JP2012168071A - 漏電検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】漏電を迅速に検知できる漏電検知装置を提供する。
【解決手段】漏電検知装置１００は、カップリングコンデンサＣ１にパルスを供給するパルス発生器２と、カップリングコンデンサＣ１の電圧を検出する電圧検出部６と、電圧検出部６が検出した電圧を第１の閾値と比較し、その比較結果に基づいて直流電源Ｂの漏電の有無を判定する漏電判定部７と、電圧検出部６が検出した電圧を、第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較し、カップリングコンデンサＣ１の放電によって、検出電圧が第２の閾値未満になったか否かを判定する放電判定部８とを備える。パルス発生器２は、放電判定部８により検出電圧が第２の閾値未満になったと判定された場合に、新たなパルスを立ち上げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源の漏電を検知する漏電検知装置に関する。

電気自動車においては、モータや車載機器を駆動するための高電圧の直流電源が搭載される。この直流電源は、接地されている車体と電気的に絶縁されているが、何らかの原因で直流電源と車体との間が電気的に接続されると、直流電源から車体を介してグランドへ電流が流れ、漏電（あるいは地絡）が生じる。そこで、この漏電等を検知するための検知装置が、直流電源に付設される。後掲の特許文献１には、電気自動車に搭載される地絡検出装置が記載されている。

特許文献１では、カップリングコンデンサの一端側に直流電源のプラス端子を接続し、カップリングコンデンサの他端側となる測定点に、矩形波パルス信号を印加して、カップリングコンデンサを充電し、このとき測定点に発生する電圧信号を検出して、直流電源の地絡を検出する車両用地絡検出装置において、矩形波パルス信号が第１の位相となる時点で、測定点にて測定される電圧と、矩形波パルス信号が第２の位相となる時点で、測定点にて測定される電圧値との差分を求め、この差分電圧に基づいて、直流電源の地絡を検出する。

特許文献１の地絡検出装置では、カップリングコンデンサに供給されるパルスの周期は常に一定である。カップリングコンデンサへの充電が完了した後は、カップリングコンデンサから放電が開始されるが、放電の開始から、測定点の電圧が０ボルトに下がるまでには、所定時間を要する。パルスが立ち下がってから次のパルスが立ち上がるまでの間隔は、上記放電に要する所定時間以上に設定されている。このため、パルスの立ち下がりや立ち上りのタイミングで電圧を検出して地絡有無の判定を行う場合、パルスの立ち下りから立ち上がりまでの区間が長くなって、判定までに時間を要するという問題がある。

また、後掲の特許文献２には、直流電源の絶縁状態をコンデンサの電圧に基づいて検出する装置が記載されている。この装置では、コンデンサを放電させるリセットスイッチが設けられ、コンデンサの両端電圧が正常動作時の最大電圧を超える場合は、コンデンサの両端電圧が一定電圧まで下がるのを待ち、一定電圧になるとリセットスイッチを投入して、コンデンサを急速放電するようにしている。

特開２００３−２５０２０１号公報 特開２００８−８９３２２号公報

本発明の課題は、直流電源の漏電を検知する漏電検知装置において、漏電の有無を迅速に判定できるようにすることにある。

本発明に係る漏電検知装置は、一端が直流電源に接続されるカップリングコンデンサと、このカップリングコンデンサの他端にパルスを供給するパルス発生器と、上記パルスにより充電されるカップリングコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、この電圧検出部が検出した電圧を第１の閾値と比較し、その比較結果に基づいて直流電源の漏電の有無を判定する漏電判定部と、電圧検出部が検出した電圧を第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較し、カップリングコンデンサの放電によって、検出電圧が第２の閾値未満になったか否かを判定する放電判定部とを備える。そして、パルス発生器は、放電判定部により検出電圧が第２の閾値未満になったと判定された場合に、新たなパルスを立ち上げる。

このようにすると、パルスにより充電されたカップリングコンデンサが、パルスの立ち下がりの時点から放電して、その電圧が第２の閾値未満になると、次のパルスが立ち上がる。このため、パルスの間隔が短くなって、漏電検知を迅速に行うことができる。

