JP2009041920A - 非接地電源の絶縁検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップおよび装置を大型化することなく安全性を確保し、故障発生時のコンデンサの電荷による事故を防止する非接地電源の絶縁検出装置を提供する。
【解決手段】複数のスイッチの接続を切り替えることにより、コンデンサ９の充電を行い、そして、該コンデンサ９の両端子間の電圧を検出して被検出装置の絶縁状態を検出する絶縁検出装置１において、電圧検出手段１１がコンデンサ９の異常高電圧を検出したとき、スイッチ制御手段１１が、全てのスイッチを開路し、さらに、前回測定した地絡抵抗値が基準値以上のときに、スイッチ制御手段がコンデンサ９の電荷を放電するためのスイッチを閉路する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接地電源の絶縁検出装置に係り、特に、電気による推進力を利用する車両などに搭載された非接地の直流電源に好適な絶縁検出装置に関するものである。

非接地電源の絶縁検出装置は、非接地の直流電源の正端子および負端子に接続されて、接地電位部からは絶縁された正端子側および負端子側の主回路配線の接地電位部に対する絶縁抵抗、即ち、地絡抵抗値を測定することで、接地電位部に対する絶縁状態を検出するものである。

特許文献１の絶縁検出装置３０１は、図９に示すように、例えば、正端子側の正側主回路配線３０５ａと負端子側の負側主回路配線３０５ｂが、各々、接地電位部３０７（例えば、車体など）から絶縁されている直流電源（以下電源）３０３に対して適用したものである。絶縁検出装置３０１は、第１スイッチＳ１１、第２スイッチＳ１２、第３スイッチＳ１３、第４スイッチＳ１４、第５スイッチＳ１５、第１抵抗Ｒ１１、第２抵抗Ｒ１２、第３抵抗Ｒ１３、第４抵抗Ｒ１４、第５抵抗Ｒ１５、第１ダイオードＤ１１、第２ダイオードＤ１２、コンデンサ３０９、および、コンデンサ３０９の両端子間の電圧を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した電圧から電源電圧を推定し且つ正端子側地絡抵抗Ｒｐ１の抵抗値および負端子側地絡抵抗Ｒｎ１の抵抗値を求める演算手段と、演算手段が求めた各地絡抵抗値に基づいて絶縁状態判定する絶縁状態判定手段と、第１スイッチＳ１１、第２スイッチＳ１２、第３スイッチＳ１３、第４スイッチＳ１４の各スイッチの異常を検出する異常検出手段と、を兼ねるマイコン３１１などで構成されている。また、絶縁検出装置３０１は、各スイッチを設定された時間に応じて接続および接続開放する図示しないスイッチング制御回路や、前記検出手段の入力端子と接地電位部との間に接続された図示しないクランプダイオードなどを有している。

この絶縁検出装置３０１の絶縁状態検出の概略動作を以下に示す。最初に電源電圧を推定するため、すべてのスイッチが開路されている状態から、第１スイッチＳ１１と第２スイッチＳ１２とを閉路して電源３０３とコンデンサ３０９とを直列に接続する。そして、コンデンサ３０９を所定の時間充電した後、第１スイッチＳ１１と第２スイッチＳ１２とを開路して、電源３０３とコンデンサ３０９とを電気的に切り離した後、第３スイッチＳ１３と第４スイッチＳ１４とを閉路し、コンデンサ３０９の両端子にマイコン３１１のＡ／Ｄポートを接続するとともに、コンデンサ３０９の放電を行う。そして、マイコン３１１（即ち、演算手段）が、検出したコンデンサ３０９の両端子間の電圧に基づいて電源３０３の電源電圧の推定を行う。そして、第５スイッチＳ１５を閉路し、コンデンサ３０９の放電を促進して完全放電した後、第３、第４および第５スイッチを開路する。

このとき、演算手段において推定した電源３０３の電源電圧が、予め入力された電源電圧の基準となる電源電圧基準範囲内にある場合は（即ち、正常な電圧と判定した場合）、上記動作に引き続き、正端子側地絡抵抗Ｒｐ１の抵抗値および負端子側地絡抵抗Ｒｎ１の抵抗値を測定する。そして、電源電圧および各地絡抵抗の測定値が正常であれば、所定の周期で、電源３０３の電源電圧の推定動作と、正端子側地絡抵抗値および負端子側地絡抵抗値の計測動作とを交互に繰り返し実行する。

一方、演算手段において推定した電源３０３の電源電圧が、前記電源電圧基準範囲内にない場合は（即ち、異常な電圧と判定した場合）、電源３０３の異常またはいずれかのスイッチ部の異常が生じていると判断されるので、異常箇所の切り分け、および、スイッチ部に異常がある場合の異常発生スイッチの特定のため、各スイッチＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４の異常検出動作を行う。具体的には、各スイッチを１つずつ順番に接続していき、そのときのコンデンサ３０９の電圧を検出して異常が発生したスイッチの特定を行い、異常発生スイッチまたはスイッチに異常がないときは電源３０３の異常と判断していた。

