JP6698599B2 - 地絡検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、フライングキャパシタを用いた地絡検出装置に関する。
駆動源としてエンジンと電気モータとを備えるハイブリッド車や、電気自動車のような車両においては、車体上に搭載したバッテリを充電し、バッテリから供給される電気エネルギーを利用して推進力を発生する。一般に、バッテリ関連の電源回路は、200V以上の高電圧を扱う高電圧回路として構成されており、安全性確保ため、バッテリを含む高電圧回路は接地の基準電位点となる車体から電気的に絶縁された非接地構成となっている。
また、負荷の駆動効率を高めるために、バッテリの正電位を昇圧して負荷に供給する昇圧回路を備える車両がある。昇圧回路を備える車両においては、バッテリの出力、すなわち昇圧回路の1次側と共に、昇圧回路の出力、すなわち2次側も車体から電気的に絶縁された非接地の構成となっており、車両はバッテリおよび昇圧回路の接地として使用されない構成となっている。このため、昇圧回路を有する車両では、地絡状態を監視するために、バッテリと接地との間の絶縁抵抗と共に、昇圧回路の2次側と接地との間の絶縁抵抗も検出する必要がある。
そこで、バッテリおよび昇圧回路が設けられた系、具体的には、バッテリから昇圧回路を介して電気モータ等の負荷に至るメインの電源系と車体との地絡状態を監視するために、地絡検出装置が備えられている。地絡検出装置は、フライングキャパシタと呼ばれるコンデンサを利用した方式が広く用いられている。
図7は、フライングキャパシタ方式の従来の地絡検出装置500の構成例を示すブロック図である。地絡検出装置500は、非接地のバッテリ520と接続し、バッテリ520および昇圧回路530が設けられた系の地絡を検出する装置である。地絡検出装置500、昇圧回路530、負荷540等は、上位装置である外部制御装置510により制御される。
ここで、バッテリ520出力側、すなわち1次側の正極と接地間の絶縁抵抗をRLp1と表し、負極と接地間の絶縁抵抗をRLn1と表すものとする。また、昇圧回路530出力側、すなわち2次側の正極と接地間の絶縁抵抗をRLp2と表し、負極と接地間の絶縁抵抗をRLn2と表すものとする。正極側絶縁抵抗RLpは、RLp1とRLp2との合成抵抗となり、負極側絶縁抵抗RLnは、RLn1とRLn2との合成抵抗となる。そして、正極側絶縁抵抗RLpと負極側絶縁抵抗RLnとの合成抵抗が系の絶縁抵抗RLとなる。
フライングキャパシタとして機能するコンデンサC1は、スイッチS1〜スイッチS4のオンオフで形成される経路において充電され、その充電電圧が制御装置501で計測されるようになっている。
絶縁抵抗RLを取得する手法として、V0とVcnとVcpとを測定して、(Vcn+Vcp)/V0を演算し、得られた演算値に基づいて、あらかじめ作成されたテーブルデータを参照して絶縁抵抗RLを算出する技術が知られている。地絡検出装置500は、得られた絶縁抵抗RLが所定の基準値を下回っている場合に、地絡が発生していると判定し、外部制御装置510に警告を出力する。
ここで、V0は、スイッチS1とスイッチS2とをオンにして形成される経路で計測されるバッテリ520の電圧に相当する値である。Vcnは、スイッチS1とスイッチS4とをオンにして形成される経路で計測される負極側絶縁抵抗RLnの影響を含んだ電圧値である。Vcpは、スイッチS2とスイッチS3とをオンにして形成される経路で計測される正極側絶縁抵抗RLpの影響を含んだ電圧値である。
一般に、地絡判定においては、V0測定、Vcn測定、V0測定、Vcp測定を1サイクルとして計測を行ない、各測定の切換え時に、スイッチS3とスイッチS4とをオンにして形成される経路でコンデンサC1の充電電圧の読み取りと、コンデンサC1の放電とが行なわれる。
特開2015−206784号公報
