JPWO2016067576A1

JPWO2016067576A1 - 異常検出装置

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Publication number: JPWO2016067576A1
Application number: JP2016556216A
Authority: JP
Inventors: 大地橋本; 隆史中澤; 晴彦関野
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2017-08-17
Also published as: WO2016067576A1; EP3214452A1; US20170299648A1; EP3214452A4; CN107076792A; US10114064B2

Abstract

異常検出装置は、第１端と、高電圧回路に接続される第２端とを含むカップリングコンデンサと、信号出力部と、信号抽出部と、信号入力部とを有する。信号出力部は、カップリングコンデンサの第１端に、検出抵抗を介して接続され、交流の検査信号を出力する。信号抽出部は、検出抵抗とカップリングコンデンサとの間に出力される検査信号を抽出信号として抽出する。信号入力部は入力された抽出信号のレベルに基づき、高電圧回路の絶縁抵抗の異常を検出する。信号抽出部は、信号除去フィルタと、減算回路とを含む。信号除去フィルタは、検査信号の周波数の信号を除去し、検査信号より低周波数のノイズを通す。減算回路は、信号除去フィルタを通過した信号と、信号除去フィルタを非通過の信号との差信号を、抽出信号として出力する。

Description

本発明は、高電圧回路の絶縁抵抗の異常を検出する異常検出装置に関する。

以前より、高電圧回路の絶縁抵抗の異常を検出する異常検出装置が提案されている。特許文献１には、異常検出装置として、電気自動車の地絡検出回路が開示されている。特許文献１の地絡検出回路は、一端が高電圧回路に接続されるカップリングコンデンサと、カップリングコンデンサの他端にインピーダンスを介して発振信号を出力する発振回路部と、インピーダンスとカップリングコンデンサとの間の信号の振幅に基づいて高電圧回路の地絡を判定する地絡検出回路部とを有している。

特許文献１の地絡検出回路によれば、高電圧回路の絶縁抵抗が正常に維持されていれば、発振回路部により出力される発振信号は、大きく電圧降下することなく地絡検出回路部に検出される。一方、高電圧回路が地絡すれば、発振回路部により出力された発振信号は高電圧回路から接地点へ流れる電流によって大きく電圧降下し、地絡検出回路部がこの電圧降下を検出する。これにより、高電圧回路の地絡を判定することができる。

また、特許文献１の地絡検出回路は、地絡検出回路部とカップリングコンデンサとの間に、高電圧回路で発生する低周波ノイズを遮断するバンドパスフィルタ又はハイパスフィルタを有している。低周波ノイズが遮断されないと、発振回路部の発振信号は、低周波ノイズに加算されて地絡検出回路部に入力される。このため、入力された信号が地絡検出回路部のダイナミックレンジを超えた場合に、地絡検出回路部に入力される信号の一部がクリップされ、地絡の正確な検出を行うことが困難になる。しかしながら、上記のバンドパスフィルタ又はハイパスフィルタを有することで、信号のクリップを回避することができる。

日本国特許第３７８１２８９号公報

本発明は、カップリングコンデンサを介して高電圧回路に接続され、高電圧回路の絶縁抵抗の異常を検出する異常検出装置において、高電圧回路の低周波ノイズの影響を削減でき、且つ、検査信号を抽出するために高価な入力コンデンサを有するフィルタ回路を必要としない異常検出装置を提供する。

本発明の一態様に係る異常検出装置は、第１端と、高電圧回路に接続される第２端とを含むカップリングコンデンサと、信号出力部と、信号抽出部と、信号入力部とを有する。信号出力部は、カップリングコンデンサの第１端に、検出抵抗を介して接続され、交流の検査信号を出力する。信号抽出部は、検出抵抗とカップリングコンデンサとの間に出力される検査信号を抽出信号として抽出する。信号入力部は入力された抽出信号のレベルに基づき、高電圧回路の絶縁抵抗の異常を検出する。信号抽出部は、信号除去フィルタと、減算回路とを含む。信号除去フィルタは、検査信号の周波数の信号を除去し、検査信号より低周波数のノイズを通す。減算回路は、信号除去フィルタを通過した信号と、信号除去フィルタを非通過の信号との差信号を、抽出信号として出力する。

