JP6361575B2 - 漏電検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両の走行に用いられる電源が漏電していることを検出する漏電検出装置に関する。
通常、車両の走行に用いられる電源は、車両のボデーアースから絶縁されている。しかしながら、車両とボデーアースとの絶縁性が低下することで、漏電が生じることもありうる。そこで、漏電していることを検出する技術の一例として、特許文献1に開示された地絡検出回路がある。
この地絡検出回路は、発振出力部、バンドパスフィルタ、増幅回路部、マイクロコンピュータ、出力インピーダンス素子及びカップリングコンデンサを有している。発振出力部は、マイクロコンピュータから出力されるパルス電圧を電圧、電流増幅し、小さい出力インピーダンスをもつ。発振出力部は、抵抗器からなる出力インピーダンス素子及びカップリングコンデンサを順次通じて高電圧バッテリの負極端にパルス電圧を印加している。バンドパスフィルタは、出力インピーダンス素子とカップリングコンデンサとの接続点と接地との間の交流電圧を抽出して次の増幅回路部に出力する。増幅回路部は、入力された交流電圧を電圧増幅してマイクロコンピュータに出力する。そして、マイクロコンピュータは、入力電圧のレベルを判定して地絡を判定する。
特許第3781289号公報
地絡検出回路では、車両側から印加されるノイズ対策としてバンドパスフィルタが設けられており、バンドパスフィルタで発振周波数及びその近傍の帯域成分だけを濾過し、濾過電圧が増幅回路部で増幅されてマイクロコンピュータに入力される。しかしながら、バンドパスフィルタでは、発振周波数及びその近傍の周波数のノイズを除去しきれない。このため、地絡検出回路では、地絡の誤判定、すなわち、漏電の誤検出が生じるという課題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、漏電の誤検出を抑制できる漏電検出装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、
車両の走行に用いられる電源(20)から、電源と絶縁された車両のボデーアースへの漏電を検出する漏電検出装置であって、
検出抵抗(50)及びカップリングコンデンサ(40)を介して電源と接続され、漏電検出のための交流電圧を生成する生成部(60)と、
交流電圧が検出抵抗と、電源とボデーアース間の絶縁抵抗とで分圧された電圧値からノイズを除去するノイズ除去フィルタ(70)と、
ノイズ除去フィルタから出力された出力電圧をAD変換するAD変換部(12)と、
AD変換部によるAD変換値に基づいて漏電しているか否かを検出する処理部(11)と、
出力電圧の立上りエッジと立下りエッジの少なくとも一方のエッジを検出するエッジ検出部(13)と、を備え、
処理部は、エッジ検出部で検出されたエッジをカウントし、所定時間内にカウントしたカウント値が予め設定されたノイズ判定閾値に達したか否かによって出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定するとともに、カウント値がノイズ判定閾値に達した場合、出力電圧にノイズが重畳していると判定してAD変換値に基づいた漏電の検出を禁止することを特徴とする漏電検出装置。
このように、本発明は、ノイズ除去フィルタを通過した後の出力電圧を、AD変換値とカウント値の2系統で監視する。処理部は、エッジ検出部が出力電圧のエッジをカウントしたカウント値に基づいて、出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定する。このため、処理部は、ノイズ除去フィルタを通過した後の出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定できる。つまり、処理部は、AD変換部でAD変換する出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定できる。
また、処理部は、AD変換部によるAD変換値に基づいて漏電しているか否かを検出する。なお、AD変換部は、出力電圧をAD変換するため、出力電圧にノイズが重畳していた場合、ノイズが重畳した出力電圧をAD変換することになる。