しかしながら、例えば、第１スイッチＳ１１に短絡故障が発生し、且つ、負側主回路配線３０５ｂが地絡（即ち、地絡抵抗Ｒｎ１≒０Ω）した場合など、図１０から明らかなように、コンデンサ３０９の両端子間の電圧を検出するとき（即ち、第３スイッチＳ１３、および、第４スイッチＳ１４を閉路）、マイコン３１１に電源３０３の電源電圧が直接印可され、また、本回路を構成する各部品に電源３０３の電源電圧が第１の設定時間を超えて印可されてしまう場合がある（図１０点線枠内）。そして、この場合においても前記電源電圧基準範囲内にない（即ち、異常な電圧）との判定がなされてしまうことから、該異常な電圧の判定に応じて実行されるスイッチ異常検出動作によって各スイッチが閉路され、それにより各回路構成部品が長時間高電圧にさらされてしまう。よって、回路焼損などの故障を防ぐために高電圧を想定して回路を構成する必要があり、つまり、高電圧定格且つ不燃性を有する部品を用いる必要があった。そして、抵抗器やダイオードなどの高電圧定格の部品は高価であり、部品外形が大きく、高精度のものを得るのが困難であり、そのため、装置のコストアップ、装置の大型化、地絡抵抗測定精度低下による安全性の低下という問題があった。さらに、マイコンに至っては高電圧定格を有するものが存在せず、高電圧によるストレスの軽減が困難なため、高電圧により故障が発生する場合があり、マイコン３１１の故障により、絶縁検出動作が全停止してしまい、安全性が確保できないという問題があった。

そして、この問題を解決するため、絶縁検出装置３０１において、コンデンサの両端子間の電圧が、前記電源電圧基準範囲を超える異常高電圧であることを検出したとき、該検出に応じて全てのスイッチを即時開路することにより、各回路構成部品およびマイコン３１１に高電圧が印可される時間を、高電圧の影響が無視できる程度に小さくすることで、第３抵抗Ｒ１３、第４抵抗Ｒ１４、および、クランプダイオード（図示無し）に標準定格の部品を用いることができ、また、マイコン３１１の故障発生を防ぐことを可能としていた。
特開２００４−１７０１４６

しかしながら、全てのスイッチを開路することにより、上記の回路構成部品およびマイコン３１１を高電圧から保護することが可能となる一方で、電源電圧および各地絡抵抗値の測定に用いていたコンデンサに電荷が残ってしまい、その電荷によって事故が発生するという問題があった。そして、この状態においては、いずれかのスイッチが短絡故障している可能性があり、不用意にスイッチを閉路してコンデンサの放電を行うと、例えば、図１１に示すように、第２スイッチＳ１２に短絡故障が発生し且つ正側主回路配線３０５ａが地絡した場合など、閉路１１によりコンデンサ３０９は放電されるものの、閉路１２により、標準定格の第４抵抗Ｒ１４と電源３０３とが直列に接続され、定格値以上の電圧が印可されて回路の焼損が生じてしまうなどの問題があり、コンデンサに電荷が残っているにもかかわらず、その放電処理を行うことができないという問題があった。

したがって、本発明の目的は、コストアップおよび装置を大型化することなく安全性を確保し、故障発生時のコンデンサの電荷による事故を防止する非接地電源の絶縁検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項１に記載の非接地電源の絶縁検出装置は、接地電位部から絶縁された直流電源の正端子および負端子に接続され且つ電圧検出手段により電圧が検出されるコンデンサと、前記正端子を順次直列に接続された第１ダイオードおよび第１抵抗を介して前記コンデンサの一方の端子に接続するための第１スイッチと、前記負端子を前記コンデンサの他方の端子に接続するための第２スイッチと、前記第１スイッチと前記第１ダイオードとを接続する配線と前記電圧検出手段との間に直列に接続され且つ前記コンデンサの一方の端子を順次直列に接続された第２ダイオードおよび第２抵抗を介して前記電圧検出手段に接続するための第３スイッチと、前記コンデンサの他方の端子を第４抵抗を介して前記接地電位部に接続するための第４スイッチと、前記コンデンサの一方の端子を放電抵抗を介して前記接地電位部に接続するための第５スイッチと、前記第３スイッチと前記電圧検出手段とを接続する配線と前記接地電位部との間に接続された第３抵抗と、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを閉路して充電した前記コンデンサの電圧に基づいて前記負端子と前記接地電位部との間の負端子側地絡抵抗値を算出し、且つ、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを閉路して充電した前記コンデンサの電圧に基づいて前記正端子と前記接地電位部との間の正端子側地絡抵抗値を算出する演算手段と、前記電圧検出手段が検出した電圧が、予め定められた上限電圧を超える異常高電圧であることを判定する異常高電圧判定手段と、前記コンデンサの充電および前記コンデンサの電圧の検出のための前記第１、第２、第３、第４および第５スイッチの開閉制御を行うスイッチ制御手段、とを有し、前記スイッチ制御手段は、前記異常高電圧判定手段の異常高電圧の判定に応じて、前記第１、第２、第３、第４および第５スイッチを開路する手段である非接地電源の絶縁検出装置において、前記演算手段が周期的に算出した正端子側地絡抵抗値を記憶する記憶手段と、前記異常高電圧判定手段の異常高電圧の判定に応じて、前記記憶手段により記憶されている前回算出された正端子側地絡抵抗値が予め定められた基準地絡抵抗値より大きいことを判定する地絡抵抗値判定手段と、を有し、前記スイッチ制御手段が、地絡抵抗値判定手段の基準地絡抵抗値より大きいとの判定に応じて、前記第４スイッチおよび前記第５スイッチを閉路する手段であることを特徴とするものである。

請求項１に記載した本発明の非接地電源の絶縁検出装置によれば、スイッチ制御手段が、地絡抵抗値判定手段の基準地絡抵抗値より大きいとの判定に応じて、前記第４スイッチおよび前記第５スイッチを閉路することから、前回算出した地絡抵抗値が、予め定められた基準地絡抵抗値より大きく回路焼損のおそれのないとき、即ち、回路構成部品（例えば、第４抵抗）の定格値以上の高電圧が印可されるおそれのないときに、コンデンサに蓄積された電荷の放電を行うので、回路構成部品に高電圧定格のものを用いることなく、コンデンサの放電に伴うスイッチの閉路によって生じる回路焼損を防止することができ、また、コンデンサの放電を行うことにより、コンデンサに残存した電荷による事故を未然に防止することができる。よって、装置のコストアップおよび大型化を回避しつつ安全性を確保し、故障発生時のコンデンサの電荷による事故を防止することができる。

