JP2007089277A

JP2007089277A - 電気自動車のリーク検出装置

Info

Publication number: JP2007089277A
Application number: JP2005273503A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Kudo; 彰彦工藤; Masaki Nagaoka; 正樹長岡; Kenichiro Tsuru; 憲一朗水流
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】、測定周波数やコンデンサの容量も上げることなく、低いリーク抵抗の検出が可能なリーク検出装置を提供する。
【解決手段】リーク検出装置２０は、マイコン５の出力ポートから一定電圧振幅の矩形波を、コンデンサ３を介して電池群１とシャーシグラウンドとの間に引加し、コンデンサ３に流れる電流を測定することで、車体と電池群１との間のリークを検出する。コンデンサ３に流れる電流を測定するために、マイコン５の出力ポートからの出力が演算増幅器１１の正相入力に接続されており、演算増幅器１１の出力は電流検出用抵抗１１を介してコンデンサ３に接続されており、かつ、コンデンサ３と電流検出用抵抗１１との接続点が演算増幅器１１の逆相入力に接続されており、更に、電流検出用抵抗１１の両端の電圧を演算増幅器１６及び抵抗１２〜１５で構成される差動増幅器の入力とし、該差動増幅器の出力電圧を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は電気自動車のリーク検出装置に係り、特に、車体と電気的に絶縁された直流電源回路と車体に接地された車両電装回路とを有する電気自動車のリーク検出装置に関する。

従来、電気自動車（ＰＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等には、一般に、高電圧の電池群を直列に接続した直流電源回路と車体に接地された車両電装回路とが搭載されており、両者は絶縁されている。また、直流電源回路と車体との間に絶縁破壊が生じリーク電流が流れた場合にリークを検出するリーク検出装置が搭載されている。このような、リーク検出装置は、高電圧の直流電源端子にコンデンサと抵抗の直列回路を接続し、信号波を抵抗側に印加して、コンデンサと抵抗との接続点に発生する交流電圧成分の振幅からリークを検出するリーク検出回路を有している（例えば、特許文献１参照）。

図２は、上記リーク検出回路の基本構成を示したものである。高電圧の電池群１が負荷２に接続されており、電極群１の＋端子はリーク検出用コンデンサ３を通じて抵抗４に接続されている。抵抗４はリーク検出を行うマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）５の出力ポートに接続されている。抵抗４とコンデンサ３との接続点から、抵抗６とコンデンサ７とのＲＣフィルタを通じてバッファ８の入力に接続されており、バッファ８の出力はマイコン５のＡＤ入力に接続されている。リーク検出回路の動作電源（不図示）のグランドは車両の車体（シャーシグラウンド）に接続されており、電池群１及び負荷２とは絶縁されている。なお、抵抗６とコンデンサ７とのＲＣフィルタは車両で発生するノイズ成分を削減するためのものである。

リーク検出動作は、マイコン５の出力ポートから矩形波が出力され、ＡＤ入力で応答波形の振幅を測定することで行われる。リーク抵抗９が無限大であれば、コンデンサ３には交流電流成分が流れないので、矩形波は抵抗６とコンデンサ７のＲＣフィルタを通ってＡＤ入力に入るだけである。その場合、振幅はＲＣフィルタで多少矩形波より減少するが大きいままである。一方、リーク抵抗９が小さくなれば、コンデンサ３を通じて交流電流が流れるため、抵抗４とコンデンサ３の接続点の振幅はマイコン５の出力ポートの波形よりも小さくなり、ＡＤ入力で測定される波形の振幅も小さくなる。リークは直流電源回路のどこで起こるかわからないが、電池のインピーダンスは非常に小さいため、電池群１の＋端子側で発生しても、−端子側で発生しても、又は、中間の接続点で発生しても検出波形に与える影響は小さくリークの検出が可能である。

図３は、このリーク検出回路で、リーク抵抗９の抵抗値により、どのように出力波形が変化するかを計算した結果を示したものである。抵抗４の値は４３ｋΩ、コンデンサ３の値は２．２μＦ、抵抗６の値は１００ｋΩ、コンデンサ７の値は０.１μＦ、矩形波の振幅は５Ｖp-p、周波数は１０Ｈｚとした。図３に示すように、リーク抵抗が小さくなるほど振幅が小さくなり、リークが悪化したことが検出可能である。図４に、この場合のリーク抵抗と振幅との関係を示す。図４に示すように、リーク抵抗が小さいほど振幅は小さくなる。

