮断器を備えるので、その間を遮断することで、直流電源の不使用時には、直流電源の各部に発生する最大電圧を７５０Ｖ未満に抑えることができる。

本発明による直流電源の全体構成図である。 本発明による地絡検出方法を示すフロー図である。 本発明による地絡検出方法の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による直流電源の全体構成図である。
この図において、本発明の直流電源１０は、低圧側及び高圧側の電池モジュール１２Ａ，１２Ｂ、低圧側及び高圧側の接地ライン１４Ａ，１４Ｂ、中間遮断器１６、及び地絡検出装置１８を備える。

低圧側電池モジュール１２Ａと高圧側電池モジュール１２Ｂは、それぞれ複数の電池セルが直列接続された電池モジュールである。
各電池モジュール１２Ａ，１２Ｂを構成する電池セルのセル電圧は、例えば３．３Ｖであり、各電池モジュール１２Ａ，１２Ｂは例えば３００個の電池セルによりそれぞれ６００Ｖの電圧を有する。なお、本発明はこの例に限定されず、電池セルのセル電圧、その積層数は任意に設定することができる。

この例において、１３Ａ，１３Ｂは、それぞれ低圧側と高圧側の母線であり、主遮断器１Ａ，１Ｂを介してそれぞれ負荷２に接続されている。負荷２は例えばインバータである。
また１１は、直流電源１０のラックフレームである。ラックフレーム１１は、電気抵抗の小さい金属製であり、かつ接地極Ｇに低抵抗で接続されている。従って、ラックフレーム１１の電圧電位は０Ｖと見なすことができる。

低圧側接地ライン１４Ａは、主遮断器１Ａより電池モジュール１２Ａ側に設けられ、低圧側電池モジュール１２Ａの負極（−）と接地極Ｇとを低圧側抵抗１５Ａを介して接続する。
高圧側接地ライン１４Ｂは、主遮断器１Ｂより電池モジュール１２Ｂ側に設けられ、高圧側電池モジュール１２Ｂの正極（＋）と接地極Ｇとを高圧側抵抗１５Ｂを介して接続する。
また、低圧側と高圧側の母線１３Ａ，１３Ｂは、接地ライン１４Ａ，１４Ｂ以外の箇所では接地極Ｇに接続されていないことが好ましい。

また低圧側と高圧側の接地ライン１４Ａ，１４Ｂの抵抗値Ｒ（＝Ｒ１＋Ｒ２）は等しく設定されている。
すなわちこの例で、低圧側抵抗１５Ａと高圧側抵抗１５Ｂはそれぞれ、互いに抵抗値が等しい第１抵抗Ｒ１と、互いに抵抗値が等しい第２抵抗Ｒ２とからなり、それぞれの第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２は直列接続されている。

また、低圧側抵抗１５Ａと高圧側抵抗１５Ｂの抵抗値Ｒ（＝Ｒ１＋Ｒ２）は、低圧側電池モジュール１２Ａと高圧側電池モジュール１２Ｂを直列接続した場合の電池電圧Ｖ（上述の例で１２００Ｖ）が印加された際に、各接地ライン１４Ａ，１４Ｂに流れる電流Ｉが直流電源の機能に悪影響を与えない微弱電流（例えば１〜１０ｍＡ）となるように大きな値に設定されている。

中間遮断器１６は、低圧側と高圧側の電池モジュール１２Ａ，１２Ｂを直列に接続し、かつその間を遮断可能な開閉器である。中間遮断器１６は、例えば遠隔操作可能な電磁式の開閉器であり、地絡検出装置１８からの指令により接続及び遮断が瞬時にできるようになっている。

地絡検出装置１８は、低圧側と高圧側の接地ライン１４Ａ，１４Ｂに発生する電圧降下から地絡検出を検出する。
この例で、地絡検出装置１８は、低圧側と高圧側の電圧検出器１９Ａ，１９Ｂと、検出制御装置２０とを有する。
低圧側電圧検出器１９Ａは、低圧側抵抗１５Ａ（この例では第２抵抗Ｒ２）に発生する低圧側の電圧降下ＶＬを検出する。
高圧側電圧検出器１９Ｂは、高圧側抵抗１５Ｂ（この例では第２抵抗Ｒ２）に発生する高圧側の電圧降下ＶＨを検出する。
検出制御装置２０は、低圧側と高圧側の電圧降下ＶＬ，ＶＨを比較して地絡検出を検出する。

図２は、本発明による地絡検出方法を示すフロー図である。
この図において、本発明の地絡検出方法は、Ｓ１〜Ｓ６の各ステップ（工程）からなる。

Ｓ１では、中間遮断器１６を遮断状態から接続する。この際、主遮断器１Ａ，１Ｂは遮断されていても、接続されていてもよい。
Ｓ２では、低圧側抵抗１５Ａ（第２抵抗Ｒ２）に発生する低圧側の電圧降下ＶＬと、高圧側抵抗１５Ｂ（第２抵抗Ｒ２）に発生する高圧側の電圧降下ＶＨとを同時に検出する。
Ｓ３では、低圧側と高圧側の電圧降下ＶＬ、ＶＨの差ΔＶ（＝ＶＨ−ＶＬ）と予め設定した閾値Ｘを比較する。閾値Ｘは、例えば、鉛蓄電池の電圧レベル（例えば１２〜２４Ｖ程度）に設定するのがよい。

