JP6046506B2 - 絶縁状態検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両に搭載した状態で使用可能な絶縁状態検出装置に関する。
例えば、電気自動車のように、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、200V程度の高電圧を出力する直流電源装置を搭載する場合がある。このような高電圧の直流電源装置を搭載した車両の場合には、直流電源装置の正負の電源ラインと車体との間が電気的に絶縁された状態で使用される。すなわち、車体は高電圧を出力する電源のアースとして利用しない。
このような車両においては、安全性の確保等のために、高電圧の直流電源出力の配線と車体との間が十分に電気絶縁されていることを検査して確認する必要がある。このような検査を行う場合に用いられる絶縁状態検出装置の従来技術が、例えば特許文献1、特許文献2および特許文献3に開示されている。
この種の絶縁状態検出装置は、フライングキャパシタを用いている。すなわち、スイッチング素子を介して、高電圧の正負の電源ラインと接地電極(車体)との間に一定時間だけ検出用コンデンサ(フライングキャパシタと呼ばれる)を接続する。このフライングキャパシタの充電電圧を監視し、この充電電圧から計算により地絡抵抗、すなわち電源ラインと接地電極との間の絶縁抵抗を算出する。
また、特許文献1および特許文献2においては、フライングキャパシタをスイッチングするスイッチの故障検出に関する技術を開示している。また、特許文献3においては、フライングキャパシタの電圧を検出する回路に所定以上の高電圧が印加されないように保護するための技術を開示している。
特開2004−170146号公報 特開2008−89323号公報 特開2008−309751号公報
ところで、高電圧を出力する直流電源装置を搭載した車両においては、高電圧の直流電源出力の配線と車体との間が十分に電気絶縁されていることを、車両の出荷時や定期点検時だけでなく、日常的に頻繁に検査することが望まれる場合がある。
そのような場合には、上述のような絶縁状態検出装置をセンサとして車両上に装備しておく必要がある。車両がセンサとして絶縁状態検出装置を搭載している場合には、この絶縁状態検出装置を用いて、例えば、車両の使用中に定期的に地絡抵抗(絶縁抵抗)を計測し、異常発生の有無を識別することができる。
実際には、絶縁状態検出装置は、予め決められたスケジュールに従って各スイッチング素子のオンオフを制御しながらフライングキャパシタの電圧を計測し、計測した電圧と計算式とに基づいて地絡抵抗を算出する必要がある。また、絶縁状態検出装置に内蔵された各スイッチング素子の故障の有無を識別したり、計測した地絡抵抗値の信頼性を高めるために、計測に適さないタイミングでは計測を中止するような制御も必要になる。このような複雑な制御は、絶縁状態検出装置に内蔵されたマイクロコンピュータなどの制御回路により実行することができる。
一方、実際の車両においては、車両各部の機能について所定の診断処理を行い、その結果を表示したり、その他の制御に反映するために様々な電子制御装置(ECU:Electronic Control Unit)を搭載している。従って、絶縁状態検出装置をセンサとして車両上に装備する場合には、車両側に標準装備されている電子制御装置(ECU)の配下に絶縁状態検出装置が接続される。その場合、上位の電子制御装置(ECU)は、通信により配下の絶縁状態検出装置から必要に応じて計測結果である地絡抵抗値を取得し、この情報を診断して最終的な診断結果を出力することになる。
一方、実際の車両においては、絶縁状態検出装置が地絡抵抗を計測する環境が様々に変化する可能性がある。例えば、車両のバッテリーの充放電に伴って電源電圧が変化すると、検出される地絡抵抗にも変化が現れる。また、例えば車両上の各機器が作動する時に、一時的に地絡抵抗が低下する可能性も考えられる。また、例えば降雨などの天候の変化や、温度、湿度等の変化に伴って地絡抵抗が変化する可能性も考えられる。
車両に標準装備されている電子制御装置(ECU)は、車両上で取得可能な様々な情報に基づいて最終的な診断を行うことが可能なので、地絡抵抗についても信頼性の高い診断結果を出力することが可能である。
しかしながら、上記のような絶縁状態検出装置はそれ自身の定めた独自のタイミングで計測および計算を実施しているにもかかわらず、上位の電子制御装置(ECU)は、計測結果の地絡抵抗のデータだけしか受け取ることができない。
例えば、絶縁状態検出装置は、地絡抵抗を計測した後で計測に適さない状況に変化したことを認識すると、計測を中止し、最後に計測した地絡抵抗のデータを上位の電子制御装置に渡す可能性がある。従って、上位の電子制御装置は、配下の絶縁状態検出装置から受け取った地絡抵抗のデータが最新の計測データなのか、古い計測データなのかを区別することができない。つまり、上位の電子制御装置は、配下の絶縁状態検出装置から受け取った地絡抵抗のデータを診断する際に、それ自身(電子制御装置)が意図しているタイミングで計測された地絡抵抗のデータかどうかを知ることができず、診断の誤りが生じる可能性がある。例えば、上位の電子制御装置が計測は無効とみなしているタイミングで計測された古いデータであるにもかかわらず、絶縁状態検出装置から受け取ったデータを信頼できる最新のデータとみなして診断を実行する可能性がある。
従って、例えば地絡抵抗を計測した時刻を表す情報を絶縁状態検出装置から上位の電子制御装置に送信することが考えられる。しかし、時刻(時、分、秒等)の情報を扱うためには地絡抵抗よりも多くのビット数を必要とするので無駄が多くなる。更に、絶縁状態検出装置側の時刻と、上位の電子制御装置側の時刻を何らかの方法で予め同期させておかないと正しい時刻を把握することができない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、最終的な診断を行う上位の電子制御装置が、地絡抵抗のデータの実際の計測タイミングを把握するために役立つ情報を送出することが可能な絶縁状態検出装置を提供することにある。
前述した目的を達成するために、本発明に係る絶縁状態検出装置は、下記(1)〜(7)を特徴としている。
