JP6781212B2

JP6781212B2 - 地絡検出装置

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Publication number: JP6781212B2
Application number: JP2018155976A
Authority: JP
Inventors: 佳浩河村
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2038-08-23
Also published as: US20200064388A1; CN110895312B; JP2020030117A; US10890627B2; CN110895312A

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器を備える車両がある。昇圧器を備える車両においては、バッテリの出力、すなわち昇圧器の１次側と共に、昇圧器の出力、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器の接地として使用されない構成となっている。このため、昇圧器を有する車両では、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、昇圧器の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器が設けられた系、具体的には、バッテリから昇圧器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９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Ｂと接続し、バッテリＢおよび昇圧器５２０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、昇圧器５２０、負荷５４０等は、不図示の上位装置である外部制御装置により制御される。

ここで、バッテリＢ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、昇圧器５２０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５１０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Ｂの電圧に相当する値である。このとき、コンデンサＣ１の極板のうち、バッテリＢの正極側に接続される極板を第１極板と称し、バッテリＢの負極側に接続される極板を第２極板と称するものとする。

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バッテリＢの正極側による充電経路で計測される電圧値であり、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バッテリＢの負極極側による充電で計測される電圧値であり、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。

ところで、昇圧器５２０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の第２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Ｂ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。すなわち、第２電極板側が高電位となる。この場合、制御装置５１０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。

この問題を解決するために、特許文献１には、図１０に示すような、負電位計測回路６２０を備えた地絡検出装置６００が開示されている。ここで、負電位計測回路６２０は、ダイオードＤａ、抵抗Ｒａ、光ＭＯＳ−ＦＥＴで構成されたスイッチＳａ、抵抗Ｒｂを備えている。また、地絡検出装置６００には、スイッチＳ５と抵抗Ｒ５とが備えられている。

地絡検出装置６００は、Ｖｃｎを計測する際に通常と逆極性でコンデンサＣ１が充電された場合には、スイッチＳ３とスイッチＳ４とをオンにして制御装置６１０のＡ／Ｄ１でコンデンサＣ１の充電電圧を測定するのではなく、スイッチＳ５とスイッチＳａとをオンにして制御装置６１０のＡ／Ｄ１でコンデンサＣ１の充電電圧を測定する。これにより、逆極性で充電されたコンデンサＣ１の充電電圧が測定され、絶縁抵抗ＲＬの算出ができるようになる。

特開２０１１−１７５８６号公報

特許文献１に記載された発明では、ダイオードと抵抗とスイッチとを備えた負電位計測回路を設けることにより、昇圧器を含んだ系の地絡検出装置において、フライングキャパシタが逆極性で充電された場合であっても充電電圧の測定を可能としている。しかしながら、負電位計測回路のスイッチに用いられる光ＭＯＳ−ＦＥＴは高価であるため、地絡検出装置のコスト高を招いてしまう。

そこで、本発明は、昇圧器を含んだ系の地絡検出装置において、フライングキャパシタが逆極性で充電された場合であっても充電電圧の測定を安価に可能と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Ｖｃｐ測定経路と、前記コンデンサの充電電圧測定経路とを切り換えるスイッチ群と、前記コンデンサの接続方向を反転可能とする一対のｃ接点リレーと、を備えることを特徴とする。
ここで、前記一対のｃ接点リレーは、それぞれの接点ｃが前記コンデンサ側に接続され、互いの接点ａと接点ｂとが接続されていてもよい。
また、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、前記一対のｃ接点リレーを切り換えて前記コンデンサの接続方向を反転することができる。
また、前記一対のｃ接点リレーをツインリレーで構成してもよい。
また、前記スイッチ群を２つのｃ接点リレーで構成してもよい。

