JP7039541B2 - 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１２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り、測定抵抗である抵抗Ｒ３にかかる電圧が負になる。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１３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、特許文献１に記載された発明では、スイッチＳ５、Ｓａの制御が必要であり、構成や制御が煩雑である。

また、図１２に示した構成では、故障等により万が一、スイッチＳ１とスイッチＳ３の両方がオンになった場合には、バッテリＢと制御装置６１０が抵抗を介さずに接続してしまい、制御装置６１０が高電圧に晒される危険が生じる。そこで、図１４に示した地絡検出装置７００のように、スイッチＳ１とスイッチＳ３とが抵抗を介さずに接続しない構成にすることで、制御装置７１０を保護することが行われている。しかしながら、このような地絡検出装置７００では、ダイオードＤ０が存在するため、コンデンサＣ１の第１極板からダイオードＤ０の方向に電流が流れることができず、たとえコンデンサＣ１の第２極板に印加される電圧がバッテリＢの正極側から印加される電圧よりも大きくなったとしても、コンデンサＣ１に電流が流れ込むことがなく、コンデンサＣ１は充電されないままである。このため、図１４に示した地絡検出装置７００では、たとえ図１３に示したような負電位計測回路を追加したとしても、コンデンサＣ１の第２極板に印加される電圧がバッテリＢの正極側から印加される電圧よりも大きい場合には、絶縁抵抗ＲＬの算出ができない。

そこで、本発明は、フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することを簡易に可能に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、第１の極板と第２の極板とを有し、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側と前記コンデンサの第１の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、前記コンデンサの第１の極板が測定抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第１の切替部と、前記高電圧バッテリの負極側と前記検出用コンデンサの第２の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、前記検出用コンデンサの第２の極板が抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第２の切替部と、前記第１の切替部および前記第２の切替部を制御する制御部と、前記測定抵抗に生じた電圧を分圧してオフセットするオフセット分圧回路と、を有し、前記制御部は、前記測定抵抗に生じた電圧の入力を受ける第１のポートと、前記オフセット分圧回路が出力した出力電圧の入力を受ける第２のポートと、を有する。

また、前記制御部は、前記第１の切替部および前記第２の切替部を制御することで、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、前記バッテリの負極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、前記バッテリの正極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、前記コンデンサと測定抵抗を含んだ充電電圧測定経路とを切り換え、前記充電電圧測定経路において、前記Ｖ０充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖ０に基づく電圧、前記Ｖｃｎ充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖｃｎに基づく電圧、前記Ｖｃｐ充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖｃｐに基づく電圧の各々の入力を、前記第１のポートおよび前記第２のポートから受け、前記第１のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値が０より大きいときは、前記第１のポートから受けた電圧Ｖ０に基づく電圧、電圧Ｖｃｎに基づく電圧、電圧Ｖｃｐに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出するようにしてもよい。

前記制御部は、前記第１の切替部および前記第２の切替部を制御することで、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、前記バッテリの負極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、前記バッテリの正極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、前記コンデンサと測定抵抗を含んだ充電電圧測定経路とを切り換え、前記充電電圧測定経路において、前記Ｖ０充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖ０に基づく電圧、前記Ｖｃｎ充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖｃｎに基づく電圧、前記Ｖｃｐ充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖｃｐに基づく電圧の各々の入力を、前記第１のポートおよび前記第２のポートから受け、前記第１のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値が０より大きいときは、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖ０と前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖ０の平均値、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｎと前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｎの平均値、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｐと前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｐの平均値により前記絶縁抵抗を算出するようにしてもよい。

前記制御部は、前記第１のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値が０であるときは、前記第２のポートから受けた電圧Ｖ０に基づく電圧、電圧Ｖｃｎに基づく電圧、電圧Ｖｃｐに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出するようにしてもよい。

前記制御部は、前記第１のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値が０であるときは、前記第１のポートから受けた電圧Ｖ０に基づく電圧、電圧Ｖｃｐに基づく電圧の測定値、および前記第２のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出するようにしてもよい。

