JP6126930B2

JP6126930B2 - 絶縁状態検出装置

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Publication number: JP6126930B2
Application number: JP2013150154A
Authority: JP
Inventors: 佳浩河村
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2033-07-19
Also published as: CN104297641A; US9817056B2; DE102014214081A1; US20150022219A1; JP2015021845A

Description

本発明は、フライングキャパシタへの充電状態に基づき接地電位に対する地絡や絶縁状態を検出する絶縁状態検出装置に関する。

電気自動車やＰＨＶ（プラグインハイブリット自動車）が実用化され様々な車種が市場に投入されるようになっている。このような車両においては、動力源として電力が利用される。その場合、例えば２００Ｖに高圧化された直流電源を車体から絶縁する必要がある。そして、このような直流電源の接地電位部（接地電位）に対する地絡や絶縁状態を検出する絶縁状態検出装置が重要な役割を果たすことになる。

この種の絶縁状態検出装置として、直流電源により充電されるフライングキャパシタを用いた装置が知られている。この絶縁状態検出装置は、直流電源の正電位や負電位によりフライングキャパシタを充電し、その充電電圧をマイクロコンピュータ（マイコン）等で計測することで、正側や負側の地絡抵抗又は絶縁状態を検出する。

上述のような電気自動車等における通常の漏電計測の際には、誤検知防止の観点から高い計測精度が重要視されている。そのための各種技術が提案されている（例えば特許文献１及び２参照）。例えば、特許文献１に記載の技術では、フライングキャパシタにセラミックコンデンサを用いて計測装置の小型化と絶縁抵抗の計測精度の両立を実現している。また、特許文献２に開示の技術では、測定中のノイズ成分による誤検出の発生を効果的に抑制する技術を実現している。

特開２０１０−２３９８２２号公報特開２０１１−０１７５８６号公報

ところで、特許文献１や特許文献２の技術のように、精度を狙った通常の絶縁状態検出装置（漏電計測手段）では、通常に車両が使用されている状態では特に重要視される技術である。しかしながら、事故等の予期せぬ漏電故障が発生した場合を想定すると、上記のように必ずしも精度を狙った技術だけでは不十分であり、精度を重視した判定技術よりも出来るだけ短時間に、感電の危険性の有無等の重要状況を判定できる技術が望まれていた。

本発明の目的は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決する技術を提供することにある。

本発明は、接地電位部から絶縁された直流電源により地絡抵抗に応じた電圧で充電されるフライングキャパシタと、前記直流電源により充電された後に前記直流電源から絶縁された前記フライングキャパシタを前記フライングキャパシタの充電電圧を計測する計測手段と前記接地電位部との間に直列接続する計測回路とを備え、前記計測手段による前記フライングキャパシタの充電電圧の計測結果に基づき絶縁状態を検出する絶縁状態検出装置であって、
前記絶縁状態の検出対象の機器が起動時である場合又は計測モードが高速計測モードである場合に、前記フライングキャパシタの充電を通常の計測時間より短時間として、負極側地絡抵抗電圧と正極側地絡抵抗電圧の少なくとも一方を計測し、計測結果から絶縁状態の判定を行う計測制御部を備える。
また、前記計測制御部は、前記負極側地絡抵抗電圧と前記正極側地絡抵抗電圧を前記通常の計測時間よりも短時間で計測し、それら計測結果から前記絶縁状態の判定を行ってもよい。
また、前記計測制御部は、計測した前記負極側地絡抵抗電圧と前記正極側地絡抵抗電圧との和が所定値以上の場合に、前記絶縁状態が不適切な状態にあると判断してもよい。

本発明によれば、短時間で絶縁状態が不適切な状態にあるか否かを一定レベルで適切に行うことができる。

発明の実施形態に係る、地絡センサの回路図である。発明の実施形態に係る、通常時の地絡計測サイクルを示すチャート図である。発明の実施形態に係る、動作開始直後または高速計測信号オン時の地絡計測サイクルを示すチャート図である。発明の実施形態に係る、地絡センサを用いた制御例を示すフローチャートである。発明の実施形態に係る、各測定モード時に形成される閉回路図を示している。