(1) 所定の高圧直流電源出力の正極側電源ライン及び負極側電源ラインとそれぞれ接続される正極側入力端子及び負極側入力端子と、接地電極とを有し、フライングキャパシタの充電電圧に基づいて前記正極側電源ライン及び負極側電源ラインと前記接地電極との間の絶縁状態を把握する絶縁状態検出装置であって、
前記フライングキャパシタの充電電圧に関する計測値に基づいて、前記正極側電源ライン及び負極側電源ラインと前記接地電極との間の絶縁抵抗値を算出する地絡抵抗値算出部と、
前記計測値に影響を及ぼす少なくとも1つの計測条件について異常の有無を識別する計測状態識別部と、
タイミング情報を生成すると共に、地絡抵抗値算出部が新たな絶縁抵抗値を算出する毎に前記タイミング情報の値を所定値ずつ自動的に更新し、更に前記計測状態識別部の識別状態を前記タイミング情報の値に反映するタイミング情報生成部と、
前記地絡抵抗値算出部が算出した絶縁抵抗値および前記タイミング情報生成部が生成した前記タイミング情報を上位の制御装置に対して送信する情報送信部と、
を備えること。
(2) 上記(1)に記載の絶縁状態検出装置であって、
前記計測状態識別部は、所定の計測禁止状態を検出した時に、または前記計測禁止状態が解除された時に、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値を初期化し、
前記地絡抵抗値算出部は、前記計測禁止状態においては、新たな絶縁抵抗値の算出を中止すること。
(3) 上記(1)に記載の絶縁状態検出装置であって、
前記計測状態識別部は、所定の計測異常状態を検出している時には、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値の更新を中止して同じ値に維持し、
前記地絡抵抗値算出部は、前記計測異常状態においては、新たな絶縁抵抗値の算出を中止すること。
(4) 上記(1)に記載の絶縁状態検出装置であって、
前記計測状態識別部は、一時的な計測異常状態を検出している時には、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値の更新を中止し、正常な状態に戻るまでは前記タイミング情報を同じ値に維持し、
前記地絡抵抗値算出部は、前記一時的な計測異常状態になってから正常な状態に戻るまでの間は、新たな絶縁抵抗値の算出を中止すること。
(5) 上記(1)に記載の絶縁状態検出装置であって、
前記計測状態識別部は、車両から送出されるイグニッション信号によるリセット状態を検出した時に、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値を初期化すること。
(6) 上記(1)に記載の絶縁状態検出装置であって、
前記情報送信部は、前記地絡抵抗値算出部が新たな絶縁抵抗値の算出を中止している状態では、一定の時間を経過する毎に、最後に算出された絶縁抵抗値の情報を、前記タイミング情報と共に送出すること。
(7) 上記(1)に記載の絶縁状態検出装置であって、
前記計測状態識別部は、所定の条件における前記フライングキャパシタの電圧の計測値に基づき、少なくとも前記正極側電源ライン又は負極側電源ラインに印加される電源電圧の異常を検出すること。
上記(1)の構成の絶縁状態検出装置によれば、上位の制御装置は、絶縁抵抗値および前記タイミング情報生成部が生成した前記タイミング情報を受け取ることができる。また、状況の変化に応じて前記計測状態識別部の識別状態が前記タイミング情報に反映されるので、上位の制御装置は、それ自身が把握しているタイミングと前記タイミング情報の値とを対応付け、同期させることが可能である。また、前記タイミング情報の値は地絡抵抗値算出部が新たな絶縁抵抗値を算出する毎に更新するので、この情報のビット数を最小限に抑制することができる。
上記(2)の構成の絶縁状態検出装置によれば、上位の制御装置は、受け取った前記タイミング情報の値により、計測動作を開始又は再開してから何番目のタイミングで計測された絶縁抵抗値が得られたのかを知ることができる。
上記(3)の構成の絶縁状態検出装置によれば、所定の計測異常状態において計測が中止されている時には、前記タイミング情報が同じ値のまま変化しなくなる。従って、上位の制御装置は、受け取った前記タイミング情報の値により、計測動作は中止状態であって、絶縁抵抗値は古いデータのまま更新されていないことを把握できる。
上記(4)の構成の絶縁状態検出装置によれば、一時的な計測異常状態において正常に戻るまで計測動作の待機をしている時には、前記タイミング情報が同じ値のまま変化しなくなる。従って、上位の制御装置は、受け取った前記タイミング情報の値により、計測動作は中止状態であって、絶縁抵抗値は古いデータのまま更新されていないことを把握できる。
上記(5)の構成の絶縁状態検出装置によれば、車両のイグニッションがオンになった時を基準のタイミングとして、前記タイミング情報の値を決定することができる。上位の制御装置においてもイグニッション信号を監視できるので、上位の制御装置はそれ自身が把握しているタイミングと絶縁状態検出装置の計測のタイミングとをイグニッション信号により同期させることができる。
上記(6)の構成の絶縁状態検出装置によれば、異常が生じていない時に計測された最後の絶縁抵抗値の情報を常に送出することができる。また、上位の制御装置は定期的に絶縁状態検出装置から情報を受け取ることができるので、絶縁状態検出装置が動作していることを把握できる。
上記(7)の構成の絶縁状態検出装置によれば、電源電圧に異常が発生している時に、それを検出し、計測を中止することができる。従って、信頼性の乏しい絶縁抵抗値の情報が送出されるのを防止できる。
本発明の絶縁状態検出装置によれば、最終的な診断を行う上位の電子制御装置が、地絡抵抗のデータの実際の計測タイミングを把握するために役立つ情報を送出することができる。
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という。)を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