前記地絡検出装置は、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖ０と前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖ０の差、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｎと前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｎの差、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｐと前記第２のポートにおけるに基づく電圧Ｖｃｐの差、の少なくとも１つを算出し、当該算出された差が所定の閾値以上であるときに、前記第１のポートと前記第２のポートの少なくともいずれかに異常が発生していると判定するポート故障発生判定部をさらに有するようにしてもよい。

また、前記オフセット分圧回路は、前記測定抵抗に生じた電圧が入力される入力端と、前記出力電圧を出力する出力端と、前記入力端と前記出力端との間に接続された第１の抵抗と、定電圧を供給する電圧源と、一端が前記電圧源に接続され、他端が前記第１の抵抗と前記出力端とを接続する線に接続された第２の抵抗と、一端が接地しており、他端が前記第１の抵抗と前記出力端とを接続する線に接続された第３の抵抗と、を有するようにしてもよい。

本発明によれば、フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することを簡易に可能である。

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別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における動作を示す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。 本実施形態のオフセット分圧回路の構成例を示すブロック図である。 本実施形態におけるフライングキャパシタに蓄えられる電圧と測定電圧との関係を示す図である。 本実施形態の地絡検出装置の別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別の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。 制御装置を高電圧から保護する従来の構成を示すブロック図である。

＜地絡検出装置１００＞
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、図１４に示したように、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。これにより、本実施形態では、コンデンサＣ１の第２極板に印加される電圧がバッテリＢの正極側から印加される電圧よりも大きい場合には、コンデンサＣ１が、通常と逆極性でコンデンサＣ１が充電されることになる。

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に接続し、抵抗Ｒ３の他端は接地している。このため、コンデンサＣ１の第１極板の電圧は、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ３に分圧される。一般に、バッテリＢは、高電圧であるので、コンデンサＣ１に充電される電圧も高電圧になる。そこで、本実施形態では、制御装置１１０で測定する電圧を低く抑えるために、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ３により、コンデンサＣ１の第１極板の電圧を分圧している。また、スイッチＳ３と抵抗Ｒ３を接続する線には、制御装置１１０の第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１が接続している。

さらに、本実施形態では、スイッチＳ３と抵抗Ｒ３を接続する線には、制御装置１１０の第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１に加え、オフセット分圧回路１２０の一端が接続し、オフセット分圧回路１２０の他端が制御装置１１０の第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２と接続している。オフセット分圧回路１２０は、抵抗Ｒ３にかかる電圧を、分圧かつオフセットする回路である。つまり、オフセット分圧回路１２０は、抵抗Ｒ３にかかる電圧Ｖ_R3を、ａ倍（０＜ａ＜１）になるように分圧し、かつ所定の電圧ｂ（ｂ＞０）だけ大きい電圧にオフセット（シフト）する回路である。本実施形態では、抵抗Ｒ３にかかる電圧を分圧かつオフセットした電圧（ａＶ_R3＋ｂ）も、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、測定抵抗である抵抗Ｒ３に生じるアナログ電圧レベルを第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１から入力する。制御装置１１０は、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。

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いる。このため、コンデンサＣ１が逆方向に充電されることを考慮していない従来の地絡検出装置では、抵抗Ｒ３に係る電圧が０～５Ｖの範囲で収まるように抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ３の値を定めていた。仮に、コンデンサＣ１の充電範囲が０～５００Ｖであれば、１／１００程度に分圧するように抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ３の値が定められた。

しかしながら、コンデンサＣ１が逆方向に充電されることも考慮すると、コンデンサＣ１の充電範囲は、－５００～５００Ｖとなる。このとき、抵抗Ｒ３にかかる電圧は、－５～５Ｖの範囲となってしまい、制御装置１１０の測定範囲よりも広くなってしまう。制御装置１１０は、測定範囲外の電圧を測定した場合には、測定値として０を出力する。よって、抵抗Ｒ３にかかる電圧が－５Ｖ～０Ｖの範囲にある場合、制御装置１１０の第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１から入力された電圧は、－５Ｖ～０Ｖであり、制御装置１１０は、測定値として、０を出力する。このため、制御装置１１０の第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１から入力された電圧値だけでは、絶縁抵抗ＲＬを算出することができない。