次に、本発明に係る非接地電源の絶縁検出装置の一実施形態について、図１〜８を参照して説明する。

本実施形態の絶縁検出装置１は、図１に示すように、例えば電力を利用して推進力を得る電気推進車両などの電力源となる直流の電源３に対して適用したものである。電源３は、複数の蓄電池などを直列接続したものであり、電源３の正端子側の正側主回路配線（即ち、正端子側配線）５ａと負端子側の負側主回路配線（即ち、負端子側配線）５ｂが、各々、接地電位部７（例えば、車体など）から絶縁されており、電源３は非接地電源となっている。絶縁検出装置１は、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４、第５抵抗Ｒ５、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、クランプダイオードＤｃ、コンデンサ９、および、マイコン１１などで構成されている。

マイコン１１は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）、該ＣＰＵのためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ、および、電圧で示されたアナログ値をデジタル値に変換してＣＰＵに読み込むためのＡ／Ｄポート等を有して構成されている。

マイコン１１のＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムにより、コンデンサ９の両端子間の電圧を検出する電圧検出手段、該電圧検出手段で検出したコンデンサ９の電圧が予め定められた上限電圧を超える異常高電圧であることを判定する異常高電圧判定手段、電圧検出手段で検出した電圧に基づいて電源３の電源電圧を推定する推定手段、推定手段が推定した電源電圧と、正端子側配線と接地電位部との間または負端子側配線と接地電位部との間にコンデンサ９を直列に接続した後に電圧検出手段が検出したコンデンサ９の電圧とに基づいて正端子側地絡抵抗Ｒｐの抵抗値および負端子側地絡抵抗Ｒｎの抵抗値を算出する演算手段、推定手段で推定した電源電圧が異常電圧であることを判定する電圧判定手段、各スイッチで生じた異常を検出する異常検出手段、直前に測定した正端子側地絡抵抗値が予め定められた基準地絡抵抗値より大きいことを判定する地絡抵抗値判定手段、各スイッチの開閉制御を行うスイッチ制御手段、演算手段が求めた各地絡抵抗値に基づいて絶縁状態判定する絶縁状態判定手段、異常検出時に警報を報知する報知手段、および、所定の設定時間を計時する計時手段などの各種手段として動作する。

また、マイコン１１のＲＯＭにはＣＰＵを上記各手段として動作させるためのプログラムが格納されており、他にも、異常高電圧を判定する基準となる上限電圧、異常な電源電圧を判定する基準となる電源電圧基準範囲、および、コンデンサ放電が可能な絶縁状態であるかを判定する基準となる基準地絡抵抗値、コンデンサ電圧の読み込み誤差基準値などの、各種判定基準情報が格納されている。マイコン１１のＲＡＭは、請求項の記憶手段に相当し、演算手段が算出した正端子側地絡抵抗値および負端子側地絡抵抗値が一時的に格納され、各地絡抵抗値が算出される毎に、ＲＡＭに格納された該抵抗値が更新される。つまり、直前に測定した各地絡抵抗値が保持されている。また、動作開始直後の初期化時に、各地絡抵抗値は初期値として０Ωが格納される。マイコン１１のＡ／Ｄポートは、コンデンサ９の両端子に接続され、コンデンサの電圧をデジタル値に変換してＣＰＵに渡している。

なお、マイコン１１にて実現しているスイッチ制御手段を、スイッチング制御回路としてマイコン１１と別体で構成するなどして、電圧検出手段、異常高電圧判定手段、推定手段、演算手段、電圧判定手段、異常検出手段、記憶手段、地絡抵抗値判定手段及びスイッチ制御手段などを、別体または一体に適宜形成できる。

次に上述の回路構成部品の接続について、図１を参照して説明する。電源３の正端子側には、この正端子側から第１スイッチＳ１及び第３スイッチＳ３が順次直列に接続され、電源３の負端子側には、この負端子側から第２スイッチＳ２、第４スイッチＳ４及び第４抵抗Ｒ４が順次直列に接続されている。第１スイッチＳ１と第３スイッチＳ３との間から第２スイッチＳ２と第４スイッチＳ４との間には、第１ダイオードＤ１、第１抵抗Ｒ１及びコンデンサ９が順次直列に接続されている。第１抵抗Ｒ１とコンデンサ９との間から第１スイッチＳ１と第３スイッチＳ３との間には、第２ダイオードＤ２及び第２抵抗Ｒ２が順次直列に接続されている。すなわち、第１ダイオードＤ１及び第１抵抗Ｒ１と、第２ダイオードＤ２及び第２抵抗Ｒ２とは並列に接続されている。また、第２ダイオードＤ２と第２抵抗Ｒ２との間の部位から接地電位部７に、コンデンサ９の放電を促進するバイパス手段として、第５スイッチＳ５、そして第２抵抗Ｒ２よりも抵抗が低い第５抵抗Ｒ５（請求項の放電抵抗に相当）が順次直列に接続されている。第１ダイオードＤ１は、正側から負側に向かう方向に整流するものであり、第２ダイオードＤ２は、第１ダイオードＤ１と逆方向に整流するものである。また、図１で示した第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５は、例えば光ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ機能を有する部品からなるスイッチ部を接点として模式的に示したものであり、これら各スイッチとしては、電源３の主回路配線との絶縁を確保するため、該主回路配線から絶縁された信号によって制御されるものが好ましい。