しかしながら、処理部は、出力電圧にノイズが重畳していると判定した場合、AD変換値に基づいた漏電の検出を禁止する。このため、本発明は、ノイズが重畳した出力電圧をAD変換して得られたAD変換値に基づいて漏電の検出を行うことで生じる漏電の誤検出を抑制できる。
なお、特許請求の範囲、及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態における漏電検出装置の概略構成を示すブロック図である。 実施形態における漏電検出装置のカウント処理を示すフローチャートである。 実施形態における漏電検出装置のノイズ重畳フラグ設定処理を示すフローチャートである。 実施形態における漏電検出装置の漏電フラグ設定処理を示すフローチャートである。 実施形態における漏電検出装置の正常時とノイズ混入時の動作を示すタイムチャートである。 入力波形を示す波形図である。 ノイズ混入時の出力波形を示す波形図である。 ハードフィルタの周波数特性を示す波形図である。
以下において、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。漏電検出装置は、車両の走行に用いられる組電池20とともに、車両に搭載されるものである。車両は、いわゆるハイブリッド車両や電気車両のように、電気モータを走行駆動源とするものである。なお、ハイブリッド車両は、プラグインハイブリッド車両を含むものである。
組電池20は、電源に相当し、複数の電池セルが直列に接続されてなるものである。組電池20は、車両のボデーアースと電気的に絶縁されている。図1における符号30は、組電池20とボデーアースとの間における絶縁抵抗である。しかしながら、組電池20は、ボデーアースとの絶縁性が低下することで、漏電が生じることもありうる。漏電検出装置は、この組電池20が漏電していることを検出する機能を有した装置である。また、漏電検出装置は、絶縁抵抗30の低下を検知する機能を有した装置とも言える。また、漏電検出装置は、組電池20の絶縁不良の有無を検出する機能を有した装置とも言える。また、漏電検出装置は、組電池20とボデーアースとの絶縁状態を検出する機能を有した装置とも言える。なお、組電池20は、車載バッテリや、高電圧電源などと言い換えることもできる。
漏電検出装置は、図1に示すように、マイコン10、カップリングコンデンサ40、検出抵抗50、検出周波数生成部60、ハードフィルタ70などを備えて構成されている。なお、漏電検出装置は、検出抵抗50と絶縁抵抗30とで分圧された電圧値を用いて漏電を検出するため、絶縁抵抗30を備えているとも言える。
マイコン10は、処理部11、A/D入力ポート12、デジタル入力ポート13、デジタル出力ポート14などを備えて構成されている。なお、マイコン10は、RAMやレジスタなどの記憶部を備えていてもよい。
A/D入力ポート12は、AD変換部に相当する。A/D入力ポート12は、ハードフィルタ70から出力された出力電圧(出力波形)をAD変換する。このように、A/D入力ポート12は、マイコン10に設けられたAD変換器と言うことができる。なお、AD及びA/Dは、Analog-to-digitalの略称である。
デジタル入力ポート13は、エッジ検出部に相当する。漏電検出装置は、A/D入力ポート12に入力される出力電圧をデジタル入力ポート13にも入力するように構成されている。デジタル入力ポート13は、出力電圧の立上りエッジと立下りエッジの少なくとも一方のエッジを検出する。つまり、デジタル入力ポート13は、A/D入力ポート12に入力される出力電圧と同様の出力電圧のエッジを検出することになる。なお、本実施形態では、出力電圧の立上りエッジと立下りエッジの両方を検出するデジタル入力ポート13を採用する。デジタル入力ポート13は、出力電圧と、立上り閾値Vth1及び立下り閾値Vth2とを比較することで、立上りエッジと立下りエッジを検出する。立上り閾値Vth1及び立下り閾値Vth2は、エッジ検出閾値に相当する。
このように、漏電検出装置は、AD変換及びエッジ検出の夫々を、マイコン10に内蔵された装置で行うことができる。つまり、漏電検出装置は、AD変換とエッジ検出をマイコン10で行うことができる。