そこで、本実施形態の地絡検出装置１００は、抵抗Ｒ３にかかる電圧の範囲を分圧することで圧縮し、さらに、正方向にオフセットすることで、正の電圧値を出力するオフセット分圧回路１２０を有しており、オフセット分圧回路１２０により分圧されてオフセットされた電圧が第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２から制御装置１１０に入力される。このため、本実施形態では、たとえ通常とは逆極性でコンデンサＣ１が充電されたとしても、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からは、制御装置１１０に正の電圧値が入力される。このため、本実施形態では、たとえ通常とは逆極性でコンデンサＣ１が充電されたとしても、制御装置１１０により電圧を測定することで可能である。つまり、本実施形態では、フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することが可能である。

例えば、抵抗Ｒ３にかかる電圧の範囲を１／２に圧縮して－２．５～２．５Ｖの範囲とし、さらに、２．５Ｖだけオフセットすると、抵抗Ｒ３にかかる－５～５Ｖの範囲の電圧を、０～５Ｖの範囲で測定することができるようになる。後述するように、回路構成を簡易化するために、例えば、抵抗Ｒ３にかかる電圧の範囲を２／５に圧縮し、２Ｖだけオフセットすることにより、抵抗Ｒ３にかかる－５～５Ｖの範囲の電圧を、０～４Ｖの範囲で測定するようにしてもよい。もちろん、コンデンサＣ１の充電範囲と制御装置の測定範囲に対応させた他の分圧比、オフセット量であってもよい。

また、図２に示すように、地絡検出装置１００は、ノイズを除去するために、フィルタＦ１、Ｆ２を有するようにしてもよい。また、図２に示すように、地絡検出装置１００は、制御装置１１０を保護するために、制御装置１１０に入力される電圧の値を制限する電圧制限部１３０を有するようにしてもよい。電圧制限部１３０は、例えば、図２に示すように、抵抗と、接地に接続したダイオードと、電圧源に接続したダイオードと、により構成し、この電圧源の電圧を制御装置１１０の測定範囲の上限値以下に設定するとよい。このようにすることで、測定抵抗Ｒ３に生じる電圧がどのような値であっても、制御装置１１０には、測定範囲内の電圧が入力されることになる。

＜地絡検出装置１００の動作＞
図３のフローチャートを参照し、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（ステップＳ２０１）、Ｖｃｎ計測期間（ステップＳ２０２）、Ｖ０計測期間（ステップＳ２０３）、Ｖｃｐ計測期間（ステップＳ２０４）、絶縁抵抗ＲＬ算出、地絡判定（ステップＳ２０５～Ｓ２０９）を１サイクルとして計測動作を繰り返す。

Ｖ０計測期間（ステップＳ２０１、ステップＳ２０３）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。このとき、図４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５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、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力に基づいて、制御装置１１０でＶ０の計測を行ない、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力に基づいて、Ｖ０が分圧されオフセットされた値Ｖ０２の計測を行なう。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。

Ｖｃｎ計測期間（ステップＳ２０２）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。このとき、図６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５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、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力に基づいて、制御装置１１０でＶｃｎの計測を行ない、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力に基づいて、Ｖｃｎが分圧されオフセットされた値Ｖｃｎ２の計測を行なう。

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、通常とは逆極性でコンデンサＣ１が充電されることになる。

逆極性でコンデンサＣ１が充電された場合、Ｖｃｎは、マイナスの値を取り、制御装置１１０の測定範囲外の値となる。このため、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力に基づいて、制御装置１１０でＶｃｎの計測を行なった場合、計測値は０になってしまう。一方、Ｖｃｎ２は、上述したように、オフセット分圧回路１２０により、Ｖｃｎが分圧されオフセットされており、制御装置１１０の測定範囲内の値を取る。このため、本実施形態では、Ｖｃｎがマイナスであっても、制御装置１１０は、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力に基づいて、Ｖｃｎが分圧されオフセットされた値Ｖｃｎ２を計測することが可能である。つまり、本実施形態では、逆極性でコンデンサＣ１が充電されたとしても、負極側絶縁抵抗ＲＬｎの影響を反映した電圧を計測することが可能である。

Ｖｃｐ計測期間（ステップＳ２０４）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。このとき、図７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５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、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力に基づいて、制御装置１１０でＶｃｐの計測を行ない、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力に基づいて、Ｖｃｐが分圧されオフセットされた値Ｖｃｐ２の計測を行なう。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。

