TWI453428B - 絕緣劣化檢出裝置 - Google Patents

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TWI453428B
TWI453428B TW099143934A TW99143934A TWI453428B TW I453428 B TWI453428 B TW I453428B TW 099143934 A TW099143934 A TW 099143934A TW 99143934 A TW99143934 A TW 99143934A TW I453428 B TWI453428 B TW I453428B
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Tamotsu Fukazawa
Tetsuo Fukuda
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Description

絕緣劣化檢出裝置
本發明有關於一種絕緣劣化檢出裝置，其用以檢測電動汽車等之車身與高壓直流電源之間的絕緣劣化，該電動汽車具備例如與車身電絕緣之直流電源(以下，為了便於說明，亦有稱為高壓直流電源的情況，但並無幾伏以上之限制)。
一般而言，在使用鋰離子電池單元、超級電容器單元等之高壓直流電源作為驅動能源的電動汽車(或所謂之混合動力汽車)中，為了防止觸電，其設計成將高壓直流電源與處於接地電位之車身電絕緣之構成。然而，在因電池組之材質變質或附著物等而使得絕緣特性劣化的情況下，從高壓直流電源流入車身之漏電流會傳遞至碰觸到車身上之人類，而產生觸電之危險。因此，電動汽車需要設置絕緣劣化檢出裝置。
本案之發明者曾提出一種絕緣劣化檢出裝置，誠如專利文獻1所示，該絕緣劣化檢出裝置能在短時間內檢測出絕緣劣化，或者可測定絕緣電阻值。藉由使用此絕緣劣化檢出裝置，駕駛員能從轉動引擎起動按鍵開關之時刻起，在短時間內確認絕緣沒有劣化，不會給駕駛員帶來不安全感，可迅速地起動電動汽車。
[專利文獻1]特願2009-102850號
然而，在專利文獻1提出之絕緣劣化檢出裝置中，以一定周期交互地對絕緣電容器進行定電流之注入、抽出，所以，在注入及抽出之電流平衡完全不一致的情況下，誤差被累計而會產生電壓偏移。作為此對策，使用分壓電阻。
另外，在將主開關從關閉切換成導通等而從絕緣電容器之高壓直流電源側施加有階躍狀之大的干擾電壓的情況下，會造成超出範圍，而在此超出範圍中無法測定絕緣電阻值。在專利文獻1提出之絕緣劣化檢出裝置中，在施加了如此大之干擾電壓後，也一定周期交互地對絕緣電容器進行定電流之注入、抽出，所以，在經過由此電路時間常數決定之既定時間之後，恢復到原來之可測定狀態。
另外，還有在電動汽車之起動後引起絕緣劣化的情況，在此情況下，可能會對電動汽車等之使用者造成危險。在此，於電動汽車之起動後，亦需要能立即檢測出絕緣劣化而發出警報。
另外，雖未於高壓直流電源產生絕緣劣化，但在電動汽車之馬達驅動裝置中的換流器或馬達產生絕緣劣化的情況下，亦希望能檢測出此絕緣劣化。
本發明係為了解決上述課題而提出者，其目的在於提供一種絕緣劣化檢出裝置，即使在注入及抽出之電流平衡完全不一致的情況下，仍不會產生誤差累計引起之電壓偏移的問題，另外，於干擾電壓施加時也能迅速恢復到可測定狀態。
本發明之另一目的在於提供一種絕緣劣化檢出裝置，其在電動汽車等之起動後，亦能在短時間內檢測出有無絕緣劣化，或者可在短時間內測定絕緣電阻值。
本發明之絕緣劣化檢出裝置構成如下。
(1)一種絕緣劣化檢出裝置，係連接於直流電源，由絕緣電容器及測定電路構成，用以檢測出使對於接地部電絕緣之直流電源的漏電，該絕緣劣化檢出裝置之特徵為：測定電流係由定電流交變電路及運算控制電路構成；定電流交變電路係以其輸出電壓之峰值會成為一定電壓的方式，交互地進行對絕緣電容器之定電流的注入、抽出；運算控制電路係根據注入、抽出之周期，判斷有無絕緣劣化。