本発明によれば、高電圧回路の低周波ノイズの影響を削減でき、且つ、検査信号を抽出するために高価な入力コンデンサを有するフィルタ回路を不要とすることができる。

比較例の異常検出装置を示す構成図本発明の実施の形態１による異常検出装置を示す構成図ローパスフィルタの第１具体例を示す回路図ローパスフィルタの第２具体例を示す回路図異常検出装置の信号出力部が出力する検査信号の波形図異常検出装置の低周波ノイズが付加された結節点ｎ１の信号の波形図異常検出装置の第２のローパスフィルタの出力信号の波形図異常検出装置の差動増幅部から出力される抽出信号の波形図本発明の実施の形態２による異常検出装置を示す構成図本発明の実施の形態３による異常検出装置を示す構成図図６のバッファ回路の具体例を示す回路図

本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の技術における問題点を簡単に説明する。図１は、特許文献１の地絡検出回路の構成を適用した、比較例の異常検出装置２００を示している。異常検出装置２００は、一端が高電圧回路１００に接続されるカップリングコンデンサＣ０と、検出抵抗Ｒ０と、信号出力部２０１と、信号抽出部２０２と、信号入力部２０３とを有する。高電圧回路１００は、高電圧を供給する電池１１０と、高電圧により駆動する負荷１２０とを有している。高電圧回路１００は、正常であれば高い絶縁抵抗１１１を介してアースと分離されている。

異常検出装置２００の信号出力部２０１は、検出抵抗Ｒ０を介してカップリングコンデンサＣ０の他端に交流の検査信号を出力する。信号抽出部２０２は、検出抵抗Ｒ０とカップリングコンデンサＣ０の他端との中間の結節点の信号を入力する。信号抽出部２０２は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２１１で低周波ノイズを遮断し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２１２で高周波ノイズを遮断して、検査信号の周波数成分の信号を抽出する。差動増幅部２１３は、ハイパスフィルタ２１１とローパスフィルタ２１２とを通過した信号を増幅して信号入力部２０３に出力する。信号入力部２０３は、抽出された信号のレベルに基づいて高電圧回路１００の絶縁抵抗１１１の異常を検出する。

このように、信号抽出部２０２がハイパスフィルタ２１１を有することで、高電圧回路１００で発生する低周波ノイズによる影響を削減し、信号入力部２０３の入力信号がクリップされるという不都合を回避できる。

一方、ハイパスフィルタ２１１には、入力コンデンサが必要となる。ハイパスフィルタ２１１には、周波数の高くない検査信号が入力されるため、入力コンデンサには、比較的に大きな容量が要求される。さらに、ハイパスフィルタ２１１には、高電圧回路１００の異常により高電圧が印加されることが想定される。このため、入力コンデンサには、中高耐圧の特性が要求される。これらの容量および耐圧の要求とから、入力コンデンサの部品サイズは大きくなり、部品コストが上昇する。したがって、異常検出装置２００においては、回路面積の増大、および、部品コストの増大という問題が生じる。

以下、本発明の種々の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
＜構成説明＞
図２は、本発明の実施の形態１による異常検出装置１０を示す構成図である。異常検出装置１０は、例えば車両に搭載され、高電圧回路１００の絶縁抵抗１１１の異常を検出する装置である。高電圧回路１００は、高電圧を供給する電池１１０と、高電圧により駆動する負荷（例えば電気自動車の駆動用モータなど）１２０とを有している。高電圧回路１００は、正常であれば高い絶縁抵抗１１１を介してアースと分離されている。高電圧回路１００では、予め想定される周波数の低周波ノイズが発生する。

異常検出装置１０は、カップリングコンデンサＣ０、信号出力部１１、検出抵抗Ｒ０、信号抽出部１２、および、信号入力部１３を有している。異常検出装置１０には、低電圧の電源（高電圧回路１００の電源より低い電圧）が供給される。