昇圧回路530が昇圧動作を行なっている場合に、スイッチS1とスイッチS4とをオンにしてVcnを計測する際、コンデンサC1の接地側極板には、昇圧された電圧を正極側絶縁抵抗RLpと負極側絶縁抵抗RLnとで分圧した電圧が印加される。
この電圧が、バッテリ520の正極側から印加される電圧よりも大きくなると、電流の回り込みにより、通常と逆極性でコンデンサC1が充電されることになる。この場合、制御装置501で測定される電圧が0となり、絶縁抵抗RLの算出ができなくなってしまう。このため、昇圧状態が多い系では、2次側からの電流の回り込みによって、絶縁抵抗算出の機会が減ってしまうという問題がある。
そこで、本発明は、昇圧回路を含んだ系の地絡検出装置において、絶縁抵抗算出機会の減少を抑制することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の地絡検出装置は、昇圧回路を介して負荷に電源を供給する非接地のバッテリと接続し、前記バッテリが設けられた系の絶縁抵抗を算出して地絡を検出する地絡検出装置であって、フライングキャパシタとして動作するコンデンサと、前記バッテリ、前記コンデンサを含んだV0測定経路と、前記バッテリ、前記バッテリ負側と接地との絶縁抵抗である負側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcn測定経路と、前記バッテリ、前記バッテリ正側と接地との絶縁抵抗である正側絶縁抵抗、前記コンデンサを含んだVcn測定経路と、を切り換えるスイッチ群と、常開型スイッチを介して前記負側絶縁抵抗と並列に接続されたバイパス抵抗と、前記各測定経路での前記コンデンサの充電電圧測定値に基づいて前記絶縁抵抗を算出する際に、前記Vcn測定経路での前記コンデンサの充電電圧測定値が0とみなせる場合に、前記常開型スイッチを閉に切り替えて、前記Vcn測定経路での前記コンデンサの充電電圧を測定する制御部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記制御部は、前記常開型スイッチを閉に切り替えたときの前記Vcn測定経路での前記コンデンサの充電電圧測定値が0とみなされない場合に、この充電電圧測定値を用いて前記正側絶縁抵抗を算出することができる。
また、前記常開型スイッチを閉に切り替えたときの前記Vcn測定経路での前記コンデンサの充電電圧測定値が0とみなせる場合に、前記昇圧回路による昇圧比と前記バイパス抵抗値とに基づいて、前記正側絶縁抵抗の最大値を算出することができる。
本発明によれば、昇圧回路を含んだ系の地絡検出装置において、絶縁抵抗算出機会の減少を抑制することができる。
本実施形態に係る地絡検出装置の構成を示すブロック図である。 地絡検出装置の計測サイクルを説明する図である。 V0計測期間の計測経路を説明する図である。 Vcn計測期間の計測経路を説明する図である。 Vcp計測期間の計測経路を説明する図である。 本実施形態に係る地絡検出装置における絶縁抵抗算出動作について説明するフローチャートである。 フライングキャパシタ方式の従来の地絡検出装置の構成例を示すブロック図である。
本発明の実施形態である地絡検出装置について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態の地絡検出装置100の構成を示すブロック図である。地絡検出装置100は、非接地のバッテリ300と接続し、バッテリ300および昇圧回路210が設けられた系の地絡を検出する装置である。地絡検出装置100、昇圧回路210、負荷360等は、上位装置である外部制御装置200により制御される。
ここで、バッテリ300出力側、すなわち1次側の正極と接地間の絶縁抵抗をRLp1と表し、負極と接地間の絶縁抵抗をRLn1と表すものとする。また、昇圧回路210出力側、すなわち2次側の正極と接地間の絶縁抵抗をRLp2と表し、負極と接地間の絶縁抵抗をRLn2と表すものとする。正極側絶縁抵抗RLpは、RLp1とRLp2との合成抵抗となり、負極側絶縁抵抗RLnは、RLn1とRLn2との合成抵抗となる。そして、正極側絶縁抵抗RLpと負極側絶縁抵抗RLnとの合成低抵抗が系の絶縁抵抗RLとなる。