藉由設計成此種構成，即使有注入及抽出之電流的不平衡，因為會進行迄至一定電壓為止之電流注入、電流抽出，所以，電壓偏移之問題不會產生，從而不需要作為此對策之分壓電阻。另外，即使於從絕緣電容器之直流電源側施加有大的干擾電壓的情況，仍會在緊接著此之後的周期進行朝一定電壓之電流抽出(或電流注入)，因而可迅速恢復到原來之可測定狀態。
(2)本發明之絕緣劣化檢出裝置中的定電流交變電路的特徵為，係以其輸出電壓之最大峰值及最小峰值的雙方會成為一定電壓之方式，交互地進行對絕緣電容器之定電流的注入、抽出。
藉由設計成此種構成，進行迄至一定電壓為止之電流注入及迄至一定電壓為止的電流抽出的雙方，所以，注入時間及抽出時間的雙方成為反映絕緣電阻值者。
(3)本發明之絕緣劣化檢出裝置中的定電流交變電路的特徵為，係以其輸出電壓之最大峰值及最小峰值的任一方會成為一定電壓之方式，進行對絕緣電容器之定電流的注入及抽出的任一方，並以與注入及抽出的任一方所需之時間相同的時間進行注入及抽出之中的另一方的動作。
藉由設計成此種構成，僅進行迄至一定電壓為止之電流注入及迄至一定電壓為止的電流抽出中的任一方，所以，可簡單地檢測出電壓。
(4)本發明之絕緣劣化檢出裝置中的定電流交變電路的特地為，係以其輸出電壓之最大峰值及最小峰值的雙方會成為正電壓或負電壓之方式，交互地進行對絕緣電容器之定電流的注入、抽出。
藉由設計成此種構成，能以單一電源構成定電流交變電路。既可將最大峰值設為正電壓，將最小峰值設為0V，亦可將最大峰值設為0V，將最小峰值設為負電壓。
(5)本發明之絕緣劣化檢出裝置的特徵為，進一步設有一齊納二極體，該齊納二極體係將輸出電壓限制於定電流交變電路之最大驅動電壓以下。
藉由設計成此種構成，即使在施加有大的干擾電壓的情況下，亦可使定電流交變電路工作，從而可迅速恢復到原來之可測定狀態。
(6)本發明之絕緣劣化檢出裝置的特徵為，藉測定電路之絕緣劣化判斷所需之注入、抽出次數，在測定對象之機器起動時，係設定為比機器動作時要少。
藉由設計成此種構成，在測定對象之機器起動時，可迅速地進行絕緣劣化判斷，於機器動作時，可進行考慮到可能引起之干擾在內的絕緣劣化判斷。
(7)一種絕緣劣化檢出裝置，係用以檢測出一馬達驅動裝置中之絕緣劣化，馬達驅動裝置具有：對於接地部電絕緣之直流電源；馬達，係藉來自此直流電源之功率被驅動；及功率轉換器，係將來自該直流電源之功率轉換為適於該馬達之驅動的功率；該絕緣劣化檢出裝置之特徵為：具備一測定電路，該測定電路係連接於該直流電源，而測定馬達驅動裝置中之絕緣電阻值；測定電路具有一高頻成分辨別電路，該高頻成分辨別電路係限制該功率轉換器之動作的高頻成分朝測定電路的流入。
藉由設計成此種構成，在功率轉換器之動作時，也不會受到高頻成分的影響，藉由設於直流電源側之測定電路，可正確地測定絕緣電阻值，可檢測出馬達驅動裝置之絕緣劣化。
(8)本發明之絕緣劣化檢出裝置的特徵為，具體而言，高頻成分辨別電路係低通濾波器，針對功率轉換器所產生之高頻成分，與功率轉換器及馬達形成封閉回路，其截斷頻率係設定為比測定電路之定電流的注入、抽出動作的頻率高，且比功率轉換器所產生之高頻成分的頻率低。
藉由設計成此種構成，在功率轉換器之動作時，其高頻成分朝測定電路之流入，亦由低通濾波器所遮斷。測定電路之定電流的注入、抽出動作的頻率成分，被使用於藉測定電路之絕緣電阻的測定，從而可檢測出馬達驅動裝置之絕緣劣化。
(9)另外，本發明之絕緣劣化檢出裝置的特徵為，例如，馬達係交流馬達，功率轉換器係換流器；高頻成分辨別電路係限制藉換流器之動作所產生的高頻成分朝測定電路的流入。