処理部11は、A/D入力ポート12によるAD変換値に基づいて漏電しているか否かを検出する。出力電圧は、漏電することで低下する。つまり、AD変換値は、漏電することで、漏電していない場合よりも低くなる。このため、処理部11は、AD変換値が漏電検出閾値Vth3よりも低い場合に漏電していると検出(判定)する。また、処理部11は、AD変換値が漏電していないときよりも低下して漏電検出閾値Vth3に達した場合に、漏電していると判定するとも言える。なお、AD変換値は、漏電判定用電圧と言うことができる。
また、処理部11は、デジタル入力ポート13で検出されたエッジをカウントする。詳述すると、処理部11は、デジタル入力ポート13が立上りエッジを検出した回数と、デジタル入力ポート13が立下りエッジを検出した回数をカウントする。そして、処理部11は、所定時間内にカウントしたカウント値(回数)が予め設定されたノイズ判定閾値に達したか否かによって出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定する。さらに、処理部11は、カウント値がノイズ判定閾値に達した場合、出力電圧にノイズが重畳していると判定してAD変換値に基づいた漏電の検出を禁止する。処理部11は、カウント値がノイズ判定閾値を超えた場合に、出力電圧にノイズが重畳していると判定してもよい。
ノイズ判定閾値は、検出周波数生成部60が生成した交流電圧の振幅と、立上り閾値Vth1及び立下り閾値Vth2とに基づいて、予め設定されている。言い換えると、ノイズ判定閾値は、ノイズが乗っていない状態で、交流電圧が1周期あたりに立上り閾値Vth1及び立下り閾値Vth2に達する回数を事前に検討することで設定できる。また、ノイズ判定閾値は、デジタル入力ポート13が検出した立上りエッジのカウント値を比較するための立上り回数閾値と、デジタル入力ポート13が検出した立下りエッジのカウント値を比較するための立下り回数閾値とを含んでいてもよい。
カップリングコンデンサ40は、一方の端子が組電池20に接続され、他方の端子が検出抵抗50と接続されている。検出抵抗50は、一方の端子が検出周波数生成部60に接続され、他方の端子がカップリングコンデンサ40と接続されている。
検出周波数生成部60は、生成部に相当する。検出周波数生成部60は、検出抵抗50及びカップリングコンデンサ40を介して組電池20と接続され、漏電検出のための交流電圧を生成する。検出周波数生成部60は、図5の入力波形などに示すように、交流電圧として矩形波の検出信号を生成する。検出周波数生成部60は、例えば数Hzの交流電圧を生成する。なお、検出周波数生成部60は、マイコン10に組み込まれていてもよい。
ハードフィルタ70は、ノイズ除去フィルタに相当する。ハードフィルタ70は、一方の端子がA/D入力ポート12に接続され、他方の端子が検出抵抗50とカップリングコンデンサ40との接続点に接続されている。ハードフィルタ70は、交流電圧が検出抵抗50と絶縁抵抗30とで分圧された電圧値からノイズを除去する。ハードフィルタ70は、図8に示す一例のように、ローパスフィルタとハイパスフィルタとを組み合わせた周波数特性を有している。また、ハードフィルタ70は、図5や図7の出力波形に示すように、出力電圧を出力する。つまり、ハードフィルタ70は、検出抵抗50と絶縁抵抗30とで分圧された電圧値からノイズを除去して、出力電圧を出力する。
漏電検出装置は、上記車両に搭載された場合、自身とともに車両に搭載されている周辺装置の動作によってノイズが入力されることが考えられる。また、このノイズは、ハードフィルタ70の通過帯域内のノイズが含まれることもある。例えば、通過帯域外である数百Hzのノイズは、図7、図8に示すように、ハードフィルタ70による減衰が大きく影響は小さい。しかしながら、通過帯域内である数十Hzのノイズは、ハードフィルタ70による減衰が不十分であるため誤検出につながる可能性がある。