特許２９３３４９０号

しかしながら、従来のリーク検出回路では、比較的小さいリーク抵抗の検出が困難である、という課題を有していた。例えば、ある車両のシステムではリーク抵抗が５ｋΩでシステムの動作を遮断するものもある。図４に示すように、リーク抵抗の値の低い５ｋΩの近傍では、リーク抵抗の変化に対する振幅の変化が小さく、この定数で精度よく検出することは困難である。

一方、定数を変更することでこの問題を解決することは可能である。しかし、その場合、コストアップ及び実現性の点で問題が生じる。図５は定数を変更して振幅の変化を計算した例を示したものである。この例では、計算を簡単にするために矩形波ではなく正弦波を印加して計算しているが、矩形波でも正弦波でも応答特性は本質的に変わるものではなく傾向は同一である。図５に示すように、コンデンサ３を１０倍の２２μＦにした場合は低いリーク抵抗でもリーク抵抗の変化に対する振幅の変化は大きくなっている。しかしながら、コンデンサ３は高耐圧のものでなければならず、容量を大きくするのはコストアップ及び部品サイズの増大を招く。また、周波数を１０倍の１００Ｈｚとして、コンデンサ７の容量を１／１０とした場合でも同様の特性になっているが、マイクロコンピュータの処理速度を上げることになり、既存の車両制御用システムに組み込むことは困難となる。更に、コンデンサ７の容量を１／１０倍としたことでカットオフ周波数が高くなり、ノイズに弱くなることも懸念される。

本発明は上記事案に鑑み、測定周波数やコンデンサの容量も上げることなく、低いリーク抵抗の検出が可能なリーク検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、車体と電気的に絶縁された直流電源回路と前記車体に接地された車両電装回路とを有する電気自動車のリーク検出装置において、一定電圧振幅の矩形波を発生させる矩形波発生回路の出力を、コンデンサを介して前記直流電源と車体グラウンドとの間に引加し、前記コンデンサに流れる電流を測定することで前記車体と前記直流電源との間のリークを検出することを特徴とする。

本発明では、コンデンサに一定電圧振幅の矩形波を印加し、流れる電流を測定するので、低いリーク抵抗の検出が可能となる。図６にその計算例を示す。簡略化のため、正弦波の通電として流れる電流の変化を計算した。通電周波数は１０Ｈｚでコンデンサは背景技術欄で説明した従来のリーク検出回路と同じ２．２μＦ、交流印加電圧は５Ｖｒｍｓとした。図６に示すように、リーク抵抗が小さくなるほど通電電流は大きくなり、リーク抵抗が５ｋΩ程度でも、リーク抵抗の変化に対する振幅の変化は大きくなっている。リーク抵抗が１０ｋΩから５ｋΩまで変化した場合の振幅の変化を、従来のリーク検出装置と本発明のリーク検出装置とで比較してみると、従来のリーク検出装置では１０ｋΩの場合の８０％に変化したのに対し、本発明のリーク検出装置では１４２％に変化しており、本発明のリーク検出装置の方が低リーク抵抗の検出がしやすくなる。このため、本発明によれば、従来、測定周波数を高くするかコンデンサの容量を大きくするしか検出することができなかった低いリーク抵抗の検出が可能となる。

上述したように、本発明では一定電圧振幅の矩形波を発生させる矩形波発生回路の出力をコンデンサに通電し、かつ、コンデンサに流れる電流を検出する必要があるが、電流検出抵抗と演算増幅器を用いてフィードバックループを形成すれば、一定電圧振幅の矩形波をコンデンサに印加でき、かつ、電流検出用抵抗に発生する電圧を増幅して電圧出力として検出することが可能となる。

本発明によれば、一定電圧振幅の矩形波を発生させる矩形波発生回路の出力を、コンデンサを介して直流電源と車体グラウンドとの間に引加し、コンデンサに流れる電流を測定するため、測定周波数やコンデンサの容量も上げることなく、低いリーク抵抗の検出できる、という効果を得ることができる。