藉由設計成此種構成，即使在換流器之動作時，換流器產生之高頻成分朝測定電路之流入，亦由高頻成分辨別電路(例如，低通濾波器)所限制。因此，不會受到高頻成分的影響，藉由設於直流電源側之測定電路，可正確地測定絕緣電阻值，可檢測出馬達驅動裝置之絕緣劣化。
又，在馬達係直流馬達，功率轉換器係斬波電路的情況下，本發明同樣適用，斬波電路所產生之高頻成分朝直流電源側的流入，係由高頻成分辨別電路(例如，低通濾波器)所限制。
(10)在此，本發明者思考出在功率轉換器為換流器且對換流器進行PWM控制的情況，其高頻成分為在換流器之PWM控制下產生的V形波。在此，高頻成分辨別電路(例如，低通濾波器)係構成作為V形波辨別電路，用來限制V形波之高頻成分朝直流電源側的流入。
藉由設計成此種構成，即使在換流器之動作時，仍不會受到此高頻成分的影響，藉由設於直流電源側之測定電路，可正確地測定絕緣電阻值，可檢測出馬達驅動裝置之絕緣劣化。
根據本發明，可提供一種絕緣劣化檢出裝置，即使有定電流之注入及抽出的不平衡，仍不需要因此而引起之電壓偏移對策；另外，可縮短干擾引起之不可測定狀態的時間。
另外，根據本發明，可提供一種絕緣劣化檢出裝置，其在電動汽車等之起動後，亦能檢測出有無絕緣劣化、或者可測定絕緣電阻值。
以下，參照所附圖式說明本發明之絕緣劣化檢出裝置的實施形態。首先，在說明本發明之一實施形態的絕緣劣化檢出裝置之構成之前，參照第1圖，說明電動汽車中之由絕緣劣化檢出裝置10及高電壓電路15構成的整體構成。
第1圖所示之高電壓電路15，係由將鋰離子電池單元、超級電容器單元堆積而產生高電壓用之高壓直流電源16、主開關17、換流器18及交流馬達19所構成。
測定電路12係連接於包括電動汽車在內之普通汽車所使用的12V電源，其構成為在檢測出絕緣劣化之情況或當絕緣電阻值成為既定值以下時，則輸出警報信號。若設計成即使在未達到產生絕緣劣化程度之絕緣不良的前階段，仍可檢測出絕緣電阻值成為既定值以下的情況而發出警報，則可進行可靠度更高之絕緣劣化檢測。另外，測定電路12能以時常監視絕緣電阻值，當絕緣電阻值低於設定電阻值時，則輸出預告信號或警報信號的方式構成。高壓直流電源16係為了防止觸電，而與處於接地電位之車身、即底盤絕緣，在此，以Rx表示其絕緣電阻(絕緣電阻)、Cx表示雜散電容。
第2圖顯示定電流交變方式之絕緣劣化檢出裝置的原理。首先，在定電流之注入過程中，藉由來自未圖示之運算控制電路的電流轉換信號，定電流交變電路20按照每一取樣周期Ts而使定電流Io的方向反向，重複地進行朝絕緣電容器11(Ci)、絕緣電阻Rx、雜散電容Cx的定電流Io之注入、抽出動作。在此，將取樣周期Ts設定為電路之時間常數(τx=CxRx)的數倍之大(Ts＞＞τx)。
第3圖顯示定電流之注入周期(+Io周期)、抽出周期(-Io周期)中的定電流交變電路20之輸出電壓Vout。Vci為絕緣電容器端子間電壓，Vcx為雜散電容電壓。電流反向時之+Io周期的輸出電壓Vout，係由下述之數式1表示，-Io周期之輸出電壓Vout，係由下述之數式2表示。其中，將Ci之剩餘電壓設為Vci0 。另外，以Vout(nTs)Vout(n)的方式作簡略表示。
然後，為了抵消Ci之剩餘電壓Vci0 ，取正峰值電壓與負峰值電壓之差的絕對值VoutPP，藉數式3計算算出電阻值RCx。然後，算出電阻值RCx能以數式4表示。
算出電阻值RCx係使用算出電阻值之數式從VoutPP計算而得者，其亦是將指數函數之多項式乘以實際電阻值Rx而得者。在此，若Ts＞＞τx，則指數函數之多項式接近於1，所以，在算出電阻值RCx亦能以充分高之精度計算出實際絕緣電阻Rx。例如，Ts=3τx，則能以90%之精度算出，Ts=4τx，則能以97.3%之精度算出，Ts=5τx，則能以99.0%之精度算出，Ts=6τx，則能以99.6%之精度算出，Ts=7τx，則能以99.9%之精度算出。然後，若延長取樣周期Ts，則精度變得更高，但可知於實際應用時，以Ts=3τx所得之精度便足夠，為了能在短時間內進行檢測，以將取樣周期(Ts)設定為被測定電路之時間常數(τx)的至少3倍以上較為適宜。