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態に係る絶縁計測回路１０の構成を示す回路図である。図示のように、絶縁計測回路１０は、検出回路１１とマイコン１５（判定制御部）とから構成され、検出回路１１に接続される高圧の電源Ｖの絶縁状態を調べることで漏電を検知する。ここでは、電源Ｖの正極側の絶縁抵抗である正極側地絡抵抗ＲＬｐと負極側の絶縁抵抗である負極側地絡抵抗ＲＬｎの絶縁状態を検知する。なお、正極側地絡抵抗ＲＬｐと負極側地絡抵抗ＲＬｎは、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。

マイコン１５は、入力ポートＡＤを備え、入力ポートＡＤに入力された電圧（ＶＣ１ｐ、ＶＣ１ｎ、Ｖ０）をＡＤ変換して計測する電圧計測機能と、後述する検出回路１１に備わる第１から第５のスイッチＳＷ１〜ＳＷ５の開閉を制御する機能を備える。さらに、マイコン１５は、入力ポートＡＤに入力された電圧（ＶＣ１ｐ、ＶＣ１ｎ、Ｖ０）を、所定の計算式、例えば計算式ＶＣ１／Ｖ０で絶縁抵抗換算を行う。なお、マイコン１５は、計算式ＶＣ１／Ｖ０に対応する絶縁抵抗値を所定のテーブルとして備えており、そのテーブルを参照して絶縁状態を判定する。入力ポートＡＤに入力される電圧（ＶＣ１ｐ、ＶＣ１ｎ、Ｖ０）の詳細については後述する。

検出回路１１では、電源Ｖの正極側から負極側に順に、第１のスイッチＳＷ１と、第１の抵抗Ｒ１、フライングキャパシタＣ１、第２の抵抗Ｒ２、第２のスイッチＳＷ２が直列に配置されている。なお、以下の説明で抵抗の値は、符号と同じく表記として説明する（例えば、第１の抵抗Ｒ１では、抵抗値はＲ１とする）。なお、第１のスイッチＳＷ１と第１の抵抗Ｒ１の配置は入れ替わってもよい。同様に、第２のスイッチＳＷ２と第２の抵抗Ｒ２との配置は入れ替わってもよい。また、第１の抵抗Ｒ１の抵抗値と第２の抵抗Ｒ２の抵抗値とは、同値に設定されている。また、第１のスイッチＳＷ１と第１の抵抗Ｒ１との間には図示のように第３のダイオードＤ３が設けられてもよい。

フライングキャパシタＣ１の端子のうち、第１の抵抗Ｒ１と接続される正極側の端子（上流側の端子）から、第１のダイオードＤ１、第３の抵抗Ｒ３、第３のスイッチＳＷ３、第４の抵抗Ｒ４、第５の抵抗Ｒ５、及び第４のスイッチＳＷ４が直列で配置され、フライングキャパシタＣ１の第２の抵抗Ｒ２と接続する端子（下流側の端子）に接続される。さらに、フライングキャパシタＣ１と第１のダイオードＤ１が接続される経路途中の端子点から、放電用スイッチである第５のスイッチＳＷ５と第６の抵抗Ｒ６とが直列で接地電位Ｇに接続される。

第３の抵抗Ｒ３と第３のスイッチＳＷ３とが接続される端子点からフライングキャパシタＣ１の上流側端子に第２のダイオードＤ２が接続されている。つまり、第１のダイオードＤ１と第３の抵抗Ｒ３が接続される経路に並列に、第２のダイオードＤ２が接続される。なお、第１のダイオードＤ１の順方向は、フライングキャパシタＣ１（上流側端子）から第３の抵抗Ｒ３へ向かう方向である。また、第２のダイオードＤ２の順方向は、第３の抵抗Ｒ３からフライングキャパシタＣ１（上流側端子）へ向かう方向である。

さらに、第３のスイッチＳＷ３と第４の抵抗Ｒ４とが接続されている経路途中の端子点と、マイコン１５の入力ポートＡＤとの間には、ＡＤ読み込み用スイッチＳａが配置されている。なお、図示はしないが一般的なデータ読み込み用回路として所定の保護抵抗等が配置される。