本発明に係る漏電検知装置は、パルスが立ち下がった後、検出電圧が第２の閾値未満にならない状態が一定時間継続した場合に、異常が発生したと判定する異常判定部を備えていてもよい。

これによると、回路の故障等によって、カップリングコンデンサが正常に放電できない場合に、異常を検出することができる。

また、本発明に係る漏電検知装置は、パルスが立ち下がった後、次のパルスが立ち上がるまでの間に、カップリングコンデンサの電荷を強制的に放電させる放電回路を備えているのが好ましい。

これによると、カップリングコンデンサの電荷を放電回路を介して急速に放電させることができるので、パルスの間隔がさらに短くなって、漏電検知をより迅速に行うことができる。

また、本発明に係る漏電検知装置では、パルスが立ち上がってから、カップリングコンデンサの電圧が飽和するまでの間の所定時刻で、漏電判定部が漏電の有無を判定するのが好ましい。

これによると、カップリングコンデンサが飽和する前の時点で、漏電判定部による漏電有無判定が可能となり、漏電検知をより迅速に行うことができる。

また、本発明に係る漏電検知装置では、パルス発生器から新たなパルスが出力される度に、漏電判定部が漏電の有無を判定するのが好ましい。

これによると、漏電判定の回数を増やして、漏電検知をより迅速に行うことができる。

本発明の漏電検知装置によれば、カップリングコンデンサの電圧が第２の閾値未満になると、次のパルスが立ち上がるので、パルスの間隔が短くなって、漏電を迅速に検知することができる。

本発明の実施形態に係る漏電検知装置を示した回路図である。 漏電時および非漏電時における検出電圧の波形図である。 漏電検知装置の動作を説明するタイミングチャートである。 異常判定を説明するタイミングチャートである。 他の実施形態に係る漏電検知装置の動作を説明するタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。ここでは、本発明を電気自動車に搭載される漏電検知装置に適用した場合を例に挙げる。

図１に示すように、漏電検知装置１００は、制御部１、パルス発生器２、放電回路３、放電回路４、メモリ５、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣ１、Ｃ２を備えている。

制御部１は、ＣＰＵから構成されており、電圧検出部６、漏電判定部７、放電判定部８、異常判定部９およびタイマ１０を有している。パルス発生器２は、制御部１からの指令に基づき、所定周波数のパルスを生成する。抵抗Ｒ１は、パルス発生器２の出力側に接続されている。抵抗Ｒ１には、抵抗Ｒ２が直列に接続されている。抵抗Ｒ２の値は、抵抗Ｒ１の値と比較して十分に小さい。コンデンサＣ１の一端は、直流電源Ｂの負極に接続されており、コンデンサＣ１の他端は、抵抗Ｒ２に接続されている。このコンデンサＣ１は、漏電検知装置１００と直流電源Ｂとを直流的に分離するカップリングコンデンサである。直流電源Ｂの正極は図示しない負荷に接続されている。直流電源ＢとグランドＧ（車体）との間には、浮遊容量Ｃｏが存在する。

放電回路３は、トランジスタＱ１、抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ５からなる。トランジスタＱ１のコレクタは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点に接続されている。トランジスタＱ１のエミッタは、接地されている。トランジスタＱ１のベースは、抵抗Ｒ４を介して、制御部１に接続されている。抵抗Ｒ５は、トランジスタＱ１のベースとエミッタとにまたがって接続されている。この放電回路３は、後述するように、カップリングコンデンサＣ１および浮遊容量Ｃｏの電荷を、矢印の経路で強制的に放電するための回路である。

抵抗Ｒ３の一端は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点に接続されている。抵抗Ｒ３の他端は、制御部１に接続されている。コンデンサＣ２は、抵抗Ｒ３の他端とグランドとの間に接続されている。このコンデンサＣ２は、フィルタ用のコンデンサであって、抵抗Ｒ３とともに、制御部１に入力される電圧のノイズを除去するフィルタ回路を構成する。