亦即，算出電阻值RCx係以能正確地測定峰值間電壓VoutPP作為其正確計算的前提。第4圖顯示將第2圖所示之定電流交變方式的絕緣劣化檢出裝置設計成更為實用之構成。於第4圖中，追加了分壓電阻41及齊納二極體42。在絕緣正常之情況下、亦即絕緣電阻Rx大的情況下，輸出電壓VoutPP增高，使得無法從定電流交變電路20之驅動電源流動定電流。在此，當輸出電壓VoutPP增高時，藉由增加流動於分壓電阻41之電流、減少流動於絕緣電阻Rx之電流，可將輸出電壓VoutPP抑制於一定電壓IoRm以下。
另外，具有高壓直流電壓源之變動極大的情況。在馬達起動時、從馬達之輕負載轉換為全負載時、馬達停止時、朝高壓直流電壓源之急速充電模式轉換時等之情況下，於短時間內將大電流朝高壓直流電壓源流出/流入/停止。藉此，高壓直流電壓源之電壓變動亦增大。這將成為絕緣電阻之測定精度降低的重要因素。又，當高壓直流電壓源之電壓高時，會有超過定電流電路之最大驅動電壓(±VDD)的情況，從而會引起振盪現象，最壞之情況，會超過定電流電路之耐電壓而引起破壞。
作為對策，放入齊納二極體，以限制輸出電壓Vout之上下限。選擇插入之齊納二極體的齊納電壓VZ，滿足VDD＞VZ＞IoRm之條件者。
在此構成中，以一定周期交互地對絕緣電容器進行定電流的注入、抽出，所以，當注入及抽出之電流平衡完全不一致時，誤差被累計而會產生電壓偏移。作為此對策，使用分壓電阻41。
第5圖為顯示從絕緣電容器之高壓直流電源側施加有階躍狀的大干擾電壓時之第4圖中的測定電路12之動作的電壓波形。於第5圖中，在從0秒之時刻至經過5秒的時刻之時間內，定電流交變電路20係於最大峰值電壓4V與最小峰值電壓-4V之間，各以0.2秒進行注入、抽出的動作。於經過5秒的時刻，在施加有例如50V之干擾電壓的情況，此雖因齊納二極體42之作用而被減低，但定電流交變電路20之輸出電壓成為例如12V。各以0.2秒進行注入、抽出的動作，使得其峰值電壓漸漸降低，於第5圖之例中，約經過20秒，恢復到施加干擾電壓前之狀態。
參照第6圖，說明本發明之第1實施形態的絕緣劣化檢出裝置70之構成。於第6圖中，絕緣劣化檢出裝置70係由電腦構成之運算控制電路71、定電流交變電路72及電路保護用之齊納二極體73所構成。定電流交變電路72係藉由來自運算控制電路71之電流轉換信號來轉換定電流(Io)的方向。在此，絕緣電容器11之值Ci係設定為雜散電容值Cx之10倍以上之大。
測定電路與高壓直流電壓源之絕緣，係由絕緣電容器11所確保。藉由絕緣電容器11之耐壓，決定可測定之高壓直流電壓之範圍，該絕緣電容器11是可靠度之要求特別高的零件。作為絕緣電容器11，以具有耐高溫特性、耐濕特性，且故障模式成為開放者較為適宜。
絕緣劣化檢出裝置70作為一種硬體，除絕緣電容器11以外，可由一般之汽車規格產品(耐壓60V以下)所構成，不需要使用高價之特殊規格產品。可將具備16位元組成之內建式資料快閃記憶體、10位元高速AD轉換器之汽車規格的單晶片微電腦使用於數位部。在電源部中，可藉由分別生成供給於數位部、類比部之供給電壓DC8～16V的穩定化電源，來實施反接對策。
消費電流可設為150mA以下而作為低消費功率。在實際之裝置中，作為安裝位置，可設於電池組內，可將最高動作保證溫度設定為85℃。另外，作為評價用，雖內建有CAN、RS232C之串聯通信、動作檢查端子，但亦可為不連接於連接器端腳的構成。於量產時，藉由去除此等功能，可達到裝置之小型化。
接著，參照第7圖～第10圖，說明絕緣劣化檢出裝置70之動作。在此，第7圖顯示絕緣電阻值為500kΩ、上限電壓VH 為5V、下限電壓VL 為0V時之絕緣劣化檢出裝置70的注入、抽出動作的電壓波形。另外，第8圖顯示絕緣電阻值為100kΩ、上限電壓VH 為5V、下限電壓為0V時之絕緣劣化檢出裝置70的注入、抽出動作的電壓波形。另外，第9圖為第7圖之模式圖，第10圖為第8圖之模式圖。