以下、本発明に係る電気自動車のリーク検出装置の実施の形態について説明する。

電気自動車は、車体と電気的に絶縁された直流電源回路と、車体（シャーシグラウンド）に接地された図示しない車両電装回路を搭載している。図１に示すように、直流電源回路を構成し、複数の単電池を直列接続した高電圧の電池群１が、図示しないスイッチを介して負荷２に接続されている。負荷２には、電池群１により駆動される交流回路が含まれている。本実施形態のリーク検出装置２０はリーク検出回路を有しており、電池群１の＋端子側はリーク検出用コンデンサ３を介してリーク検出回路部に接続される。

リーク検出回路部は、マイコン５及び増幅器で構成されている。すなわち、マイコン５は一定電圧振幅の矩形波を出力する出力ポートを有しており、この出力ポートが演算増幅器１１の正相入力端子に接続されている。演算増幅器１１の出力端子は電流検出用抵抗１０の一端に接続されており、抵抗１０の他端は、他端が電池群１の＋端子側に接続されるコンデンサ３の一端に接続されていると共に、演算増幅器１１の逆相入力端子に接続されている。この演算増幅器１１は、正相入力端子と逆相入力端子との電圧が等しくなる動作をするため、コンデンサ３と抵抗１０との接続点には、マイコン５の出力ポートから出力された矩形波電圧と同一電圧が引加される。

抵抗１０は電流検出用の抵抗で、両端の電圧は抵抗１２〜１５と演算増幅器１６で構成される差動増幅器の入力に接続されている。すなわち、抵抗１０の一端には抵抗１３の一端が接続されており、抵抗１３の他端は、他端がシャーシグラウンドに接続された抵抗１４の一端に接続されており、抵抗１３の他端と抵抗１４の一端との接続点が演算増幅器１６の正相入力端子に接続されている。また、抵抗１０の他端には抵抗１２の一端が接続されており、抵抗１２の他端は、演算増幅器１６の逆相入力端子に接続されている。演算増幅器１６の出力端子、逆相入力端子間には抵抗１５が挿入されている。更に、演算増幅器１６の出力端子は、マイコン５のＡＤ入力に接続されている。なお、マイコン５はシャーシグラウンドに接続されている。

本実施形態のリーク検出装置２０では、マイコン５の出力ポートから一定電圧振幅の矩形波を演算増幅器１１の正相入力端子とシャーシグラウンドとの間に出力し、演算増幅器１６及び抵抗１２〜１５で構成される差動増幅器で抵抗１０の両端電圧を測定することで、コンデンサ３に流れる電流を測定する。より具体的には、マイコン５は、ＡＤコンバータ（このＡＤコンバータの入力が上述したＡＤ入力である。）を内蔵しており、マイコン５はデジタル値として抵抗１０の両端電圧（応答波形）、すなわち、コンデンサ３に流れる電流を取り込み、取り込んだ抵抗１０の両端電圧の振幅を測定することでリーク検出を行う。

次に、本実施形態のリーク検出装置２０に従って作製した実施例のリーク検出回路について説明する。比較のために背景技術欄で説明した図２のリーク検出回路（比較例）についても併記する。

図７に、実施例のリーク検出回路について、実際にリーク抵抗９を接続しながらＡＤ入力波形の測定を行った結果を示す。矩形波の出力周波数を１０Ｈｚ、振幅を５Ｖp-p、コンデンサ３の容量を２．２μＦ、抵抗１０の値を４．７ｋΩとした。図７に示すように、リーク抵抗が１ＭΩ、１００ｋΩでは振幅の変化が小さいが、１０ｋΩ程度から振幅が大きくなり、１ｋΩでは５Ｖ以上の振幅が得られている。図８にリーク抵抗と振幅の関係を示す。図８に示すようにリーク抵抗が小さいほど振幅が大きいのが実施例（実施形態）のリーク検出回路の特徴である。また、図８には電流検出抵抗が４７ｋΩの場合の特性線も示している。電流検出抵抗値を大きくすることで、より高いリーク抵抗で振幅の変化が大きくなることも実施例（実施形態）のリーク検出回路の特徴であり、コンデンサの値及び矩形波の周波数を変更せずに、希望するリーク抵抗検出値に合わせた設計を行うことができる。

