WO2013161870A1

WO2013161870A1 - 絶縁異常検出装置

Info

Publication number: WO2013161870A1
Application number: PCT/JP2013/062044
Authority: WO
Inventors: 鈴木　恒雄
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-10-31
Also published as: JP2013228247A

Abstract

　高圧側電池のマイナス極には、カップリングコンデンサ１０１、検出抵抗１０２、発振器１０３の直列接続回路が接続される。カップリングコンデンサ１０１と検出抵抗１０２の接続部分から出力される観測信号Ｖ２は、ノッチフィルタ１０４と、減算回路１０５に入力される。ノッチフィルタ１０４は、観測信号Ｖ２を入力し発振器１０３が発振する発振信号Ｖ１の周波数の近傍成分のみをカットする。ノッチフィルタ１０４の出力信号Ｖｍは、減算回路１０５に入力される。減算回路１０５は、観測信号Ｖ２とノッチフィルタ１０４の出力信号Ｖｍとの間で減算処理を実行する。そして、判定回路１０６は、減算回路１０５の出力信号Ｖｅの波形を発振器１０３の発振信号Ｖ１の波形と比較して絶縁異常を判定する。

Description

絶縁異常検出装置

　本発明は、フローティング状態にある車両の高圧側電池の絶縁異常を検出する絶縁異常検出装置に関する。

　いわゆるハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、ハイブリッドビークル、およびハイブリッドエレクトリックビークルなどと呼ばれる、エンジンに加えてモータ（電動機）を動力源として備えた車両または輸送機械（以下、「車両など」と称する）が実用化されている。さらには、エンジンを備えずモータのみで車両を駆動する電気自動車も実用化されつつある。それらのモータを駆動する電源として、小型、大容量の特徴を有するリチウムイオン電池などが多く使用されるようになってきている。そして、このような用途においては、複数の電池（セル）が例えば直列に接続されて電池スタックが構成され、さらにこの電池スタックを組み合わして接続される組電池として供給される場合がある。電池の直列接続により車両のモータを駆動するのに必要な高電圧が得られ、電池スタックをさらに直列や並列に組み合わして接続することにより必要な電流容量やさらなる高電圧が得られる。

　このような電池（以下「高圧側電池」と呼ぶ）は、高電圧が発生するため、ボディーに接地させることはできず、フローティング状態にされる。この結果、電池とボディー接地の間には、仮想的に絶縁抵抗が存在することになる。そして、正常な状態であれば、この絶縁抵抗は十分に高い値を示し、安全な絶縁状態にある。しかし、電池をフローティング状態にするために用いられる絶縁材料の材質劣化、傷、破損、および絶縁材料への付着物の影響などにより、絶縁抵抗の値が低下し、またはゼロになってしまって絶縁異常となる可能性がある。このような状態になると、ボディーに電流が流れる可能性があるため、絶縁異常を検出する装置が求められている。

　絶縁異常検出装置の従来技術としては、高圧側電池のマイナス極との接続点にカップリングコンデンサを配置し、そのカップリングコンデンサに直列に、パルス信号の発振回路と、そのパルス信号を検出するための検出抵抗からなる回路が知られている。このような構成により、高圧側電池と絶縁異常検出回路側が直流的に絶縁されるため、高圧側電池の絶縁抵抗が正常値であれば、発振回路で発振されたパルス信号が検出抵抗を介してほぼそのままの電圧で検出できる。一方、絶縁異常であれば、検出抵抗からカップリングコンデンサおよび高圧側電池を介してボディーに電流が流れるため、検出抵抗と絶縁性が低下した絶縁抵抗との分圧比で分圧した発振回路で発振されたパルス信号が検出される。これにより、絶縁異常を検出することができる。

　このような絶縁異常検出装置においては、電池側の浮遊容量の変化により非常に低周波のノイズが乗り、そのノイズにより絶縁異常の判定を誤ることがある。また、インバータ動作などによる高周波ノイズや電池電圧変動による低周波ノイズも、絶縁異常の誤判定を引き起こす。

　このような誤判定を防止するための従来技術として、検出抵抗からの観測信号をバンドパスフィルタに通し、そのフィルタ出力信号を使って判定を行う技術が知られている（例えば特許文献１に記載の技術）。

　しかし実際には、観測信号には通常想定している除去領域以外のノイズも混入する可能性があるため、従来のバンドパスフィルタでは対応しきれず、依然として誤判定を引き起こすという問題点を有していた。

特開２００７－５７４９０号公報

　本発明は、高電圧電池とボディー接地との間の絶縁異常判定を行なうときに、ノイズの影響による精度の低下を防止する絶縁異常検出装置を提供することを目的とする。

　態様の一例は、一端が車両の高圧側電池の側に接続され他端が接地される、カップリングコンデンサ、検出抵抗、および発振器の直列接続回路部分を備え、カップリングコンデンサと検出抵抗の接続部分の観測信号の波形を発振器が発振する発振信号の波形と比較することで高圧側電池の絶縁異常を検出する絶縁異常検出装置であって、観測信号を入力し発振信号の周波数の近傍成分のみをカットするノッチフィルタと、観測信号とノッチフィルタの出力信号との間で減算処理を実行する減算回路と、減算回路の出力信号の波形を発振信号の波形と比較して絶縁異常を判定する判定回路とを備える。