制御装置１１０は、Ｖｃｎが０である否かを判定し（ステップＳ２０５）、Ｖｃｎが０でないときに（ステップＳ２０５、ＮＯ）、上述の計測期間で得られたＶ０、Ｖｃｎ、Ｖｃｐに基づいて、絶縁抵抗ＲＬを算出する（ステップＳ２０６）。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（ステップＳ２０７、ＮＯ）、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（ステップＳ２０８）。

一方、制御装置１１０は、Ｖｃｎが０であるときは（ステップＳ２０５、ＹＥＳ）、上述の計測期間で得られたＶ０２、Ｖｃｎ２、Ｖｃｐ２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（ステップＳ２０９）。

このように、本実施形態では、Ｖｃｎがプラスであるときは、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力されたＶ０、Ｖｃｎ、Ｖｃｐに基づいて、地絡が発生した否かの判定を行い、Ｖｃｎがマイナスであるときは、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力されたＶ０２、Ｖｃｎ２、Ｖｃｐ２に基づいて、地絡が発生した否かの判定を行う。上述したように、オフセット分圧回路１２０からの出力は、常にプラスの値であるので、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力された電圧値のみを使っても、地絡が発生した否かの判定を行うことが可能である。しかしながら、上述したように、オフセット分圧回路１２０は、抵抗Ｒ３に係る電圧の範囲を圧縮する。このため、オフセット分圧回路１２０から出力され、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力された電圧値は、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力された電圧値に比べ、解像度が低くなっており、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力された電圧値のみを用いて地絡の発生の検出をした場合、地絡の検出精度が低下してしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、Ｖｃｎがプラスであるときは、地絡の検出精度が低下を防ぐために、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力されたＶ０、Ｖｃｎ、Ｖｃｐに基づいて、地絡が発生した否かの判定を行うようにしている。

ステップＳ２０９において、Ｖ０２、Ｖｃｎ２、Ｖｃｐ２ではなく、Ｖ０、Ｖｃｎ２、Ｖｃｐ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を算出するようにしてもよい。このように、Ｖｃｎがマイナスであるときも、地絡の発生の判定に、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力されたＶ０、Ｖｃｐを用いることで、地絡の検出精度の低下を抑えることが可能になる。

また、ステップＳ２０６において、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力された電圧値に基づいたＶ０、Ｖｃｎ、Ｖｃｐを算出し、この算出されたＶ０と上述の計測期間で得られたＶ０の平均値、この算出されたＶｃｎの平均値と上述の計測期間で得られたＶｃｎ、この算出されたＶｃｐと上述の計測期間で得られたＶｃｐの平均値を用いて、絶縁抵抗ＲＬを算出するようにしてもよい。このようにすることで、ノイズの影響を低減した上で、地絡の発生を検出することが可能になる。

また、本実施形態では、制御装置１１０に入力される電圧値をプラスにするために、オフセット分圧回路１２０により、抵抗Ｒ３にかかる電圧Ｖ_R3を、ａ倍になるように分圧した後に、所定の電圧ｂだけ大きい電圧（ａＶ_R3＋ｂ）にオフセットしている。このため、抵抗Ｒ３にかかる電圧Ｖ_R3が０であるとき、Ｖｃｎ２は、ｂである。そこで、ステップＳ２０５において、Ｖｃｎが０である否かを判定するに加え、Ｖｃｎ２がｂ以上であるか否かも判定するようにするとよい。そして、Ｖｃｎが０であり、かつＶｃｎ２がｂ未満のときに、Ｖ０２、Ｖｃｎ２、Ｖｃｐ２に基づいて、絶縁抵抗ＲＬを算出するようにし、Ｖｃｎが０でない、またはＶｃｎ２がｂ以上のときに、Ｖ０、Ｖｃｎ、Ｖｃｐに基づいて、絶縁抵抗ＲＬを算出するようにしてもよい。このようにすることで、Ｖｃｎにノイズが入った場合であっても、Ｖｃｎがマイナスであるか否かの判定をより正確にすることが可能になる。

