JP7346004B2 - 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。

非接地の高電圧バッテリを搭載した車両では、高電圧バッテリが設けられた系、具体的には、高電圧バッテリからモータに至るメインの電源系と車体との絶縁状態（地絡）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。

フライングキャパシタ方式の地絡検出装置は、絶縁抵抗を把握するために、フライングキャパシタとして機能する検出用コンデンサを含んだ計測経路をスイッチで切り替えて、Ｖ０計測、Ｖｃ１ｎ計測、Ｖｃ１ｐ計測を行なう。ここで、Ｖ０計測は高電圧バッテリの電圧に対応した電圧の計測であり、Ｖｃ１ｎ計測は負側の絶縁抵抗であるＲＬｎの影響を反映した電圧の計測であり、Ｖｃ１ｐ計測は正側の絶縁抵抗であるＲＬｐの影響を反映した電圧の計測である。

これらの計測で得られたＶ０、Ｖｃ１ｎ、Ｖｃ１ｐから、正側の絶縁抵抗と負側の絶縁抵抗とを合成した絶縁抵抗を算出できることが知られている。算出のための演算が複雑であるため、一般には、Ｖｃ１／Ｖ０（ただし、Ｖｃ１＝Ｖｃ１ｐ＋Ｖｃ１ｎ）を参照値とした絶縁抵抗換算用の換算マップを用意しておき、測定によって得られたＶｃ１／Ｖ０の値から換算マップを参照して絶縁抵抗を推定し、地絡の発生を判定する。

Ｖ０、Ｖｃ１ｎ、Ｖｃ１ｐ、いずれの計測においても、所定の充電時間Δｔｍで充電させたときの検出用コンデンサの充電電圧を測定して測定値とする。充電時間Δｔｍは、地絡判定を短時間で行なうために、検出用コンデンサをフル充電させないような値としている。一方で、充電時間Δｔｍが短すぎると、充電電圧が小さくなり、ノイズの影響等により検出精度が低下する。このため、充電時間Δｔｍは、判定時間と検出精度とのバランスを考慮して定められている。

特開２０１７－７８５８７号公報

Ｖ０計測、Ｖｃ１ｎ計測、Ｖｃ１ｐ計測の各計測結果により得られた参照値から絶縁抵抗を得るための換算マップは、検出用コンデンサの容量と、計測経路に設けられた充電抵抗の値と、充電時間Δｔｍとに基づいて算出することができる。

充電抵抗の値と充電時間Δｔｍは、変動が少ない安定した値とすることができるが、検出用コンデンサの容量は、固体毎のばらつきが比較的大きいのに加え、温度等の周辺環境の影響を受けて値が変動する。

計測を行なった際の検出用コンデンサの容量が、換算マップを作成したときに設定した検出用コンデンサの容量から変化していると、算出される絶縁抵抗の精度が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、フライングキャパシタ方式の地絡検出装置において、検出用コンデンサの容量が変化した場合であっても、絶縁抵抗の算出精度の低下を防ぐことを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の地絡検出装置は、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第１測定経路と、前記バッテリ、前記バッテリ負側ライン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第２測定経路と、前記バッテリ、前記バッテリ正側ライン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第３測定経路と、を切り換えるスイッチ群と、
前記各測定経路における前記コンデンサの各充電電圧に基づいて参照値を算出し、既定の換算マップを参照して前記絶縁抵抗を算出する制御部と、を備え、
前記換算マップは、前記コンデンサの容量に対応した換算マップを含み、
前記制御部は、前記コンデンサの容量を推定し、推定された前記コンデンサの容量に対応した換算マップを参照する。