図1は、車両に搭載された絶縁状態検出装置およびその周辺回路の構成を示す電気回路図である。 図2は、図1に示した絶縁状態検出装置の制御動作に関するメインフローを示すフローチャートである。 図3は、図1に示した絶縁状態検出装置における地絡情報ID初期化処理を示すフローチャートである。 図4は、図1に示した絶縁状態検出装置の動作例(1)を示すタイムチャートである。 図5は、図1に示した絶縁状態検出装置の動作例(2)を示すタイムチャートである。 図6は、図1に示した絶縁状態検出装置の動作例(3)を示すタイムチャートである。 図7は、図1に示した絶縁状態検出装置における動作状態の変化を示す状態遷移図である。 図8は、図1に示した絶縁状態検出装置におけるフライングキャパシタの充放電制御タイミングの具体例を示すタイムチャートである。 図9は、図1に示した上位ECU40の動作例を示すフローチャートである。
本発明の絶縁状態検出装置に関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
<システムの構成例>
<全体の構成および動作の概要>
車両に搭載された絶縁状態検出装置10およびその周辺回路の構成を図1に示す。図1に示したシステムは、例えば電気自動車、あるいは駆動源としてエンジンおよび電気モータを備えたハイブリッド自動車のような車両に搭載される。
車載直流高圧電源50は、例えば200V程度の高電圧の直流電力を出力する。車載直流高圧電源50が出力する電力により、車両の推進力を発生する電気モータを駆動することができる。
車載直流高圧電源50の出力の正極側電源ライン111と接地電極103との間は電気的に絶縁されている。また、負極側電源ライン112と接地電極103との間も電気的に絶縁されている。接地電極103は、車両の車体などのアース部分に相当する。ここで、正極側電源ライン111と接地電極103との間の絶縁状態を地絡抵抗RLpとして表すことができる。また、負極側電源ライン112と接地電極103との間の絶縁状態を地絡抵抗RLnとして表すことができる。
また、コモンモードノイズを低減するために、図1に示すように、正極側電源ライン111と接地電極103との間にYコンデンサ101を接続し、負極側電源ライン112と接地電極103との間にYコンデンサ102を接続してある。
本実施形態においては、必要に応じていつでも車両の絶縁状態を監視できるように、絶縁状態検出装置10がセンサとしてこの車両に装備してある。すなわち、車載直流高圧電源50の出力における地絡抵抗RLp、RLnを検出し絶縁状態を把握するために絶縁状態検出装置10を用いる。
従って、図1に示すように、絶縁状態検出装置10の正極側入力端子13及び負極側入力端子14をそれぞれ正極側電源ライン111及び負極側電源ライン112と接続してある。また、絶縁状態検出装置10の接地電極15は、接地電極103と接続してある。
地絡抵抗の計測結果に基づいて、絶縁状態検出装置10自体が地絡抵抗に関する異常の有無を識別することも可能である。しかし、本実施形態では上位ECU(電子制御装置)40が車両の状態および様々な情報に基づいて、地絡抵抗の異常の有無に関する最終的な判断を実施する。
従って、絶縁状態検出装置10と上位ECU40との間でデータ通信ができるように、絶縁状態検出装置10の出力コネクタ21の出力を、車両上通信線45を介して上位ECU40と接続してある。
後述するように、絶縁状態検出装置10は計測結果の地絡抵抗値の情報を定期的に上位ECU40に送信することができる。また、絶縁状態検出装置10は、該当する地絡抵抗値の計測タイミングを表す地絡情報IDを地絡抵抗値と共に送信することができる。更に、絶縁状態検出装置10は、それ自身の状態を表す各種のステータス情報も上位ECU40に送信することができる。
<絶縁状態検出装置10の構成例>
図1に示すように、絶縁状態検出装置10の回路にはフライングキャパシタとして動作する検出用コンデンサC1が設けてある。また、検出用コンデンサC1の充電及び放電を制御するために、その周辺に5つのスイッチング素子S1〜S5が設けてある。これらのスイッチング素子S1〜S5の各々は、例えば光MOSFETのように、絶縁された信号の制御によって接点の開閉(オフ/オン)状態を切替可能なスイッチである。
スイッチング素子S1は、一端が配線31を介して正極側入力端子13と接続され、他端が配線33と接続されている。スイッチング素子S2は、一端が配線32を介して負極側入力端子14と接続され、他端が配線34と接続されている。
スイッチング素子S3は、一端が配線33と接続され、他端が配線35と接続されている。スイッチング素子S4は、一端が配線34と接続され、他端が抵抗器R4を介して接地電極15と接続されている。
検出用コンデンサC1は、負極側端子が配線34と接続されている。検出用コンデンサC1の正極側端子は、ダイオードD0及び抵抗器R1で構成される直列回路を介して配線33と接続されている。また、検出用コンデンサC1の正極側端子は、ダイオードD1及び抵抗器R6で構成される直列回路を介して配線33と接続されている。
スイッチング素子S5は、一端がダイオードD1のカソードと接続され、他端が抵抗器R5を介して接地電極15と接続されている。配線35は抵抗器R3を介して接地電極15と接続されている。
マイクロコンピュータ(CPU)11は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、絶縁状態検出装置10に必要とされる各種制御を実行する。具体的には、マイクロコンピュータ11は、スイッチング素子S1〜S5を個別に制御して検出用コンデンサC1の充電及び放電を制御する。また、マイクロコンピュータ11は検出用コンデンサC1の充電電圧に相当するアナログレベルを、配線36を介して入力し、この入力レベルに基づいて計算を行い、地絡抵抗RLp及びRLnを把握する。
絶縁状態検出装置10の入力端子22および23には、それぞれイグニッション信号IGSおよび外部制御信号CONが印加される。イグニッション信号IGSは、車両のイグニッションスイッチのオンオフ状態を表す電気信号である。外部制御信号CONは、他の装置が必要に応じて絶縁状態検出装置10を制御するために使用することができる。イグニッション信号IGSおよび外部制御信号CONは、入力回路(I/F)20を介してマイクロコンピュータ11の入力ポートに印加される。
マイクロコンピュータ11は、シリアル通信インタフェースを内蔵している。シリアル通信において使用するマイクロコンピュータ11の信号線は、出力コネクタ21と接続されている。従って、マイクロコンピュータ11は上位ECU40との間でデータ通信することができる。
<地絡抵抗の計測>
