JP6959161B2 - バッテリ駆動システムの絶縁抵抗を測定するための装置及び方法 - Google Patents

バッテリ駆動システムの絶縁抵抗を測定するための装置及び方法 Download PDF

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Description

発明の目的
本発明は、一般に、電気的な乗物及び/又はハイブリッドな乗物に関する。より詳細には、本発明は、バッテリ駆動システムの絶縁抵抗を測定するための装置及び方法に関連し、好ましくは、電気車両及び/又はハイブリッド車両における絶縁又は漏れ抵抗の測定に適用可能である。
本発明の目的は、バッテリの電圧変動にかかわらず高精度で、有効な絶縁抵抗測定値を提供することである。
発明の背景
電気自動車及びハイブリッド自動車は、典型的には300ボルト〜600ボルトの定格電圧を有する高電圧バッテリを含み、これは、電気モータに電力を供給するために使用される。
高電圧バッテリは、車体、すなわち車両シャーシから電気的に絶縁されているのに対して、車両の低電圧システムの負のバッテリ極は、車両内に一般的なシャーシ接地に、接続されている。
ここで、2つの電圧システムを分離した状態に保つことが重要であり、特に、高電圧システムをシャーシ接地から電気的に絶縁された状態に保つことが重要である。例えば絶縁故障などの高電圧システムの故障を検出するためには、高電圧システムの絶縁を継続的に監視して、高電圧絶縁の漏れを検出して、車両の損傷を防止することが不可欠となる。
多くの従来の電力システムでは、車両の電気部品に大きなダメージを与えたり、火災を引き起こす可能性のある故障(例えばライン間(line-to-line)障害、ライン接地間(line-to-ground)障害など)からシステムを保護する手段をいくつか使用している。
絶縁抵抗を測定するための既知の方法は、米国規格FMVSS305(:電動車両。電解液漏出及び感電防止;2008年9月11日)に記載されている。しかし、この規格に記載されているシステムの精度は、測定回路が絶縁抵抗を計算することを考慮しておらず、システムの精度は満足できるものではない。さらに、この規格に記載されているシステムは、高電圧DC電源の電圧変動を考慮していない。
したがって、バッテリ電圧の変動に関係なく絶縁抵抗測定値の精度を向上させることが、この技術分野でニーズがある。
発明の概要
本発明の装置及び方法は、添付の独立請求項に定義されている。
本発明の一態様は、典型的には、バッテリ定格電圧が400ボルト〜600ボルトの高電圧バッテリ電源システムの絶縁抵抗又は漏れ抵抗を測定する回路を含む装置に関する。本装置は、正の高電圧バス及び負の高電圧バスを備え、両者はバッテリの正極及び負極にそれぞれ接続可能であって、さらに負荷にも接続可能であり、これにより、バッテリ電力が両高電圧バスを介して負荷に供給されるようにする。
本装置はさらに、例えば車両シャーシのようなシステム接地である、低電圧接地接続部を含む。
本装置は、正の高電圧バスと低電圧接地接続部との間の第1スイッチ介して接続可能な既知の値の第1基準抵抗と、負の高電圧バスと低電圧接地接続部との間の第2スイッチを介して接続可能な既知の値の第2基準抵抗と、を含む。好ましくは、第1及び第2の抵抗値は、同じ抵抗値を有する。
本装置はさらに、低電圧接地接続部に接続された第1端子を有する第1測定抵抗と、正の高電圧バスと第1測定抵抗の第2端子との間に第3スイッチを介して接続可能な第2測定抵抗と、負の高電圧バスと第1測定抵抗の第2端子との間に第4スイッチを介して接続可能な第3測定抵抗と、を含む。好ましくは、第2及び第3の測定抵抗は、高精度抵抗であり、両方とも同じ抵抗値を有する。
本装置は、予め設定された測定シーケンスに従って、スイッチを操作するため、すなわち第1スイッチから第4スイッチまでのスイッチを開閉するために適合された制御モジュールを、さらに備える。
本装置の計算モジュールは、第1測定抵抗での電圧測定値に基づいて、及び高電圧バッテリでの電圧測定値に基づいて、正の高電圧バスと低電圧接地との間の絶縁抵抗と、負の高電圧バスと低電圧接地との間の絶縁抵抗を計算するために適合される。
本発明の別の目的は、前述したような装置を組み込んだ電気自動車を提供することである。その車両は、従来、バッテリと負荷とを備え、正の高電圧バス及び負の高電圧バスは、バッテリ及び負荷に接続されるようになっている。低電圧接地は車両シャーシである。本発明のいくつかの実施態様において、負荷は、DC−ACインバータである。あるいは、負荷は、バッテリ充電システム内で充電されるべきバッテリ内に存在してもよい。
