JP6918428B2 - 地絡検出装置 - Google Patents

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８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。制御装置５１０は一般に正電位を測定範囲としていることから、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９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／Ｄ２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、負電位計測回路は、昇圧による電流の回り込みが発生した場合にだけ用いられる追加回路であり、省くことができれば好ましい。

そこで、本発明は、昇圧器を含んだ系のフライングキャパシタ方式の地絡検出装置において、昇圧による電流の回り込みが発生した場合の充電電圧の測定を、追加回路を設けることなく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充電経路と、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充電経路と、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充電経路と、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、前記スイッチ群を制御し、前記Ｖ０充電経路における測定値であるＶ０、前記Ｖｃｎ充電経路における測定値であるＶｃｎ、前記Ｖｃｐ充電経路における測定値であるＶｃｐに基づいて、前記絶縁抵抗を算出する制御部と、を備え、前記制御部が、前記Ｖｃｎが０とみなせる場合に、前記コンデンサの充電状態を保ったまま前記Ｖｃｐ充電経路に切り替えて測定を行ない、得られた測定値から前記コンデンサの放電後に得られたＶｃｐを引くことでＶｃｎを算出することを特徴とする。
ここで、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フライングキャパシタ方式の地絡検出装置において、昇圧による電流の回り込みが発生した場合の充電電圧の測定が、追加回路を設けることなく可能となる。

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。 本実施形態の地絡検出装置の動作を説明するフローチャートである。 Ｖ０充電経路を説明する図である。 充電計測・放電経路を説明する図である。 Ｖｃｎ充電経路を説明する図である。 Ｖｃｐ充電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。 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、バッテリＢの正極は昇圧器５２０を介して電気モータ等の負荷５４０の正極に接続され、バッテリＢの負極は負荷５４０の負極に接続されている。

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。

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、他端が抵抗Ｒ１と接続している。抵抗Ｒ１の他端は、コンデンサＣ１の第１極板に接続している。従来は、スイッチＳ１と抵抗Ｒ１との間にバッテリＢの正極からコンデンサＣ１の方向を順方向としたダイオードを接続していたが、本実施形態ではこのダイオードを省いている。

コンデンサＣ１の第１極板は、抵抗Ｒ６が直列に接続されたダイオードＤ１とダイオードＤ２との並列回路の一端にも接続している。ここで、ダイオードＤ１とダイオードＤ２とは順方向が逆向きになるように接続し、ダイオードＤ１のアノードがコンデンサＣ１の第１極板側に接続している。

抵抗Ｒ６が直列に接続されたダイオードＤ１とダイオードＤ２との並列回路の他端は、スイッチＳ３の一端と接続し、スイッチＳ３の他端は抵抗Ｒ３と制御装置１１０のＡ／Ｄポートと接続している。抵抗Ｒ３の他端は接地しており、抵抗Ｒ３に生じる電圧が制御装置１１０により測定されることになる。

スイッチＳ２は、一端がバッテリＢの負極と接続し、他端がコンデンサＣ１の第２極板と接続している。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。

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、抵抗Ｒ３に生じるアナログ電圧レベルをＡ／Ｄポートから入力する。制御装置１１０は、例えば、０Ｖ〜５Ｖの正の所定範囲電圧を測定対象としており、測定値に基づいて所定の演算を行なって絶縁抵抗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の動作について図２のフローチャートを参照して説明する。地絡検出装置１００は、例えば、Ｖ０計測期間（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）、Ｖｃｎ計測期間（Ｓ１０４〜Ｓ１０７）、Ｖ０計測期間（Ｓ１１１〜Ｓ１１３）、Ｖｃｐ計測期間（Ｓ１１４〜Ｓ１１６）、絶縁抵抗ＲＬ算出（Ｓ１１７ａ）を１サイクルとして計測動作を繰り返す。

ただし、Ｖｃｎ計測期間で、昇圧による電流回り込みが発生している場合には、さらにＶｃｎ＋ｐの計測を行なって（Ｓ１０８〜Ｓ１１０）、絶縁抵抗ＲＬの算出（Ｓ１１７ｂ）を行なう。

まず、昇圧による電流回り込みが発生していない場合のＶ０計測期間（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）、Ｖｃｎ計測期間（Ｓ１０４〜Ｓ１０７）、Ｖ０計測期間（Ｓ１１１〜Ｓ１１３）、Ｖｃｐ計測期間（Ｓ１１４〜Ｓ１１６）、絶縁抵抗ＲＬ算出（Ｓ１１７）について説明する。以下では、コンデンサＣ１の第１極板側が正となる場合を順極性と称し、第２極板側が正となる場合を逆極性と称するものとする。

Ｖ０計測期間では、バッテリＢ電圧に相当する電圧Ｖ０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をオフにして電圧Ｖ０の充電を行なう（Ｓ１０１）。このとき、図３に示すように、バッテリＢ、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１が充電経路となり、コンデンサＣ１は順極性で充電される。

その後、図４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Ｖ０の計測を行なう（Ｓ１０２）。そして、同じ回路で、次の計測のためにコンデンサＣ１の放電を行なう（Ｓ１０３）。

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をオフにして電圧Ｖｃｎの充電を行なう（Ｓ１０４）。このとき、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。