図９は、比較例（従来方式）のリーク検出回路と実施例のリーク検出回路とを比較した特性線図である。リーク抵抗の変化に伴う振幅の変化を比較するために、縦軸は振幅の変化率で示している。比較例のリーク検出回路では、リーク抵抗が１ＭΩの場合を１、実施例のリーク検出回路では電流検出抵抗が４．７ＫΩの場合がリーク抵抗１ｋΩで１、抵抗１０が４７ｋΩの場合がリーク抵抗１０ｋΩの場合に１としている。図９に示すように、実施例のリーク検出回路ではリーク抵抗が小さい場合に振幅の変化が大きく、かつ、抵抗１０の値を変更するだけで望みのリーク抵抗を検出しやすくすることが可能である。

以上のように、本実施形態のリーク検出装置２０では、マイコン５の出力ポートから一定電圧振幅の矩形波を、コンデンサ３を介して電池群１に接続し、コンデンサ３に流れる電流を測定する。コンデンサ３に流れる電流を測定するために、マイコン５の出力ポートからの出力が演算増幅器１１の正相入力に接続されており、演算増幅器１１の出力は電流検出用抵抗１１を介してコンデンサ３に接続されており、かつ、コンデンサ３と電流検出用抵抗１１との接続点が演算増幅器１１の逆相入力に接続されており、更に、電流検出用抵抗１１の両端の電圧を演算増幅器１６及び抵抗１２〜１５で構成される差動増幅器の入力とし、該差動増幅器の出力電圧を検出する構成を採っている。このため、一定振幅の矩形波電圧をコンデンサ３に印加でき、かつ、電流検出用抵抗１１に発生する電圧を増幅して電圧出力として検出が可能となり、測定周波数やコンデンサ３の容量も上げることなく、低いリーク抵抗の検出できる。しかも、容量の小さいコンデンサ、演算増幅器、抵抗の比較的簡単な回路でリーク検出装置が構成できる点で工業的価値が大きい。

なお、本実施形態では、矩形波発生回路をマイコン５内に内蔵し、マイコン５の出力ポートから演算増幅器１１の正相入力端子とシャーシグラウンドとの間に引加する例を示したが、本発明はこれに制限されず、マイコン５の外に矩形波発生回路を設けるようにしてもよい。

本発明は測定周波数やコンデンサの容量も上げることなく、低いリーク抵抗の検出が可能なリーク検出装置を提供することを目的とするため、リーク検出装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態のリーク検出装置のリーク検出回路の回路図である。従来のリーク検出装置のリーク検出回路の回路図である。従来のリーク検出回路での電圧応答波形を示す特性線図である。従来のリーク検出回路でのリーク抵抗と応答波形の振幅の関係を示す特性線図である。従来のリーク検出回路で、定数を変えた場合のリーク抵抗と応答波形の振幅の関係を示す特性線図である。実施形態のリーク検出回路でのリーク抵抗とコンデンサの通電電流の関係を示す特性線図である。実施形態のリーク検出回路でのリーク抵抗を変えた場合の応答波形を示す特性線図である。実施形態のリーク検出回路でのリーク抵抗と応答波形の振幅の関係を示す特性線図である。実施例のリーク検出回路と比較例のリーク検出回路での、リーク抵抗と応答波形の振幅の変化を示す特性線図である。

符号の説明

１電池群（直流電源回路）
３リーク検出用コンデンサ（コンデンサ）
５マイコン（矩形波発生回路）
１０電流検出用抵抗
１１演算増幅器
１６演算増幅器（差動増幅器の一部）
２０リーク検出装置

Claims

車体と電気的に絶縁された直流電源回路と前記車体に接地された車両電装回路とを有する電気自動車のリーク検出装置において、一定電圧振幅の矩形波を発生させる矩形波発生回路の出力を、コンデンサを介して前記直流電源と車体グラウンドとの間に引加し、前記コンデンサに流れる電流を測定することで前記車体と前記直流電源との間のリークを検出することを特徴とする電気自動車のリーク検出装置。
前記矩形波発生回路の出力が演算増幅器の正相入力に接続されており、前記演算増幅器の出力は電流検出用抵抗を介して前記コンデンサに接続されており、かつ、前記コンデンサと前記電流検出用抵抗との接続点が前記演算増幅器の逆相入力に接続されており、前記電流検出用抵抗の両端電圧を検出することで前記コンデンサに流れる電流を測定することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車のリーク検出装置。
前記電流検出用抵抗の両端の電圧を差動増幅器の入力とし、該差動増幅器の出力電圧を検出することで前記コンデンサに流れる電流を測定することを特徴とする請求項２に記載の電気自動車のリーク検出装置。