<検出用コンデンサ(フライングキャパシタ)C1の充放電の説明>
<切り替えのタイミング>
計測時のスイッチング素子S1〜S5の切り替えタイミングの具体例を図8に示す。すなわち、地絡抵抗RLp及びRLnの計測を実施する際には、図8に示すような基本計測サイクルのスケジュールに従ってマイクロコンピュータ11がスイッチング素子S1〜S5のオンオフを制御し、地絡抵抗の算出に必要な計測値を取得する。
図8に示した基本計測サイクルは、「V0充電」、「計測」、「放電」、「Vc1−充電」、「計測」、「放電」、「V0充電」、「計測」、「放電」、「Vc1+充電」、「計測」、「放電」の各区間の連なりにより構成されている。
時刻t1−t2の「V0充電」区間においては、スイッチング素子S1及びS2がオン(接点閉)になり、他のスイッチング素子はオフ(接点開)になる。時刻t2−t3の「計測」区間においては、スイッチング素子S3、S4がオンになり、他のスイッチング素子はオフになる。
時刻t3−t4の「放電」区間においては、スイッチング素子S4、S5がオンになり、他のスイッチング素子はオフになる。時刻t4−t5の「Vc1−充電」区間においては、スイッチング素子S1、S4がオンになり、他のスイッチング素子はオフになる。
時刻t5−t6の「計測」区間は、時刻t2−t3の「計測」区間と同様である。また、時刻t6−t7の「放電」区間は、時刻t3−t4の「放電」区間と同様である。時刻t7−t8の「V0充電」区間は、時刻t1−t2の「V0充電」区間と同様である。続く時刻t8−t9の「計測」区間は、時刻t2−t3の「計測」区間と同様である。また、時刻t9−t10の「放電」区間は、時刻t3−t4の「放電」区間と同様である。
時刻t10−t11の「Vc1+充電」区間においては、スイッチング素子S2、S3がオンになり、他のスイッチング素子はオフになる。時刻t11−t12の「計測」区間は、時刻t2−t3の「計測」区間と同様である。また、時刻t12−t13の「放電」区間は、時刻t3−t4の「放電」区間と同様である。
<計測サイクルの各区間の通電経路及び動作>
「V0充電」区間:
スイッチング素子S1の接点が閉になるので、正極側電源ライン111から正極側入力端子13、配線31、スイッチング素子S1、ダイオードD0、抵抗器R1を通って検出用コンデンサC1の正極側端子に電流が流れる。また、スイッチング素子S2の接点が閉になるので、検出用コンデンサC1の負極側端子から、配線34、スイッチング素子S2、配線32、負極側入力端子14、負極側電源ライン112へ電流が流れる。従って、この電流により検出用コンデンサC1に電荷が充電される。
「計測」区間:
スイッチング素子S4の接点が閉になるので、検出用コンデンサC1の負極側端子が、抵抗器R4を介して接地電極15と接続される。また、スイッチング素子S3の接点が閉になるので、検出用コンデンサC1の正極側端子が、ダイオードD1、抵抗器R6、スイッチング素子S3、配線35、入力回路20、配線36を介してマイクロコンピュータ11のアナログ入力ポートと接続される。従って、マイクロコンピュータ11は、検出用コンデンサC1の充電電圧に比例したアナログレベルを検出することができる。
「放電」区間:
スイッチング素子S4の接点が閉になるので、検出用コンデンサC1の負極側端子が、抵抗器R4を介して接地電極15と接続される。また、スイッチング素子S5の接点が閉になるので、検出用コンデンサC1の正極側端子が、ダイオードD1、スイッチング素子S5、抵抗器R5を介して接地電極15と接続される。従って、検出用コンデンサC1に蓄積された電荷は放電する。
「Vc1−充電」区間:
スイッチング素子S1の接点が閉になるので、正極側電源ライン111から正極側入力端子13、配線31、スイッチング素子S1、ダイオードD0、抵抗器R1を通って検出用コンデンサC1の正極側端子に電流が流れる。また、スイッチング素子S4の接点が閉になるので、検出用コンデンサC1の負極側端子から、スイッチング素子S4、抵抗器R4、接地電極15、接地電極103、地絡抵抗RLnを通って負極側電源ライン112に電流が流れる。この電流により、検出用コンデンサC1に電荷が充電される。この時の充電電圧は、地絡抵抗RLnの影響を反映した結果になる。
「Vc1+充電」区間:
スイッチング素子S3の接点が閉になるので、正極側電源ライン111から地絡抵抗RLp、接地電極103、接地電極15、抵抗器R3、スイッチング素子S3、ダイオードD0、抵抗器R1を通って、検出用コンデンサC1の正極側端子に電流が流れる。また、スイッチング素子S2の接点が閉になるので、検出用コンデンサC1の負極側端子から、配線34、スイッチング素子S2、配線32、負極側入力端子14、負極側電源ライン112へ電流が流れる。この電流により、検出用コンデンサC1に電荷が充電される。この時の充電電圧は、地絡抵抗RLpの影響を反映した結果になる。
<基本的な地絡抵抗の計測動作>
図1に示した絶縁状態検出装置10の動作に関しては、基本的には以下の関係式が成立する。
(RLp+RLn)/(RLp×RLn)={(Vc1+)+(Vc1−)}/Vc1
但し、
Vc1:車載直流高圧電源50の出力電圧に応じた検出用コンデンサC1の充電電圧
Vc1−:負側の地絡抵抗RLnの影響を受けた検出用コンデンサC1の充電電圧
Vc1+:正側の地絡抵抗RLpの影響を受けた検出用コンデンサC1の充電電圧
RLp,RLn:各地絡抵抗の抵抗値
従って、マイクロコンピュータ11は、各状態でアナログ入力ポート(A/D1)に入力される信号レベルから各充電電圧「Vc1」、「Vc1−」、「Vc1+」を把握し、上記関係式に基づいて地絡抵抗RLp、RLnを算出することが可能である。
<地絡抵抗の計測に影響を及ぼす事象の具体例>
(1)例えば、車載直流高圧電源50が出力する電源電圧が異常に高い場合、電源電圧が異常に低い場合、あるいは電源電圧の変動が大きい場合のような状況では、地絡抵抗を計測する環境が通常と異なるため信頼性の高い地絡抵抗値が得られない可能性がある。例えば、車両外部から車載直流高圧電源50に対して充電する場合、一時的に大きな負荷がかかった場合、特別な装置が動作している場合などにこのような状況が生じると考えられる。
(2)絶縁状態検出装置10の内部で故障や異常な動作が発生した場合には、計測値に異常が発生するので、正しい地絡抵抗を検出できない。例えば、スイッチング素子S1〜S5等のデバイスの故障、マイクロコンピュータ11のA/D変換機能の故障、マイクロコンピュータ11の動作の異常、検出用コンデンサC1の劣化などの場合に、信頼性の高い地絡抵抗が得られなくなる。