第３スイッチＳ３と第４抵抗Ｒ４間には、第３スイッチＳ３と第４抵抗Ｒ４に対して直列に第３抵抗Ｒ３が接続されており、第３スイッチＳ３と第３抵抗Ｒ３との間には、マイコン１１のアナログ／デジタル変換ポートつまりＡ／Ｄポートが接続されている。また、接地電位部からＡ／Ｄポートに向かうクランプダイオードＤｃが接続されている。第３抵抗Ｒ３と第４抵抗Ｒ４との間の部位は、接地電位部７に接地されている。

また、各スイッチおよびスイッチ制御手段（即ち、マイコン１１）は、絶縁検出装置１の回路接続を制御する５つのスイッチング手段を構成している。電源３にコンデンサ９を直列に第１の設定時間の間接続する第１のスイッチング手段は、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２及びスイッチ制御手段などで、電源３の正端子と接地電位部７との間にコンデンサ９を直列に第２の設定時間の間接続する第２のスイッチング手段は、第１スイッチＳ１、第４スイッチＳ４及びスイッチ制御手段などで、接地電位部７と電源３の負端子との間にコンデンサ９を直列に第３の設定時間の間接続する第３のスイッチング手段は、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３及びスイッチ制御手段などで、第４のスイッチング手段は、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４及びスイッチ制御手段などで、コンデンサ９の放電を行う第５のスイッチング手段は、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５及びスイッチ制御手段などで構成されている。なお、コンデンサ９には、例えば数μＦといった比較的高容量のものが用いられ、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２には、例えば数百ｋΩといった比較的高い抵抗値のものが用いられ、第３抵抗Ｒ３および第４抵抗Ｒ４は数ｋΩといった比較的低い抵抗値のものが用いられている。また、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４、クランプダイオードＤｃ、および、マイコン１１には、通常の絶縁検出動作に適合する標準定格部品が用いられており、他の回路構成部品には高電圧定格部品が用いられている。

次に、上述した構成の絶縁検出装置１の異常高電圧検出時の概略動作について説明する。本実施形態の絶縁検出装置１による絶縁状態の計測は、図２に示されるように、電源３の電源電圧を推定するための電源電圧推定過程Ｐ１０１、電源電圧推定過程Ｐ１０１および絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７において検出した電圧が異常高電圧のときに各スイッチング手段を接続開放する接続開放過程Ｐ１０２、正端子側地絡抵抗Ｒｐの抵抗値が予め定められた基準地絡抵抗値より大きいことを判定する地絡抵抗値判定Ｐ１０３、正端子側地絡抵抗Ｒｐの抵抗値が基準地絡抵抗値より大きいと判定された場合に実施されるコンデンサ放電過程Ｐ１０４、電源電圧推定過程Ｐ１０１で推定した電源電圧から電源電圧の異常を検出する電源電圧異常判定Ｐ１０５、電源電圧異常判定Ｐ１０５で電源電圧が異常と判定された場合に実施される各スイッチＳ２、Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４の異常を検出するためのスイッチ異常検出過程Ｐ１０６、そして、絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７により行われる。

電源電圧推定過程Ｐ１０１では、図３及び図４に示すように、電源電圧推定過程Ｐ１０１を開始すると、スイッチ制御手段が第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を第１の設定時間である第１閉路時間Ｔ１の間、閉路する（ステップＰ２０１）。すなわち、第１のスイッチング手段により、接地電位部７を介さずに電源３にコンデンサ９を直列に接続する回路が形成され、第１閉路時間Ｔ１の間、コンデンサ９への充電が行われ、コンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣが上昇する。なお、第１閉路時間Ｔ１は、コンデンサ９を完全に充電するのに必要な時間よりも短い時間に設定されており、例えばコンデンサ９を完全に充電するのに必要な時間の１／５〜１／１０といったような短い時間となっており、第１閉路時間Ｔ１は、必要とされる絶縁抵抗の計測誤差範囲によって選択されたものである。

ステップＰ２０１において第１閉路時間Ｔ１が経過すると、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２が開路つまり遮断され、第１閉路時間Ｔ１よりも短い所定時間ｔｗ１経過後、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４が閉路される（ステップＰ２０３）。すなわち、第４のスイッチング手段により、コンデンサ９の両端子間の電圧を検出する電圧検出手段（即ち、マイコン１１）が接続された回路が形成されると共に、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３、そして第４抵抗Ｒ４を含むコンデンサ９からの放電回路が形成され、コンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣが降下する。ここで、マイコン１１は、Ａ／Ｄポートを介してＡ／Ｄ変換データ、つまりコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを読み込む（ステップＰ２０５）。

電圧ＶＣの読み込みは、所定の間隔で複数回、例えば、３回連続して読み込みを行う。そして、読み込んだ各電圧値を互いに比較し、それぞれの値の差異が著しく大きければ、ノイズによる影響と判断して再度複数回の読み込みを行い、それぞれの値の差異が予め定められた読み込み誤差基準値より小さくなった時点で、各値の平均を算出して検出電圧Ｖ０とする。そして、マイコン１１のＲＯＭに格納されている、予め定められた上限電圧と検出電圧Ｖ０とを比較し、検出電圧Ｖ０が上限電圧を超えていたとき、異常高電圧と判定し、電源電圧推定過程Ｐ１０１を抜けて、接続開放過程Ｐ１０２に移行する（ステップＰ２０６でｙｅｓ）。また、Ｖ０が上限電圧以下であれば、引き続き電源電圧の推定処理を行う（ステップＰ２０６でｎｏ）。