カップリングコンデンサＣ０は、異常検出装置１０と高電圧回路１００とを交流的に接続し、高電圧回路１００と異常検出装置１０とを直流的に絶縁する。カップリングコンデンサＣ０の一端は、高電圧回路１００（例えば電池１１０の負極）に接続される。

信号出力部１１は、交流の検査信号を出力する。信号出力部１１には、電源電圧の中間の電圧であるオフセット電圧が供給される。信号出力部１１は、オフセット電圧を中心に電圧が変化する交流電圧を、検査信号として出力する。信号出力部１１は、検出抵抗Ｒ０を通して、カップリングコンデンサＣ０の他端に、検査信号を出力する。

検出抵抗Ｒ０は、カップリングコンデンサＣ０を介して高電圧回路１００へ電流が流れたときに、検査信号に電圧降下を生じさせるための抵抗である。

信号抽出部１２は、検出抵抗Ｒ０とカップリングコンデンサＣ０との間の結節点ｎ１に出力される検査信号を抽出する。信号抽出部１２は、第１のローパスフィルタ（ノイズ除去フィルタに相当）２１と、第２のローパスフィルタ（信号除去フィルタに相当）２２と、差動増幅部（減算回路に相当）２３とを有している。図中、ローパスフィルタをＬＰＦと記す。

第１のローパスフィルタ２１は、検査信号より高い周波数の高周波ノイズを除去し、検査信号と低周波ノイズとを通す。第１のローパスフィルタ２１のカットオフ周波数は、検査信号の周波数より高い周波数に設定される。

第２のローパスフィルタ２２は、検査信号の周波数成分を除去し、検査信号より周波数の低い低周波ノイズを通す。第２のローパスフィルタ２２のカットオフ周波数は、高電圧回路１００で想定される低周波ノイズの周波数と、検査信号の周波数との間に設定される。

第１のローパスフィルタ２１と第２のローパスフィルタ２２とは、図３Ａに示すように、オペアンプＯＰ１１、入力抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、コンデンサＣ１１、Ｃ１２を有するアクティブ方式のローパスフィルタから構成しても良い。また、第１のローパスフィルタ２１は、図３Ｂに示すように、信号線に配置される抵抗Ｒ１３と、信号線とグラウンドとの間に接続されるコンデンサＣ１３とを有するパッシブ方式のローパスフィルタから構成してもよい。第１のローパスフィルタ２１および第２のローパスフィルタ２２においては、容量が大きく中高耐圧の特性を有する入力コンデンサが必要ない。第１のローパスフィルタ２１および第２のローパスフィルタ２２は、入力信号の直流成分を遮断しない特性を有しており、直流成分が付加された信号が入力される場合に、オフセット電圧を要さずに、直流成分を付加したまま信号を通過させることができる。

差動増幅部２３は、第１のローパスフィルタ２１の出力と、第２のローパスフィルタ２２の出力との差信号を、信号抽出部１２の抽出信号として出力する。具体的には、差動増幅部２３は、第１のローパスフィルタ２１の出力電圧と第２のローパスフィルタ２２の出力電圧との差電圧を、所定の利得で増幅して出力する。利得は１より大きく設定されるが、利得は１以下としてもよい。

信号入力部１３は、信号抽出部１２から抽出信号を入力する。具体的には、信号入力部１３は、マイクロコンピュータであり、信号抽出部１２の抽出信号をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換して入力する。さらに、信号入力部１３は、抽出信号のレベル値を、閾値と比較するなどして、絶縁抵抗１１１の異常の有無を判定する。

＜動作説明＞
図４Ａ〜図４Ｄは、異常検出装置の各点に出力される信号を示す。図４Ａは信号出力部から出力される検査信号の波形図、図４Ｂは低周波ノイズが付加された結節点ｎ１の信号波形図、図４Ｃは第２のローパスフィルタの出力波形図、図４Ｄは差動増幅部から出力される抽出信号の波形図である。