(3)また、例えば車両上の各機器が作動する時に、一時的に地絡抵抗が低下する可能性も考えられる。また、例えば降雨などの天候の変化や、温度、湿度等の変化に伴って地絡抵抗が一時的に変化する可能性も考えられる。
<地絡抵抗の診断の信頼性を上げるための制御>
絶縁状態検出装置10の内部では、それ自身の故障および劣化を把握したり、車載直流高圧電源50が出力する電圧の異常を検出することができるので、そのような時には地絡抵抗の計測を中止したり、異常の発生を外部に知らせることもできる。
一方、上位ECU40においては、絶縁状態検出装置10から受け取った地絡抵抗の情報を利用して、地絡抵抗の異常の有無に関する最終的な診断を行うことになる。上位ECU40は、絶縁状態検出装置10が知ることのできる情報の他に、様々な車両の状態を把握することができるので、より精度の高い地絡抵抗の診断を行うことができる。
しかし、上位ECU40と絶縁状態検出装置10とがそれぞれ独立したタイミングで動作しているので、地絡抵抗の診断に問題が生じる可能性がある。例えば、絶縁状態検出装置10が地絡抵抗の計測を中止している状態で、過去に計測された古い地絡抵抗のデータを送信している場合にも、上位ECU40は受け取ったデータを最新の地絡抵抗のデータと誤認する可能性がある。このように、上位ECU40が把握している計測のタイミングと実際の計測タイミングとがずれていると、診断の信頼性が低下する。
従って、後述するように、図1に示した絶縁状態検出装置10は、実際の計測のタイミングを表す地絡情報IDを、地絡抵抗のデータと共に上位ECU40に対して送信する。これにより、上位ECU40は地絡抵抗の実際の計測タイミングを把握することが可能であり、診断の信頼性を高めることができる。
<絶縁状態検出装置10における制御動作>
<マイクロコンピュータ11の処理の内容>
図1に示した絶縁状態検出装置の制御動作に関するメインフローを図2に示す。また、図1に示した絶縁状態検出装置における地絡情報ID初期化処理を図3に示す。すなわち、マイクロコンピュータ11が図2および図3に示した処理を実行する。また、図3に示した処理については、一定時間毎に繰り返し実行される。
絶縁状態検出装置10の電源がオンになると、マイクロコンピュータ11は所定の初期化処理を実行した後、図2のステップS11から処理を開始する。S11では、マイクロコンピュータ11は、内部メモリ上に割り当てた「計測禁止フラグ」の状態を参照し、計測禁止中か否かを識別する。計測禁止中でなければ次のS12に進み、計測禁止中であればS21に進む。
ステップS12では、マイクロコンピュータ11は電圧計測スケジュールを実行する。すなわち、図8に示したようなタイミングで各スイッチング素子S1〜S5を制御しながら、検出用コンデンサC1の電圧(V0、Vc1−、Vc1+)を計測する。
ステップS13では、マイクロコンピュータ11は車載直流高圧電源50が出力する電源電圧(高電圧)に関する異常の有無を識別する。具体的には、S12で計測された電圧V0を所定の閾値と比較することにより、異常か否かを識別する。高電圧の異常を検出した場合はS14に進み、異常でない場合はS15に進む。
ステップS14では、マイクロコンピュータ11は、高電圧が正常に戻るまで、S12の計測動作を継続しながら待機する。
ステップS15では、マイクロコンピュータ11は絶縁状態検出装置10内部における故障や劣化の有無について識別する。実際には、S12を実行している時の各タイミングで計測した電圧を所定の閾値と比較することによりスイッチング素子S1〜S5等の故障、検出用コンデンサC1の劣化などを検出することができる。故障を検出した場合はS16に進み、正常である場合はS17に進む。
ステップS16では、マイクロコンピュータ11は計測禁止状態に切り替えるために「計測禁止フラグ」をセットして、S21に進む。
ステップS17では、マイクロコンピュータ11は、地絡抵抗の計算に必要な全ての計測値(V0、Vc1−、Vc1+)の取得が完了したか否かを識別し、完了の場合はS18に進み、完了していない場合はS21に進む。
ステップS18では、マイクロコンピュータ11は取得した最新の計測値(V0、Vc1−、Vc1+)を所定の計算式に代入して、地絡抵抗値を算出する。
ステップS19では、マイクロコンピュータ11は、S18で算出した地絡抵抗値を所定の閾値と比較することにより、地絡抵抗の異常の有無を識別する。
ステップS20では、マイクロコンピュータ11は、地絡抵抗の計測タイミングを表す「地絡情報ID」の値を更新する。すなわち、更新前の「地絡情報ID」の値に「+1」を加算した結果を更新後の「地絡情報ID」の値とする。本実施形態では、「地絡情報ID」を表現するために7ビットのメモリを割り当てている。従って、「地絡情報ID」については10進数で0〜127の範囲の値を表現することができる。「地絡情報ID」の値が「127」の時にS20を実行すると、「地絡情報ID」の値は更新されて「0」に戻る。そして、「地絡情報ID」の値はS20を実行する毎に1、2、3、4、・・・と変化する。
ステップS21では、マイクロコンピュータ11は、事前に定めた一定の時間を経過したか否かを識別する。一定の時間を経過した時にはS22に進み、それ以外のタイミングではS11に戻る。前記一定の時間の具体例としては、1秒間に定めることができる。つまり、1秒間を経過する毎に次のS22が定期的に実行される。
ステップS22では、マイクロコンピュータ11は、それ自身に内蔵されているシリアル通信機能を利用し、上位ECU40に対するデータ送信を実行する。ここで送信するデータには、S18で最後に算出した地絡抵抗値と、S20で最後に更新した「地絡情報ID」と、ステータス情報とが含まれる。ステータス情報については、S13で検出される高電圧の異常の有無や、S15で検出される各部の故障発生の情報や、「計測禁止フラグ」の情報などを含めることができる。
一方、定期的に実行される図3のステップS31では、マイクロコンピュータ11は、イグニッション信号IGSを参照し、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わった直後か否かを識別する。イグニッションスイッチがオンになった時にはS32に進み、それ以外のタイミングではS33に進む。