コンデンサ９の両端子間電圧ＶＣの値つまり検出電圧Ｖ０により、次式（１）から推定の電源電圧Ｖ０ｓを算出する（ステップＰ２０７）。
Ｖ０ｓ＝Ｖ０／（１−ＥＸＰ（−Ｔ１／Ｃ・Ｒ１）） …（１）
ただし、式（１）において、Ｔ１は第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の閉路時間、Ｃはコンデンサ９の容量、Ｒ１は第１抵抗Ｒ１の抵抗値である。

一方、スイッチ制御手段は、ステップＰ２０５でコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを検出した後、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４が閉路された状態で、第５スイッチＳ５を閉路して第２抵抗Ｒ２をバイパスさせることで、第２抵抗Ｒ２の抵抗値を下げた状態とし、コンデンサ９からの放電に要する時間を短縮する。第５スイッチＳ５を閉路して、第１閉路時間Ｔ１よりも短い所定時間ｔｄ１経過後、第５スイッチＳ５を開路つまり遮断した後、マイコン１１は、Ａ／Ｄポートを介してＡ／Ｄ変換データ、つまりコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを読み込み、電圧ＶＣが０Ｖであることを確認する（ステップＰ２０９）。そして、電源電圧推定過程Ｐ１０１を終了し、電源電圧異常判定Ｐ１０５に進む。

接続開放過程Ｐ１０２では、電源電圧推定過程Ｐ１０１のステップＰ２０６または絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７のステップＰ３０４、Ｐ３１２において、検出電圧が予め定められた上限電圧を超える異常高電圧であることが判定されたことにより、第１スイッチの短絡故障と負端子側の地絡とが同時に発生、または、第２スイッチの短絡故障と正端子側配線の地絡とが同時に発生したものと判断し、スイッチ制御手段（即ち、マイコン１１）は、直ちに、第１、第２、第３、第４および第５スイッチの全てを開路する。この動作により、即時回路を遮断するので、電源３の高電圧が各回路構成部品に印可される時間を極めて短くすることができ、そのため、通常動作において適合する標準定格の部品を用いることを可能としている。そして、地絡抵抗値判定Ｐ１０３に進む。

地絡抵抗値判定Ｐ１０３では、コンデンサ９に残っている可能性のある電荷を安全に放電することができるか判定する。スイッチ故障が発生し且つ地絡抵抗値が小さい状態では、例えば、コンデンサの放電、地絡抵抗値の測定、または、異常スイッチの検出を行うためにスイッチを閉路すると、高電圧である電源３の電源電圧が標準定格の部品に印可され、定格値以上の電圧印可による回路焼損が発生する可能性があり、不用意にスイッチを閉路することができない。例えば、図５に示すように、第２スイッチＳ２が短絡故障し且つ正端子側配線５ａが地絡（即ち、正端子側地絡抵抗Ｒｐ≒０Ω）した場合において、コンデンサ９の放電を行った場合、閉路１により、コンデンサ９の放電が行われるものの、閉路２により、電源３の電源電圧が標準定格部品の第４抵抗Ｒ４に印可されてしまうため、回路が焼損する可能性がある。その一方で、図６に示すように、第１スイッチＳ１が短絡故障し且つ負端子側配線５ｂが地絡（即ち、負端子側地絡抵抗Ｒｎ≒０Ω）した場合において、コンデンサ９の放電を行った場合、閉路１により、コンデンサ９の放電が行われ、また、閉路３において、電源３が接続された閉路が構成されてしまうものの、第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２は高電圧定格品のため、回路が焼損することがない。よって、正端子側地絡抵抗値が、回路焼損が生じない程度に大きい値、具体的には、正端子側地絡抵抗Ｒｐと第４抵抗Ｒ４が直列に接続されたときの第４抵抗Ｒ４に印可される分圧された電圧が定格を超えない電圧となる正端子側地絡抵抗値であれば、コンデンサ９の放電が可能なことがわかる。

そして、異常高電圧を検出した時点での地絡抵抗値を測定することはできないが、正端子地絡抵抗値、および、負端子地絡抵抗値は、急激に低下することがないため、直前に測定した地絡抵抗値を、現在の地絡抵抗値と見なすことができる。よって、マイコン１１のＲＡＭに格納されている直前に測定された正端子側地絡抵抗値を参照して、その抵抗値を現在の正端子側地絡抵抗Ｒｐの抵抗値と見なし、該抵抗値が予め定められた基準地絡抵抗値より大きいときは、回路焼損が発生しないものとして、コンデンサ放電過程Ｐ１０４に進む（ステップＰ１０３でｙｅｓ）。また、正端子側地絡抵抗Ｒｐの抵抗値が基準地絡抵抗値より小さいときは、スイッチ閉路により回路焼損の危険があるため、例えば絶縁抵抗値の計測を中止し、警報などにより異常を報知する。このとき、コンデンサ９に電荷が残っている可能性があることを併せて報知しても良い。

コンデンサ放電過程Ｐ１０４では、図４に示すように、第５のスイッチング手段により、第４スイッチＳ４と第５スイッチＳ５とを閉路し、コンデンサ９に充電されている電荷を放電する。そして、例えば絶縁抵抗値の計測を中止し、警報などにより異常を報知する。