　本発明によれば、高電圧電池とボディー接地との間の絶縁異常判定を行なうときに、ノイズの影響による精度の低下を防止することができるという効果を奏する。

本実施形態の回路構成図である。本実施形態の動作波形図である。

　以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

　図１は、本実施形態の回路構成図である。

　特には図示しないが、高圧側電池は、例えば車両に搭載される走行用電池であり、そのプラス極およびマイナス極に、例えば走行用モータである負荷が接続されている。このマイナス極は、高電圧を発生するので、ボディーに接地させることなくフローティング状態にされる。この結果、高圧側電池とボディー接地との間には、仮想的な絶縁抵抗が存在する。

　高圧側電池のマイナス極には、カップリングコンデンサ１０１の一端が接続される。これに続いて、カップリングコンデンサ１０１、検出抵抗１０２、発振器１０３が直列接続された直列接続回路を形成する。発振器１０３の他端は接地される。発振器１０３は、発振信号Ｖ１を出力する。発振信号Ｖ１の出力周波数は、例えば数Ｈｚ（ヘルツ）から数十Ｈｚである。

　カップリングコンデンサ１０１と検出抵抗１０２の接続部分からは観測信号Ｖ２が出力される。なお、その接続部分にローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０７が接続されてもよい。これについては後述する。

　観測信号Ｖ２は、ノッチフィルタ１０４と、減算回路１０５に入力される。

　ノッチフィルタ１０４は、観測信号Ｖ２を入力し発振信号Ｖ１の周波数の近傍成分のみをカットし、出力信号Ｖｍを出力する。この出力信号Ｖｍは、減算回路１０５に入力される。

　減算回路１０５は、観測信号Ｖ２とノッチフィルタ１０４の出力信号Ｖｍとの間で減算処理を実行する。

　判定回路１０６は、減算回路１０５の出力信号Ｖｅの波形を発振器１０３の発振信号Ｖ１の波形と比較して絶縁異常を判定する。

　ノッチフィルタ１０４は、抵抗１１１、１１２、１１６、１１７と、キャパシタ１０８、１１４、１１５と、オペアンプ１１０、１１３とを備える。観測信号Ｖ２は、容量値Ｃを有するキャパシタ１０８の一端と抵抗値Ｒを有する抵抗１１１の一端に入力される。キャパシタ１０８の他端は抵抗値Ｒｃを有する抵抗１０９の一端と、容量値Ｃを有するキャパシタ１１５との一端に接続される。抵抗１０９の他端は、オペアンプ１１０の負側入力に接続される。オペアンプ１１０の出力は、抵抗１０９の他端と容量値Ｃｃを有するキャパシタ１１４の一端に接続されるとともに、オペアンプ１１０自身の負側入力にフィードバックされる。キャパシタ１１４の他端は、抵抗１１１の他端と、抵抗値Ｒを有する抵抗１１２の一端とに接続される。抵抗１１２の他端はキャパシタ１１５の他端とオペアンプ１１３の正側入力に接続される。オペアンプ１１３の出力は抵抗値Ｒａを有する抵抗１１６の一端に接続されるとともに、オペアンプ１１３自身の負側入力にフィードバックされる。このオペアンプ１１３の出力がノッチフィルタ１０４の出力信号Ｖｍとなる。抵抗１１６の他端は抵抗値Ｒｂを有する抵抗１１７の一端に接続されるとともに、オペアンプ１１０の正側入力に接続される。抵抗１１７の他端は接地される。

　減算回路１０５は、抵抗１１８、１１９、１２１、１２２と、オペアンプ１２０とを備える。ノッチフィルタ１０４の出力信号Ｖｍは、抵抗値Ｒ１を有する抵抗１１８の一端に入力される。また、観測信号Ｖ２は、抵抗値Ｒ２を有する抵抗１１９の一端に入力される。抵抗１１８の他端はオペアンプ１２０の負側入力に接続される。抵抗１１９の他端はオペアンプの正側入力に接続されるとともに抵抗値Ｒ３を有する抵抗１２１の一端に接続される。抵抗１２１の他端は接地される。オペアンプ１２０の出力は、抵抗値Ｒｆを有する抵抗１２２の一端に接続される。抵抗１２２の他端はオペアンプ１２０の負側入力にフィードバックされる。このオペアンプ１２０の出力が減算回路１０５の出力信号Ｖｅとなる。

　上述の構成を有する本実施形態の動作について、以下に説明する。

　ノッチフィルタ１０４は、発振器１０３が発振する発振信号Ｖ１の周波数の近傍成分のみを鋭くカットするフィルタである。図１に示されるノッチフィルタ１０４の回路構成により、カットされる周波数成分の中心周波数ｆｃ［Ｈｚ］は、抵抗１１１および１１２の抵抗値Ｒとキャパシタ１０８および１１５の容量値Ｃとから、