首先，如第9圖所示，在定電流之注入過程中，藉由來自運算控制電路71之電流轉換信號，定電流交變電路72於時刻T1 使定電流Io之方向反向，朝絕緣電容器11(靜電電容值Ci)、絕緣電阻Rx、雜散電容Cx注入定電流Io。在運算控制電路71檢測出輸出電壓Vout達到正之一定電壓(上限電壓VH )的時刻T2 ，將使定電流Io之方向反向的電流轉換信號供給於定電流交變電路72，進行電流之抽出。在運算控制電路71檢測出輸出電壓Vout達到負之一定電壓(下限電壓VL )的時刻T3 ，將使定電流Io之方向反向的電流轉換信號供給於定電流交變電路72，進行電流之注入。
亦即，藉定電流交變電路72進行之定電流Io的注入、抽出之轉換控制，係以如下方式執行。
‧在藉電流抽出以使輸出電壓Vout下降而達到下限電壓VL 後，轉換為電流注入(時刻T1 、T3 、T5 )。
‧在藉電流注入以使輸出電壓Vout上昇而達到上限電壓VH 後，轉換為電流抽出(時刻T2 、T4 、T6 )。
運算控制電路71測定以下之注入時間及抽出時間。
‧注入時間=T1 ～T2 間之時間、T3 ～T4 間之時間、T5 ～T6 間之時間...
‧抽出時間=T2 ～T3 間之時間、T4 ～T5 間之時間、T6 ～T7 間之時間...
根據此注入抽出周期(注入時間+抽出時間)，判斷絕緣電阻值之大小。
從第10圖可知，在絕緣電阻值小的情況，注入時間(T1 ～T2 間之時間)及抽出時間(T2 ～T3 間之時間)變長，因此，注入抽出周期變長。
因此，藉由測定注入抽出周期，可間接地測定絕緣電阻值，可進行絕緣劣化之判斷。例如，將與既定之絕緣電阻值對應的注入抽出周期設定為臨界值，若測定出之注入抽出周期達到此臨界值，則判斷為絕緣劣化。
根據此絕緣劣化檢出裝置70，例如，即使在注入及抽出之電流平衡具有大的誤差的情況，迄至輸出電壓成為一定的上限電壓VH 及下限電壓VL 為止，仍進行電流之注入、抽出，所以，電壓偏移之問題不會產生，從而不需要設置如第4圖所示中之分壓電阻。電流平衡之誤差係成為相當於此之注入、抽出時間的誤差而出現，其只是被作為絕緣電阻值之測定誤差。對於有無絕緣劣化之判斷，不需要高精度之絕緣電阻值的測定，所以，於實際應用上不會成為問題。
第11圖顯示對絕緣劣化檢出裝置70施加有干擾電壓的情況下之定電流注入、抽出動作的電壓波形。於第11圖中，在從0秒之時刻至經過5秒的時刻之時間內，定電流交變電路70係於上限電壓(最大峰值電壓)5V與下限電壓(最小峰值電壓)0V之間進行注入、抽出動作。於經過5秒的時刻，在施加有例如50V之干擾電壓的情況下，雖因齊納二極體之作用而被減低，但定電流交變電路72之輸出電壓成為例如12V。此電壓為上限電壓VH 以上，所以，定電流交變電路72進行抽出動作，當達到下限電壓VL 時，定電流交變電路72則進行注入動作。如此，即使在施加有大的干擾電壓的情況下，藉由定電流交變電路72進行朝下限電壓VL 的抽出動作，仍可一下子恢復到通常動作。
於第11圖之情況，恢復到施加干擾電壓前之狀態所需的時間約為5秒，與第5圖所示之情況比較被大幅縮短。
第12圖顯示藉絕緣劣化檢出裝置70進行之定電流的注入、抽出動作之第2例。在此情況下，定電流交變電路72之轉換控制，係以如下方式執行。
‧在藉電流注入以使輸出電壓Vout上昇而達到上限電壓VH 後，轉換為電流抽出(時刻T2 、T4 、T6 )。
‧轉換後，在經過與最接近之電流注入時間相等的時間後，轉換為電流注入(時刻T1 、T3 、T5 )。
運算控制電路71測定以下之注入時間。
‧注入時間=T1 ～T2 間之時間、T3 ～T4 間之時間、T5 ～T6 間之時間...