本発明によれば、昇圧器を含んだ系の地絡検出装置において、フライングキャパシタが逆極性で充電された場合であっても充電電圧の測定を安価に可能とすることができる。

本実施形態の地絡検出装置の構成を示すブロック図である。Ｖ０計測期間における計測経路を説明する図である。コンデンサの充電電圧の計測経路を説明する図である。Ｖｃｐ計測期間における計測経路を説明する図である。Ｖｃｎ計測期間における計測経路を説明する図である。逆極性で充電されたコンデンサの充電電圧の計測経路を説明する図である。本実施形態の地絡検出装置の別構成を示すブロック図である。本実施形態の地絡検出装置の別構成を示すブロック図である。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。フライングキャパシタが逆極性で充電された場合であっても充電電圧の測定を可能とする従来の構成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、負荷５４０に電力を供給する非接地のバッテリＢと接続し、バッテリＢおよび昇圧器５２０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、昇圧器５２０、負荷５４０等は、図示しない上位装置である外部制御装置により制御される。

ここで、バッテリＢの出力側、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、昇圧器５２０の出力側、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Ｂ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、正極側は昇圧器５２０を介して電気モータ等の負荷５４０に接続され、負極側は負荷５４０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。

本実施形態において、コンデンサＣ１の両極板には、コンデンサＣ１の接続方向を反転可能とするために、一対のｃ接点リレー１２１、１２２が接続されている。具体的には、コンデンサＣ１の第１極板には、ｃ接点リレー１２１の接点ｃが接続され、コンデンサＣ１の第２極板には、ｃ接点リレー１２２の接点ｃが接続されている。ｃ接点リレー１２１、１２２は、例えば、高耐圧−小信号のメカニカルリレーやリードリレーで構成することができる。

なお、コンデンサＣ１の第１極板とｃ接点リレー１２１の接点ｃとは、抵抗Ｒａを介して接続されている。抵抗Ｒａは、リレー動作異常時のショート防止の保護用抵抗、および、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ６と直列で放電用抵抗として用いているものであり、例えば、Ｒａ＜＜Ｒ１、Ｒ６とすることができるが、省くようにしてもよい。

本図に示すように、ｃ接点リレー１２１の接点ａとｃ接点リレー１２２の接点ｂとが接続され、ｃ接点リレー１２１の接点ｂとｃ接点リレー１２２の接点ａとが接続されている。後述するように、ｃ接点リレー１２１とｃ接点リレー１２２とは連動させて切り換えを行なうため、ｃ接点リレー１２１とｃ接点リレー１２２とを１つの制御で同時に切り換わるツインリレー１２０として構成することが好ましい。ｃ接点リレー１２１、１２２、ツインリレー１２０とも、光ＭＯＳ−ＦＥＴに比して非常に安価である。

地絡検出装置１００は、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。これらのスイッチは、光ＭＯＳ−ＦＥＴ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Ｂの正極と接続し、他端がダイオードＤ０のアノード側および抵抗Ｒ６と接続している。ダイオードＤ０のカソード側は抵抗Ｒ１と接続し、抵抗Ｒ６の他端はダイオードＤ１のカソードと接続している。抵抗Ｒ１の他端およびダイオードＤ１のアノードはｃ接点リレー１２１の接点ｂと接続している。

スイッチＳ２は、一端がバッテリＢの負極と接続し、他端がｃ接点リレー１２２の接点ｂと接続している。

スイッチＳ３は、一端がダイオードＤ０のアノード側および抵抗Ｒ６の一端と接続し、他端が抵抗Ｒ３と制御装置１１０のＡ／Ｄポートと接続している。抵抗Ｒ３の他端は接地している。

スイッチＳ４は、一端がｃ接点リレー１２２の接点ｂ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。

制御装置１１０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、ツインリレー１２０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、制御装置１１０は、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ポートから入力し、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１１０の測定データや地絡が検出された場合の警報等は、外部制御装置に出力される。

上記構成の地絡検出装置１００の動作について説明する。地絡検出装置１００は、例えば、Ｖ０計測期間、Ｖｃｐ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。なお、ツインリレー１２０は、初期状態として接点ｂ側に切り換えられている。

Ｖ０計測期間では、バッテリＢ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２に示すように、バッテリＢ、コンデンサＣ１が計測経路となる。コンデンサＣ１は、順極性で充電され、第１極板が高電位となる。

コンデンサＣ１の充電電圧の計測時には、図３に示すように、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１１０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。