また、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力された電圧値に基づいてＶ０（Ｖｃｎ、Ｖｃｐ）を算出し、この算出されたＶ０（Ｖｃｎ、Ｖｃｐ）と上述の計測期間で得られたＶ０（Ｖｃｎ、Ｖｃｐ）の差と所定の閾値とを比較するようにしてもよい。第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１と第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２の両方が正常であれば、これらの値は、ほぼ同じ値になるはずである。よって、これらの値の差が回路間のバラツキから想定される値より大きいときは、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１と第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２の少なくともいずれかが故障や劣化をしている可能性が高い。そこで、地絡検出装置１００は、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２からの入力された電圧値に基づいて算出されたＶ０（Ｖｃｎ、Ｖｃｐ）と上述の計測期間で得られたＶ０（Ｖｃｎ、Ｖｃｐ）の差を算出し、この差が所定の閾値以上であるときに、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１と第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２の少なくともいずれかに異常が発生していると判定するポート故障発生判定部を有するようにしてもよい。その後、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１と第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２のどちらに異常が発生しているのかを調べ、異常が発生していない方のポートを使用するようにするとよい。

＜オフセット分圧回路１２０＞
図８は、本実施形態のオフセット分圧回路１２０の構成例を示すブロック図である。オフセット分圧回路１２０は、スイッチＳ３と抵抗Ｒ３とを接続する線に接続した入力端１２１と、制御装置１１０に接続した出力端１２２と、３つの抵抗Ｒ_O1、Ｒ_O2、Ｒ_O3と、定電圧を供給する電圧源Ｖ_Sと、を有している。抵抗Ｒ_O1の一端は、入力端１２１に接続しており、抵抗Ｒ_O1の他端は、出力端１２２に接続している。抵抗Ｒ_O2の一端は、電圧源Ｖ_Sに接続しており、抵抗Ｒ_O2の他端は、抵抗Ｒ_O1と出力端１２２を接続する線に接続している。抵抗Ｒ_O3の一端は、接地しており、抵抗Ｒ_O3の他端は、抵抗Ｒ_O1と出力端１２２を接続する線に接続している。この回路において、抵抗Ｒ_O3にかかる電圧Ｖ_RO3が出力端１２２から出力され、制御装置１１０により測定される。

この回路において、抵抗Ｒ_O3にかかる電圧Ｖ_RO3は、下記の式により求まる。

よって、この回路では、制御装置１１０が測定できる電圧の上限値がＶｃｍａｘである場合には、０≦Ｖ_RO3≦Ｖｃｍａｘとなるように、３つの抵抗Ｒ_O1、Ｒ_O2、Ｒ_O3と、定電圧を供給する電圧源Ｖ_Sの値を設定すれば、通常とは逆極性でコンデンサＣ１が充電されたとしても、制御装置１１０で電圧を測定することが可能になる。

例えば、Ｒ６／Ｒ３＝９９とした場合、コンデンサＣ１に蓄電される電圧が－５００Ｖから５００Ｖの間で変化するときに、抵抗Ｒ３にかかる電圧が－５Ｖから５Ｖの間で変化する。よって、本実施形態のオフセット分圧回路１２０が存在せず、制御装置１１０が抵抗Ｒ３にかかる電圧を直接に測定したとすると、コンデンサＣ１に蓄電される電圧の値が－５００Ｖから０Ｖの間である場合に、制御装置１１０による測定電圧は、図７に点線で示すように０になってしまい、制御装置１１０により抵抗Ｒ３にかかる電圧を正確に測定することができない。