本発明によれば、フライングキャパシタ方式の地絡検出装置において、検出用コンデンサの容量が変化した場合であっても、絶縁抵抗の算出精度の低下を防ぐことができる。

本発明の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。 検出用コンデンサの変動と検出誤差について説明する図である。 地絡検出装置の地絡判定動作について説明するフローチャートである。 周辺温度に基づいて検出用コンデンサの容量を推定する手法について説明するフローチャートである。 実測により検出用コンデンサの容量を推定する手法について説明する図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る地絡検出装置１００の構成を示すブロック図である。本図に示すように地絡検出装置１００は、高電圧バッテリ３００と接続し、高電圧バッテリ３００が設けられた系の地絡を検出するフライングキャパシタ方式の装置である。ここで、高電圧バッテリ３００の正極側と接地間の絶縁抵抗をＲＬｐと表し、負極側と接地間の絶縁抵抗をＲＬｎと表すものとする。

高電圧バッテリ３００は、車両走行の駆動用に用いられるバッテリである。高電圧バッテリ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、電気モータ等を含んだ負荷３１０を駆動する。

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動作する検出用コンデンサＣ１と、制御装置１２０を備えている。また、地絡検出装置１００は、計測経路を切り替えるとともに、検出用コンデンサＣ１の充電および放電を制御するために、検出用コンデンサ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ＭＯＳＦＥＴのように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、第１端が正極側電源ラインと接続し、第２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の第１端と接続し、抵抗Ｒ１の第２端は検出用コンデンサＣ１の第１極と接続している。スイッチＳ２は、第１端が負極側電源ラインと接続し、第２端が抵抗Ｒ２の第１端と接続している。抵抗Ｒ２の第２端は検出用コンデンサＣ１の第２極と接続している。

スイッチＳ３は、第１端が抵抗Ｒ３の第１端およびダイオードＤ３のアノード側と接続し、第２端が抵抗Ｒ５の第１端、制御装置１２０のアナログ入力端子、第２極が接地されたコンデンサＣ２の第１極と接続している。ダイオードＤ３のカソード側は検出用コンデンサＣ１の第１極と接続し、抵抗Ｒ３の第２端はダイオードＤ２のカソード側と接続し、ダイオードＤ２のアノード側は検出用コンデンサＣ１の第１極と接続している。抵抗Ｒ５の第２端は接地している。スイッチＳ４は、第１端が検出用コンデンサＣ１の第２極と接続し、第２端が抵抗Ｒ４の第１端と接続している。抵抗Ｒ４の第２端は接地している。

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に必要とされる各種制御を実行する。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検出用コンデンサＣ１の充電および放電を制御する。

Ｖ０計測、Ｖｃ１ｎ計測、Ｖｃ１ｐ計測の各計測回路は従来と同様である。すなわち、Ｖ０計測では、スイッチＳ１、Ｓ２をオンにして検出用コンデンサＣ１を充電する。Ｖｃ１ｎ計測では、スイッチＳ１、Ｓ４をオンにして、検出用コンデンサＣ１を充電する。Ｖｃ１ｐ計測では、スイッチＳ２、Ｓ３をオンにして、検出用コンデンサＣ１を充電する。

また、制御装置１２０は、検出用コンデンサＣ１の充電電圧に相当するアナログレベルをアナログ入力端子から入力し、測定値とする。この測定値に基づいて高電圧バッテリ３００が設けられた系の絶縁抵抗の低下を検出する。アナログ入力端子に検出用コンデンサＣ１の充電電圧を印加する際には、スイッチＳ３、Ｓ４をオンにする。この経路では検出用コンデンサＣ１の放電も行なわれる。

以上はフライングキャパシタ方式の地絡検出装置で広く用いられている基本的な回路構成であるが、フライングキャパシタ方式の地絡検出装置には種々の変形例もあり、地絡検出装置１００の構成は本図の例に限られない。

本実施形態では、さらに、制御装置１２０が、検出用コンデンサ容量推定部１３０と換算マップ１４０とを備えている。例えば、検出用コンデンサ容量推定部１３０は、制御装置１２０が所定のプログラムを実行することで構成することができ、換算マップ１４０は、制御装置１２０が備える記憶領域内に構成することができる。