バッテリ300は、リチウムイオン電池等のように充電可能なバッテリにより構成されており、正極側はメインリレーMR+、昇圧回路210を介して電気モータ等の負荷360に接続され、負極側はメインリレーMR−を介して負荷360に接続されている。
本図に示すように、地絡検出装置100は、フライングキャパシタとして機能するコンデンサC1を備えている。コンデンサC1は、例えば、セラミックコンデンサを用いることができる。
また、計測経路を切り替えるとともに、コンデンサC1の充放電を制御するために、コンデンサC1の周辺に4つのスイッチS1〜S4を備えている。さらに、コンデンサC1の充電電圧に相当する計測用の電圧をサンプリングするためのスイッチSaを備えている。スイッチSaは、サンプリング時のみオンにする。これらのスイッチは、光MOSFETのような絶縁型のスイッチング素子で構成することができる。
スイッチS1は、一端がバッテリ300正極と接続し、他端がダイオードD1のアノード側と接続している。ダイオードD1のカソード側は抵抗R1と接続し、抵抗R1の他端はコンデンサC1の第1極板と接続している。
スイッチS2は、一端がバッテリ300負極と接続し、他端が抵抗R5と接続している。抵抗R2の他端はコンデンサC1の第2極板と接続している。
スイッチS3は、一端が抵抗R2およびダイオードD3のアノード側と接続し、他端が抵抗R3とスイッチSaの一端と接続している。ダイオードD3のカソード側はコンデンサC1の第1極板と接続し、抵抗R2の他端はダイオードD2のカソード側と接続し、ダイオードD2のアノード側はコンデンサC1の第1極板と接続している。抵抗R3の他端は接地している。
スイッチS4は、一端がコンデンサC1の第2極板と接続し、他端が抵抗R4と接続している。抵抗R4の他端は接地している。スイッチSaの他端は制御装置120のA/D端子に接続している。
制御装置120は、マイクロコンピュータ等で構成され、あらかじめ組み込まれたプログラムを実行することにより、地絡検出装置100における各種動作を制御する。具体的には、スイッチS1〜S4を個別に制御して計測経路を切り替えるとともに、コンデンサC1の充電および放電を制御する。また、各計測経路においてコンデンサC1の充電電圧の測定を行ない、絶縁抵抗を算出し、地絡の判定を行なう。
また、制御装置120は、スイッチSaを制御して、コンデンサC1の充電電圧に相当するアナログレベルをA/D端子から入力し、この値に基づいて所定の演算を行ない、絶縁抵抗RLを算出する。制御装置120の測定データや警報は、外部制御装置200に出力される。
本実施形態の地絡検出装置100は、上述の従来と同様の構成に加え、バッテリ300の負極と接地との間、すなわち負極側絶縁抵抗RLnと並列に、常開型のスイッチS5を介してバイパス抵抗BRが接続されている。バイパス抵抗BRは2次側に接続してもよい。スイッチS5は、スイッチS1〜S4と同様に制御装置120により切換制御される。
バイパス抵抗BRは、Vcnの測定の際に、昇圧された2次側電圧V2の上昇等により、電流が回り込んで測定不能となったときに、負極側絶縁抵抗を強制的に引き下げることで正極側絶縁抵抗RLpを計測できるようにするための抵抗である。
すなわち、電流の回り込みが生じて計測不能となる状況は、昇圧された2次側電圧V2の上昇等により、正極側絶縁抵抗RLpと負極側絶縁抵抗RLnとで分圧された接地電位が上昇して、1次側電圧V1よりも高くなる場合であり、
V1<(V2×RLn/(RLn+RLp))
が成り立つときである。これは、昇圧回路210における昇圧比率が高く、負極側絶縁抵抗RLnに対して正極側絶縁抵抗RLpが低下している状態である。例えば、昇圧率が2倍であれば、負極側絶縁抵抗RLn>正極側絶縁抵抗RLpのときに計測不能となる。