本発明の別の態様は、バッテリ駆動システムの絶縁抵抗を測定する方法に関し、そのバッテリ駆動システムは、バッテリと、負荷と、バッテリと負荷との間に接続された正の高電圧バスおよび負の高電圧バスと、低電圧接地接続部と、を備え、その方法は、以下のステップを含む:
第1測定位置において、正の高電圧バスと低電圧接地接続部との間に第1及び第2測定抵抗を直列に接続し、第1測定抵抗における電圧及び高電圧バッテリの電圧を測定すること、
第2測定位置において、正の高電圧バスと低電圧接地接続部との間に第1基準抵抗を追加的に接続し、第1測定抵抗における電圧及び高電圧バッテリの電圧を測定すること、
第3測定位置において、負の高電圧バスと低電圧接地接続部との間に第1及び第3測定抵抗を直列に接続し、第1測定抵抗における電圧及び高電圧バッテリの電圧を測定すること、及び
第3測定位置に加えて、第4測定位置において、負の高電圧バスと低電圧接地接続部との間に第2基準抵抗を接続し、第1測定抵抗における電圧及び高電圧バッテリの電圧を測定すること。
なお、正の高電圧バスと低電圧接地との間の絶縁抵抗と、負の高電圧バスと低電圧接地との間の絶縁抵抗は、第1測定抵抗における電圧測定値及び高電圧バッテリの電圧測定値に基づいて計算される。特に、この方法は、上記の4つの測定位置で取られた4つの正の高電圧バッテリ電圧測定値の平均値を計算するステップを含む。
図面の簡単な説明
本発明の好ましい実施形態は、添付図面を参照して以下に説明される。
本発明の好ましい実施形態の電気回路図である。 従来技術に対する本発明の精度を比較するグラフである。 450V、及び、R01=R02=200kΩでの一定バッテリ電圧に対して、Invention(本発明)の技術及び米国規格FMVSS305を使用して、異なる絶縁抵抗に対する測定誤差を比較する別のグラフである。
発明の好ましい実施形態
本発明の好ましい実施形態が図1に示されており、図1を観察すれば、本装置は、バッテリ(3)の正極に接続された正の高電圧バス(1)であって、負荷(4)にも追加的に接続された正の高電圧バス(1)を備えることができる。一方、高電圧回路の接地基準である負の高電圧バス(2)は、バッテリ(3)の負極に接続され、且つ、負荷(4)の他の端子に接続される。
第1基準抵抗(R01)は、第1スイッチ(S1)と直列に接続され、直列の両方の構成要素は、正の高電圧バス(1)と、低電圧接地接続部(5)、例えば車両シャーシと、の間に接続される。同様に、第2基準抵抗(R02)は、第2スイッチ(S2)と直列に接続され、直列の両構成要素は、負の高電圧バス(1)と低電圧接地接続部(5)との間に接続される。
さらに、第1測定抵抗(Rbottom)は、低電圧接地接続部(5)に接続された第1端子を有する。正の高電圧バス1と第1測定抵抗(Rbottom)の第2端子との間には、第2測定抵抗(Rtop1)と第3スイッチ(S3)とが、直列に接続されている。負の高電圧バス(2)と第1測定抵抗(Rbottom)の第2端子との間には、第3測定抵抗(Rtop2)と第4スイッチ(S4)とが、直列に接続されている。
本装置は、予め確立された測定シーケンスに従って第1〜第4のスイッチ(S1〜S4)を開閉するように適合された制御モジュールを含んでいる。
第1測定位置では、第1スイッチ(S1)が開き、第2スイッチ(S2)が開き、第3スイッチ(S3)が閉じ、第4スイッチS4が開いている。
第2測定位置では、第1スイッチ(S1)が閉じ、第2スイッチ(S2)が開き、第3スイッチ(S3)が閉じ、第4スイッチ(S4)が開いている。
第3測定位置では、第1スイッチ(S1)が開き、第2スイッチ(S2)が開き、第3スイッチ(S3)が閉じ、第4スイッチ(S4)が閉じている。
第4測定位置では、第1スイッチ(S1)が開き、第2スイッチ(S2)が閉じ、第3スイッチ(S3)が開き、第4スイッチ(S4)が閉じている。
本装置は、第1測定抵抗(Rbottom)で電圧測定値を取るために接続された第1電圧測定値装置(図示せず)と、高電圧バッテリ(3)の電圧を測定するために接続された第2電圧測定値装置(図示せず)と、を含んでいる。
本装置の計算モジュール(図示せず)は、第1及び第2の電圧測定値装置と通信されており、上記4つの測定位置のそれぞれにおいて、第1測定抵抗(Rbottom)で取られた電圧測定値と、高電圧バッテリ(3)で取られた電圧測定値と、を測定・保存するように、適合されている。計算モジュールはさらに、1〜4の測定位置において取られた高電圧バッテリ(3)の4つの電圧測定値の平均値を計算するように適合される。
計算モジュールは、バッテリ駆動システムの絶縁抵抗を次式に従って計算することができる:
Figure 0006959161