信号出力部１１は、図４Ａに示すように、所定振幅で所定の周波数で変化する交流の検査信号を出力する。

高電圧回路１００には、図４Ｃに示すように、検査信号の周波数よりも低い低周波ノイズが発生する。低周波ノイズが発生すると、図４Ｂに示すように、検出抵抗Ｒ０とカップリングコンデンサＣ０との間の結節点ｎ１に、低周波ノイズと検査信号とが合算された信号が出力される。合算された信号は、第１のローパスフィルタ２１と第２のローパスフィルタ２２に送られる。

第１のローパスフィルタ２１は、検査信号より高い周波数の高周波ノイズを除去する。図４Ｂの波形図には高周波ノイズを含めていないので、図４Ｂの信号が入力された場合、第１のローパスフィルタ２１からは、図４Ｂと変わらない信号が出力される。

第２のローパスフィルタ２２は、図４Ｃに示すように、検査信号の周波数成分を除去し、低周波ノイズの成分が通された信号を出力する。

差動増幅部２３は、図４Ｄに示すように、第１のローパスフィルタ２１と、第２のローパスフィルタ２２との差信号を所定利得で増幅して、抽出信号として出力する。差動増幅部２３には、所定のオフセット電圧が供給される。所定のオフセット電圧と所定利得とにより、差動増幅部２３から信号入力部１３に出力される抽出信号は、信号入力部１３のダイナミックレンジ（例えば０Ｖ〜５Ｖ）に収まる。

信号入力部１３は、差動増幅部２３から抽出信号を入力し、抽出信号のレベルに基づいて高電圧回路１００の絶縁抵抗１１１の異常の有無を判定する。例えば、絶縁抵抗１１１が正常な値に維持されていれば、信号入力部１３に入力される抽出信号の振幅は高いレベルを維持する。一方、絶縁抵抗１１１が小さくなると、検査信号によりカップリングコンデンサＣ０と絶縁抵抗１１１を介してグラウンドへ電流が流れることで、検出抵抗Ｒ０による電圧降下により結節点ｎ１の検査信号のレベルが小さくなる。よって、差動増幅部２３から信号入力部１３へ出力される抽出信号の振幅レベルが小さくなって、信号入力部１３が絶縁抵抗１１１の異常を判定する。

以上のように、異常検出装置１０によれば、信号抽出部１２に高価な入力コンデンサを有するフィルタ回路を必要としない。さらに、第２のローパスフィルタ２２が検査信号の周波数成分を除去し、且つ、低周波ノイズを通した信号を生成し、差動増幅部２３が、第２のローパスフィルタ２２を通過した信号と第２のローパスフィルタ２２を通過していない信号との差信号を、抽出信号として出力する。このような第２のローパスフィルタ２２と差動増幅部２３との作用により、信号抽出部１２から信号入力部１３へ出力される抽出信号から、低周波ノイズの影響を削減することができる。したがって、実施の形態１の異常検出装置１０によれば、高電圧回路１００の低周波ノイズの影響を削減でき、且つ、検査信号を抽出するために高価な入力コンデンサを有するフィルタ回路を不要とすることができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２による異常検出装置１０Ａの構成図を示す。異常検出装置１０Ａは、差動増幅部２３Ａをオフセット電圧不使用の構成としたところが、実施の形態１と異なる。実施の形態１と同様の構成については、実施の形態１と同一符号を付して詳細な説明を省略する。

差動増幅部２３Ａは、第１のローパスフィルタ２１と、第２のローパスフィルタ２２との差信号を所定利得で増幅して、抽出信号として出力する。差動増幅部２３Ａには、オフセット電圧が供給されず、差動増幅部２３Ａは、減算した電圧値が負になるときにはゼロ電圧を出力する。

信号入力部１３は、差動増幅部２３Ａから、０Ｖ以下の波形がクリップされた抽出信号が入力される。信号入力部１３は、抽出信号の波高値を計測し、波高値と閾値とを比較するなどして、絶縁抵抗１１１の異常の有無を判定する。