ステップS32では、マイクロコンピュータ11は、計測禁止状態を解除するために前述の「計測禁止フラグ」をリセットし、次にS37に進む。
ステップS33では、マイクロコンピュータ11は、所定の「計測禁止イベント」が発生したか否かを識別し、これが発生した直後はS34に進み、それ以外のタイミングではS35に進む。
実際には、例えば、次のいずれかの条件を満たす場合にマイクロコンピュータ11は「計測禁止イベント」が発生したとみなす。
(1)マイクロコンピュータ11が把握している絶縁状態検出装置10の状態について「計測禁止イベント」に該当する状況が生じた場合。
(2)外部制御信号CONの状態の切り替えにより、外部から「計測禁止」を指示された場合。
(3)通信により上位ECU40からマイクロコンピュータ11が「計測禁止」の命令を受信した場合。
ステップS34では、マイクロコンピュータ11は、計測禁止状態に切り替えるために前述の「計測禁止フラグ」をセットする。また、送信対象データの地絡抵抗値RLを保持するバッファに初期値を格納する。そして、次にS37に進む。
ステップS35では、マイクロコンピュータ11は、所定の「計測再開イベント」が発生したか否かを識別し、これが発生した直後はS36に進み、それ以外のタイミングでは図3の処理を終了する。
ステップS36では、マイクロコンピュータ11は、計測禁止状態を解除するために前述の「計測禁止フラグ」をリセットし、次にS37に進む。
ステップS37では、マイクロコンピュータ11は、「地絡情報ID」に初期値を代入する。本実施形態では初期値は「0」とする。
<動作の具体例>
<動作例(1)>
図1に示した絶縁状態検出装置の動作例(1)を図4に示す。
この動作例においては、図3のS33で検出される計測禁止イベントおよびS35で検出される計測再開イベントに従って、絶縁状態検出装置10の動作が変化する場合を想定している。すなわち、図4に示す動作信号の「ACTION」から「STOP」への切り替わりが計測禁止イベントの発生を表し、動作信号の「STOP」から「ACTION」への切り替わりが計測再開イベントの発生を表している。
図4に示す時間帯T1においては、まだ計測禁止イベントが発生していないので、計測スケジュールが実行され、前述の電圧(V0、Vc1−、Vc1+)が計測される。なお、図4中の「VC1P」および「VC1N」は、それぞれ前述の電圧「Vc1+」、「Vc1−」に相当する。
図4中のステップS211では、直前に計測した電圧(V0、Vc1−、Vc1+)に基づいて、マイクロコンピュータ11が最新の地絡抵抗値(RL6:ここでは6番目の値であることを想定)を算出する(図2のS18)。
また、計測禁止イベントの発生前に、所定のタイミングになると、次のステップS213でマイクロコンピュータ11は最後の計測結果のデータを上位ECU40に送信する。S211、S212が実行される前であれば、5番目に計測した地絡抵抗値(RL5)およびその計測タイミングに相当する地絡情報ID(ID:5)が送信される。また、ステータス情報の一部分として、「動作情報Action=0」つまり計測禁止状態でないこと(動作信号=「ACTION」の状態)を表す情報も送信される。
計測禁止イベントが発生すると、図4に示す時間帯T2のように、計測スケジュールの処理は、検出用コンデンサC1を放電した後で停止状態になる。また、マイクロコンピュータ11は地絡情報IDおよび地絡抵抗値を初期値にリセットする(図3のS33−S34−S37)。
時間帯T2において、データを送信するタイミングになると、ステップS214でマイクロコンピュータ11は地絡抵抗値(初期値)、地絡情報ID、およびステータス情報を送信する。この場合の地絡情報IDの内容は、計測禁止イベントの発生により初期値にリセットされているので、初期値「0」である。
また、計測禁止中は図2のS20が実行されないため、時間帯T2において地絡情報IDの内容は初期値のまま変化しない。また、計測禁止中は図2のS18が実行されないため、出力する地絡抵抗値は初期値のまま変化しない。
計測再開イベントが発生し、時間帯T2からT3に移行すると、図4に示すように計測スケジュールの処理が再び開始される。そして、計算に必要な電圧(V0、Vc1−、Vc1+)の計測値が揃うと、ステップS215でマイクロコンピュータ11は最新の地絡抵抗値(RL1)を算出する(図2のS18)。
また、地絡抵抗値を算出した後で、地絡情報IDの内容を初期値の「0」から「1」に更新する(S20)。この更新の後で所定のタイミングになると、マイクロコンピュータ11はステップS217でデータを送信する。このデータには、最後に算出した地絡抵抗値(RL1)と、現在の地絡情報ID(ID=1)と、ステータス情報とが含まれる。
<動作例(2)>
図1に示した絶縁状態検出装置の動作例(2)を図5に示す。
この動作例においては、絶縁状態検出装置10の内部でスイッチング素子S1〜S5等の故障が発生した場合を想定している。すなわち、図5に示す例では、時間帯T1の間はスイッチング素子S1〜S5の状態が正常であるが、時間帯T2において故障の発生が検出(図2のS15)されている。
図5に示すように、故障が発生していない時間帯T1においては、計測スケジュールの処理が実行され、ステップS221で最新の地絡抵抗値が算出され、ステップS223で地絡情報IDの内容が更新される。また、ステップS223で地絡抵抗値(RL6)および地絡情報ID(ID=6)を含むデータが送信される。
そして、故障の発生が検出されると、図5中の時間帯T2のように計測スケジュールの処理が停止する。また、地絡抵抗値の算出処理も停止し、更に地絡情報IDの更新も停止する。但し、所定の時間が経過する毎に、更新された最後のデータがマイクロコンピュータ11により送信される。
例えば、図5に示すステップS224、S225、S226のいずれにおいても、地絡抵抗値としてS221で算出された6番目のRL6が送信され、地絡情報IDとして同じ値(ID=6)が送信される。また、ステータス情報の一部として、故障箇所を表すスイッチ情報(SW=1)が送信される。スイッチ情報(SW=1)はスイッチング素子S1〜S5が異常であることを表し、(SW=0)はスイッチング素子S1〜S5が正常であることを表す。
