JPWO2011040128A1

JPWO2011040128A1 - 地絡検出回路および電源装置

Info

Publication number: JPWO2011040128A1
Application number: JP2011534128A
Authority: JP
Inventors: 光三浦; 彰彦工藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2013-02-21
Also published as: US20120043967A1; US8791702B2; WO2011040128A1

Abstract

本発明に係る地絡検出回路は、絶縁されたバッテリの地絡を検出する地絡検出回路において、交流信号を発生させる交流信号発生部と、この交流信号発生部により発生された交流信号を、バッテリにカップリングする第１の容量性素子と、この第１の容量性素子によりバッテリにカップリングされた前記交流信号を分圧する分圧部と、入力信号の交流成分に基づいて、バッテリの地絡を検出する地絡検出部と、分圧部により分圧された前記交流信号を地絡検出部へ前記入力信号としてカップリングする第２の容量性素子と、を備える。

Description

本発明は、地絡検出回路および電源装置に関する。

電気自動車等に搭載されたバッテリは、車体と絶縁されている。バッテリに地絡が発生すると、バッテリによる感電の危険が高くなる。従って、バッテリの地絡を検出する各種の回路が提案されている。例えば特許文献１には、交流発振回路を高電圧バッテリへ第１のコンデンサを介して接続すると共に、比較回路を高電圧バッテリへ第２のコンデンサを介して接続した絶縁劣化検出装置が記載されている。この絶縁劣化検出装置は、比較回路が交流発振回路からの交流信号と、第２のコンデンサを介して入力される交流信号とを比較することにより、絶縁された高電圧バッテリに漏電が発生していることを検知する。

特許第４０３５９４２号公報

従来のリーク検出回路には、地絡発生時の過渡応答により、地絡の検出が不可能な期間が存在するという問題があった。

本発明の第１の態様によると、地絡検出回路であって、絶縁されたバッテリの地絡を検出する地絡検出回路において、交流信号を発生させる交流信号発生部と、前記交流信号発生部により発生された前記交流信号を、前記バッテリにカップリングする第１の容量性素子と、前記第１の容量性素子により前記バッテリにカップリングされた前記交流信号を分圧する分圧部と、入力信号の交流成分に基づいて、前記バッテリの地絡を検出する地絡検出部と、前記分圧部により分圧された前記交流信号を前記地絡検出部へ前記入力信号としてカップリングする第２の容量性素子と、を備える。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の地絡検出回路において、前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出部を更に備え、前記分圧部は、前記バッテリ電圧検出部を構成することが好ましい。
本発明の第３の態様によると、電源装置であって、第１の態様または第２の態様の地絡検出回路と、複数の電池セルにより構成された組電池である前記バッテリを管理するバッテリコントローラとを備える。
本発明の第４の態様によると、第３の態様の電源装置において、前記バッテリと前記バッテリにより駆動される負荷とを接続する継電器を更に備え、前記バッテリコントローラは、前記地絡検出部により前記バッテリの地絡が検出されたことに応じて、前記継電器を制御し前記バッテリと前記負荷とを遮断することが好ましい。

本発明によれば、地絡の検出が不可能な期間を短縮することができる。

本発明の一実施形態による電源装置の構成を示す図である。式（１）におけるＶｉｎとＶｏｕｔの比と、リーク抵抗との関係を示す図である。リチウムイオン電池１の正端子が地絡したときに、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２に印加される電圧波形の一例である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による電源装置の構成を示す図である。この電源装置は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されており、車両のモータ７を駆動したり、モータ７により発生された回生電力を回収したりする際に、リチウムイオン電池１の充放電制御を行う。

リチウムイオン電池１は、車体から絶縁されている。本実施形態による電源装置は、リーク検出回路を有する。このリーク検出回路は、リチウムイオン電池１と車体の間の絶縁が劣化し漏電が発生したことを検知する。

電源装置は、抵抗２、リレー３〜５、インバータ６、ＭＣＵ２１、ドライバ回路２２、コンデンサ８、総電圧検出回路９、電流センサ１０、マイクロプロセッサ１１、抵抗１３、カップリングコンデンサ１４、１５および増幅器１６を有している。