ここで、V_HV_meanは、4つの測定位置のそれぞれにおいて取られた高電圧バッテリ(3)の4つの電圧測定値の平均値であり、
V2は、第1測定位置で測定された第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
V2pは、第2測定位置で測定された第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
V1は、第3測定位置で測定された第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
V1pは、第4測定位置で測定された第1測定抵抗(Rbottom)における電圧である。
したがって、計算モジュールは、第1測定抵抗(Rbottom)における電圧測定値に基づいて、及び高電圧バッテリ(3)の電圧測定値に基づいて、正の高電圧バス(1)と低電圧接地(5)との間の絶縁抵抗(Riso_pos)と、負の高電圧バスと低電圧接地との間の絶縁抵抗(Riso_neg)と、を計算するように、適合されている。
なお、制御モジュール及び計算モジュールは、前述した機能を実行するようにプログラムされた電子プログラマブル装置、例えばマイクロコントローラによって実現される。
図1にも示されている本発明の方法は、以下のステップを含む。
第1測定位置において、正の高電圧バス(1)と低電圧接地接続部(5)との間に第1及び第2測定抵抗(Rbottom、Rtop1)を直列に接続し、第1測定抵抗(Rbottom)における電圧、及び高電圧バッテリ(3)の電圧を測定する。
第2測定位置において、第1及び第2測定抵抗(Rbottom、Rtop1)の接続を維持し、正の高電圧バス(1)と低電圧接地接続部(5)との間に第1基準抵抗(R01)をさらに接続し、第1測定抵抗(Rbottom)における電圧、及び高電圧バッテリ(3)の電圧を測定する。
第3測定位置では、負の高電圧バス(2)と低電圧接地接続部(5)との間に第1及び第3測定抵抗(Rbottom、Rtop2)を直列に接続し、第1測定抵抗(Rbottom)における電圧、正の高電圧バッテリ(3)の電圧を測定する。
第4測定位置では、第1及び第3測定抵抗(Rbottom、Rtop2)の接続を維持し、さらに負の高電圧バス(1)と低電圧接地接続部(5)との間に第2基準抵抗(R02)を接続し、第1測定抵抗(Rbottom)の電圧、正の高電圧バッテリ(3)の電圧を測定する。
この方法はさらに、4つの測定位置で取られた高電圧バッテリ(3)の4つの電圧測定値の平均値を計算し、バッテリ駆動システムの絶縁抵抗(Riso_pos、Riso_neg)を上記の式Riso_pos、及びRiso_negに従って計算することができる。
第1及び第2の基準抵抗値(R01、R02)の値は、絶縁抵抗の所望の測定値の範囲内の精度ならびに予想されるバッテリ電圧変動を改善するために、特定の用途ごとに計算されるものである。好ましくは、第1及び第2の基準抵抗(R01、R02)は、同じ抵抗値を有する。
米国規格FMVSS−305(バッテリ定格電圧450ボルト)と比較した本発明の高精度は、図2に示されている。5MΩのRiso_neg一定値を考慮すると、R01=R02=500kΩである。
以下の2つのシミュレーションでは、測定中に変化するバッテリ電圧(V2、V2p、V1及びV1p)を有する本発明の精度を示す。
シミュレーション1。:データ:バッテリの定格電圧=450V;R01=R02=500kΩ;正の絶縁抵抗(Riso_pos)=500kΩ、負の絶縁抵抗(Riso_neg)=1MΩ。
4つの測定のそれぞれの電圧は:
測定1:450V;測定2:455V;測定3:460V;測定4:465Vである。
本発明による負の絶縁抵抗(Riso_neg):0.99MΩ。
規格FMVSS−305によるに負の絶縁抵抗(Riso_neg):1.19MΩ。
本発明の誤差:1.17%
規格FMVSS−305の誤差:18.68%。
シミュレーション2。:データ:バッテリ定格電圧=450V;R01R02=500KΩ;正の絶縁抵抗(Riso_pos)=1MΩ、負の絶縁抵抗(Riso_neg)=2MΩ。
4つの測定のそれぞれの電圧は:
測定1:450V;測定2:440V;測定3:450V;測定4:460Vである。
本発明による正の絶縁抵抗性(Riso_pos):0.96MΩ。
規格FMVSS−305による正の絶縁抵抗(Riso_pos):1.15MΩ。
発明の誤差:3.91%
規格FMVSS−305の誤差:15.24%。

Claims (11)

  1. バッテリ(3)駆動システムの絶縁抵抗(Riso_pos、Riso_neg)を測定する装置であって、該装置は、
    バッテリ(3)の正極に接続可能であり、負荷(4)に追加的に接続可能な正の高電圧バス(1)と、