検出用コンデンサ容量推定部１３０は、検出用コンデンサＣ１の現在の容量を推定するブロックである。検出用コンデンサＣ１の現在の容量を推定する手法は限定されず、種々の方法をとることができる。

例えば、一般にコンデンサの容量は温度の影響を受けるため、検出用コンデンサＣ１周辺の温度を温度計ＴＭ１３１（図１参照）で測定し、当初容量からの変化を見積もることで推定することができる。また、実測により検出用コンデンサＣ１の容量を推定してもよい。例えば、充電した検出用コンデンサＣ１を所定時間放電させ、放電前後の充電電圧の変化に基づいて算出することができる。この場合は、温度計ＴＭ１３１を省いてもよい。検出用コンデンサＣ１の現在の容量を推定する手順については後述する。

換算マップ１４０は、Ｖ０計測、Ｖｃ１ｎ計測、Ｖｃ１ｐ計測から得られる参照値を絶縁抵抗の値に換算するためのマップである。換算マップ１４０は、検出用コンデンサ容量に対応して作成されている。例えば、容量を大きさに応じた複数のグループに分類し、グループ毎に換算マップ１４０を作成することができる。各グループには、グループを代表する容量を定めておく。例えば、上限容量と下限容量とで定められるグループの中央値を代表する容量とすることができる。

換算マップ１４０は、検出用コンデンサＣ１の容量と、計測経路に設けられた充電抵抗（Ｒ１、Ｒ２）の値と、充電時間Δｔｍとに基づいて算出することができる。ここでは、充電抵抗の値と充電時間Δｔｍとを固定し、検出用コンデンサＣ１の容量を、グループを代表する容量で変化させてグループ毎の換算マップ１４０を作成する。換算マップ１４０は、当初の検出用コンデンサＣ１の容量に対応して作成された標準の換算マップ１４０を含んでいる。

制御装置１２０は、Ｖ０計測、Ｖｃ１ｎ計測、Ｖｃ１ｐ計測に基づいて参照値を算出すると、標準の換算マップ１４０あるいは検出用コンデンサＣ１の現在の容量の推定値に対応する換算マップ１４０を参照して、絶縁抵抗を算出する。

本実施形態の地絡検出装置１００は、検出用コンデンサＣ１の現在の容量の推定値に対応する換算マップ１４０を参照して、絶縁抵抗を算出するため、検出用コンデンサの容量が変化した場合であっても、絶縁抵抗の算出精度の低下を防ぐことができる。

ここで、検出用コンデンサＣ１の変動と検出誤差について図２を参照して説明する。図２（ａ）は、検出用コンデンサの容量が当初の容量ｂから容量ａに増えた場合と容量ｃに減った場合の絶縁抵抗に対する参照値の変化を示している。本図に示すように、絶縁抵抗が低い領域と高い領域で容量毎の参照値に差が生じており、特に絶縁抵抗が低い領域で差が顕著である。

図２（ｂ）は、容量ａ、容量ｂ、容量ｃそれぞれの場合に得られた参照値を元に、当初の容量ｂに対応した標準の換算マップで絶縁抵抗を算出した場合の検出誤差を示している。絶縁抵抗が低い領域では、容量による参照値の差が顕著に生じているのに加え、真の絶縁抵抗に対する誤差の比率が大きくなるため、検出誤差が極めて大きくなっている。理論上は、絶縁抵抗が充電抵抗と等しくなる抵抗値Ｒｔにおいて誤差がゼロになるが、絶縁抵抗がそれ以下に落ちると急激に誤差が悪化し、算出精度が低下する。

逆に言えば、絶縁抵抗が充電抵抗ほど低下してなければ、検出用コンデンサＣ１の容量の変化が絶縁抵抗の算出精度に与える影響はそれほど大きくないということになる。

このため、本実施形態では、絶縁抵抗が低下している可能性がある場合に、検出用コンデンサＣ１の現在の容量を推定し、推定された検出用コンデンサＣ１の現在の容量に対応した換算マップ１４０を参照するようにする。一方、絶縁抵抗が低下している可能性がない場合には、検出用コンデンサＣ１の現在の容量の推定を行なわず、標準の換算マップ１４０を参照するようにする。

