JP6504408B2 - 絶縁抵抗測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁抵抗測定方法に関する。

近年、燃料電池及び二次電池を使用して構成された電力供給システムを搭載した燃料電池自動車が注目されている。燃料電池自動車等の車両が搭載する電力供給システムは高電圧であるため、漏電による感電を防ぐために、絶縁された電力供給システムの絶縁抵抗を検出する必要がある。特許文献１には、高電圧システムを備える燃料電池自動車において、高電圧システムと接地電位との間の絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗センサについて開示されている。

また、電源供給システムに二次電池などの蓄電部を備えた燃料電池自動車やハイブリッド自動車などの車両において、二次電池の故障時又は二次電池の充電回路の故障時等に二次電池の充放電を禁止するために、システムリレーの開放により二次電池を電力供給システムから切り離すことがある。

特許文献２には、バッテリ（蓄電部）の異常時に、システムリレーの開放により二次電池を電源ラインから切り離した状態で、走行を制御するハイブリッド車両について開示されている。

特開２００７−３２９０４５号公報 特開２０１０−１６２９９６号公報

しかしながら、従来において、車両に搭載された電源供給システムから蓄電部を切り離して走行している際に、電気負荷の絶縁抵抗を測定する技術については検討されていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、蓄電部を搭載する電力供給システムにおいて、蓄電部を電力供給システムから切り離して電力供給する際に、蓄電部の絶縁抵抗を測定する技術を提供することにある。

本発明に係る絶縁抵抗測定方法は、電力供給システムにおいて実施される。電力供給システムは、蓄電部と、電気負荷と、第１のリレーと、第２のリレーと、絶縁抵抗測定装置とを備える。第１のリレーは蓄電部と電気負荷との間の接続線のプラス側に設けられ、第２のリレーは接続線のマイナス側に設けられ、絶縁抵抗測定装置は第１のリレー及び第２のリレーに対して蓄電部側に設けられている。絶縁抵抗測定方法は、蓄電部の切り離し命令の入力に応じて、第１のリレー及び第２のリレーを開状態にする命令を出力するステップと、第１のリレー及び第２のリレーの固着の有無を判断するステップと、第１のリレー及び第２のリレーのいずれも固着されていないと判断された場合、第１のリレー又は第２のリレーを閉状態にする命令の出力の後、絶縁抵抗測定装置により絶縁抵抗を測定し、第１のリレー及び第２のリレーのいずれか一方が固着されていると判断された場合、当該判断時の第１のリレー及び第２のリレーの状態で、絶縁抵抗測定装置により絶縁抵抗を測定するステップとを有する。

本発明によれば、蓄電部を搭載する電力供給システムにおいて、蓄電部を電力供給システムから切り離して電力供給する際に、電気負荷の絶縁抵抗を測定する技術を提供することができる。

一実施形態に係る電力供給システムの概略構成を示す図である。 一実施形態に係る電力供給システムによる処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、発明の範囲をこれらに限定するものではない。

［電力供給システムの構成］
図１を参照して、本発明の一実施形態において、電力供給システムの概略構成の例について説明する。電力供給システム１は、主な構成として、制御装置１１、二次電池１２、コンバータ１３、燃料電池１４、コンバータ１５、インバータ１６、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）１７、トランクションモータ（ＭＧ）１８、水素ポンプ（ＨＰ）１９、ウォーターポンプ（ＷＰ）２０、インバータ２１、及び絶縁抵抗測定回路２２を備える。さらに、電力供給システム１は、システムリレーＳＭＲ１〜３、電池電圧センサＶＢ、電池電流センサＩＢ、電圧センサＶＬ、電圧センサＶＨ、放電機構ＳＷ、キャパシタＣ１，Ｃ２、及び抵抗Ｒを備える。また、構成ＣＮは、構成間を接続するコネクタである。

電力供給システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＶ）などの車両（移動体）に搭載することができる。また、燃料電池１４を他の構成に置き換えること等の変更を加えることにより、電力供給システム１を電気自動車やハイブリッド自動車などの車両に搭載することも可能である。なお、図１は、電力供給システム１が備える主要な構成を示しているにすぎず、電力供給システム１は、移動体に搭載される一般的な電力供給システムが備える他の構成を含むことができる。

また、電力供給システム１は、絶縁抵抗測定回路２２を備えるため、電力供給システム１の全体、又は電力供給システム１が有する構成のうち絶縁抵抗測定回路２２を含む一部の構成を絶縁抵抗測定システムとして特定することもできる。

二次電池１２は、充放電可能な蓄電部である。二次電池１２は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素バッテリ又はキャパシタなどにより構成される。二次電池１２は、燃料電池１４の放電経路に介挿され、インバータ１６に対して燃料電池１４と並列に接続されている。また、二次電池１２は、トランクションモータ１８から回生により得られた電力を蓄電する。