この点に関して、一例として図6、図7を用いて説明する。図6は入力波形であり、図7の上段は数百Hzのノイズと数十Hzのノイズを示している。また、図7の下段は、二点鎖線がノイズが入力していない場合の波形であり、実線がノイズが入力した場合の波形である。漏電検出装置は、ノイズが入力していない場合、図7の下段の二点鎖線で示すように、出力電圧が漏電検出閾値Vth3に達しないので、漏電と判定する。また、漏電検出装置は、ノイズが入力した場合、図7の下段の実線に示すように、出力電圧が漏電検出閾値Vth3に達することが起こりうる。このとき、漏電検出装置は、実際は漏電しているにもかかわらず、漏電でないと判定(つまり、誤検出)することになる。
特に、数十Hzのノイズの場合、ハードフィルタ70の出力電圧は、漏電検出閾値Vth3に達しやすい。つまり、通過帯域内である数十Hzのノイズは、漏電でないと誤検出する原因となりやすい。このように、ハードフィルタ70の通過帯域内のノイズは、入力波形に与える影響が大きいと言える。
この通過帯域内のノイズを抑制するには、フィルタを強くし通過帯域幅を狭める方法が考えられる。しかしながら、この方法は、フィルタ構成素子のコスト増や耐久性が下がる等の懸念がある。このため、漏電検出装置は、上記のようなハードフィルタ70を採用する。なお、図7の下段における二点鎖線は、ノイズが重畳していない場合の出力波形である。
ここで、図2〜図5を用いて、漏電検出装置の処理動作に関して説明する。
処理部11は、図2のステップS10に示すように、デジタル入力ポート13で立上りエッジが検出されると、立上りエッジ検出回数を加算(+1)する。また、処理部11は、図2のステップS20に示すように、デジタル入力ポート13で立下りエッジが検出されると、立下りエッジ検出回数を加算(+1)する。
また、処理部11は、所定の実行周期で、図3に示すノイズ重畳フラグ設定処理を実行する。処理部11は、一例として、検出周波数生成部60による入力波形の発振周期(例えば500ms)毎にノイズ重畳フラグ設定処理を実行する。
ステップS30では、立上り回数閾値以下、且つ、立下り回数閾値以下であるか否かを判定する。処理部11は、自身でカウントしたカウント値である立上りエッジ検出回数と立上り回数閾値とを比較するとともに、自身でカウントしたカウント値である立下りエッジ検出回数と立下り回数閾値とを比較する。
処理部11は、立上り回数閾値以下、且つ、立下り回数閾値以下であると判定した場合、出力電圧にノイズが重畳していないと判定してステップS31へ進む。また、処理部11は、立上り回数閾値以下、且つ、立下り回数閾値以下であると判定しなかった場合、出力電圧にノイズが重畳していると判定してステップS35へ進む。
図5の中段に示すノイズが混入していない正常時、出力波形は、タイミングt1〜t3の夫々で立下り閾値Vth2に達するが、立上り閾値Vth1には達しない。このように、本実施形態では、通常時、所定時間(入力波形の1周期)あたり立上りエッジ検出回数が0で、立下りエッジ検出回数が1となる例を採用している。このため、本実施形態では、立上り回数閾値を0、立下り回数閾値を1とする。よって、処理部11は、図5の中段に示す出力波形であった場合、立上り回数閾値以下、且つ、立下り回数閾値以下であると判定してステップS31へ進む。なお、図5における各電圧値は、一例であり、これに限定されない。
一方、図5の下段に示すノイズ混入時、出力波形は、タイミングt11〜t13の夫々で立上り閾値Vth1に達するとともに、タイミングt21〜t29の夫々で立下り閾値Vth2に達する。このような場合、処理部11は、入力波形の最初の1周期内において、立上りエッジ検出回数を1、立下りエッジ検出回数を2とカウントする。また、処理部11は、入力波形の次の1周期内において、立上りエッジ検出回数を1、立下りエッジ検出回数を3とカウントする。そして、処理部11は、入力波形の三番目の1周期内において、立上りエッジ検出回数を1、立下りエッジ検出回数を4とカウントする。これらの場合、処理部11は、立上り回数閾値以下、且つ、立下り回数閾値以下であると判定することなく、出力電圧にノイズが重畳していると判定してステップS35へ進む。このように、処理部11は、通常時の入力波形1周期あたりで検出される立上りエッジと立下りエッジの回数に対して、エッジ検出回数が多い場合、ノイズによって異常電圧値が入力されたと判断できる。