電源電圧異常判定Ｐ１０５では、図２に示すように、マイコン１１は、電源電圧推定過程Ｐ１０１で推定した電源３の電源電圧Ｖ０ｓと予め定められた電源電圧の基準となる電源電圧基準範囲とを比較し、電源電圧推定過程Ｐ１０１で推定した電源電圧Ｖ０ｓの値が電源電圧基準範囲から外れているとき、電源電圧の異常と判定する。ただし、絶縁検出装置１の構成及び絶縁抵抗の検出動作などからもわかるように、推定した電源電圧Ｖ０ｓは、スイッチ部の故障などの異常が生じている場合にも異常な値を示す。そこで、電源電圧異常判定Ｐ１０５において電源電圧の異常が判定された場合、電源電圧の異常またはスイッチ部の異常が生じていると判断されるため、異常の原因の判断、そしてスイッチ部に異常がある場合の異常があるスイッチの特定のため、各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のスイッチ異常検出過程Ｐ１０６を行う。

スイッチ異常検出過程Ｐ１０６は、図７に示すように、第２スイッチ異常検出過程Ｐ１１５、第１スイッチ異常検出過程Ｐ１１７、第３スイッチ異常検出過程Ｐ１１９及び第４スイッチ異常検出過程Ｐ１２１からなり、各スイッチに対して順に異常検出動作を行うものである。なお、第１〜第４スイッチ異常検出過程については、出願人が先に提案している特開２００４−１７０１４６号公報（特許文献１）で開示しているものと同一であるので、ここでは詳述しない。

そして、各スイッチ異常検出過程Ｐ１１５、Ｐ１１７、Ｐ１１９、Ｐ１２１でスイッチの異常が検出されなかった場合、つまり電源電圧自体の異常であることが検出された場合、例えば絶縁抵抗値の計測を中止し、警報などにより異常を報知する。また、図２及び図４に示すように、電源電圧異常判定Ｐ１０５において電源電圧の異常が検出されなかった場合、絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７に進む。

絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７では、スイッチ制御手段は、図４及び図８に示すように、第１スイッチＳ１及び第４スイッチＳ４を第２の設定時間である第２閉路時間Ｔ２の間、閉路する（ステップＰ３０１）。

すなわち、第２のスイッチング手段により、電源３の正端子と接地電位部７との間にコンデンサ９を直列に接続した回路、つまり、図１に示すように、正側主回路配線５ａ、第１スイッチＳ１、第１ダイオードＤ１、第１抵抗Ｒ１、コンデンサ９、第４スイッチＳ４、第４抵抗Ｒ４、接地電位部７、そして図１において点線で示すような位置に仮定される負端子側の地絡抵抗Ｒｎ、負側主回路配線５ｂを順次直列に電源３に接続した回路が形成される。これにより、第２閉路時間Ｔ２の間、コンデンサ９への充電が行われ、図４に示すように、地絡抵抗Ｒｎの値に応じてコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣが上昇する。なお、第２の設定時間である第２閉路時間Ｔ２も、第１閉路時間Ｔ１と同様に、コンデンサ９を完全に充電するのに必要な時間よりも短く、所定時間ｔｗ１、ｔｄ１よりも長い時間に設定されている。

ステップＰ３０１において第２閉路時間Ｔ２が経過すると、図４及び図８に示すように、第１スイッチＳ１が開路つまり遮断され、所定時間ｔｗ１経過後、第３スイッチＳ３が閉路され、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４が閉路された状態となる。すなわち、第４のスイッチング手段により、コンデンサ９の両端子間の電圧を検出するマイコン１１が接続された回路が形成されると共に、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３、そして第４抵抗Ｒ４を含むコンデンサ９からの放電回路が形成され、コンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣが降下する。そして、マイコン１１は、Ａ／Ｄポートを介してＡ／Ｄ変換データ、つまりコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを読み込む（ステップＰ３０３）。

電圧ＶＣの読み込みは、所定の間隔で複数回、例えば、３回連続して読み込みを行う。そして、読み込んだ各電圧値を互いに比較し、それぞれの値の差異が著しく大きければ、ノイズによる影響と判断して再度複数回の読み込みを行い、それぞれの値の差異が予め定められた読み込み誤差基準値より小さくなった時点で、各値の平均を算出して検出電圧ＶＣＮとする。そして、マイコン１１のＲＯＭに格納されている、予め定められた上限電圧と検出電圧ＶＣＮとを比較し、検出電圧ＶＣＮが上限電圧を超えていたとき、異常高電圧と判定し、絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７を抜けて、接続開放過程Ｐ１０２に移行する（ステップＰ３０４でｙｅｓ）。また、ＶＣＮが上限電圧以下であれば、引き続き地絡抵抗の計測処理を行う（ステップＰ３０４でｎｏ）。

このときのコンデンサ９の両端子間電圧ＶＣの値つまり検出電圧ＶＣＮにより、次式（２）から電源３の負端子側の接地電位部７となる車体などに対する絶縁抵抗、すなわち負端子側の地絡抵抗Ｒｎを算出する（ステップＰ３０５）。
Ｒｎ＝−Ｒ１−Ｔ２／Ｃ・ｌｎ（１−ＶＣＮ／Ｖ０ｓ） …（２）
ただし、式（２）において、Ｔ２は第１スイッチＳ１及び第４スイッチＳ４の閉路時間、Ｃはコンデンサ９の容量、Ｒ１は第１抵抗Ｒ１の抵抗値、電源電圧Ｖ０ｓは電源電圧推定過程Ｐ１０１で推定した電源電圧である。

一方、マイコン１１は、ステップＰ３０５でコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを検出した後、マイコン１１のＲＡＭに負端子側地絡抵抗Ｒｎの抵抗値を記憶し（ステップＰ３０６）、そして、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４が閉路された状態で、第５スイッチＳ５を閉路して第２抵抗Ｒ２をバイパスさせることで、第２抵抗Ｒ２の抵抗値を下げた状態とし、コンデンサ９からの放電に要する時間を短縮する。第５スイッチＳ５を閉路して、第２閉路時間Ｔ２よりも短い所定時間ｔｄ２経過後、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４及び第５スイッチＳ５を開路つまり遮断した後、マイコン１１は、Ａ／Ｄポートを介してＡ／Ｄ変換データ、つまりコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを読み込む（ステップＰ３０７）。