Ｓ３で、差ΔＶ（＝ＶＨ−ＶＬ）の絶対値が閾値Ｘ未満の場合には、「地絡なし」と判断し、中間遮断器１６を接続したまま、Ｓ２，Ｓ３を繰り返す。

Ｓ３で、差ΔＶの絶対値が閾値Ｘを超える場合には、「地絡あり」と判断し、Ｓ４で中間遮断器１６を遮断する。

Ｓ５で、低圧側の電圧降下ＶＬと高圧側の電圧降下ＶＨとを比較し、低圧側電圧降下ＶＬが高圧側電圧降下ＶＨより閾値Ｘを超えて大きい場合には、高圧側の地絡と判断する。またその逆の場合には低圧側の地絡と判断する。
Ｓ６で、「地絡と発生」と、その位置（高圧側又は低圧側）を通知又は表示する。

図３は、本発明による地絡検出方法の説明図である。
この図において、（Ａ）は「地絡なし」、（Ｂ）は高圧側の地絡、（Ｃ）は低圧側の地絡を示している。

図３（Ａ）において、中間遮断器１６を遮断状態から接続すると、低圧側電池モジュール１２Ａと高圧側電池モジュール１２Ｂが直列接続され、高圧側電池モジュール１２Ｂの正極（＋）と低圧側電池モジュール１２Ａの負極（−）の間に電池電圧Ｖ（上述の例で１２００Ｖ）が発生する。
この際、ラックフレーム１１の電圧電位は０Ｖであるので、低圧側と高圧側の母線１３Ａ，１３Ｂには、それぞれ−６００Ｖ、＋６００Ｖの電圧が発生する。

図３（Ａ）に示す「地絡なし」の場合には、中間遮断器１６を接続する（Ｓ１）と、図で破線の矢印で示すａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆの順で高圧側電池モジュール１２Ｂの正極（＋）から低圧側電池モジュール１２Ａの負極（−）まで、予め設定した電流Ｉ（例えば１〜１０ｍＡの微弱電流）が流れる。
この場合、低圧側と高圧側の接地ライン１４Ａ，１４Ｂの抵抗値Ｒ（＝Ｒ１＋Ｒ２）は等しく設定されているので、接地ライン１４Ａ，１４Ｂを流れる電流Ｉは同一である。また、低圧側抵抗１５Ａと高圧側抵抗１５Ｂの抵抗値Ｒ２は等しく設定されているので、低圧側抵抗１５Ａに発生する低圧側の電圧降下ＶＬ（＝Ｒ２×Ｉ）と高圧側抵抗１５Ｂに発生する高圧側の電圧降下ＶＨ（＝Ｒ２×Ｉ）は、等しくなる。
従って、ＶＨ≒Ｖｌとなり、Ｓ３で「地絡なし」と判断できる。

図３（Ｂ）において、高圧側に地絡がある場合には、中間遮断器１６を接続する（Ｓ１）と、図のｂ−ｃ間以外で、高圧側の母線１３Ｂとラックフレーム１１（すなわち接地極Ｇ）との間で短絡（漏電）が生じているので、ｂ−ｃ間を流れる電流ＩＢは小さくなる。
一方、図で実線の矢印で示す順で高圧側電池モジュール１２Ｂの正極（＋）から低圧側電池モジュール１２Ａの負極（−）まで流れる電流ＩＡは、ｂ−ｃ間を流れる電流ＩＢよりも大きく、この電流ＩＡは、図のｄ−ｅ間も流れる。
従って、低圧側抵抗１５Ａと高圧側抵抗１５Ｂの抵抗値Ｒ２は等しいが、低圧側抵抗１５Ａに発生する低圧側の電圧降下ＶＬ（＝Ｒ２×ＩＡ）は高圧側抵抗１５Ｂに発生する高圧側の電圧降下ＶＨ（＝Ｒ２×ＩＢ）より大きくなる。
従って、ＶＬ＞ＶＨとなり、Ｓ５で、「高圧側の地絡」と判断できる。

図３（Ｃ）において、低圧側に地絡がある場合には、中間遮断器１６を接続する（Ｓ１）と、図のｄ−ｅ間以外で、低圧側の母線１３Ａとラックフレーム１１（すなわち接地極Ｇ）との間で短絡（漏電）が生じているので、ｄ−ｅ間を流れる電流ＩＡは小さくなる。
一方、図で実線の矢印で示す順で高圧側電池モジュール１２Ｂの正極（＋）から低圧側電池モジュール１２Ａの負極（−）まで流れる電流ＩＢは、ｄ−ｅ間を流れる電流ＩＡよりも大きく、この電流ＩＢは、図のｂ−ｃ間も流れる。
従って、低圧側抵抗１５Ａと高圧側抵抗１５Ｂの抵抗値Ｒ２は等しいが、低圧側抵抗１５Ａに発生する低圧側の電圧降下ＶＬ（＝Ｒ２×ＩＡ）は高圧側抵抗１５Ｂに発生する高圧側の電圧降下ＶＨ（＝Ｒ２×ＩＢ）より小さくなる。
従って、ＶＬ＜ＶＨとなり、Ｓ５で、「低圧側の地絡」と判断できる。