‧抽出時間=最接近之注入時間
根據此注入抽出周期(注入時間+抽出時間)=(2×注入時間)，判斷絕緣電阻值之大小。
在此情況下，各周期之輸出電壓Vout的最大峰值與上限電壓VH 一致，但最小峰值因注入、抽出之電流不平衡，不一定為相同電壓。像此例那樣，僅根據電流之注入時間，便可判斷絕緣電阻值之大小。
第13圖顯示藉絕緣劣化檢出裝置70進行之定電流的注入、抽出動作之第3例。在此情況下，定電流交變電路72之轉換控制，係以如下方式執行。
‧在藉電流抽出以使輸出電壓Vout下降而達到下限電壓VL 後，轉換為電流注入(時刻T1 、T3 、T5 )。
‧轉換後，在經過與最接近之電流抽出時間相等的時間後，轉換為電流抽出(時刻T2 、T4 、T6 )。
運算控制電路71測定以下之抽出時間。
‧抽出時間=T2 ～T3 間之時間、T4 ～T5 間之時間、T6 ～T7 間之時間...
‧注入時間=最接近之抽出時間
根據此注入抽出周期(注入時間+抽出時間)=(2×抽出時間)，判斷絕緣電阻值之大小。
在此情況下，各周期之輸出電壓Vout的最小峰值與下限電壓VL 一致，但最大峰值因注入、抽出之電流不平衡，不一定為相同電壓。像此例那樣，僅根據電流之抽出時間，便可判斷絕緣電阻值之大小。
於第7圖至第8圖及第12、第13圖所示之電流的注入抽出動作中，是將上限電壓VH 設為正電壓，及將下限電壓VL 設為負電壓，但如第9至第11圖所示之情況，亦可將單電源、例如上限電壓VH 設為正電壓，將下限電壓VL 設為0V。另外，亦可不將下限電壓VL 設為0V，而是設為正電壓。在此情況下，可於第6圖中所示之反方向設置第14圖所示中之一個保護用之齊納二極體83，來代替串聯連接之二個保護用之齊納二極體73。又，亦可將上限電壓VH 設為0V，將下限電壓VL 設為負電壓，亦可不將上限電壓VH 設為0V，而是設為負電壓。
在本案中，[注入抽出周期]包含：注入時間與抽出時間之和、只有注入時間、只有抽出時間、此等之倍數、或其組合。
另外，在上述說明中，雖對[正電壓]與0V及[負電壓]與0V作了區別而進行說明，但在本案中，既可有使用於[正電壓]包含0V之意味的情況，還可有使用於[負電壓]包含0V之意味的情況。
絕緣劣化之判斷，可在測定對象之機器(包含換流器等的機器)之起動前及動作時，改變作為判斷基礎之注入抽出周期的次數。這是在機器之起動前及動作時注重於干擾電壓之大小不同的情況者，例如，可進行如下之判斷。
機器起動前(干擾電壓小)：以針對1次或2～3次之注入抽出動作而測定的注入抽出周期之平均值或累計值進行絕緣劣化之判斷。
機器動作時(干擾電壓大)：以針對多次之注入抽出動作而測定的注入抽出周期之平均值或累計值進行絕緣劣化之判斷。
藉由上述構成，可於機器起動前，高速地判斷有無絕緣劣化，而於機器動作時，可一面減低干擾電壓之影響一面判斷有無絕緣劣化。
如前申請案所示，根據第1圖至第4圖所示之絕緣劣化檢出裝置可知，於電動汽車之換流器起動前、亦即迄至導通主開關17為止，可檢測出其直流電路部分之絕緣劣化的有無。在此，設主開關17為導通狀態，調查驅動換流器18及交流馬達19後之對絕緣劣化檢測之影響。
第15圖顯示換流器18驅動前後之輸出電壓Vout的時間變化，第16圖為其部分放大圖。如第15及第16圖所示，於換流器18之驅動前，輸出電壓係根據定電流之注入、抽出而以低頻率且較小之振幅進行變化。另外，於換流器18之驅動後，如圖所示，觀察到有高頻率之大振幅的電壓。
本發明者針對換流器18之驅動後的此種高頻率且大振幅的電壓的產生原因進行了考察。第17圖顯示電動汽車之高電壓電路系統。於第17圖中，高電壓電路15係例如電動汽車之馬達驅動裝置，高電壓電路15係由高壓直流電源16、主開關17、換流器18及交流馬達19構成。於此高電壓電路系統之直流部具有高壓直流電源16及主開關17，於交流部具有交流馬達19。換流器18係於工作時將來自直流部(高壓直流電源16)之直流電力轉換為交流電力，並供給於交流部(交流馬達19)，於再生時，將交流部之交流電力轉換為直流電力，供給於直流部。