つまり、図2に示したステップS16で計測禁止フラグがセットされた後は、ステップS12が実行されないため計測スケジュールの処理が停止する。また、図2のステップS18が実行されないため地絡抵抗値の算出が停止し、ステップS20が実行されないため地絡情報IDの更新が停止する。
<動作例(3)>
図1に示した絶縁状態検出装置の動作例(3)を図6に示す。
この動作例においては、一時的な異常状態が発生したため、一時的に処理の実行を待機する場合を想定している。具体的には、車載直流高圧電源50の出力する高電圧に異常が発生した場合である。
図6に示す例では、時間帯T1で検出用コンデンサC1の電圧V0を計測した時には正常な電圧が検出されているが、時間帯T2では異常な電圧が検出されている。このような電圧の異常が発生すると、図2に示したステップS13からS14に進み、待機状態になる。
図6の例では、時間帯T2、T3、T4でそれぞれ電圧の異常が検出され、時間帯T5で正常な電圧に復帰している。従って、時間帯T2、T3、T4では計測動作を待機し、時間帯T5から計測を再開する。
また、時間帯T2、T3、T4のように計測動作の待機状態になっている時には、抵抗値の算出処理は一時的に停止し、地絡情報IDの更新も停止する。データの送信は一定時間を経過する毎に実行されるが、送信するデータ(地絡抵抗値RL、地絡情報ID)の内容は待機中の期間は変化しない。
計測した電圧V0が正常状態に復帰し、計測を再開した後、地絡抵抗値の算出に必要な計測値が揃うと、再び地絡抵抗値の算出処理が実行される(S231)。また、地絡抵抗値の算出処理を実行した後で、地絡情報IDが更新される(S232)。この後でデータ送信のタイミングになると、最後に算出した地絡抵抗値(RL7)および更新された地絡情報ID(ID=7)が送信される(S233)。
<地絡情報IDの状態遷移の説明>
図1に示した絶縁状態検出装置における動作状態の変化を図7に示す。
図7に示すように、パワーオンリセットのイベント(event0)が発生すると、地絡検出機能の起動状態(State0)になる。この時、イベント(event0)に従って地絡情報IDが初期値(0)にリセットされる。実際には、イグニッションスイッチがオンになった時に、図3のS31−S32−S37が実行されて、地絡情報IDがリセットされる。
また、地絡検出機能を起動状態から停止状態に切り替えるイベント(event1)が発生すると、地絡検出機能の停止状態(State1)になる。また、イベント(event1)に従って、地絡情報IDが初期値(0)にリセットされる。実際には、図3のステップS33で計測禁止イベントの発生を検出すると、S34−S37が実行され、地絡情報IDがリセットされる。
また、地絡検出機能を停止状態から起動状態に切り替えるイベント(event2)が発生すると、地絡検出機能の起動状態(State0)に戻る。また、イベント(event2)に従って、地絡情報IDが初期値(0)にリセットされる。実際には、図3のステップS35で計測再開イベントの発生を検出すると、S36−S37が実行され、地絡情報IDがリセットされる。
また、地絡検出機能の起動状態(State0)においては、地絡抵抗の算出処理の実行に伴って地絡情報IDの値が、1,2,3,・・・,127,1,2,・・・と更新される。
<上位ECU40の動作例>
図1に示した上位ECU40の動作例を図9に示す。すなわち、上位ECU40が地絡検出の処理を行う場合に、図9の処理を実行する。図9に示す動作について以下に説明する。
ステップS101では、上位ECU40は地絡抵抗を計測するための装備が存在するか否かを識別する。すなわち、図1のように絶縁状態検出装置10が上位ECU40と接続されており、絶縁状態検出装置10とデータ通信できる状態か否かを識別する。
ステップS102では、上位ECU40は例えば絶縁状態検出装置10から送信されるステータス情報を参照し、地絡抵抗を検出可能な状態か否かを識別する。検出可能な状態であれば次のS103に進む。
ステップS103では、上位ECU40は、データ通信により絶縁状態検出装置10が送出した最新の地絡抵抗値の情報を取得する。この時には、地絡抵抗値と共に、前述の地絡情報IDの値およびステータス情報も受け取ることができる。
ステップS104では、車両上で取得可能な車両の状態に関する様々なパラメータの情報を入手し、地絡抵抗値の判定処理に適した状況か否かを識別する。このパラメータの中には、絶縁状態検出装置10から受け取った地絡情報IDも含まれる。例えば、上位ECU40が受け取った地絡抵抗値の算出タイミングから時間が経過していることが地絡情報IDの値から認識できた場合には、地絡抵抗値の信頼性が低いとみなし、地絡抵抗値の判定処理に適さないと判断することもできる。
なお、絶縁状態検出装置10側のタイミングを表す地絡情報IDの値と、上位ECU40側のタイミングとの同期については、例えば次のようにして行うことが可能である。
(1)イグニッションスイッチがオンになったタイミングを基準として、上位ECU40が地絡情報IDの値に対応するタイミングを把握する。
(2)図7に示したイベント(event1、event2)を発生させるための命令あるいは制御信号(CON)を上位ECU40が絶縁状態検出装置10に与えて、このタイミングを基準として同期をとる。
(3)上位ECU40が絶縁状態検出装置10からのデータの受信を繰り返し、受信した地絡情報IDの値の変化を監視することによりタイミングを把握する。
地絡抵抗値の判定処理に適した状況であると認識した場合には、上位ECU40は次のステップS105で、地絡抵抗の判定を実施する。すなわち、絶縁状態検出装置10から受信した地絡抵抗値を所定の閾値と比較することにより、絶縁抵抗が低下しているか否かを識別する。
絶縁抵抗の低下をS105で検出した場合には、上位ECU40はステップS106で地絡状態であると認識し、例えば警報を出力したり異常発生の表示を行う。絶縁抵抗の低下が生じていないことをS105で認識した場合には、上位ECU40はS107で現在の状況を正常とみなし、正常であることを表す情報を表示する。
<補足説明>