一方、本実施形態では、例えば、Ｒ_O1＝Ｒ_O2＝Ｒ_O3／２とし、Ｖ_S＝５Ｖとしたとき、抵抗Ｒ_O3にかかる電圧Ｖ_RO3は、（２／５）（Ｖ_R3＋５）になる。このため、コンデンサＣ１に蓄電される電圧が－５００Ｖから５００Ｖの間の範囲にあり、抵抗Ｒ３にかかる電圧が－５Ｖから５Ｖの間にあるときには、抵抗Ｒ_O3にかかる電圧Ｖ_RO3は、０Ｖから４Ｖの間にある。つまり、本実施形態では、たとえコンデンサＣ１に蓄電される電圧が負であっても、抵抗Ｒ_O3にかかる電圧Ｖ_RO3は、負になることなく、正であり、かつ５Ｖ以下になる。よって、図９の実線で示すように、本実施形態では、制御装置１１０は、コンデンサＣ１に蓄電される電圧の値が－５００Ｖから０Ｖの間であるときであっても、電圧を正確に測定することが可能である。つまり、本実施形態では、たとえ通常とは逆極性でコンデンサＣ１が充電されたとしても、制御装置１１０により電圧を測定することが可能になる。つまり、本実施形態では、フライングキャパシタの充電方向にかかわらず充電電圧を測定することが可能である。

また、このとき、抵抗Ｒ_O3を直列に接続した２つの同じ抵抗値の抵抗Ｒ_O32、Ｒ_O32により構成してもよい。このときは、Ｒ_O1＝Ｒ_O2＝Ｒ_O32＝Ｒ_O32となり、４つの同じ抵抗値の抵抗でオフセット分圧回路を構成することが可能になり、結果、精度のよいオフセット分圧回路１２０を構成することが可能になる。

なお、図８に示したオフセット分圧回路１２０は一例であり、他の回路構成であってもよい。例えば、入力端の電圧を２つの抵抗で分圧し、オペアンプ等で構成した加算回路を用いてオフセットするようにしてもよい。

抵抗Ｒ_O2を、スイッチを介して、抵抗Ｒ_O1と出力端１２２に接続する線に接続し、抵抗Ｒ_O3を、スイッチを介して、抵抗Ｒ_O1と出力端１２２を接続する線に接続し、これらのスイッチをオフにすることでも、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１からの入力される電圧値に対応する電圧値を、第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２から入力することが可能である。つまり、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１を備えることなく、上記と同様の方法で、地絡の検出を行うことが可能である。しかしながら、スイッチをオンにすることでオフセット分圧回路１２０による作用を受けた電圧値と、スイッチをオフにすることでオフセット分圧回路１２０による作用を受けていない電圧値と、では、入り込むノイズが異なってくる。このため、本実施形態は、２つのＡ／Ｄポートを設けている。本実施形態では、第１のＡ／ＤポートＡ／Ｄ１と第２のＡ／ＤポートＡ／Ｄ２の２つのＡ／Ｄポートを有しているため、オフセット分圧回路１２０による作用を受けた電圧値と、オフセット分圧回路１２０による作用を受けていない電圧値と、を異なるＡ／Ｄポートで受けることが可能であり、例えば、図２に示すように、それぞれの電圧値に適したフィルタＦ１、Ｆ２を挿入することが可能になる。

＜切替部＞
本実施形態では、常に、スイッチＳ１とスイッチＳ３のどちらかはオンになっている。また、両方のスイッチが、同時にオンになることはない。よって、スイッチＳ１とスイッチＳ３は、バッテリＢの正極側とコンデンサＣ１の正極側端とが直列的に接続する状態と、コンデンサＣ１の正極側端が接地に接続する状態と、を切り替える切替部を構成する。この切替部は、スイッチＳ１、スイッチＳ２の代わりに、図１０に示すように、Ｃ接点スイッチＳｃ１により構成してもよいし、図１１に示すように、連動して動作する２つのＣ接点スイッチから成るツインリレーＳｔ１により構成してもよい。

同様に、本実施形態では、常に、スイッチＳ２とスイッチＳ４のどちらかはオンになっている。また、両方のスイッチが、同時にオンになることはない。よって、スイッチＳ２とスイッチＳ４は、バッテリＢの負極側とコンデンサＣ１の負極側端とが直列的に接続する状態と、コンデンサＣ１の負極側端が接地に接続する状態と、を切り替える切替部を構成する。この切替部は、スイッチＳ１、スイッチＳ２の代わりに、図１０に示すように、Ｃ接点スイッチＳｃ２により構成してもよいし、図１１に示すように、ツインリレーＳｔ２により構成してもよい。

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更が可能である。

１００ 地絡検出装置
１１０ 制御装置
１２０ オフセット分圧回路
５２０ 昇圧器
５４０ 負荷
Ａ／Ｄ１ 第１のＡ／Ｄポート
Ａ／Ｄ２ 第２のＡ／Ｄポート

Claims (7)