また、第４の抵抗Ｒ４と第５の抵抗Ｒ５とが接続されている経路途中の端子点は、接地電位Ｇに接続されている。また、第５の抵抗Ｒ５の抵抗値と第４の抵抗Ｒ４の抵抗値とは、同値に設定されている。

以上の構成による、電源Ｖの絶縁状態の判定手順について図２〜図５を参照して説明する。図２は、通常時の地絡計測サイクルを示すチャート図である。図３は、動作開始直後または高速計測信号オン時の地絡計測サイクルを示すチャート図である。図４は、地絡センサを用いた制御例を示すフローチャートである。図５は各測定モード時に形成される閉回路図を示している。

従来から行われている通常時の計測モード（以下、「通常計測モード」という）の基本動作は、図２に示すように、高圧電圧Ｖ０測定モード（Ｖ０計測）、負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ測定モード（ＶＣ１ｎ計測）、高圧電圧Ｖ０測定モード（Ｖ０計測）、正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐ測定モード（ＶＣ１ｐ計測）、及び絶縁抵抗換算モード（判定モード）を順に実行する。各測定モードの回路動作の詳細は次の通りである。なお、通常時の測定モードにおける充電時間は、フライングキャパシタＣ１がフル充電する時間（第１の所定時間ｔ１）に設定されている。

１）高圧電圧Ｖ０測定モード（Ｖ０計測）：
図５（ａ）の太い破線に示すように、マイコン１５は、第１のスイッチＳＷ１、第２のスイッチＳＷ２を第１の所定時間ｔ１だけオンして、電源Ｖによる電圧Ｖ０（以下、「高圧電圧Ｖ０」という）をフライングキャパシタＣ１に設定する。つぎに、マイコン１５は、第１のスイッチＳＷ１と第２のスイッチＳＷ２をオフして、第３のスイッチＳＷ３及び第４のスイッチＳＷ４をオンすることで、入力ポートＡＤは、フライングキャパシタＣ１に設定された高圧電圧Ｖ０に対応する値（高圧電圧Ｖ０を分圧した値）を計測する。計測が終了すると、マイコン１５は、第３のスイッチＳＷ３をオフし、第４のスイッチＳＷ４と第５のスイッチＳＷ５のみをオンして、フライングキャパシタＣ１の電荷を放電する。

２）負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ測定モード（ＶＣ１ｎ計測）：
図５（ｂ）の太線に示すように、マイコン１５は、第１のスイッチＳＷ１、第４のスイッチＳＷ４をオンして、負極側地絡抵抗ＲＬｎを介して電源Ｖによる電圧（以下、「負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ」）をフライングキャパシタＣ１に設定する。つぎに、マイコン１５は、第２のスイッチＳＷ２をオフし、第４のスイッチＳＷ４をオンすることで、入力ポートＡＤは、フライングキャパシタＣ１に設定された負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎに対応する値（高圧電圧ＶＣ１ｎを分圧した値）を計測する。計測が終了すると、マイコン１５は、第３のスイッチＳＷ３をオフし、第４のスイッチＳＷ４と第５のスイッチＳＷ５のみをオンして、フライングキャパシタＣ１の電荷を放電する。以下、正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐと負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎを区別しないときは、「地絡抵抗電圧ＶＣ１（充電電圧）」という。

３）正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐ測定モード（ＶＣ１ｐ計測）：
図５（ｃ）の太い破線に示すように、マイコン１５は、第２のスイッチＳＷ２及び第３のスイッチＳＷ３をオンして、正極側地絡抵抗ＲＬｐを介した電源Ｖによる電圧（以下、「正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐ」という）をフライングキャパシタＣ１に設定する。つぎに、マイコン１５は、第２のスイッチＳＷ２をオフし、第４のスイッチＳＷ４をオンすることで、入力ポートＡＤは、フライングキャパシタＣ１に設定された正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐに対応する値（正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐを分圧した値）を計測する。計測が終了すると、マイコン１５は、第３のスイッチＳＷ３をオフし、第４のスイッチＳＷ４と第５のスイッチＳＷ５のみをオンして、フライングキャパシタＣ１の電荷を放電する。