放電回路４は、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ６〜Ｒ８からなる。トランジスタＱ２のコレクタは、抵抗Ｒ６を介して、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ２との接続点に接続されている。トランジスタＱ２のエミッタは、接地されている。トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ７を介して、制御部１に接続されている。抵抗Ｒ８は、トランジスタＱ２のベースとエミッタとにまたがって接続されている。この放電回路４は、後述するように、コンデンサＣ２の電荷を矢印の経路で強制的に放電するための回路である。

メモリ５は、ＲＯＭやＲＡＭ等からなり、記憶部を構成する。このメモリ５には、後述する閾値Ｖ１（第１の閾値）および閾値Ｖ２（第２の閾値）が記憶されている。

制御部１において、電圧検出部６は、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点ｎから抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ２を介して、制御部１に取り込まれた電圧に基づいて、カップリングコンデンサＣ１の電圧を検出する。

漏電判定部７は、電圧検出部６が検出した電圧を、閾値Ｖ１と比較し、その比較結果に基づいて漏電の有無を判定する。

放電判定部８は、電圧検出部６が検出した電圧を、閾値Ｖ１よりも小さい閾値Ｖ２と比較し、カップリングコンデンサＣ１の放電によって、電圧が閾値Ｖ２未満になったか否かを判定する。

異常判定部９は、カップリングコンデンサＣ１の放電に異常が発生した場合に、当該異常を判定する。

タイマ１０は、パルス発生器２から出力されるパルスが立ち下がった時点から、カップリングコンデンサＣ１の電圧が閾値Ｖ２未満になるまでの時間を計測する。

次に、上述した構成からなる漏電検知装置１００の動作について説明する。

パルス発生器２から出力されるパルスは、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２を介して、カップリングコンデンサＣ１に供給される。このパルスによりカップリングコンデンサＣ１が充電され（このとき、浮遊容量Ｃｏも充電される）、ｎ点の電位が上昇する。このｎ点の電位は、抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ２を介して、制御部１に入力される。電圧検出部６は、この入力電圧に基づいて、カップリングコンデンサＣ１の電圧を検出する。この検出された電圧を、以下では「検出電圧」という。

直流電源ＢからグランドＧへの漏電が生じていない場合は、図２の実線に示すように、検出電圧は急峻に上昇する。このため、時刻ｔｏでパルスが立ち上がってから、時刻ｔ１でパルスが立ち下がるまでの間に、検出電圧は閾値Ｖ１を超える。一方、直流電源ＢからグランドＧへの漏電が生じている場合は、図２の破線に示すように、検出電圧は、漏電インピーダンスに基づく時定数の影響により、緩やかに上昇する。このため、時刻ｔｏから時刻ｔ１までの間に、検出電圧は閾値Ｖ１を超えない。

電圧検出部６は、パルスが立ち下がる時刻ｔ１において、カップリングコンデンサＣ１の電圧を検出する。この時刻ｔ１は、パルスが立ち上がってから、カップリングコンデンサＣ１の電圧が飽和するまでの間で、あらかじめ設定された時刻である。漏電が生じていない場合は、検出電圧はＶａとなり、漏電が生じている場合は、検出電圧はＶｂとなる。漏電判定部７は、検出電圧と閾値Ｖ１とを比較し、検出電圧が閾値Ｖ１以上（Ｖａ）であれば、漏電なしと判定し、検出電圧が閾値Ｖ１未満（Ｖｂ）であれば、漏電ありと判定する。

なお、パルスが立ち下がる時刻ｔ１では、制御部１から放電回路３、４に制御信号が出力される。この制御信号により、放電回路３、４のトランジスタＱ１、Ｑ２はそれぞれ導通状態となる。このため、カップリングコンデンサＣ１および浮遊容量Ｃｏの充電電荷は、トランジスタＱ１を通して放電され、コンデンサＣ２の充電電荷は、トランジスタＱ２を通して放電される。その結果、検出電圧は、図２のように時刻ｔ１以降は減少する。

以上が、漏電検知の基本的な動作である。次に、図３を参照しながら、漏電検知装置１００の動作をさらに詳しく説明する。

パルス発生器２は、図３（ａ）に示すように、ｔ１のパルス幅をもったパルスを出力する。このパルスにより充電されるカップリングコンデンサＣ１の電圧は、 図３（ｃ）のように変化する。そして、パルスの立ち下りのタイミングＸで、電圧検出部６がカップリングコンデンサＣ１の電圧を検出するとともに、漏電判定部７が検出電圧と閾値Ｖ１（第１の閾値）とを比較して、漏電有無の判定を行う。