これにより、標準の換算マップ１４０以外は、絶縁抵抗が低下している領域にのみ対応した換算マップ１４０を準備すればよいため、制御装置１２０における換算マップ１４０のための記憶領域を節約することができる。

ただし、絶縁抵抗の低下の可能性にかかわらず、検出用コンデンサＣ１の現在の容量を推定し、推定された検出用コンデンサＣ１の現在の容量に対応した換算マップ１４０を参照するようにしてもよい。これにより、絶縁抵抗の算出精度をより高めることができる。

次に、上記構成の地絡検出装置１００の地絡判定動作について図３のフローチャートを参照して説明する。本動作は、制御装置１２０の制御により行なわれる。

まず、スイッチＳ１～Ｓ４の開閉を制御し、Ｖ０、Ｖｃ１ｎ、Ｖｃ１ｐをそれぞれ測定する（Ｓ１０１）。そして、測定で得られたＶ０、Ｖｃ１ｎ、Ｖｃ１ｐに基づいて、参照値を算出する（Ｓ１０２）。

また、測定で得られたＶ０、Ｖｃ１ｎ、Ｖｃ１ｐに基づいて、絶縁抵抗が低下している可能性があるかどうかを判定する（Ｓ１０３）。上述のように、絶縁抵抗が充電抵抗より低下している場合に誤差が大きくなるため、絶縁抵抗が低下している目安として、例えば、Ｖ０＜（Ｖｃ１ｎ＋Ｖｃ１ｐ）が成り立つ場合とすることができる。

この結果、絶縁抵抗が低下している可能性があると判定した場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）は、検出用コンデンサ容量推定部１３０が、現在の検出用コンデンサＣ１の容量推定を行なう（Ｓ１０４）。現在の検出用コンデンサＣ１の容量推定の手順については後述する。

そして、推定された検出用コンデンサＣ１の容量に対応した換算マップ１４０を参照して（Ｓ１０５）、絶縁抵抗を算出する（Ｓ１０７）。絶縁抵抗を算出すると、得られた絶縁抵抗が所定の基準値を下回っているかどうかで地絡の判定を行なう（Ｓ１０８）。

一方、絶縁抵抗が低下している可能性がないと判定した場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）は、標準の換算マップ１４０を参照して（Ｓ１０６）、絶縁抵抗を算出する（Ｓ１０７）。絶縁抵抗を算出すると、得られた絶縁抵抗が所定の基準値を下回っているかどうかで地絡の判定を行なう（Ｓ１０８）。

最後に、検出用コンデンサ容量推定部１３０が行なう、現在の検出用コンデンサＣ１の容量推定の例について説明する。まず、検出用コンデンサＣ１の周辺温度に基づいて推定する手法の手順について図４のフローチャートを参照して説明する。

本手法では、地絡検出装置１００の出荷前において基準温度における検出用コンデンサＣ１の実際の容量を測定しておく。検出用コンデンサＣ１の実際の容量は、例えば、充電した検出用コンデンサＣ１を所定時間放電させ、放電前後の充電電圧の変化を測定することで算出することができる。

そして、実際の容量とともに、周辺温度毎の検出用コンデンサＣ１の推定容量を実測あるいは理論的に取得し、制御装置１２０内の検出用コンデンサ容量推定部１３０が参照可能な記憶領域に容量テーブルとして書き込んでおく。容量テーブルに変えて、周辺温度から現在の検出用コンデンサＣ１の容量を算出する算出式等を書き込んでおいてもよい。