(1)図1に示した絶縁状態検出装置10は、所定の高圧直流電源(50)出力の正極側電源ライン(111)及び負極側電源ライン(112)とそれぞれ接続される正極側入力端子(13)及び負極側入力端子(14)と、接地電極(15)とを有し、フライングキャパシタ(C1)の充電電圧に基づいて前記正極側電源ライン及び負極側電源ラインと前記接地電極との間の絶縁状態を把握する装置である。また、図2に示すように、前記フライングキャパシタの充電電圧に関する計測値に基づいて、前記正極側電源ライン及び負極側電源ラインと前記接地電極との間の絶縁抵抗値を算出する地絡抵抗値算出部(S18)と、前記計測値に影響を及ぼす少なくとも1つの計測条件について異常の有無を識別する計測状態識別部(S11、S13、S15)と、タイミング情報(地絡情報ID)を生成すると共に、地絡抵抗値算出部が新たな絶縁抵抗値を算出する毎に前記タイミング情報の値を所定値ずつ自動的に更新し、更に前記計測状態識別部の識別状態を前記タイミング情報の値に反映するタイミング情報生成部(S20)と、前記地絡抵抗値算出部が算出した絶縁抵抗値および前記タイミング情報生成部が生成した前記タイミング情報を上位の制御装置に対して送信する情報送信部(S22)と、を備えている。
(2)また、前記計測状態識別部は、図3および図4に示すよう所定の計測禁止状態を検出した時(S33)に、または前記計測禁止状態が解除された時(S35)に、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値を初期化し(S37)する。また、図2に示すように、前記地絡抵抗値算出部は、前記計測禁止状態においては、新たな絶縁抵抗値の算出を中止する。
(3)また、前記計測状態識別部は、図2および図5に示すように所定の計測異常状態を検出している時には、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値の更新を中止して同じ値に維持し、前記地絡抵抗値算出部は、前記計測異常状態においては、新たな絶縁抵抗値の算出を中止する。
(4)また、前記計測状態識別部は、図2および図6に示すように、一時的な計測異常状態を検出している時には、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値の更新を中止し、正常な状態に戻るまでは前記タイミング情報を同じ値に維持し、前記地絡抵抗値算出部は、前記一時的な計測異常状態になってから正常な状態に戻るまでの間は、新たな絶縁抵抗値の算出を中止する。
(5)また、前記計測状態識別部は、図3に示すように、車両から送出されるイグニッション信号によるリセット状態を検出した時に、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値を初期化する(S37)。
(6)また、前記情報送信部は、図6に示すように前記地絡抵抗値算出部が新たな絶縁抵抗値の算出を中止している状態では、一定の時間を経過する毎に、最後に算出された絶縁抵抗値の情報を、前記タイミング情報と共に送出する。
(7)また、前記計測状態識別部は、図2および図6に示すように、所定の条件における前記フライングキャパシタの電圧の計測値に基づき、少なくとも前記正極側電源ライン又は負極側電源ラインに印加される電源電圧の異常を検出する(S13)。
10 絶縁状態検出装置
11 マイクロコンピュータ
13 正極側入力端子
14 負極側入力端子
15 接地電極
20 入力回路
21 出力コネクタ
22,23 入力端子
31〜36 配線
40 上位ECU
45 車両上通信線
50 車載直流高圧電源
101,102 Yコンデンサ
103 接地電極
111 正極側電源ライン
112 負極側電源ライン
C1 検出用コンデンサ(フライングキャパシタ)
C2 コンデンサ
D0,D1 ダイオード
R1,R4,R5,R6,R7 抵抗器
RLp,RLn 地絡抵抗
S1,S2,S3,S4,S5 スイッチング素子
IGS イグニッション信号
CON 外部制御信号

Claims (4)

  1. 所定の高圧直流電源出力の正極側電源ライン及び負極側電源ラインとそれぞれ接続される正極側入力端子及び負極側入力端子と、接地電極とを有し、フライングキャパシタの充電電圧に基づいて前記正極側電源ライン及び負極側電源ラインと前記接地電極との間の絶縁状態を把握する絶縁状態検出装置であって、
    前記フライングキャパシタの充電電圧に関する計測値に基づいて、前記正極側電源ライン及び負極側電源ラインと前記接地電極との間の絶縁抵抗値を算出する地絡抵抗値算出部と、
    前記計測値に影響を及ぼす少なくとも1つの計測条件について異常の有無を識別する計測状態識別部と、
    タイミング情報を生成すると共に、地絡抵抗値算出部が新たな絶縁抵抗値を算出する毎に前記タイミング情報の値を所定値ずつ自動的に更新し、更に前記計測状態識別部の識別状態を前記タイミング情報の値に反映するタイミング情報生成部と、
    前記地絡抵抗値算出部が算出した絶縁抵抗値および前記タイミング情報生成部が生成した前記タイミング情報を上位の制御装置に対して送信する情報送信部と、
    を備えることを特徴とする絶縁状態検出装置。
  2. 前記計測状態識別部は、所定の計測禁止状態を検出した時に、または前記計測禁止状態が解除された時に、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値を初期化し、
    前記地絡抵抗値算出部は、前記計測禁止状態においては、新たな絶縁抵抗値の算出を中止する
    ことを特徴とする請求項1に記載の絶縁状態検出装置。
  3. 前記計測状態識別部は、所定の計測異常状態を検出している時には、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値の更新を中止して同じ値に維持し、
    前記地絡抵抗値算出部は、前記計測異常状態においては、新たな絶縁抵抗値の算出を中止する
    ことを特徴とする請求項1に記載の絶縁状態検出装置。
  4. 前記計測状態識別部は、一時的な計測異常状態を検出している時には、前記タイミング情報生成部が生成する前記タイミング情報の値の更新を中止し、正常な状態に戻るまでは前記タイミング情報を同じ値に維持し、
    前記地絡抵抗値算出部は、前記一時的な計測異常状態になってから正常な状態に戻るまでの間は、新たな絶縁抵抗値の算出を中止する
    ことを特徴とする請求項1に記載の絶縁状態検出装置。
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