コンバータ１３は、二次電池１２とインバータ１６との間に設けられたＤＣ（直流）電圧のコンバータである。コンバータ１３は、例えば、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）を使用して構成される。コンバータ１３は、二次電池１２から供給された電力のＤＣ電圧を昇圧してインバータ１６側に出力する。

燃料電池１４は、複数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックを含んで構成される。燃料電池１４による通常の発電時の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池１４全体としては（３）式の起電反応が生じることにより、電力を発生する。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ （２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （３）

コンバータ１５は、燃料電池１４とインバータ１６との間に設けられたＤＣ電圧のコンバータである。コンバータ１５は、燃料電池１４から供給された電力のＤＣ電圧を昇圧してインバータ１６に出力する。コンバータ１５は、例えば、ＩＰＭ等により構成される。

インバータ１６は、コンバータ１３及びコンバータ１５と、エアコンプレッサ１７及びトランクションモータ１８との間に設けられたインバータである。インバータ１６は、燃料電池１４又は二次電池１２から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、エアコンプレッサ１７及びトランクションモータ１８に供給する。インバータ１６は、例えばＩＰＭにより構成される。

エアコンプレッサ１７は、カソードガス配管（図示せず。）を介して燃料電池１４と接続されている。エアコンプレッサ１７は、インバータ１６を介して燃料電池１４又は二次電池１２から供給された電力を駆動電力とし、外気を取り込み圧縮した空気をカソードガスとして燃料電池１４に供給する。

トランクションモータ１８は、電力供給システム１を搭載する移動体の車輪等を駆動するためのモータである。トランクションモータ１８は、駆動電力として、燃料電池１４又は二次電池１２からインバータ１７を介して供給された電力を使用する。また、トランクションモータ１８は、その回転に応じて回生することができる。回生により発生した電力は二次電池１２に充電される。

水素ポンプ１９は、燃料電池１４へ水素ガスを送り出す動力として機能するポンプである。ウォーターポンプ２０は、冷却液を燃料電池１４とラジエーター（図示せず）との間で循環させるためのポンプである。

インバータ２１は、二次電池１２の放電経路に介挿され、二次電池１２に対してコンバータ１３と並列に接続されている。インバータ２１は、二次電池１２から供給された電力を直流から交流に変換し、水素ポンプ１９及びウォーターポンプ２０に駆動電力として供給する。例えば、ＩＰＭを使用して構成される。

絶縁抵抗測定回路２２は、二次電池１２のマイナス極側とシステムリレーＳＭＲ２との間に接続されている。絶縁抵抗測定回路２２は、二次電池１２と接地電位との間の絶縁抵抗を測定し出力する回路（装置）である。

システムリレーＳＭＲ１〜３は、二次電池１２の放電経路（電力線ＰＬ１，ＮＬ１）上のインバータ２１よりも二次電池１２側に設けられたシステムリレーである。すなわち、システムリレーＳＭＲ１〜３は、水素ポンプ１９及びウォーターポンプ２０などの電気負荷よりも二次電池１２側に設けられている。システムリレーＳＭＲ１は、二次電池１２のプラス極側に設けられている。システムリレーＳＭＲ２，３は、二次電池１２のマイナス極側に設けられている。システムリレーＳＭＲ２には、システムリレーＳＭＲ３及び抵抗Ｒが並列に接続されている。システムリレーＳＭＲ３及び抵抗Ｒは直列に接続されている。

システムリレーＳＭＲ１〜３を開状態又は閉状態にすることにより、二次電池１２を電力供給システム１から切断又は接続することができる。具体的には、二次電池１２を電力供給システム１に接続するとき、システムリレーＳＭＲ１を開状態から閉状態に切り替えるとともに、システムリレーＳＭＲ３を開状態から閉状態に切り替える。これにより、抵抗Ｒに電流が流れ、突入電流が流れることを抑制することができる。その後、システムリレーＳＭＲ２を開状態から閉状態に切り替えた後に、システムリレーＳＭＲ３を閉状態から開状態に切り替える。一方、二次電池１２を電力供給システム１から切断するとき、システムリレーＳＭＲ１，２を閉状態から開状態に切り替える。以上のようなシステムリレーＳＭＲ１〜３の開閉の制御は、制御装置１１により行われる。

電池電圧センサＶＢは、二次電池１２の電圧を測定するためのセンサである。電池電流センサＩＢは、二次電池１２の電流を測定するためのセンサである。電圧センサＶＨは、コンバータ１３による昇圧後の電圧を測定するセンサである。