ステップS31では、漏電判定用電圧として最大値を採用する。処理部11は、今回の実行周期中にA/D入力ポート12でAD変換されたAD変換値のうち、最大値のAD変換値を漏電判定用電圧として採用する。
ステップS32では、ノイズ重畳フラグオフ。処理部11は、ノイズ重畳フラグにオフを設定する。このノイズ重畳フラグは、出力電圧にノイズが重畳しているか否かを示すフラグであり、オフの場合にノイズが重畳していないことを示し、オンの場合にノイズが重畳していることを示す。
ステップS35では、漏電判定用電圧としてフェールセーフ値を採用する。処理部11は、今回の実行周期中にA/D入力ポート12でAD変換されたAD変換値ではなく、予め用意されたフェールセーフ値を漏電判定用電圧として採用する。フェールセーフ値は、漏電検出閾値Vth3よりも低い値である。よって、処理部11は、フェールセーフ値を用いて漏電検出を行った場合、必ず漏電していると判定することになる。
ステップS36では、ノイズ重畳フラグオン。処理部11は、ノイズ重畳フラグにオンを設定する。なお、処理部11は、ステップS33で立上りエッジ検出回数をクリアし、ステップS34で立下りエッジ検出回数をクリアする。
また、処理部11は、所定時間毎に、図4に示す漏電フラグ設定処理を実行する。例えば、処理部11は、ノイズ重畳フラグ設定処理に続いて、漏電フラグ設定処理を実行する。
ステップS40では、ノイズ重畳フラグがオフであるか否かを判定する。処理部11は、ノイズ重畳フラグがオフであると判定した場合はステップS41へ進む。処理部11は、ステップS41以降において、漏電の検出を行う。
また、処理部11は、ノイズ重畳フラグがオフであると判定しなかった場合は図4の処理を終了する。このように、漏電検出装置は、ノイズ重畳フラグがオフであると判定しなかった場合、すなわち、出力電圧にノイズが重畳していると判定した場合、処理部11によるAD変換値に基づいた漏電の検出を禁止する。つまり、処理部11は、出力電圧にノイズが重畳していると判定した場合、AD変換値に基づいた漏電の検出を行わない。
ステップS41では、漏電フラグがオンであるか否かを判定する。処理部11は、漏電フラグがオンであると判定した場合はステップS42へ進み、漏電フラグがオンであると判定しなかった場合はステップS44へ進む。
ステップS42では、漏電判定用電圧>漏電解除閾値であるか否かを判定する。処理部11は、AD変換値が漏電解除閾値よりも大きいと判定した場合、漏電していないとみなしてステップS43へ進む。言い換えると、処理部11は、漏電が解消されたとみなしてステップS43へ進む。そして、処理部11は、ステップS43において、漏電フラグをオフにする。また、処理部11は、AD変換値が漏電解除閾値よりも大きいと判定しなかった場合、漏電しているとみなして図4の処理を終了する。
ステップS44では、漏電判定用電圧<漏電検出閾値であるか否かを判定する。処理部11は、AD変換値が漏電検出閾値Vth3よりも小さいと判定した場合、漏電しているとみなしてステップS45へ進む。そして、処理部11は、ステップS45において、漏電フラグをオンにする。また、処理部11は、AD変換値が漏電検出閾値よりも小さいと判定しなかった場合、漏電していないとみなして図4の処理を終了する。
ところで、処理部11は、ノイズが重畳していると判定した場合、ノイズ重畳フラグにオンを設定するとともに、漏電判定用電圧としてフェールセーフ値を採用する。しかしながら、ノイズ重畳フラグは、何らかの異常で、オフになってしまうこともありうる。この場合、処理部11は、ステップS40でYES判定するとともに、ステップS41でNO判定して、ステップS44へ進むことが考えられる。しかしながら、処理部11は、漏電判定用電圧としてフェールセーフ値を採用しているため、ステップS44でYES判定することになる。つまり、処理部11は、ノイズが重畳していると判定した場合、AD変換値のかわりにフェールセーフ値を用いて、漏電しているか否かを検出する。よって、処理部11は、ノイズ重畳フラグに異常が生じたとしても、漏電していないと誤判定することを抑制できる。