但是，交流馬達19係以根據三角波比較法之PWM控制進行驅動，其各部分之波形如第18圖所示。(a)顯示三角輸送波、U相調變波、V相調變波、W相調變波；(b)顯示U相電壓、V相電壓、W相電壓；(c)顯示U-V線間電壓、V-W線間電壓、W-U線間電壓。
因此，第17圖中之高壓直流電源16的最低電位部之電壓Vpc，成為如第19圖所示之被稱為V形波的波形。比較之結果，想出了第15圖及第16圖所示之觀測波形可能是V形波所引起。另外，想出了由換流器產生之V形波可能是經由接地(底盤)傳遞至直流部而對輸出電壓產生影響。
本發明之第2實施形態的絕緣劣化檢出裝置，具備除去此V形波之影響的V形波辨別電路。第20圖顯示本實施形態之絕緣劣化檢出裝置之構成。於第20圖中，省略與第4圖所示之構成相同的部分(定電流交變電路20、絕緣電容器11、分壓電阻41及齊納二極體42)的說明。於第20圖中，V形波辨別電路50係設於絕緣電容器11與定電流交變電路20之間。V形波辨別電路50係發揮不使從交流部傳遞來之高頻成分對絕緣劣化檢出裝置之輸出電壓Vout產生影響的作用。
第21圖顯示V形波辨別電路50的具體電路的一例。於第21圖中，V形波辨別電路50係低通濾波器60，由電阻61及電容器62構成。低通濾波器60係設於絕緣電容器11與定電流交變電路20之間，發揮允許低頻成分通過，但阻斷高頻成分的作用。電阻61及電容器62之電阻值及靜電電容值，係設定為使低通濾波器60之截斷頻率比V形波之頻率低，且比定電流交變電路20之定電流注入、抽出的頻率(上述中係以周期進行說明)高。定電流交變電路20之定電流注入、抽出的頻率，為例如數Hz，V形波之頻率為例如數KHz。
因此，當針對高頻成分觀察時，V形波辨別電路50與換流器18及交流馬達19形成封閉回路，使得V形波之高頻成分不會對輸出電壓Vout產生影響。因此，在換流器之起動後，也可進行絕緣電阻值之正確測定、亦即、可進行正確之絕緣劣化檢測。另外，在此情況下，不僅是高電壓電路15中之高壓直流電源16的絕緣劣化，連換流器18及交流馬達19之絕緣劣化亦可檢測。
又，此V形波辨別電路50不僅可應用於參照第2圖至第4圖說明之絕緣劣化裝置，同樣還可應用於參照第6圖至第14圖說明之絕緣劣化裝置。
本發明不只限定於電動汽車或混合動力汽車之馬達驅動裝置用的絕緣劣化裝置，還可擴大應用於風力發電、太陽能發電、燃料電池等例如於電容器進行電力儲存的系統。在此種高壓直流電源為透過系統連繫換流器等而與電力系統連繫之裝置的情況，亦可判斷高壓直流電源與框體之間的絕緣劣化。
在框體連接於地上之地線的情況下，可於將高壓直流電源從電力系統隔離之裝置停止中進行判斷，在框體未連接於地上之地線的情況下，還可於裝置運行中進行判斷。
[產業上之可利用性]
本發明可檢測使用高壓直流電源之系統、例如電動汽車或混合動力汽車之電源及驅動裝置、風力發電、太陽能發電、燃料電池等之電力系統的絕緣劣化。另外，本發明可於具備由高壓直流電源、換流器、馬達等構成之高壓電路的電動汽車或混合動力汽車的馬達驅動裝置中，於換流器之起動後亦亦能檢測出有無絕緣劣化。
10．．．絕緣劣化檢出裝置
11．．．絕緣電容器
12．．．測定電路
13．．．感測端
15．．．高電壓電路
16．．．高壓直流電源
17．．．主開關
18．．．換流器
19．．．交流馬達
20．．．定電流交變電路
41．．．分壓電阻
42．．．齊納二極體
50．．．V形波辨別電路
60．．．低通濾波器
61．．．電阻
62．．．電容器
70．．．絕緣劣化檢出裝置
71．．．運算控制電路
72．．．定電流交變電路
73．．．齊納二極體
83．．．齊納二極體
第1圖為本發明之絕緣劣化檢出裝置及作為絕緣電阻測定對象的馬達驅動裝置之整體構成之示意圖。
第2圖為顯示應用本發明之定電流交變方式的絕緣劣化檢出裝置之等效電路。
第3圖為顯示第2圖所示之絕緣劣化檢出裝置的電流注入、抽出動作之輸出電壓波形圖。