ここで、負極側絶縁抵抗RLnをバイパス抵抗BRで引き下げることにより、右辺が小さくなるため、計測可能な範囲を拡張することができる。すなわち、絶縁抵抗算出機会の減少が抑制される。
なお、負極側絶縁抵抗RLnはバイパス抵抗BRでバイパスされているため、このとき得られる絶縁抵抗RLは、正極側絶縁抵抗RLpとバイパス抵抗BRとの合成抵抗とみなすことができる。抵抗BRの値は既知であるため、得られた絶縁抵抗RLから、相対的に低下している正極側絶縁抵抗RLpを算出することができる。
バイパス抵抗BRの値は、小さすぎると地絡状態となり、大きすぎると負極側絶縁抵抗RLnの引き下げに寄与しないため、最大昇圧電圧、許容最小絶縁抵抗値等を考慮して定めるようにする。例えば、1MΩとすることができる。
上記構成の地絡検出装置100の動作について説明する。以下では、メインリレーMR+、MR−がオンになっているものとする。
地絡検出装置100は、図2に示すように、V0計測期間→Vcn計測期間→V0計測期間→Vcp計測期間を1サイクルとして計測動作を繰り返す。いずれの計測期間とも、計測対象の電圧でコンデンサC1を充電してから、コンデンサC1の充電電圧の計測を行なう。そして、次の計測のためにコンデンサC1の放電を行なう。
V0計測期間では、バッテリ300電圧に相当する電圧を計測する。このため、スイッチS1、スイッチS2をオンにし、スイッチS3、スイッチS4をオフにして、コンデンサC1を充電する。すなわち、図3に示すように、バッテリ300、コンデンサC1が計測経路となる。
コンデンサC1の充電電圧の計測時には、スイッチS1、スイッチS2をオフにし、スイッチS3、スイッチS4をオンにして、制御装置120でサンプリングを行ない、さらに次の計測のためにコンデンサC1の放電を行なう。コンデンサC1の充電電圧の計測時、コンデンサC1の放電時の動作は他の計測期間においても同様である。
Vcn計測期間では、負極側絶縁抵抗RLnの影響を反映した電圧を計測する。このため、スイッチS1、スイッチS4をオンにし、スイッチS2、スイッチS3をオフにしてコンデンサC1を充電する。すなわち、図4に示すように、バッテリ300、抵抗R1、コンデンサC1、抵抗R4、負極側絶縁抵抗RLnが計測経路となる。
Vcp計測期間では、正極側絶縁抵抗RLpの影響を反映した電圧を計測する。このため、スイッチS2、スイッチS3をオンにし、スイッチS1、スイッチS4をオフにして、コンデンサC1を充電する。すなわち、図5に示すように、バッテリ300、1次側正極絶縁抵抗RLp1と昇圧回路210および2次側正極絶縁抵抗RLp2との並列回路、抵抗R3、コンデンサC1が計測経路となる。
これらの計測期間で得られたV0、Vcn、Vcpから算出される(Vcp+Vcn)/V0に基づいて、地絡検出装置100の制御装置120は、あらかじめ作成されたテーブルデータを参照して絶縁抵抗RLを算出する。そして、絶縁抵抗RLが所定の判定基準レベル以下となった場合に、地絡が発生しているものとして判定し、外部制御装置200に警報を出力する。
次に、本実施形態の地絡検出装置100における絶縁抵抗算出動作について図6のフローチャートを参照して説明する。まず、各計測期間の測定を行なう(S101)。各計測期間の測定では、上述のように、V0計測期間→Vcn計測期間→V0計測期間→Vcp計測期間を1サイクルとした測定を行なう。
2次側からの電流回り込み発生の有無を判定するために、Vcn計測期間での測定値が0であるかどうかを調べる(S102)。ここで、ノイズ等の影響を考慮して、例えば、数10mV以下であれば0とみなすものとする。
Vcn計測期間での測定値が0でなければ(S102:No)、通常の算出が可能であるため、得られた各計測期間の測定値に基づいて絶縁抵抗RLを算出する(S103)。