以上のように、漏電検出装置は、ハードフィルタ70を通過した後の出力電圧を、AD変換値とカウント値の2系統で監視する。処理部11は、デジタル入力ポート13が出力電圧のエッジをカウントしたカウント値に基づいて、出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定する。このため、処理部11は、ハードフィルタ70を通過した後の出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定できる。つまり、処理部11は、A/D入力ポート12でAD変換する出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定できる。
また、処理部11は、A/D入力ポート12によるAD変換値に基づいて漏電しているか否かを検出する。なお、A/D入力ポート12は、出力電圧をAD変換するため、出力電圧にノイズが重畳していた場合、ノイズが重畳した出力電圧をAD変換することになる。
しかしながら、処理部11は、出力電圧にノイズが重畳していると判定した場合、AD変換値に基づいた漏電の検出を禁止する。このため、漏電検出装置は、ノイズが重畳した出力電圧をAD変換して得られたAD変換値に基づいて漏電の検出を行うことで生じる漏電の誤検出を抑制できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかしながら、本発明は、上記した実施形態に何ら制限されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。
10 マイコン、11 処理部、12 A/D入力ポート、13 デジタル入力ポート、14 デジタル出力ポート、20 組電池、30 絶縁抵抗、40 カップリングコンデンサ、50 検出抵抗、60 検出周波数生成部、70 ハードフィルタ

Claims (4)

  1. 車両の走行に用いられる電源(20)から、前記電源と絶縁された前記車両のボデーアースへの漏電を検出する漏電検出装置であって、
    検出抵抗(50)及びカップリングコンデンサ(40)を介して前記電源と接続され、漏電検出のための交流電圧を生成する生成部(60)と、
    前記交流電圧が前記検出抵抗と、前記電源と前記ボデーアース間の絶縁抵抗とで分圧された電圧値からノイズを除去するノイズ除去フィルタ(70)と、
    前記ノイズ除去フィルタから出力された出力電圧をAD変換するAD変換部(12)と、
    前記AD変換部によるAD変換値に基づいて漏電しているか否かを検出する処理部(11)と、
    前記出力電圧の立上りエッジと立下りエッジの少なくとも一方のエッジを検出するエッジ検出部(13)と、を備え、
    前記処理部は、前記エッジ検出部で検出された前記エッジをカウントし、所定時間内にカウントしたカウント値が予め設定されたノイズ判定閾値に達したか否かによって前記出力電圧にノイズが重畳しているか否かを判定するとともに、前記カウント値が前記ノイズ判定閾値に達した場合、前記出力電圧にノイズが重畳していると判定して前記AD変換値に基づいた漏電の検出を禁止することを特徴とする漏電検出装置。
  2. 前記ノイズ判定閾値は、前記交流電圧の振幅と、前記エッジ検出部が前記エッジを検出するためのエッジ検出閾値とに基づいて、予め設定されることを特徴とする請求項1に記載の漏電検出装置。
  3. 前記処理部は、前記AD変換値が漏電検出閾値に達している場合に漏電していると検出するものであり、ノイズが重畳している判定した場合、前記AD変換値のかわりに、前記漏電検出閾値に達するフェールセーフ値を用いて、漏電しているか否かを検出することを特徴とする請求項1又は2に記載の漏電検出装置。
  4. 前記AD変換部は、マイコンに設けられたAD変換器であり、
    前記エッジ検出部は、前記マイコンに設けられたデジタル入力ポートであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の漏電検出装置。
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