現在の検出用コンデンサＣ１の容量推定の際には、温度計ＴＭ１３１を用いて検出用コンデンサＣ１の周辺温度を取得する（Ｓ２０１）。そして、出荷前に記録した容量テーブルを参照し（Ｓ２０２）、周辺温度に対応した容量を現在の検出用コンデンサＣ１の容量として推定する（Ｓ２０３）。

次に、実測により現在の検出用コンデンサＣ１の容量を推定する手法について図５を参照して説明する。ここでは、充電した検出用コンデンサＣ１を所定時間放電させ、放電前後の充電電圧の変化に基づいて現在の検出用コンデンサＣ１の容量を算出する。本手法は、特許文献１に記載されているため、概要の説明に留める。

本図に示すように、検出用コンデンサＣ１を時刻ｔ０からｔ１の間で充電させ、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間で放電した場合、時刻ｔ１における充電電圧Ｖ１に対する時刻ｔ２おける充電電圧Ｖ２の比率は、検出用コンデンサＣ１の容量に依存する。なお、充電抵抗は既知で一定であるとする。

このため、検出用コンデンサ容量推定部１３０は、スイッチＳ１～Ｓ４の開閉を制御し、検出用コンデンサＣ１に対して所定時間の充電と放電とを行ない、充電終了時点の検出用コンデンサの充電電圧Ｖ１と放電終了時点の検出用コンデンサの充電電圧Ｖ２とを測定する。そして、測定された充電電圧と放電時に関係する抵抗に基づいて現在の検出用コンデンサＣ１の容量を算出する。

具体的には、放電時に関係する抵抗をＲｄとすると、Ｃ１＝（ｔ２－ｔ１）／（Ｒｄ×ｌｎ（Ｖ２／Ｖ１））で算出することができる。

以上説明したように、本実施形態の地絡検出装置１００は、検出用コンデンサＣ１の現在の容量を推定し、推定値に対応する換算マップ１４０を参照して、絶縁抵抗を算出するため、検出用コンデンサの容量が変化した場合であっても、絶縁抵抗の算出精度の低下を防ぐことができる。

このとき、絶縁抵抗が低下している可能性がない場合には、検出用コンデンサＣ１の現在の容量の推定を行なわず、標準の換算マップ１４０を参照するようにしてもよい。これにより、制御装置１２０における換算マップ１４０のための記憶領域を節約することができる。

１００ 地絡検出装置
１２０ 制御装置
１３０ 検出用コンデンサ容量推定部
１４０ 換算マップ
３００ 高電圧バッテリ
３１０ 負荷

Claims (4)

1. 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第１測定経路と、前記バッテリ、前記バッテリ負側ライン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第２測定経路と、前記バッテリ、前記バッテリ正側ライン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第３測定経路と、を切り換えるスイッチ群と、
   前記各測定経路における前記コンデンサの各充電電圧に基づいて参照値を算出し、既定の換算マップを参照して前記絶縁抵抗を算出する制御部と、を備え、
   前記換算マップは、標準の換算マップと、前記コンデンサの容量に対応した換算マップとを含み、
   前記制御部は、算出した前記参照値に基づいて、前記絶縁抵抗が所定の基準より低下していると判定した場合に、前記コンデンサの容量を推定し、推定された前記コンデンサの容量に対応した換算マップを参照して前記絶縁抵抗を算出し、
   前記絶縁抵抗が所定の基準より低下していないと判定した場合に、前記標準の換算マップを参照して前記絶縁抵抗を算出することを特徴とする地絡検出装置。
2. 前記コンデンサの容量に対応した換算マップは、前記絶縁抵抗が所定の基準より低下していると判定される前記参照値の範囲で作成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。
3. 前記制御部は、前記コンデンサの周辺温度を取得し、取得した周辺温度に基づいて、前記コンデンサの容量を推定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。
4. 前記制御部は、前記コンデンサを充電させた後、所定時間放電させたときの放電前後の充電電圧を測定し、測定値に基づいて前記コンデンサの容量を推定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。

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