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、
   第１の極板と第２の極板とを有し、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側と前記コンデンサの第１の極板とが抵抗を介して直列的に接続する状態と、前記コンデンサの第１の極板が測定抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第１の切替部と、
   前記バッテリの負極側と前記コンデンサの第２の極板とが接続する状態と、前記コンデンサの第２の極板が抵抗を介して接地に接続する状態と、を切り替える第２の切替部と、
   前記第１の切替部および前記第２の切替部を制御する制御部と、
   前記測定抵抗に生じた電圧を分圧してオフセットするオフセット分圧回路と、を有し、
   前記制御部は、
   前記測定抵抗に生じた電圧の入力を受ける第１のポートと、
   前記オフセット分圧回路が出力した出力電圧の入力を受ける第２のポートと、を有する、地絡検出装置。
2. 前記制御部は、
   前記第１の切替部および前記第２の切替部を制御することで、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、前記バッテリの負極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、前記バッテリの正極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、前記コンデンサと測定抵抗を含んだ充電電圧測定経路とを切り換え、
   前記充電電圧測定経路において、前記Ｖ０充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖ０に基づく電圧、前記Ｖｃｎ充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖｃｎに基づく電圧、前記Ｖｃｐ充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖｃｐに基づく電圧の各々の入力を、前記第１のポートおよび前記第２のポートから受け、
   前記第１のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値が０より大きいときは、前記第１のポートから受けた電圧Ｖ０に基づく電圧、電圧Ｖｃｎに基づく電圧、電圧Ｖｃｐに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出する、請求項１に記載の地絡検出装置。
3. 前記制御部は、
   前記第１の切替部および前記第２の切替部を制御することで、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、前記バッテリの負極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、前記バッテリの正極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、前記コンデンサと測定抵抗を含んだ充電電圧測定経路とを切り換え、
   前記充電電圧測定経路において、前記Ｖ０充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖ０に基づく電圧、前記Ｖｃｎ充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖｃｎに基づく電圧、前記Ｖｃｐ充電経路で前記コンデンサに充電された電圧Ｖｃｐに基づく電圧の各々の入力を、前記第１のポートおよび前記第２のポートから受け、
   前記第１のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値が０より大きいときは、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖ０と前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖ０の平均値、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｎと前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｎの平均値、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｐと前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｐの平均値により前記絶縁抵抗を算出する、請求項１に記載の地絡検出装置。
4. 前記制御部は、前記第１のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値が０であるときは、前記第２のポートから受けた電圧Ｖ０に基づく電圧、電圧Ｖｃｎに基づく電圧、電圧Ｖｃｐに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出する、請求項１から３のいずれか一項に記載の地絡検出装置。
5. 前記制御部は、前記第１のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値が０であるときは、前記第１のポートから受けた電圧Ｖ０に基づく電圧、電圧Ｖｃｐに基づく電圧の測定値、および前記第２のポートから受けた電圧Ｖｃｎに基づく電圧の測定値により前記絶縁抵抗を算出する、請求項１から３のいずれか一項に記載の地絡検出装置。
6. 前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖ０と前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖ０の差、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｎと前記第２のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｎの差、前記第１のポートにおける測定値に基づく電圧Ｖｃｐと前記第２のポートにおけるに基づく電圧Ｖｃｐの差、の少なくとも１つを算出し、当該算出された差が所定の閾値以上であるときに、前記第１のポートと前記第２のポートの少なくともいずれかに異常が発生していると判定するポート故障発生判定部をさらに有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の地絡検出装置。
7. 前記オフセット分圧回路は、
   前記測定抵抗に生じた電圧が入力される入力端と、
   前記出力電圧を出力する出力端と、
   前記入力端と前記出力端との間に接続された第１の抵抗と、
   定電圧を供給する電圧源と、
   一端が前記電圧源に接続され、他端が前記第１の抵抗と前記出力端とを接続する線に接続された第２の抵抗と、
   一端が接地しており、他端が前記第１の抵抗と前記出力端とを接続する線に接続された第３の抵抗と、を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の地絡検出装置。

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