ステップＰ３０７で電圧ＶＣが０Ｖであることが確認されたら、スイッチ制御手段は、第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３を、第３の設定時間として第２の設定時間と同じ第２閉路時間Ｔ２の間、閉路する（ステップＰ３０９）。すなわち、第３のスイッチング手段により、接地電位部７と電源３の負端子との間にコンデンサ９を直列に接続した回路、つまり、図１に示すように、正側主回路配線５ａ、図１において点線で示すような位置に仮定される正端子側の地絡抵抗Ｒｐ、接地電位部７、第３抵抗Ｒ３、第３スイッチＳ３、第１ダイオードＤ１、第１抵抗Ｒ１、コンデンサ９、第２スイッチＳ２、そして負側主回路配線５ｂを順次直列に電源３に接続した回路が形成される。これにより、第２閉路時間Ｔ２の間、コンデンサ９への充電が行われ、図４に示すように、地絡抵抗Ｒｐの値に応じてコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣが上昇する。

ステップＰ３０９において第２閉路時間Ｔ２が経過すると、図４及び図８に示すように、第２スイッチＳ２が開路つまり遮断され、所定時間ｔｗ１経過後、第４スイッチＳ４が閉路され、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４が閉路された状態となる。すなわち、第４のスイッチング手段により、コンデンサ９の両端子間の電圧を検出するマイコン１１が接続された回路が形成されると共に、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３、そして第４抵抗Ｒ４を含むコンデンサ９からの放電回路が形成され、コンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣが降下する。そして、マイコン１１は、Ａ／Ｄポートを介してＡ／Ｄ変換データ、つまりコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを読み込む（ステップＰ３１１）。

電圧ＶＣの読み込みは、所定の間隔で複数回、例えば、３回連続して読み込みを行う。そして、読み込んだ各電圧値を互いに比較し、それぞれの値の差異が著しく大きければ、ノイズによる影響と判断して再度複数回の読み込みを行い、それぞれの値の差異が予め定められた読み込み誤差基準値より小さくなった時点で、各値の平均を算出して検出電圧ＶＣＰとする。そして、マイコン１１のＲＯＭに格納されている、予め定められた上限電圧と検出電圧ＶＣＰとを比較し、検出電圧ＶＣＰが上限電圧を超えていたとき、異常高電圧と判定し、絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７を抜けて、接続開放過程Ｐ１０２に移行する（ステップＰ３１２でｙｅｓ）。また、ＶＣＮが上限電圧以下であれば、引き続き地絡抵抗の計測処理を行う（ステップＰ３１２でｎｏ）。

このときのコンデンサ９の両端子間電圧ＶＣの値つまり検出電圧ＶＣＰにより、次式（３）から電源３の正端子側の接地電位部７となる車体などに対する絶縁抵抗、すなわち正端子側の地絡抵抗Ｒｐを算出する（ステップＰ３１３）。
Ｒｐ＝−Ｒ１−Ｔ２／Ｃ・ｌｎ（１−ＶＣＰ／Ｖ０ｓ） …（３）
ただし、式（３）において、Ｔ２は第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３の閉路時間、Ｃはコンデンサ９の容量、Ｒ１は第１抵抗Ｒ１の抵抗値、電源電圧Ｖ０ｓは電源電圧推定過程Ｐ１０１で推定した電源電圧である。

一方、マイコン１１は、ステップＰ３１３でコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを検出した後、マイコン１１のＲＡＭに正端子側地絡抵抗Ｒｐの抵抗値を記憶し（ステップＰ３１４）、そして、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４が閉路された状態で、第５スイッチＳ５を閉路して第２抵抗Ｒ２をバイパスさせることで、第２抵抗Ｒ２の抵抗値を下げた状態とし、コンデンサ９からの放電に要する時間を短縮する。第５スイッチＳ５を閉路して所定時間ｔｄ２経過後、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４及び第５スイッチＳ５を開路つまり遮断した後、マイコン１１は、Ａ／Ｄポートを介してＡ／Ｄ変換データ、つまりコンデンサ９の両端子間の電圧ＶＣを読み込む（ステップＰ３１５）。そして、ステップＰ３１５で電圧ＶＣが０Ｖであることが確認された時点で、１回の絶縁状態の検出サイクルを終了する。また、絶縁状態の検出を行う間、図２、図３及び図８に示す、上述した検出サイクルを繰り返す。なお、本実施形態では、第２の設定時間および第３の設定時間を、第２閉路時間Ｔ２としていたが、これに限らずそれぞれ別個に適切な値に設定してよい。

マイコン１１は、１回の絶縁状態の検出サイクルで求めた電源３の正端子側の地絡抵抗Ｒｐと、負端子側の地絡抵抗Ｒｎの値から絶縁状態を判定する。例えば、電源３の正端子側の地絡抵抗Ｒｐと、予め定められた基準抵抗値とを比較し、地絡抵抗Ｒｐが基準抵抗値以下になっている場合には、絶縁不良が生じていると判定し、その後、例えば、絶縁抵抗値の計測を中止し、警報などにより異常を報知する。なお、上記電源電圧推定過程Ｐ１０１のステップＰ２０５、絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７のステップＰ３０３およびＰ３１１は、請求項の電圧検出手段に相当し、電源電圧推定過程Ｐ１０１のステップＰ２０６、絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７のステップＰ３０４およびＰ３１２は、請求項の異常高電圧判定手段に相当し、絶縁抵抗計測過程Ｐ１０７のステップＰ３０５およびＰ３１３は、請求項の演算手段に相当し、地絡抵抗値判定Ｐ１０３は、請求項の地絡抵抗値判定手段に相当する。また、本実施形態では、電源電圧を推定手段により推定し、推定した電源電圧を用いて地絡抵抗値を算出していたが、これに限定するものではなく、予め入力された電源電圧値に基づいて地絡抵抗値を算出するなど、その算出方法は任意である。また、推定手段、電圧判定手段、異常検出手段についても、実施形態に合わせて、それら実装は任意である。