　　　ｆｃ＝１／２πＲＣ　　・・・（１）

として求まる。ただし、πは円周率である。

　また、抵抗１０９の抵抗値Ｒｃとキャパシタ１１４の容量値Ｃｃとは、上記抵抗値Ｒと容量値Ｃとから、

　　　Ｒｃ＝Ｒ／２
　　　Ｃｃ=２Ｃ
　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
と決定される。

　一方、カット周波数部分の共振の鋭さＱは、抵抗１１６の抵抗値Ｒａと抵抗１１７の抵抗値Ｒｂとから、

　　　Ｑ＝（Ｒａ＋Ｒｂ）／４Ｒａ　　　・・・（３）

と求まる。

　（１）、（２）、および（３）式の関係より、（１）式の周波数ｆｃが発振器１０３の発振信号Ｖ１の周波数に一致するように、抵抗１１１および１１２の抵抗値Ｒとキャパシタ１０８および１１５の容量値Ｃが決定される。これらの決定された抵抗値Ｒと容量値Ｃとに基づいて、（２）式より、抵抗１０９の抵抗値Ｒｃとキャパシタ１１４の容量値Ｃｃとが決定される。さらに、判定回路１０６での判定精度に応じた共振の鋭さＱが得られるように、（３）式に基づいて、抵抗１１６の抵抗値Ｒａと抵抗１１７の抵抗値Ｒｂとが決定される。

　以上の回路特性により、ノッチフィルタ１０４の出力信号Ｖｍの周波数特性は、例えば図２（ａ）に示されるような、発振信号Ｖ１の周波数に対応する中心周波数ｆｃの近傍成分のみを鋭くカットするような特性を有するものとなる。

　次に、減算回路１０５では、抵抗１１８、１１９，１２１、および１２２の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲｆが、

　　　Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒｆ（＝例えば１ｋＨｚ）　　　・・・（４）

の関係にあるとき、減算回路１０５の出力信号Ｖｅは、

　　　Ｖｅ＝－（Ｖｍ－Ｖ２）　　　・・・（５）

として得られる。

　すなわち、出力信号Ｖｅは、ノッチフィルタ１０４の出力信号Ｖｍを反転したものを観測信号Ｖ２に加算したものに等しくなる。この結果、出力信号Ｖｅの周波数特性は、例えば図２（ｂ）に示されるように、発振信号Ｖ１の周波数に対応する中心周波数ｆｃの近傍成分のみを通過させ、それ以外の周波数成分は全てカットするような周波数特性を有することになる。つまり、例えば数Ｈｚから数十Ｈｚの周波数成分のみが残される。

　以上の動作により、判定回路１０６に入力される減算回路１０５の出力信号Ｖｅは、発振器１０３の発振信号Ｖ１の周波数成分のみを有する信号成分となる。すなわち、本実施形態のノッチフィルタ１０４と減算回路１０５の組合せにより、観測信号Ｖ２から、車両内のインバータ動作などによる高周波ノイズ、高圧側電池の電圧変動による低周波ノイズ、浮遊容量などによる直流成分変動などの様々なノイズが除去される。この結果、発振器１０３の発振信号Ｖ１の周波数に対応する成分のみを含む出力信号Ｖｅを得ることが可能となる。従って、判定回路１０６がこの出力信号Ｖｅの波形を発振器１０３からの発振信号Ｖ１の波形と比較することにより、ノイズの影響を抑制して絶縁異常判定を行うことが可能となる。よって、高電圧電池とボディー接地との間の絶縁異常判定の精度を向上させることができる。

　図１の構成において、カップリングコンデンサ１０１と検出抵抗１０２の接続部分の観測信号Ｖ２は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０７に通されてからノッチフィルタ１０４および減算回路１０５に入力されてもよい。

　このＬＰＦ１０７により、例えば数百Ｈｚ以上の周波数成分を有するインバータノイズをカットすることが可能となり、さらに絶縁異常判定の精度を向上させることが可能となる。

Claims

　一端が車両の高圧側電池の側に接続され他端が接地される、カップリングコンデンサ、検出抵抗、および発振器の直列接続回路部分を備え、前記カップリングコンデンサと前記検出抵抗の接続部分の観測信号の波形を前記発振器が発振する発振信号の波形と比較することで前記高圧側電池の絶縁異常を検出する絶縁異常検出装置であって、
　前記観測信号を入力し前記発振信号の周波数の近傍成分のみをカットするノッチフィルタと、
　前記観測信号と前記ノッチフィルタの出力信号との間で減算処理を実行する減算回路と、
　前記減算回路の出力信号の波形を前記発振信号の波形と比較して絶縁異常を判定する判定回路と、
　を備えることを特徴とする絶縁異常検出装置。
　前記観測信号を入力し該観測信号の所定の低周波成分のみを通過させ、出力信号を前記ノッチフィルタに入力される観測信号とするローパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の絶縁異常検出装置。