上述したように、本発明の装置と方法によれば、低圧側と高圧側の接地ライン１４Ａ，１４Ｂに発生する電圧降下ＶＬ，ＶＨから地絡検出を検出する地絡検出装置１８を備え、中間遮断器１６を接続し、各接地ライン１４Ａ，１４Ｂに発生する電圧降下ＶＬ，ＶＨを同時に検出し、その電圧降下ＶＬ，ＶＨから地絡検出を検出するので、直流電源１０の地絡を検出することができる。

また、低圧側及び高圧側の電池モジュール１２Ａ，１２Ｂと接地ライン１４Ａ，１４Ｂ、中間遮断器１６、及び地絡検出装置１８で構成されるので、交流電源が不要である。
さらに、中間遮断器１６を接続するだけで地絡検出装置１８により地絡検出を検出するので、切替手段の周期的な切替えが不要である。
従って、コストが低く、制御が容易である。

また、地絡を検出した場合に、中間遮断器１６を遮断することで、感電を防護する手段を別途設けることなく、感電事故を防止することができる。
また、直流電源１０が７５０Ｖの電圧を超える高電圧バッテリである場合でも、低圧側と高圧側の電池モジュール１２Ａ，１２Ｂの間を遮断可能な中間遮断器１６を備えるので、その間を遮断することで、直流電源の不使用時には、直流電源１０の各部に発生する最大電圧を７５０Ｖ未満（この例で６００Ｖ）に抑えることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１Ａ，１Ｂ 主遮断器、２ 負荷（インバータ）、
１０ 直流電源、１１ ラックフレーム、
１２Ａ 低圧側電池モジュール、１２Ｂ 高圧側電池モジュール、
１３Ａ 低圧側母線、１３Ｂ 高圧側母線、
１４Ａ 低圧側接地ライン、１４Ｂ 高圧側接地ライン、
１５Ａ 低圧側抵抗、１５Ｂ 高圧側抵抗、
１６ 中間遮断器、１８ 地絡検出装置、
１９Ａ 低圧側電圧検出器、１９Ｂ 高圧側電圧検出器、
２０ 検出制御装置

Claims (5)

1. 複数の電池セルが直列接続された低圧側及び高圧側の電池モジュールと、
   低圧側電池モジュールの負極と接地極とを低圧側抵抗を介して接続する低圧側の接地ラインと、
   高圧側電池モジュールの正極と接地極とを高圧側抵抗を介して接続する高圧側の接地ラインと、
   低圧側と高圧側の電池モジュールを直列接続し、その間を遮断可能な中間遮断器と、
   低圧側と高圧側の接地ラインに発生する電圧降下から地絡検出を検出する地絡検出装置と、を備え、
   低圧側と高圧側の前記接地ラインは、接地極以外は互いに独立しており、
   前記地絡検出装置は、
   低圧側抵抗に発生する低圧側の電圧降下を検出する低圧側の電圧検出器と、
   高圧側抵抗に発生する高圧側の電圧降下を検出する高圧側の電圧検出器と、
   低圧側と高圧側の電圧降下を比較して地絡検出を検出する検出制御装置とを有する、ことを特徴とする直流電源。
2. 前記低圧側抵抗と高圧側抵抗はそれぞれ、互いに抵抗値が等しい第１抵抗と、互いに抵抗値が等しい第２抵抗とからなり、それぞれの第１抵抗と第２抵抗は直列接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の直流電源。
3. 請求項１に記載の直流電源の地絡検出方法であって、
   前記低圧側と高圧側の接地ラインを同一の抵抗値に設定し、
   中間遮断器を接続し、
   低圧側抵抗に発生する低圧側の電圧降下と高圧側抵抗に発生する高圧側の電圧降下とを同時に検出し、
   低圧側と高圧側の前記電圧降下の差が予め設定した閾値以下の場合には、地絡なしと判断し、
   前記差が前記閾値を超える場合には、地絡ありと判断する、ことを特徴とする直流電源の地絡検出方法。
4. 低圧側の電圧降下が高圧側の電圧降下より前記閾値を超えて大きい場合には、高圧側の地絡と判断し、
   高圧側の電圧降下が低圧側の電圧降下より前記閾値を超えて大きい場合には、低圧側の地絡と判断する、ことを特徴とする請求項３に記載の直流電源の地絡検出方法。
5. 前記差が前記閾値を超える場合には、中間遮断器を遮断する、ことを特徴とする請求項４に記載の直流電源の地絡検出方法。