また、パルスの立ち下りのタイミングＸで、制御部１（図１）から放電回路３と放電回路４へ同時に制御信号が出力され、放電回路３、４のトランジスタＱ１、Ｑ２が、図３（ｂ）に示すように同時にＯＮとなる。すなわち、放電回路３、４が同時に動作を開始する。これによって、前述したように、カップリングコンデンサＣ１の電荷は、トランジスタＱ１を通して放電され、コンデンサＣ２の電荷は、トランジスタＱ２を通して放電される。そして、次のパルスの立ち上がりのタイミングで、放電回路３、４のトランジスタＱ１、Ｑ２は同時にＯＦＦとなる。

カップリングコンデンサＣ１が放電を開始した時点から、電圧検出部６により検出される電圧は、図３（ｃ）のように低下してゆく。そして、この検出電圧が閾値Ｖ２（第２の閾値）未満になったことが放電判定部８により判定されると、その時点で、制御部１は、次のパルスが出力されるようにパルス発生器２を制御する。これにより、カップリングコンデンサＣ１の電圧がＶ２未満になった時点で、新たなパルスが立ち上がることになる。

このようにして、本実施形態では、パルスにより充電されたカップリングコンデンサＣ１が、パルスの立ち下がりの時点から放電して、その電圧が閾値Ｖ２未満になった時点で、次のパルスが立ち上がる。このため、パルスの間隔Ｔ１が短くなって、漏電検知を迅速に行うことができる。

図３（ｄ）は、閾値Ｖ２を設けない場合のパルス出力を示しており、この場合は、カップリングコンデンサＣ１の電圧が０ボルトになった後に、次のパルスが立ち上がる。このため、パルスの間隔Ｔ０が長くなって、漏電検知までに時間がかかる。

また、本実施形態では、パルスの周期は固定ではなく、カップリングコンデンサＣ１の放電状態により変化する。すなわち、直流電源ＢからグランドＧへの漏電が発生すると、漏電インピーダンスのために、図３（ｃ）のようにカップリングコンデンサＣ１の放電時間が長くなり、それに応じてパルスの間隔Ｔ１’も長くなる。したがって、この区間Ｔ１’でカップリングコンデンサＣ１の電荷はほぼ放電され、カップリングコンデンサＣ１の検出電圧は、閾値Ｖ２未満まで低下する。カップリングコンデンサＣ１に電荷が十分残っている状態で次のパルスが発生すると、コンデンサＣ１が再充電され、検出電圧が閾値Ｖ１を超えて「漏電なし」と誤判定されるおそれがある。このため、本実施形態では、カップリングコンデンサＣ１の放電状態を、閾値Ｖ２に基づいて確認したうえで、次のパルスを立ち上げている。

また、本実施形態では、放電回路３を設けて、パルスが立ち下がった後、次のパルスが立ち上がるまでの間に、カップリングコンデンサＣ１の電荷を、トランジスタＱ１を通して強制的に放電させるようにしている。このため、カップリングコンデンサＣ１を急速に放電させることができるので、パルスの間隔を短くして、漏電検知をより迅速に行うことができる。

さらに、本実施形態では、前述したように、パルスが立ち上がってから、カップリングコンデンサＣ１の電圧が飽和するまでの間の所定時刻（図２のｔ１）において、漏電判定部７が漏電の有無を判定する。本実施形態の場合、カップリングコンデンサＣ１の電圧が飽和する前に、パルスが立ち下がるので、カップリングコンデンサＣ１の充電はそれ以上行われない。そして、パルスが立ち下がった時点で、漏電判定部７が漏電の有無を判定する。このため、カップリングコンデンサＣ１が飽和する前の時点で、漏電判定部７による漏電有無判定が可能となり、漏電検知をより迅速に行うことができる。