リチウムイオン電池１は、正極にマンガン系材料を、負極に非晶質系炭素材料をそれぞれ用いた複数のセル、たとえば９６個のセルが直列に接続されて構成されている。リチウムイオン電池１の各々のセルの定格容量はたとえば５．５Ａｈであり、定格電圧はたとえば３．６Ｖである。

リチウムイオン電池１とインバータ６は、リレー３〜５を介して接続される。リレー３〜５は、インバータ６を制御しているＭＣＵ２１により制御されオン、オフが切り替わる。インバータ６の入力端子側には、パルス状の充放電電流を平滑化するための大容量のコンデンサ８が接続されている。リチウムイオン電池１とインバータ６の間には、突入電流防止用の抵抗２が設けられている。抵抗２は、たとえば３９０Ωの抵抗値を有する。リチウムイオン電池１からインバータ６への通電開始時には、リレー４、５が閉じられることにより、リチウムイオン電池１とインバータ６が抵抗２を介して接続される。これにより、コンデンサ８に流れる突入電流が制限され、リレー３〜５の接点が保護される。その後、リレー３が閉じられると共にリレー４が開放されることで、リチウムイオン電池１とインバータ６が抵抗２を介さずに接続される。このようにして、リレー３〜５によりリチウムイオン電池１とインバータ６の接続が行われる。

インバータ６は、車両に搭載されたモータ７と接続されており、リチウムイオン電池１から出力される直流電力を３相交流電力に変換してモータ７に出力し、モータ７を駆動する。また、モータ７を発電機として発生された回生電力を直流電力に変換してリチウムイオン電池１に出力し、リチウムイオン電池１を充電する。すなわち、インバータ６は双方向型の入出力特性を有しており、リチウムイオン電池１の充放電負荷として機能する。

総電圧検出回路９は、リチウムイオン電池１の総電圧を検出し、その検出値に応じた電圧を電圧検出信号として出力する。総電圧検出回路９は、抵抗１７〜２０および差動増幅器２１を有する。総電圧検出回路９から出力される電圧検出信号は、差動増幅器２１からの出力である。電流センサ１０は、リチウムイオン電池１に入出力される電流を検出し、その検出値に応じた電圧を電流検出信号として出力する。総電圧検出回路９および電流センサ１０からそれぞれ出力された各検出信号は、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子１、２、３においてそれぞれ入力される。

リチウムイオン電池１の高電位側の端子は、総電圧検出回路９内の抵抗１７、検出用カップリングコンデンサ１５および増幅器１６を介して、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子３に接続されている。ＡＤ入力端子３への信号は、抵抗１７〜２０により分圧される。従って、検出用カップリングコンデンサ１５は耐圧が低くてもよい。

マイクロプロセッサ１１は、リチウムイオン電池１を含む電源装置全体を管理するバッテリコントローラである。マイクロプロセッサ１１は、発振回路を内蔵している。この発振回路は、例えば０〜５Ｖの振幅を有する周波数１０Ｈｚの矩形波を生成し、マイクロプロセッサの交流出力端子から出力する。マイクロプロセッサの交流出力端子は、抵抗１３および入力用カップリングコンデンサ１４を介してリチウムイオン電池１の高電圧側の端子に接続されている。

マイクロプロセッサ１１は更に、ＡＤコンバータを内蔵している。総電圧検出回路９および電流センサ１０からの各検出信号と、増幅器１６からの出力とは、ＡＤ入力端子１〜３を介してマイクロプロセッサ１１のＡＤコンバータにそれぞれ入力される。ＡＤコンバータは、これらの信号を所定の測定範囲、たとえば０〜５Ｖの測定範囲内で測定してデジタル値に変換する。このデジタル変換後の測定値に基づいて、マイクロプロセッサ１１はリチウムイオン電池１の総電圧および入出力電流を測定すると共に、リチウムイオン電池１と車体の間の漏電を検知する。