その他の動作は、実施の形態１で説明した異常検出装置１０と同様である。

以上のように、異常検出装置１０Ａによれば、差動増幅部２３Ａで、抽出信号の０Ｖ以下の波形がクリップされる一方、信号抽出部１２にオフセット電圧を供給する必要がなくなる。よって、実施の形態１と同様の効果に加えて、全体的な回路面積の削減および部品コストの低減を図ることができる。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３による異常検出装置１０Ｂの構成図である。図７は、図６のバッファ回路２４の具体例の回路図である。異常検出装置１０Ｂは、バッファ回路２４を有する点が、実施の形態１と異なる。実施の形態１と同様の構成については、実施の形態１と同一符号を付して詳細な説明を省略する。

異常検出装置１０Ｂは、バッファ回路２４を有する信号抽出部１２Ｂを有している。信号抽出部１２Ｂは、第１のローパスフィルタ２１、第２のローパスフィルタ２２、差動増幅部２３、および、バッファ回路２４を有する。

バッファ回路２４は、結節点ｎ１から信号を入力し、第１のローパスフィルタ２１および第２のローパスフィルタ２２に信号を出力する。バッファ回路２４は、入力インピーダンスが大きく、入力された検査信号を少ない電圧低下で後段に出力する。

また、バッファ回路２４は、高電圧回路１００から入力される低周波ノイズおよび高周波ノイズの振幅が過大だった場合に、これらのノイズの振幅を抑える機能を有している。具体的には、図７に示すように、バッファ回路２４は、負帰還されたオペアンプＯＰ２１と、入力抵抗Ｒ２１と、分圧用の抵抗Ｒ２２と、バイパスコンデンサＣ２１と、保護ダイオードＤ２１、Ｄ２２とを有している。入力抵抗Ｒ２１は、一端が入力端子に接続され、他端がオペアンプＯＰ２１の非反転入力端子に接続される。保護ダイオードＤ２１は、電源電圧とオペアンプＯＰ２１の非反転入力端子との間に接続され、保護ダイオードＤ２２は、グラウンドとオペアンプＯＰ２１の非反転入力端子との間に接続される。分圧用の抵抗Ｒ２２は、グラウンドとオペアンプＯＰ２１の非反転入力端子との間に接続される。バイパスコンデンサＣ２１は、グラウンドとオペアンプＯＰ２１の非反転入力端子との間に接続される。また、分圧用の抵抗Ｒ２２とコンデンサＣ２１はグラウンドではなく、第１オフセット電圧の出力または第２オフセット電圧の出力に接続してもよい。

このような構成により、バッファ回路２４に振幅の大きな低周波ノイズが入力された場合には、入力抵抗Ｒ２１と、分圧要の抵抗Ｒ２２でノイズの振幅を低減する。また、バッファ回路２４に振幅の大きな高周波ノイズが入力された場合には、入力抵抗Ｒ２１とバイパスコンデンサＣ２１により、ノイズの振幅を低減する。これらにより、過大な振幅の低周波ノイズまたは高周波ノイズが入力された場合でも、検査信号が加算されている信号の振幅を、バッファ用のオペアンプＯＰ２１のダイナミックレンジ内に抑えることができる。

このようなバッファ回路２４により、結節点ｎ１に出力された検査信号を、少ない電圧低下で第１のローパスフィルタ２１および第２のローパスフィルタ２２に出力することができる。また、バッファ回路２４により、高電圧回路１００から過大な振幅の低周波ノイズまたは高周波ノイズが入力されても、検査信号をクリップすることなく、第１のローパスフィルタ２１および第２のローパスフィルタ２２に出力することができる。

以上のように、異常検出装置１０Ｂによれば、実施の形態１の効果に加えて、バッファ回路２４により、信号抽出部１２Ｂによる検査信号の抽出をより感度よく行うことができるという効果が得られる。また、バッファ回路２４は、低周波ノイズおよび高周波ノイズを減衰させる機能を有しているので、バッファ回路２４を設けても、信号入力部１３より前段で検査信号がクリップされてしまうことを回避できる。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。