このように、本実施形態の非接地電源の絶縁検出装置１によれば、前回測定した正端子側地絡抵抗Ｒｐの抵抗値が基準地絡抵抗値より大きいとき、第４スイッチＳ４および第５スイッチＳ５を閉路することから、即ち、回路構成部品（第４抵抗Ｒ４）の定格値以上の高電圧印可による回路焼損のおそれのないとき、コンデンサ９に蓄積された電荷の放電を行うので、回路構成部品に高電圧定格のものを用いることなく、コンデンサ９の放電に伴うスイッチの閉路によって生じる回路焼損を防止することができ、また、コンデンサ９の放電を行うことにより、コンデンサ９に残存した電荷による事故を未然に防止することができる。よって、装置のコストアップおよび大型化を回避しつつ安全性を確保し、故障発生時のコンデンサの電荷による事故を防止することができる。

また、本発明は、本実施形態において示した回路構成に限らず、フライングコンデンサ（また、フライングキャパシタとも言う）方式を採用した回路であれば、電圧計測回路や絶縁検出回路等の任意の回路に適用が可能である。

なお、上述した実施例は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明を適用してなる絶縁検出装置の一実施形態の概略構成を示す図である。 本発明を適用してなる絶縁検出装置の一実施形態の絶縁抵抗計測の動作を示すフローチャートである。 本発明を適用してなる絶縁検出装置の一実施形態の電源電圧推定過程の動作を示すフローチャートである。 電源電圧正常時および異常時の各スイッチの動作に対するコンデンサの充放電状態と電圧の読み込みタイミングを示すタイムチャートである。 スイッチ短絡故障且つ正端子側配線の地絡が同時に発生したとき、コンデンサ放電に伴う電流の流れを示す図である。 スイッチ短絡故障且つ負端子側配線の地絡が同時に発生したとき、コンデンサ放電に伴う電流の流れを示す図である。 スイッチ異常検出過程に含まれる各過程を示すフローチャートである。 本発明を適用してなる絶縁検出装置の一実施形態の絶縁抵抗計測過程の動作を示すフローチャートである。 従来の絶縁検出装置の概略構成を示す図である。 従来の絶縁検出装置において、スイッチ短絡故障且つ負端子側配線の地絡が同時に発生したときの、高電圧が印可される箇所を示した図である。 従来の絶縁検出装置において、スイッチ短絡故障且つ正端子側配線の地絡が同時に発生したときの、高電圧による電流が流れる経路を示した図である。

符号の説明

１ 絶縁検出装置
３ 直流電源
７ 接地電位部
９ コンデンサ
１１ マイコン
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５ 第１、第２、第３、第４および第５スイッチ

Claims (1)

1. 接地電位部から絶縁された直流電源の正端子および負端子に接続され且つ電圧検出手段により電圧が検出されるコンデンサと、前記正端子を順次直列に接続された第１ダイオードおよび第１抵抗を介して前記コンデンサの一方の端子に接続するための第１スイッチと、前記負端子を前記コンデンサの他方の端子に接続するための第２スイッチと、前記第１スイッチと前記第１ダイオードとを接続する配線と前記電圧検出手段との間に直列に接続され且つ前記コンデンサの一方の端子を順次直列に接続された第２ダイオードおよび第２抵抗を介して前記電圧検出手段に接続するための第３スイッチと、前記コンデンサの他方の端子を第４抵抗を介して前記接地電位部に接続するための第４スイッチと、前記コンデンサの一方の端子を放電抵抗を介して前記接地電位部に接続するための第５スイッチと、前記第３スイッチと前記電圧検出手段とを接続する配線と前記接地電位部との間に接続された第３抵抗と、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチを閉路して充電した前記コンデンサの電圧に基づいて前記負端子と前記接地電位部との間の負端子側地絡抵抗値を算出し、且つ、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチを閉路して充電した前記コンデンサの電圧に基づいて前記正端子と前記接地電位部との間の正端子側地絡抵抗値を算出する演算手段と、前記電圧検出手段が検出した電圧が、予め定められた上限電圧を超える異常高電圧であることを判定する異常高電圧判定手段と、前記コンデンサの充電および前記コンデンサの電圧の検出のための前記第１、第２、第３、第４および第５スイッチの開閉制御を行うスイッチ制御手段、とを有し、前記スイッチ制御手段は、前記異常高電圧判定手段の異常高電圧の判定に応じて、前記第１、第２、第３、第４および第５スイッチを開路する手段である非接地電源の絶縁検出装置において、
   前記演算手段が周期的に算出した正端子側地絡抵抗値を記憶する記憶手段と、
   前記異常高電圧判定手段の異常高電圧の判定に応じて、前記記憶手段により記憶されている前回算出された正端子側地絡抵抗値が予め定められた基準地絡抵抗値より大きいことを判定する地絡抵抗値判定手段と、を有し、
   前記スイッチ制御手段が、地絡抵抗値判定手段の基準地絡抵抗値より大きいとの判定に応じて、前記第４スイッチおよび前記第５スイッチを閉路する手段であることを特徴とする非接地電源の絶縁検出装置。

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