４）絶縁抵抗換算モード（判定モード）：
マイコン１５は、上述の計測結果をもとに、所定の絶縁抵抗換算を行う。例えば、片極の絶縁が低下している場合、絶縁側の極の地絡抵抗電圧ＶＣ１（ＶＣ１ｐ又はＶＣ１ｎ）は高くなり、絶縁低下している側は０Ｖとなる。

一般的な公知の技術では、この通常計測モードが車両起動時を含めて実行されている。本実施形態で特徴的な構成は、車両起動時や所定の信号がオン（高速計測モードを実行するフラグがオン）のときに、次に示すような高速計測モードを実行し、精度より判定時間を重視する処理を行う。

図３を参照して高速計測モードのときの動作を説明する。高速計測モードで絶縁状態が適切な状態であると判定されると、処理は通常計測モードに移行する。

高速計測モードでは、高圧電圧Ｖ０測定モード（Ｖ０計測）が省略され、負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ測定モード（ＶＣ１ｎ計測）及び正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐ測定モード（ＶＣ１ｐ計測）のみが実行される。

また、負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ測定モード（ＶＣ１ｎ計測）及び正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐ測定モード（ＶＣ１ｐ計測）では、上述の通常計測モードの基本動作とは異なり、フライングキャパシタＣ１の充電時間は、第１の所定時間ｔ１より短い第２の所定時間ｔ２となっている。

負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ測定モード（ＶＣ１ｎ計測）及び正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐ測定モード（ＶＣ１ｐ計測）を第２の所定時間ｔ２によるフライングキャパシタＣ１充電時間で実行してそれぞれ計測が終了すると、マイコン１５は計測結果に基づき仮判定を実行する。この仮判定では、マイコン１５は、それぞれの計測値の和（ＶＣ１ｎ＋ＶＣ１ｐ）を所定の判定閾値と比較する。比較の結果、（１）「漏電が発生しているか否か」、（２）「どの程度の危険レベルまで絶縁が低下しているか」を判定する。

この高速計測モードでは、高圧電圧Ｖ０測定モード（Ｖ０計測）が省略され高圧電圧Ｖ０の情報が得られない。また、地絡抵抗電圧ＶＣ１の計測のため時間が短く充電電荷量も十分でない。このため、通常計測時のような絶縁抵抗値の計測精度は望めないが、上述の危険性を判断することが可能な程度（おおよその絶縁レベル）を非常に短時間で把握することができる。その結果、車両起動時のおおよその安全性を短時間に把握することができる。判定される危険レベルの例として、例えば、車両を動かすことが可能なレベルか、または、感電事故・火災等の重大災害を誘発する可能性があるレベルであるか、等である。

図４のフローチャートを参照して、上述の高速計測モード及び通常計測モードを実行可能に構成された車両起動時の危険判定の処理を説明する。

マイコン１５は、車両起動時である場合または高速計測モードを実行するフラグ（高速計測信号）がオンである場合（Ｓ１０）、高速計測モードでおおよその絶縁レベルを計測する（Ｓ１２）。つまり、上述のように、負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ測定モード（ＶＣ１ｎ計測）及び正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐ測定モード（ＶＣ１ｐ計測）を第２の所定時間ｔ２によるフライングキャパシタＣ１充電時間で実行する。

つづいて、マイコン１５は、計測値の和（ＶＣ１ｎ＋ＶＣ１ｐ）を所定の判定閾値と比較し、重大災害誘発の可能性のない絶縁抵抗レベルか否かを判断する（Ｓ１４）。

重大災害誘発の可能性のない絶縁抵抗レベルである場合（Ｓ１４のＹ）、マイコン１５は車両を起動しても安全であると判断して、絶縁抵抗の計測モードを通常計測モードに移行する（Ｓ１６）。

重大災害誘発の可能性のある絶縁抵抗レベルである場合（Ｓ１４のＮ）、マイコン１５は、絶縁状態が不適切な状態にあると判断し、つまり車両を起動することが危険であると判断し、車両の所定の表示部や音声出力部を介して警報を出力したり、車両の所定の制御装置（図示せず）に絶縁抵抗レベルを通知する（Ｓ１８）。通知を受けた所定の制御装置は、通知を受けた絶縁抵抗レベルに応じて、車両起動の制限や所定の保護措置を施す。