    前記バッテリ(3)の負極に接続可能であり、前記負荷(4)に追加的に接続可能な負の高電圧バス(2)と、
    低電圧接地接続部(5)と、
    前記正の高電圧バス(1)と前記低電圧接地接続部(5)との間に直列に接続された、第1基準抵抗(R01)及び第1スイッチ(S1)と、
    前記負の高電圧バス(2)と前記低電圧接地接続部(5)との間に直列接続された、第2基準抵抗(R02)及び第2スイッチ(S2)と、
    1端子と第2端子を有する第1測定抵抗(Rbottom)であって、前記第1端子が前記低電圧接地接続部(5)に接続された、前記第1測定抵抗(Rbottom)と、
    前記正の高電圧バス(1)と前記第1測定抵抗(Rbottom)の前記第2端子との間に直列に接続された、第2測定抵抗(Rtop1)及び第3スイッチ(S3)と、
    前記負の高電圧バス(2)と前記第1測定抵抗(Rbottom)の前記第2端子との間に直列に接続された、第3測定抵抗(Rtop2)及び第4スイッチ(S4)と、
    予め設定されたシーケンスに従って前記第1、前記第2、前記第3及び前記第4のスイッチ(S1、S2、S3、S4)を開閉する制御モジュールと、
    前記第1測定抵抗(Rbottom)での電圧測定値と、前記バッテリ(3)の電圧測定値と、に基づいて、前記正の高電圧バス(1)と前記低電圧接地接続部(5)との間の絶縁抵抗と、前記負の高電圧バス(2)と前記低電圧接地接続部(5)との間の絶縁抵抗と、を計算するように適合された計算モジュールと、
    を備える装置。
  2. 前記制御モジュールは、該装置を第1測定位置に設定するために追加的に適合され、前記第1測定位置において、
    前記第1スイッチ(S1)は開いて、
    前記第2スイッチ(S2)は開いて、
    前記第3スイッチ(S3)は閉じて、
    前記第4スイッチ(S4)は開いており、
    前記計算モジュールは、前記第1測定抵抗(Rbottom)の電圧及び前記第1測定位置における前記バッテリ(3)の電圧を測定するように適合される、請求項1に記載の装置。
  3. 前記制御モジュールは、該装置を第2測定位置に設定するために追加的に適合され、前記第2測定位置において、
    前記第1スイッチ(S1)は閉じて、
    前記第2スイッチ(S2)は開いて、
    前記第3スイッチ(S3)は閉じて、
    前記第4スイッチ(S4)は開いており、
    前記計算モジュールは、前記第1測定抵抗(Rbottom)の電圧、及び前記第2測定位置における前記バッテリ(3)の電圧を測定するように適合される、請求項1又は2に記載の装置。
  4. 前記制御モジュールは、前記装置を第3測定位置に設定するように追加的に適合され、前記第3測定位置において、
    前記第1スイッチ(S1)は開いて、
    前記第2スイッチ(S2)は開いて、
    前記第3スイッチ(S3)は開いて、
    前記第4スイッチ(S4)は閉じており、
    前記計算モジュールは、前記第1測定抵抗(Rbottom)の電圧及び、前記第3測定位置における前記バッテリ(3)の電圧を測定するように適合される、請求項1乃至3の何れか1項に記載の装置。
  5. 前記制御モジュールは、前記装置を第4測定位置に設定するように追加的に適合され、前記第4測定位置において、
    前記第1スイッチ(S1)は開いて、
    前記第2スイッチ(S2)は閉じて、
    前記第3スイッチ(S3)は開いて、
    前記第4スイッチ(S4)は閉じており、
    前記計算モジュールは、前記第1測定抵抗(Rbottom)の電圧及び前記第4測定位置における前記バッテリ(3)の電圧を測定するように適合される、請求項1乃至4の何れか1項に記載の装置。
  6. 前記計算モジュールは、前記第1、前記第2、前記第3及び前記第4の測定位置において取られた前記ッテリ(3)の4つの電圧測定値の平均値を計算するように追加的に適合される、請求項2に従属する請求項3に従属する請求項4に従属する請求項5に記載の装置。
  7. 前記計算モジュールは、さらに、前記バッテリ駆動システムの絶縁抵抗(Riso_pos、Riso_neg)を以下の式:
    Figure 0006959161
    に従って計算するように追加的に適合され、
    ここで、R0は、前記第1基準抵抗(R01)又は前記第2基準抵抗(R02)のいずれかであり、
    Rtopは、前記第2測定抵抗(Rtop1)又は前記第3測定抵抗(Rtop2)のいずれかであり、
    V_HV_meanは、前記第1、前記第2、前記第3及び前記第4の測定位置で取られた前記ッテリ(3)の4つの電圧測定値の前記平均値であり、