一方、Vcn計測期間での測定値が0であれば(S102:Yes)、2次側からの電流の回り込みが発生し、通常の算出が不可能であるため、スイッチS5をオンにして、バイパス抵抗BRを接続状態にする(S104)。
そして、バイパス抵抗BRを接続した状態で、各計測期間の測定を行なう(S105)。すなわち、V0計測期間→Vcn計測期間→V0計測期間→Vcp計測期間を1サイクルとした測定を行なう。
バイパス抵抗BRを接続した状態で、2次側からの電流回り込み発生の有無を判定するために、Vcn計測期間での測定値が0であるかどうかを調べる(S106)。このときも、例えば、数10mV以下であれば0とみなすものとする。
バイパス抵抗BRを接続した状態で、Vcn計測期間での測定値が0でなければ(S102:No)、バイパス抵抗BRを接続した状態の絶縁抵抗RLを算出することが可能であるため、通常と同じ演算方法によって絶縁抵抗RLを算出する(S107)。
ただし、算出された絶縁抵抗RLは、正極側絶縁抵抗RLpとバイパス抵抗BRとの合成抵抗とみなすことができる。このため、系の地絡判定用の絶縁抵抗としては扱わず、RL=RLp×BR/(RLp+BR)から、正極側絶縁抵抗RLpを算出する(S108)。算出された正極側絶縁抵抗RLpから正極側の地絡を判定することが可能となる。
一方、バイパス抵抗BRを接続した状態で、Vcn計測期間での測定値が0であれば(S106:Yes)、絶縁抵抗の算出は不可となる(S109)。この状況は、昇圧された2次側電圧V2の上昇等により、正極側絶縁抵抗RLpとバイパス抵抗BRとで分圧された接地電位が上昇して、1次側電圧V1よりも高くなっている場合であり、
V1<(V2×BR/(BR+RLp))
が成り立っている。
このため、
RLp<BR×(V2−V1)/V1
が得られ、1次側電圧V1と2次側電圧V2とバイパス抵抗BRとを用いて、正極側絶縁抵抗RLpの最大値RLpmaxを算出することができる。これにより、正極側絶縁抵抗RLpが少なくともRLpmax以下であることを検出することが可能となる。ここで、上不等式の右辺BR×(V2−V1)/V1は、昇圧比から1を引いた値にバイパス抵抗BRを乗じた値を意味している。
なお、正極側絶縁抵抗RLpの最大値算出は、昇圧回路210における昇圧比を取得する必要がある。地絡検出装置100の制御装置120がこれらの値を取得できない場合には、外部制御装置200が正極側絶縁抵抗RLpの最大値を算出すればよい。この場合、外部制御装置200の一部が地絡検出装置100として機能することになる。
以上説明したように、本実施形態の地絡検出装置100によれば、Vcn計測期間での測定値が0のときに、バイパス抵抗BRを接続して計測を行なうため、正極側絶縁抵抗RLpの算出可能範囲を拡張することができる。このため、昇圧回路を含んだ系の地絡検出装置において、絶縁抵抗算出機会の減少を抑制することができる。
また、バイパス抵抗BRを接続した状態でもVcn計測期間での測定値が0のときには、1次側電圧および2次側電圧の値、あるいは昇圧回路210における昇圧比に基づいて、正極側絶縁抵抗RLpの最大値を把握することができる。
100 地絡検出装置
120 制御装置
200 外部制御装置
210 昇圧回路
300 バッテリ
360 負荷
BR バイパス抵抗
C1 コンデンサ
RL 絶縁抵抗
S1、S2、S3、S4、Sa スイッチ

Claims (3)

  1. 昇圧回路を介して負荷に電源を供給する非接地のバッテリと接続し、前記バッテリが設けられた系の絶縁抵抗を算出して地絡を検出する地絡検出装置であって、
    フライングキャパシタとして動作するコンデンサと、
    前記バッテリの正極と前記コンデンサの第1の極板との間に接続された第1のスイッチと、
    前記バッテリの負極と前記コンデンサの第2の極板との間に接続された第2のスイッチと、
    前記コンデンサの第1の極板と接地との間に直列に接続された抵抗および第3のスイッチと、