以上のように、マイコン１５は、高速計測モードにより、まず起動直後に最低限の安全性が確認された場合のみ、より精度の高い情報を得るために通常計測モードに移行させる。また、高圧系に接続され異常の可能性のある部位を切り分ける制御が可能であれば、漏電を発生させている部位の特定やメンテナンスが容易に可能となる。その結果、重大災害誘発のない最低限の安全性をまず最初に確認できれば、車両の安全な退避場所まで移動させる等の適切な危険回避処置が可能となる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、本実施形態では、図１に示す回路構成の絶縁計測回路１０を例示したが、これに限る趣旨ではなく、様々な構成の絶縁計測回路についても適用可能である。適用された絶縁計測回路に対応して上述の充電時間（第１及び第２の所定時間ｔ１、ｔ２）が設定される。また、負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ測定モード（ＶＣ１ｎ計測）及び正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐ測定モード（ＶＣ１ｐ計測）の測定順番は逆でもよい。また、仮判定では計測値の和（ＶＣ１ｎ＋ＶＣ１ｐ）を所定の判定閾値と比較したが、これに限る趣旨ではなく、例えば、いずれか一方の値だけで判定してもよく、計測値の和と併用してもよい。また、システムのノイズ対策としていわゆるＹコン（Ｙコンデンサー）が用いられることがある。その場合、Ｙコンの影響を軽減するために、負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎを計測後、一定間隔を開けて正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐを計測し、それら計測値における和（ＶＣ１ｎ＋ＶＣ１ｐ）で判定がなされてもよい。さらに、高圧電圧Ｖ０については外部より取得して、負極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｎ及び正極側地絡抵抗電圧ＶＣ１ｐについてのみ計測して、地絡抵抗値算出がなされてもよい。

１ｐ、１ｎ主回路配線
１０絶縁計測回路（絶縁状態検出装置）
１１検出回路
１５マイコン（計測手段、判定制御部）
ＡＤ入力ポート
Ｃ１フライングキャパシタ
Ｄ１第１のダイオード
Ｄ２第２のダイオード
Ｄ３第３のダイオード
Ｇ接地電位
Ｒ１第１の抵抗
Ｒ２第２の抵抗
Ｒ３第３の抵抗
Ｒ４第４の抵抗
Ｒ５第５の抵抗
Ｒ６第６の抵抗
ＲＬｎ負極側地絡抵抗
ＲＬｐ正極側地絡抵抗
ＳａＡＤ読み込み用スイッチ
ＳＷ１第１のスイッチ
ＳＷ２第２のスイッチ
ＳＷ３第３のスイッチ
ＳＷ４第４のスイッチ
ＳＷ５第５のスイッチ
Ｖ電源
ＶＣ１ｎ負極側地絡抵抗電圧
ＶＣ１ｐ正極側地絡抵抗電圧

Claims

接地電位部から絶縁された直流電源により地絡抵抗に応じた電圧で充電されるフライングキャパシタと、前記直流電源により充電された後に前記直流電源から絶縁された前記フライングキャパシタを前記フライングキャパシタの充電電圧を計測する計測手段と前記接地電位部との間に直列接続する計測回路とを備え、前記計測手段による前記フライングキャパシタの充電電圧の計測結果に基づき絶縁状態を検出する絶縁状態検出装置であって、
前記絶縁状態の検出対象の機器が起動時である場合又は計測モードが高速計測モードである場合に、前記フライングキャパシタの充電を通常の計測時間より短時間として、負極側地絡抵抗電圧と正極側地絡抵抗電圧の少なくとも一方を計測し、計測結果から絶縁状態の判定を行う計測制御部を備えることを特徴とする絶縁状態検出装置。
前記計測制御部は、前記負極側地絡抵抗電圧と前記正極側地絡抵抗電圧を前記通常の計測時間よりも短時間で計測し、それら計測結果から前記絶縁状態の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の絶縁状態検出装置。
前記計測制御部は、計測した前記負極側地絡抵抗電圧と前記正極側地絡抵抗電圧との和が所定値以上の場合に、前記絶縁状態が不適切な状態にあると判断することを特徴とする請求項２に記載の絶縁状態検出装置。