    V2は、前記第1測定位置で測定された前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
    V2pは、前記第2測定位置で測定された前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
    V1は、前記第3測定位置で測定された前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
    V1pは、前記第4測定位置で測定された前記第1測定抵抗(Rbottom)の電圧である、請求項6に記載の装置。
  8. 請求項1乃至7の何れか1項に記載の前記装置を組み込んだ電気的乗物であって、該電気的乗物は、
    前記正極及び前記負極を含む前記バッテリ(3)と、
    前記低電圧接地接続部(5)を含む車輌シャーシと、
    前記負荷(4)と、を
    さらに備え、
    前記正の高電圧バス(1)と前記負の高電圧バス(2)とが、前記バッテリ(3)と前記負荷(4)とに接続され、前記低電圧接地接続部(5)が、前記車両シャーシである、電気的乗物。
  9. バッテリ駆動システムの絶縁抵抗(Riso_pos、Riso_neg)の測定方法であって、前記バッテリ駆動システムは、バッテリ(3)と、負荷(4)と、前記バッテリ(3)と前記負荷(4)の間に接続された正の高電圧バス(1)及び負の高電圧バス(2)と、低電圧接地接続部(5)と、を備え、該方法は、
    第1測定位置において、前記正の高電圧バス(1)と前記低電圧接地接続部(5)との間に直列に第1及び第2の測定抵抗(Rbottom、Rtop1)を接続し、前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧及び前記バッテリ(3)の電圧を測定すること、
    前記第1測定位置に加えて、第2測定位置において、前記正の高電圧バス(1)と前記低電圧接地接続部(5)との間に第1基準抵抗(R01)を接続し、前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧及び前記バッテリ(3)の電圧を測定すること、
    第3測定位置において、前記負の高電圧バス(2)と前記低電圧接地接続部(5)との間に直列に第1及び第3の測定抵抗(Rbottom、Rtop2)を接続し、前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧及び前記バッテリ(3)の電圧を測定すること、及び
    前記第3測定位置に加えて、第4測定位置おいて、前記負の高電圧バス(2)と前記低電圧接地接続部(5)との間に第2基準抵抗(R02)を接続し、前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧及び前記バッテリ(3)の電圧を測定すること、
    を含む方法。
  10. 前記第1、前記第2、前記第3及び前記第4の測定位置で取られた前記ッテリ(3)の4つの電圧測定値の平均値を計算すること
    をさらに含む請求項9に記載の方法。
  11. 請求項10に記載の方法において、該方法は、以下の式:
    Figure 0006959161
    に基づいて、前記バッテリ駆動システムの絶縁抵抗(Riso_pos、Riso_neg)を計算すること、
    をさらに含み、
    ここで、R0は、前記第1基準抵抗(R01)又は前記第2基準抵抗(R02)のいずれかであり、
    Rtopは、前記第2測定抵抗(Rtop1)又は前記第3測定抵抗(Rtop2)のいずれかであり、
    V_HV_meanは、前記第1、前記第2、前記第3及び前記第4の測定位置で取られた前記バッテリ(3)の4つの電圧測定値の前記平均値であり、
    V2は、前記第1測定位置で測定された前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
    V2pは、前記第2測定位置で測定された前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
    V1は、前記第3測定位置で測定された前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧であり、
    V1pは、前記第4測定位置で測定された前記第1測定抵抗(Rbottom)における電圧である、方法。
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