その後、図４に示したように、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Ｖｃｎの計測を行なう（Ｓ１０５）。

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、電流の回り込みが発生する。

電流の回り込みが発生していない場合には、コンデンサＣ１は順極性で充電されるため、Ｖｃｎ＞０となる（Ｓ１０６：Ｎｏ）。この場合は、このときの測定値をＶｃｎとすればよい。そして、同じ回路で放電する（Ｓ１０７）。

電流の回り込みが発生している場合には、コンデンサＣ１は逆極性で充電されるため、Ｖｃｎ＝０となる（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）。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。この場合の処理については後述する。

Ｖ０計測期間（Ｓ１１１〜Ｓ１１３）は、Ｖ０計測期間（Ｓ１０１〜Ｓ１１０３）と同様である。

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Ｖｃｐの充電を行なう（Ｓ１１４）。このとき、図６に示すように、バッテリＢ、正極絶縁抵抗ＲＬｐ、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１が充電経路となり、コンデンサＣ１は順極性で充電される。

その後、図４に示したように、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Ｖｃｐの計測を行なう（Ｓ１１５）。そして、同じ回路で次の計測サイクルのためにコンデンサＣ１の放電を行なう（Ｓ１１６）。

電流の回り込みが発生していない場合、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（Ｓ１０７ａ）。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。

次に、Ｖｃｎ計測期間において、昇圧による電流回り込みが発生している場合について説明する。上述のように、電流の回り込みが発生している場合には、コンデンサＣ１は逆極性で充電される。このため、Ｖｃｎ＝０となる（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）。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。

この場合は、処理（Ｓ１０７）のＶｃｎの放電を行なわずに、コンデンサＣ１の電荷を保ったまま、図６に示したＶｃｐ充電経路に切り替える。すなわち、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をオフにする。

これにより、逆極性に充電されたＶｃｎがオフセットされた状態でＶｃｐの充電が行なわれる。この充電をＶｃｎ＋ｐ充電と称する（Ｓ１０８）。電流回り込みが発生している場合、Ｖｃｎは接地電圧からバッテリＢの電圧を引いた電圧での充電となり、Ｖｃｐは接地電圧にバッテリＢの電圧を足した電圧での充電となるため、Ｖｃｎ＋ｐは必ず正電位となる。このため、図４に示した計測回路でＶｃｎ＋ｐ計測を行なうことができる（Ｓ１０９）。そして、同じ回路で次の計測のためにコンデンサＣ１の放電を行なう（Ｓ１１０）。

その後、Ｖ０計測期間（Ｓ１１１〜Ｓ１１３）、Ｖｃｐ計測期間（Ｓ１１４〜Ｓ１１６）の処理を行なって、絶縁抵抗ＲＬの算出を行なう（Ｓ１１７ｂ）。

電流の回り込みが発生している場合の絶縁抵抗ＲＬの算出（Ｓ１１７ｂ）では、制御装置１１０は、Ｖｃｎ＋ｐ計測（Ｓ１０９）で得られたＶｃｎ＋ｐからＶｃｐ計測（Ｓ１１５）で得られたＶｃｐを引くことにより、Ｖｃｎを算出する。

そして、算出されたＶｃｎと、上述の計測期間で得られたＶ０、Ｖｃｐとに基づいて（Ｖｃｐ＋Ｖｃｎ）／Ｖ０を算出し、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（Ｓ１０７ｂ）。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。

ところで、図３〜図６に示したように、各計測期間の経路では、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７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
１３１ ｃ接点リレー
１３２ ｃ接点リレー
５２０ 昇圧器
５４０ 負荷

Claims (2)

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、
   第１端が接地された電圧測定用抵抗と、
   前記バッテリの正極と前記コンデンサの第１極板との間に設けられた第１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極板との間に設けられた第２スイッチと、
   前記コンデンサの第１極板と前記電圧測定用抵抗の第２端との間に設けられた第３スイッチと、
   前記コンデンサの第２極板と接地との間に設けられた第４スイッチと、
   前記各スイッチを制御して前記コンデンサの充電経路を切り替え、各充電経路で充電された前記コンデンサの電圧を、前記前記第３スイッチと前記第４スイッチとを導通させたときに前記電圧測定用抵抗に生じる電圧を測定することで取得する制御部であって、
   前記第１スイッチと前記第２スイッチとを導通させたＶ０充電経路で得られた測定値であるＶ０、前記第１スイッチと前記第４スイッチとを導通させたＶｃｎ充電経路で得られた測定値であるＶｃｎ、前記第２スイッチと前記第３スイッチとを導通させたＶｃｐ充電経路で得られた測定値であるＶｃｐに基づいて前記絶縁抵抗を算出する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   正電圧を測定範囲としたものであり、
   Ｖｃｎが０の場合に、前記コンデンサの充電状態を保ったまま前記Ｖｃｐ充電経路に切り替えて測定値を取得し、得られた測定値から前記コンデンサの放電後に得られたＶｃｐを引くことでＶｃｎを算出することを特徴とする地絡検出装置。
2. 前記第１スイッチと前記第３スイッチとを１つのｃ接点リレーで構成し、前記第２スイッチと前記第４スイッチとを別の１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に記載の地絡検出装置。

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