なお、上記の実施の形態では、信号抽出部１２が、第１のローパスフィルタ２１を有する構成を示したが、高周波ノイズの発生が少ない場合には、第１のローパスフィルタ２１を省略してもよい。また、第１のローパスフィルタ２１は、結節点ｎ２（図２を参照）の前段に設けてもよい。結節点ｎ２は、検査信号を第２のローパスフィルタ２２を通る信号経路と、第２のローパスフィルタ２２を通らない信号経路とに分岐させる点である。

また、上記の実施の形態では、抽出信号を入力する信号入力部１３が、抽出信号のレベルに基づいて絶縁抵抗１１１の異常の判定を行う構成を示した。しかしながら、異常の判定を行う制御部を別に設け、制御部が信号入力部１３に入力された抽出信号のレベルに基づき絶縁抵抗１１１の異常の判定を行う構成を採用してもよい。

本発明は、例えば車両に搭載される高電圧回路の絶縁抵抗の異常の有無を検出する異常検出装置に適用できる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ異常検出装置
１１信号出力部
１２，１２Ｂ信号抽出部
１３信号入力部
２１第１のローパスフィルタ（ノイズ除去フィルタ）
２２第２のローパスフィルタ（信号除去フィルタ）
２３，２３Ａ差動増幅部（減算回路）
２４バッファ回路
１００高電圧回路
１１０電池
１２０負荷
１１１絶縁抵抗
Ｒ０検出抵抗
Ｃ０カップリングコンデンサ

このような構成により、バッファ回路２４に振幅の大きな低周波ノイズが入力された場合には、入力抵抗Ｒ２１と、分圧用の抵抗Ｒ２２でノイズの振幅を低減する。また、バッファ回路２４に振幅の大きな高周波ノイズが入力された場合には、入力抵抗Ｒ２１とバイパスコンデンサＣ２１により、ノイズの振幅を低減する。これらにより、過大な振幅の低周波ノイズまたは高周波ノイズが入力された場合でも、検査信号が加算されている信号の振幅を、バッファ用のオペアンプＯＰ２１のダイナミックレンジ内に抑えることができる。

Claims

第１端と、高電圧回路に接続される第２端とを有するカップリングコンデンサと、
前記カップリングコンデンサの前記第１端に、検出抵抗を介して接続され、交流の検査信号を出力する信号出力部と、
前記検出抵抗と前記カップリングコンデンサとの間に出力される前記検査信号を抽出信号として抽出する信号抽出部と、
前記抽出信号が入力され、入力された前記抽出信号のレベルに基づき、前記高電圧回路の絶縁抵抗の異常を検出する信号入力部と、を備え、
前記信号抽出部は、
前記検査信号の周波数の信号を除去し、前記検査信号より周波数の低い低周波ノイズを通す信号除去フィルタと、
前記信号除去フィルタを通過した信号と、前記信号除去フィルタを非通過の信号との差信号を、前記抽出信号として出力する減算回路と、を有する、
異常検出装置。
前記信号除去フィルタは、前記検査信号の周波数の信号を除去し、前記低周波ノイズを通すローパスフィルタである、
請求項１に記載の異常検出装置。
前記信号抽出部は、前記検査信号より周波数の高い高周波ノイズを除去し、前記検査信号の周波数の信号と前記低周波ノイズとを通すノイズ除去フィルタをさらに有し、
前記減算回路は、前記信号除去フィルタを通過した信号と、前記ノイズ除去フィルタを通過し且つ前記信号除去フィルタを非通過の信号との差信号を、前記抽出信号として出力する、
請求項１、２のいずれか一項に記載の異常検出装置。
前記ノイズ除去フィルタは、前記検査信号より周波数の高い高周波ノイズを除去し、前記検査信号の周波数の信号と前記低周波ノイズとを通すローパスフィルタである、
請求項３に記載の異常検出装置。