（地絡検出動作の説明）
マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２には、次式（１）により表される電圧Ｖｏｕｔの交流成分が重畳した電圧が印加される。次式（１）において、αは抵抗１７と抵抗１９における抵抗１９の分圧比に増幅器１６の増幅率を掛け合わせた値、Ｖｉｎはマイクロプロセッサ１１の交流出力端子から印加される電圧、Ｒ１はリーク抵抗１２の抵抗値、Ｒ２は抵抗１３の抵抗値、Ｚは入力用カップリングコンデンサ１４のインピーダンスである。
Ｖｏｕｔ≒αＶｉｎ（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｚ））・・・（１）

リーク抵抗１２が発生した場合、すなわち地絡が発生した場合には、上式（１）よりＡＤ入力端子３への入力信号の振幅が変化する。従って、マイクロプロセッサ１１は地絡の発生を検出することができる。また、検出用カップリングコンデンサ１５が故障などにより開放状態となった場合、ＡＤ入力端子３には正常時とは異なる信号が現れるので、やはり異常を検出することができる。入力用カップリングコンデンサ１４が開放状態となった場合、リチウムイオン電池１の高電圧側には交流成分が含まれなくなるので、マイクロプロセッサ１１はやはり異常を検出することが可能である。

総電圧検出回路９において、抵抗１７〜２０からなる分圧抵抗は、バッテリ側から見てシャーシＧＮＤに対し十分に高抵抗でなければならない。さらに、抵抗１７と抵抗１９、抵抗１８と抵抗２０の組み合わせからなる分圧比は、互いに一致していて、リチウムイオン電池１の一方の端子がシャーシＧＮＤに短絡していても、差動増幅器２１で正常に増幅できる電圧範囲になるように設定する。

増幅器１６の増幅率は、マイクロプロセッサ１１から出力された交流信号の振幅低下を補正し、マイクロプロセッサ１１のＡＤコンバータの分解能で、十分に地絡を検出可能となる増幅率に設定する。また、リレー３〜５を接続時に発生する過渡応答が十分安定して、地絡を十分に検出可能なときには、マイクロプロセッサ１１のＡＤコンバータの入力電圧範囲（ＡＤ入力端子２）を超えないように設定する。

（本発明と基本性能）
式（１）においてリーク抵抗Ｒ１が０のとき、すなわち、バッテリが完全に地絡したとき、式（１）は式（２）に簡略化される。
Ｖｏｕｔ＝０・・・（２）

図２は式（１）におけるＶｉｎとＶｏｕｔの比と、リーク抵抗との関係を示す図である。本発明ではＶｉｎで印加した電圧範囲全体で絶縁抵抗値を監視することができ、絶縁抵抗の測定精度を向上することが可能である。

図３はリチウムイオン電池１の正端子が地絡したときに、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２に印加される電圧波形の一例である。ＡＤコンバータの入力電圧範囲を０〜５Ｖとすると、地絡が発生したときに生じる電圧変動により、ＶｏｕｔはＡＤコンバータの入力電圧範囲外となる場合がある。本発明では、振幅を調節することにより地絡発生直後から振幅を監視し、地絡検出動作の遅延を最小に抑えることが可能となる。

マイクロプロセッサ１１は、地絡の発生を検出すると、リレー３〜５を開くことにより、リチウムイオン電池１とコンデンサ８をインバータ６およびモータ７から遮断する。なお、地絡の発生を検出したマイクロプロセッサ１１が、リレー３〜５を開く以外の動作を行ってもよい。例えば、予め用意された警告灯を点灯する等により、ユーザへ地絡の発生を報知してもよい。

上述した第１の実施形態による電源装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）マイクロプロセッサ１１は、抵抗１７および抵抗１９により分圧された交流信号に基づいて地絡検出動作を行う。これにより、地絡発生時の過渡応答の電圧波形のピークによる、ＡＤ入力端子２への入力電圧のピークがこの分圧により小さくなるので、ＡＤ入力端子２への入力電圧範囲を超える期間が短くなり、従って地絡の検出が不可能な期間を短縮することができると共に、検出用カップリングコンデンサ１５に耐圧が低いものを用いることが可能となる。

（２）交流出力端子からの交流信号を分圧する抵抗１７および抵抗１９は、総電圧検出回路９を構成する素子の一部である。すなわち、抵抗１７および抵抗１９は、ＡＤ入力端子２への入力信号の分圧と、総電圧検出回路９による電圧の検出と、に用いられる。これにより、回路に追加する素子を最小限にすることができる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。