    前記コンデンサの第2の極板と接地との間に接続された第4のスイッチと、
    前記バッテリの負極と接地との間に直列に接続されたバイパス抵抗および第5のスイッチと、
    前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ、前記第4のスイッチ、および前記第5のスイッチを制御する制御部であって、前記第3のスイッチと直列に接続された前記抵抗に生じた電圧を測定する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記第5のスイッチをオフにした状態で、前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ、前記第4のスイッチのオンオフを制御することで、
    前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチをオンにし、前記第3のスイッチおよび前記第4のスイッチをオフにした状態で前記コンデンサを充電するV0測定経路と、
    前記第1のスイッチおよび前記第4のスイッチをオンにし、前記第2のスイッチおよび前記第3のスイッチをオフにした状態で前記コンデンサを充電するVcn測定経路と、
    前記第2のスイッチおよび前記第3のスイッチをオンにし、前記第1のスイッチおよび前記第4のスイッチをオフにした状態で前記コンデンサを充電するVcp測定経路と、
    前記第3のスイッチおよび前記第4のスイッチをオンにし、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチをオフにした状態で、前記コンデンサの充電電圧を、前記第3のスイッチと直列に接続された前記抵抗に生じた電圧に基づいて測定する充電電圧測定経路と、を切り換え、前記V0測定経路で充電された前記コンデンサの充電電圧V0、前記Vcn測定経路で充電された前記コンデンサの充電電圧Vcn、および前記Vcp測定経路で充電された前記コンデンサの充電電圧Vcpを測定し、
    前記コンデンサの充電電圧Vcnの測定値が0とみなされない場合は、前記コンデンサの充電電圧V0、Vcn、Vcpの測定値に基づいて地絡の検出を行い
    前記コンデンサの充電電圧Vcnの測定値が0とみなせる場合は、前記第5のスイッチをオンにした状態で、前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ、前記第4のスイッチの開閉を制御することで、前記V0測定経路と、前記Vcn測定経路と、前記Vcp測定経路と、前記充電電圧測定経路と、を切り換え、前記V0測定経路で充電された前記コンデンサの充電電圧V0、前記Vcn測定経路で充電された前記コンデンサの充電電圧Vcn、および前記Vcp測定経路で充電された前記コンデンサの充電電圧Vcpを測定し、当該第5のスイッチをオンにした状態での前記充電電圧V0、Vcn、Vcpの測定値に基づいて地絡の検出を行う、地絡検出装置。
  2. 前記制御部は、前記第5のスイッチをオンにした状態での充電電圧Vcnの測定値が0とみなされない場合に、前記第5のスイッチをオンにした状態での前記充電電圧V0、Vcn、Vcpの測定値と前記バイパス抵抗の抵抗値を用いて前記バッテリの正極と接地との絶縁抵抗である正側絶縁抵抗を算出することで、地絡の検出を行う、請求項1に記載の地絡検出装置。
  3. 前記制御部は、前記第5のスイッチをオンにした状態での前記コンデンサの充電電圧Vcnの測定値が0とみなせる場合に、前記昇圧回路による昇圧比と前記バイパス抵抗の抵抗値とに基づいて、前記バッテリの正極と接地との絶縁抵抗である正側絶縁抵抗の最大値を算出することで、地絡の検出を行う、請求項1または2に記載の地絡検出装置。
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