キャパシタＣ１は、二次電池１２のプラス極側に接続された電力線ＰＬ１とマイナス極側に接続された電力線ＮＬ１との間の電位差に基づく電荷を蓄電するキャパシタである。電圧センサＶＬは、キャパシタＣ１の蓄電電圧を測定することにより、コンバータ１３による昇圧前の電圧を測定するセンサである。

キャパシタＣ２は、コンバータ１３又はコンバータ１５とインバータ１６とを接続する電力線のプラス極側の電力線ＰＬ２とマイナス極側の電力線ＮＬ２との間の電位差に基づく電荷を蓄電するキャパシタである。電圧センサＶＨは、キャパシタＣ２の蓄電電圧を測定することにより、インバータ１６に供給される電力の電圧を測定するセンサである。

放電機構ＳＷは、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷を放電させるためのスイッチである。放電機構ＳＷをオン状態にすることにより、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷を放電させることができる。通常、放電機構ＳＷはオフ状態であるが、電力供給システム１の異常時等に放電機構ＳＷをオン状態にすることにより、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷を放電させる。

制御装置１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えたコンピュータにより構成される。制御装置１１は、他の構成から入力した信号、及びＲＡＭなどの記憶部に記憶されたプログラムになどに基づいて、電力供給システム１が備える各構成の処理及び動作を制御する。制御装置１１は、例えば、電池電圧センサＶＢなどのセンサや絶縁抵抗測定回路２２の出力に応じて、システムリレーＳＭＲ１〜３の開閉や絶縁抵抗測定回路２２による絶縁抵抗の測定を制御する。具体的な制御の例は後述する。

［絶縁抵抗測定の制御フロー］
図２を参照して、二次電池１２の使用中に二次電池１２が故障したときに電力供給システム１により実施される絶縁抵抗測定の処理の流れの詳細を説明する。この処理は、制御装置１１により制御により実施される。

まず、ステップＳ１１において、制御装置１１は、二次電池１２からの電力の供給中に、二次電池１２の異常を検知したか否かを判断する。二次電池１２の異常は、例えば、制御装置１１が二次電池１２から受信した制御信号に応じて、又は二次電池１２からの制御信号を受信できないことにより検出される。二次電池１２の異常が検出された場合、処理はステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１２において、制御装置１１は、絶縁抵抗測定回路２２により測定された絶縁抵抗値（Ｒ＿ｂａｃ）を記録するように制御する。記録は、例えば、制御装置１１内の記憶部（図示せず。）に対して行われる。その後処理はステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３において、制御装置１１は、二次電池１２を電力供給システム１から切り離すために、システムリレーＳＭＲ１，２を閉状態から開状態に切り替える命令を出力する。処理はステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４において、制御装置１１は、両極のシステムリレーが閉溶着していないか否かを判断する。本実施形態において、閉溶着とは、リレーが閉状態で溶着（固着）している状態を意味する。また、両極のシステムリレーの閉溶着とは、システムリレーＳＭＲ１（プラス極、又は第１のリレー）が閉溶着し、かつ、システムリレーＳＭＲ２又は３の少なくとも一方（マイナス極、又は第２のリレー）が閉溶着している状態をいう。

両極のシステムリレーが閉溶着していないか否かの判断において、制御装置１１は、例えば、電池電流センサＩＢによる電流測定値又は電池電圧センサＶＢによる電圧測定値を使用できる。具体的には、制御装置１１は、電池電流センサＩＢによる電流測定値が０Ａ以上であるとき、又は電池電圧センサＶＢによる電圧測定値が所定値以上であるとき、両極のシステムリレーが閉溶着していると判断できる。両極のシステムリレーが閉溶着していると判断されたとき（Ｓ１４のＮｏ）、処理はステップＳ１５へ進み、他の場合は処理はステップＳ１６へ進む。

ステップＳ１５において、制御装置１１は、電力供給システム１を搭載した車両は、走行を継続不能と判断する。この場合において、制御装置１１は、走行停止（又は走行停止の準備）のために予め設定された処理を行う。その後、図２に示された処理を終了する。

ステップＳ１６において、制御装置１１は、一方の極（プラス極又はマイナス極）のシステムリレーが閉溶着しているか否かを判断する。具体的には、制御装置１１は、まず、ステップＳ１２で記録した絶縁抵抗値（Ｒ＿ｂａｃ）と、絶縁抵抗測定回路２２により測定された絶縁抵抗値（Ｒ＿ｃｕｒ）とを取得する。制御装置１１は、Ｒ＿ｃｕｒ−Ｒ＿ｂａｃが予め設定された電池切り離し完了閾値（Ｒ＿ｔｈｒｅ）より高いと判断した場合、いずれのシステムリレーも閉溶着していないと判断し（Ｓ１６のＮｏ）、処理はステップＳ１７へ進む。他の場合、制御装置１１は、一方の極のシステムリレーが閉溶着していると判断し（Ｓ１６のＹｅｓ）、処理はステップＳ１８へ進む。