（変形実施例１）
本発明は、リチウムイオン電池以外の充電池を使用するシステムや、インバータおよびモータを使用しないシステム、たとえば電気自動車以外のシステム等においても適用可能である。

（変形実施例２）
増幅器１６の出力を、マイクロプロセッサ１１以外の回路および装置へ入力してもよい。また、地絡の発生の検出に応じた動作を、マイクロプロセッサ１１以外の回路および装置が行ってもよい。例えばリレー３〜５の開放を、インバータ６が行うよう電源装置を構成してもよい。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２００９年第２２５１３１号（２００９年９月２９日出願）。

【０００２】
信号の交流成分に基づいて、前記バッテリの地絡を検出する地絡検出部と、前記分圧部により分圧された前記交流信号を前記地絡検出部へ前記入力信号としてカップリングする第２の容量性素子と、を備える。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の地絡検出回路において、前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出部を更に備え、前記分圧部は、前記バッテリ電圧検出部を構成することが好ましい。
本発明の第３の態様によると、電源装置であって、第１の態様または第２の態様の地絡検出回路と、複数の電池セルにより構成された組電池である前記バッテリを管理するバッテリコントローラとを備える。
本発明の第４の態様によると、第３の態様の電源装置において、前記バッテリと前記バッテリにより駆動される負荷とを接続する継電器を更に備え、前記バッテリコントローラは、前記地絡検出部により前記バッテリの地絡が検出されたことに応じて、前記継電器を制御し前記バッテリと前記負荷とを遮断することが好ましい。
本発明の第５の態様によると、第１の態様または第２の態様の地絡検出回路において、前記第１の容量性素子を介してバッテリに印加され、前記分圧部によりバッテリ電圧とともに分圧された交流信号を、前記第２の容量性素子によりバッテリから抽出することが好ましい。
本発明の第６の態様によると、第１の態様または第２の態様の地絡検出回路において、前記分圧部により分圧された前記交流信号は、前記交流信号発生部により発生された交流信号が、前記第１の容量性素子により前記バッテリにカップリングされることによって前記バッテリの電圧に重畳され、前記分圧部によって分圧されて、前記第２の容量性素子を介して前記地絡検出部へ入力されることが好ましい。
発明の効果
［０００６］
本発明によれば、地絡の検出が不可能な期間を短縮することができる。
図面の簡単な説明
［０００７］
［図１］本発明の一実施形態による電源装置の構成を示す図である。
［図２］式（１）におけるＶｉｎとＶｏｕｔの比と、リーク抵抗との関係を示す図である。
［図３］リチウムイオン電池１の正端子が地絡したときに、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２に印加される電圧波形の一例である。
発明を実施するための形態
［０００８］
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による電源装置の構成を示す図である。この電源装置は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されており、車両のモータ７を駆動したり、モータ７により発生された回生電力を回収したりする際に、リチウムイオン電池１の充放電制御を行う。

Claims

絶縁されたバッテリの地絡を検出する地絡検出回路において、
交流信号を発生させる交流信号発生部と、
前記交流信号発生部により発生された前記交流信号を、前記バッテリにカップリングする第１の容量性素子と、
前記第１の容量性素子により前記バッテリにカップリングされた前記交流信号を分圧する分圧部と、
入力信号の交流成分に基づいて、前記バッテリの地絡を検出する地絡検出部と、
前記分圧部により分圧された前記交流信号を前記地絡検出部へ前記入力信号としてカップリングする第２の容量性素子と、
を備える地絡検出回路。
請求項１に記載の地絡検出回路において、
前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出部を更に備え、
前記分圧部は、前記バッテリ電圧検出部を構成する地絡検出回路。
請求項１または２に記載の地絡検出回路と、
複数の電池セルにより構成された組電池である前記バッテリを管理するバッテリコントローラとを備える電源装置。
請求項３に記載の電源装置において、
前記バッテリと前記バッテリにより駆動される負荷とを接続する継電器を更に備え、
前記バッテリコントローラは、前記地絡検出部により前記バッテリの地絡が検出されたことに応じて、前記継電器を制御し前記バッテリと前記負荷とを遮断する電源装置。