第4圖為由本發明者提出之前案的絕緣劣化檢出裝置之構成的示意圖。
第5圖為在前案之絕緣劣化檢出裝置中，施加有干擾電壓的情況下之定電流注入、抽出動作的電壓波形之示意圖。
第6圖為本發明之第1實施形態的絕緣劣化檢出裝置之構成的示意圖。
第7圖為絕緣電阻值為500kΩ時之定電流注入、抽出動作的電壓波形之示意圖。
第8圖為絕緣電阻值為100kΩ時之定電流注入、抽出動作的電壓波形之示意圖。
第9圖為第7圖之模式圖。
第10圖為第8圖之模式圖。
第11圖為在本發明之第1實施形態的絕緣劣化檢出裝置中，施加有干擾電壓的情況下之定電流注入、抽出動作的電壓波形之示意圖。
第12圖為針對絕緣電阻值大的情況，藉由第6圖所示之定電流交變電路進行僅將上限電壓設為一定電壓之注入、抽出動作時的電壓波形之示意圖。
第13圖為針對絕緣電阻值大的情況，藉由第6圖所示之定電流交變電路進行僅將下限電壓設為一定電壓之注入、抽出動作時的電壓波形之示意圖。
第14圖為使用於以最大峰值為正電壓、最小峰值為0V的方式進行注入、抽出動作時之絕緣劣化檢出裝置的齊納二極體之連接的示意圖。
第15圖為第2圖所示之絕緣劣化檢出裝置中的換流器起動前後之輸出電壓波形圖。
第16圖為第15圖所示之輸出電壓波形圖的換流器起動時之部分放大圖。
第17圖為顯示馬達驅動裝置之一例的構成圖。
第18圖為顯示換流器之PWM控制之說明圖。
第19圖為顯示藉換流器之PWM控制所產生的V形波之波形圖。
第20圖為顯示本發明之第2實施形態的絕緣劣化檢出裝置之構成圖。
第21圖為顯示第20圖所示之V形波辨別電路的一例之電路圖。
第22圖為第20圖所示之絕緣劣化檢出裝置中的換流器起動前後之輸出電壓波形圖。
70．．．絕緣劣化檢出裝置
71．．．運算控制電路
72．．．定電流交變電路
73．．．齊納二極體

Claims (6)

  1. 一種絕緣劣化檢出裝置，係連接於直流電源且由絕緣電容器及測定電路構成，用以檢測出使對接地部電絕緣之該直流電源的漏電，該絕緣劣化檢出裝置之特徵為：該測定電路係由定電流交變電路及運算控制電路構成；該定電流交變電路係以其輸出電壓之峰值會成為一定電壓的方式，在該絕緣電容器中交互地進行定電流的注入、抽出；隨著可顯示絕緣劣化的絕緣電阻值變小，注入抽出之周期變長；關於該注入抽出之周期，與既定之絕緣電阻值對應的注入抽出之周期被設定為臨界值；該運算控制電路係測定該注入抽出之周期，將所測得之該注入抽出之周期與該臨界值作比較，當所測得的該注入抽出之周期超過該臨界值時，則判斷為絕緣劣化。
  2. 如申請專利範圍第1項之絕緣劣化檢出裝置，其中該定電流交變電路係以其輸出電壓之最大峰值及最小峰值的雙方會成為一定電壓之方式，在該絕緣電容器中交互地進行定電流的注入、抽出。
  3. 如申請專利範圍第1項之絕緣劣化檢出裝置，其中該定電流交變電路係以其輸出電壓之最大峰值及最小峰值的任一者會成為一定電壓之方式，在該絕緣電容器中進行定電流的注入及抽出中的任一者，並以與該注入及抽出 中的任一者所需之時間相同的時間進行注入及抽出中的另一者。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之絕緣劣化檢出裝置，其中該定電流交變電路係以其輸出電壓之最大峰值及最小峰值的雙方會成為正電壓或負電壓之方式，在該絕緣電容器中交互地進行定電流的注入、抽出。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之絕緣劣化檢出裝置，其中進一步設有齊納二極體，該齊納二極體係將輸出電壓限制於該定電流交變電路之最大驅動電壓以下。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之絕緣劣化檢出裝置，其中藉由該測定電路之絕緣劣化判斷所需要之注入、抽出次數，在測定對象之機器起動時，係設定為比機器動作時要少。
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