なお、電池切り離し完了閾値（Ｒ＿ｔｈｒｅ）は、例えば、電力供給システム１における高圧センサなどの高圧回路及び低圧回路抵抗に基づいて決定される。
燃料電池冷却水による絶縁抵抗（Ａ）、コンバータ１５、コンバータ１３に利用されている高圧側の電圧センサの絶縁抵抗（Ｂ）（高圧を測定のために低圧側の回路に絶縁抵抗を経由して接続）によって決定する。二次電池１２のみの絶縁抵抗（Ｃ）に対して上記Ａ，Ｂが並列して接続されている為システム全体の絶縁抵抗はＡ，Ｂ、Ｃの合成抵抗となる。

ステップＳ１７において、制御装置１１は、一方の極のシステムリレーの接続命令を出力する。当該命令に応じて、プラス極のシステムリレー（システムリレーＳＭＲ１）又はマイナス極のシステムリレー（システムリレーＳＭＲ２又は３の少なくとも一方）が開状態から閉状態になる。その後、ステップＳ１８において、制御装置１１は、絶縁抵抗測定回路２２により絶縁抵抗を測定及び監視し、図２に示す処理を終了する。

以上のように本実施形態によれば、ステップＳ１６において、プラス極又はマイナス極のシステムリレーが閉溶着しているか否かを判断し、いずれのシステムリレーも溶着していないと判断された場合、ステップＳ１７において一方のシステムリレーを閉状態にした後に絶縁抵抗測定回路２２により絶縁抵抗の監視を行う。また、ステップＳ１６において、一方のシステムリレーのみ溶着していると判断された場合、当該判断時のプラス極又はマイナス極のシステムリレーの状態で絶縁抵抗測定回路２２により絶縁抵抗の監視を行う。

すなわち、二次電池１２に通電をせずに絶縁抵抗測定回路２２により絶縁抵抗を計測するには、プラス極又はマイナス極のシステムリレーが閉状態である必要があり、本実施形態によれば、二次電池１２の故障時のシステムリレーの溶着の状態に応じて、プラス極又はマイナス極のシステムリレーのいずれかを閉状態にすることができる。その結果、本実施形態によれば、両極のシステムリレーが溶着している場合を除いて、二次電池１２の故障時に二次電池１２を電力供給システム１から切り離して絶縁抵抗測定回路２２により絶縁抵抗を計測することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はかかる実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

１ 電力供給システム
１１ 制御装置
１２ 二次電池
１３ コンバータ
１４ 燃料電池
１５ コンバータ
１６ インバータ
１７ エアコンプレッサ（ＡＣＰ）
１８ トランクションモータ（ＭＧ）
１９ 水素ポンプ（ＨＰ）
２０ ウォーターポンプ（ＷＰ）
２１ インバータ
２２ 絶縁抵抗測定回路
ＳＭＲ１，２，３ システムリレー
ＶＢ 電池電圧センサ
ＩＢ 電池電流センサ
ＶＬ 電圧センサ
ＶＨ 電圧センサ
ＳＷ 放電機構
Ｃ１，２ キャパシタ
Ｒ 抵抗

Claims (1)

1. 蓄電部と、電気負荷と、第１のリレーと、第２のリレーと、絶縁抵抗測定装置とを備えた電力供給システムであって、前記第１のリレーは前記蓄電部と前記電気負荷との間の接続線のプラス側に設けられ、前記第２のリレーは前記接続線のマイナス側に設けられ、前記絶縁抵抗測定装置は前記第１のリレー及び前記第２のリレーに対して前記蓄電部側に設けられた電力供給システムにおいて実施される絶縁抵抗測定方法であって、
   前記蓄電部の切り離し命令の入力に応じて、前記第１のリレー及び前記第２のリレーを開状態にする命令を出力するステップと、
   前記第１のリレー及び前記第２のリレーの固着の有無を判断するステップと、
   前記第１のリレー及び前記第２のリレーのいずれも固着されていないと判断された場合、前記第１のリレー又は前記第２のリレーを閉状態にする命令の出力の後、前記絶縁抵抗測定装置により絶縁抵抗を測定し、前記第１のリレー及び前記第２のリレーのいずれか一方が固着されていると判断された場合、当該判断時の前記第１のリレー及び前記第２のリレーの状態で、前記絶縁抵抗測定装置により絶縁抵抗を測定するステップと
   を有する絶縁抵抗測定方法。