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４に示すように、バッテリＢ、１次側正極絶縁抵抗ＲＬｐ１と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。コンデンサＣ１は、順極性で充電され、第１極板が高電位となる。このため、図３に示した経路でコンデンサＣ１の充電電圧を計測する。

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５に示すように、バッテリＢ、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。

昇圧器５２０が昇圧動作を行なっている場合、コンデンサＣ１の第２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Ｂ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、図３に示した経路でコンデンサＣ１の充電電圧を計測すると、測定値が０Ｖとなる。ただし、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。

そこで、制御装置１１０は、Ｖｃｎ計測期間に測定値が０Ｖのときには、ツインリレー１２０を接点ａ側に切り換える。これにより、図６に示すように、コンデンサＣ１の接続方向が反転するため、逆極性で充電されたコンデンサＣ１の充電電圧Ｖｃｎを測定することができるようになる。

一方、電流の回り込みが発生せずに、コンデンサＣ１が順極性で充電されており、図３に示した経路で測定値が０Ｖでなければ、その測定値をコンデンサＣ１の充電電圧Ｖｃｎとすればよい。

制御装置１１０は、上述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、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、外部制御装置に警報を出力する。

以上説明したように、本実施形態の地絡検出装置１００は、安価なｃ接点リレー１２１、１２２あるいはツインリレー１２０を用いてコンデンサＣ１の接続方向が反転する経路を設けている。このため、コンデンサＣ１が逆極性で充電された場合であっても充電電圧の測定を安価に可能としている。

コンデンサＣ１の接続方向が反転する経路は、図７に示すような構成としてもよい。本図の例では、抵抗Ｒａに代えて、ｃ接点リレー１２２の接点ａとｃ接点リレー１２１の接点ｂとの間に抵抗Ｒｂを接続し、ｃ接点リレー１２１の接点ａとｃ接点リレー１２２の接点ｂとの間に抵抗Ｒｃを接続している。

抵抗Ｒｂ、抵抗Ｒｃは、リレー動作異常時のショート防止の保護用抵抗、および、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ６と直列で放電用抵抗として用いているものであり、例えば、Ｒｂ＝Ｒｃ＝Ｒ６とすることができるが、省くようにしてもよい。

ところで、図２〜図６に示したように、各計測期間の計測経路では、スイッチＳ１とスイッチＳ３とが同時にオンになることは無く、スイッチＳ２とスイッチＳ４とが同時にオンになることは無い。

このため、図８に示すように、スイッチＳ１とスイッチＳ３とをｃ接点リレー１３１で構成し、スイッチＳ２とスイッチＳ４とをｃ接点リレー１３２で構成するようにしてもよい。ｃ接点リレー１３１、１３２は、いずれも接点ｃがコンデンサＣ１側に配置されるように接続する。

ｃ接点リレー１３１、１３２は、例えば、高耐圧−小信号のメカニカルリレーやリードリレーで構成することができる。これにより、コスト高を招く光ＭＯＳ−ＦＥＴを４つ省くことができるため、地絡検出装置１００を一層安価に構成することができる。

１００地絡検出装置
１１０制御装置
１２０ツインリレー
１２１ｃ接点リレー
１２２ｃ接点リレー
１３１ｃ接点リレー
１３２ｃ接点リレー
５００地絡検出装置
５１０制御装置
５２０昇圧器
５４０負荷

Claims

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Ｖｃｐ測定経路と、前記コンデンサの充電電圧測定経路とを切り換えるスイッチ群と、
前記コンデンサの接続方向を反転可能とする一対のｃ接点リレーと、
を備えることを特徴とする地絡検出装置。
前記一対のｃ接点リレーは、それぞれの接点ｃが前記コンデンサ側に接続され、互いの接点ａと接点ｂとが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の地絡検出装置。
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、前記一対のｃ接点リレーを切り換えて前記コンデンサの接続方向を反転することを特徴とする請求項１または２に記載の地絡検出装置。
前記一対のｃ接点リレーをツインリレーで構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の地絡検出装置。
前記スイッチ群を２つのｃ接点リレーで構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の地絡検出装置。