また、本実施形態では、図３からわかるように、パルス発生器２から新たなパルスが出力される度に、漏電判定部７により漏電の有無が判定される。このため、漏電判定の回数を増やして、漏電検知をより迅速に行うことができる。

次に、異常判定部９による異常判定について、図４を参照して説明する。

前述したように、タイマ１０は、パルスが立ち下がった時点から、カップリングコンデンサＣ１の電圧が閾値Ｖ２未満になるまでの時間を計測する。そして、図４（ｃ）のように、検出電圧が閾値Ｖ２未満にならない状態が一定時間τだけ継続したと放電判定部８が判定した場合に、異常判定部９は、カップリングコンデンサＣ１の放電が正常に行われず、異常が発生したと判定する。

異常の原因としては、放電回路３の故障（例えば、トランジスタＱ１の故障）等が考えられる。異常判定部９が異常を判定すると、制御部１は、異常信号を出力するなどの処理を行う。このようにして、カップリングコンデンサＣ１が正常に放電できない場合に、異常を検出することができる。

以上の実施形態では、カップリングコンデンサＣ１の電荷を強制的に放電させるための放電回路３を設けた例を示した。しかしながら、本発明は、放電回路３を設けない場合にも適用することができる。

この場合は、図５に示すように、パルスが立ち下がった時点からのカップリングコンデンサＣ１の放電時間が、放電回路３を設けた場合の放電時間に比べて長くなる。したがって、パルスの間隔Ｔ２、Ｔ２’は、図３におけるＴ１、Ｔ１’に比べて長くなる。しかし、カップリングコンデンサＣ１の電圧が閾値Ｖ２未満になった時点で、新たなパルスが立ち上がることに変わりはないので、閾値Ｖ２を設けない場合と比べると、パルス間隔が短くなって、漏電検知を迅速に行うことができる。

本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。例えば、図１では、抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ２からなるフィルタ回路と、コンデンサＣ２の電荷を強制的に放電するための放電回路４とを設けた例を示したが、本発明では、フィルタ回路や放電回路４は省略してもよい。

また、前記の実施形態では、パルス発生器２から出力されるパルスの立ち下りのタイミングにおいて、電圧検出部６がカップリングコンデンサＣ１の電圧を検出し、漏電判定部７が漏電の有無を判定したが、本発明はこれに限定されない。例えば、パルスが立ち下がる前の予め定められた時点で、電圧検出部６による電圧検出および漏電判定部７による漏電有無判定を行ってもよい。

また、前記の実施形態では、カップリングコンデンサＣ１の電圧が閾値Ｖ２未満になった時点で、次のパルスが立ち上がる例を示したが、カップリングコンデンサＣ１の電圧が閾値Ｖ２未満になった時点からわずかに遅れた時点で、次のパルスが立ち上がるようにしてもよい。

また、前記の実施形態では、放電回路３をトランジスタＱ１や抵抗Ｒ４、Ｒ５で構成した例を示したが、放電回路３を、コイルおよび接点を有するリレーで構成してもよい。放電回路４についても同様である。

さらに、前記の実施形態では、車両に搭載される漏電検知装置に本発明を適用した例を挙げたが、本発明は、車両以外の用途に用いられる漏電検知装置にも適用することができる。

１ 制御部
２ パルス発生器
３ 放電回路
４ 放電回路
５ メモリ
６ 電圧検出部
７ 漏電判定部
８ 放電判定部
９ 異常判定部
１０ タイマ
１００ 漏電検知装置
Ｃ１ カップリングコンデンサ
Ｂ 直流電源
Ｇ グランド
Ｖ１ 第１の閾値
Ｖ２ 第２の閾値

Claims (5)

1. 一端が直流電源に接続され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他端にパルスを供給するパルス発生器と、
   前記パルスにより充電される前記カップリングコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部が検出した電圧を第１の閾値と比較し、その比較結果に基づいて前記直流電源の漏電の有無を判定する漏電判定部と、
   を備えた漏電検知装置において、
   前記電圧検出部が検出した電圧を、前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較し、前記カップリングコンデンサの放電によって、前記電圧が前記第２の閾値未満になったか否かを判定する放電判定部をさらに備え、
   前記パルス発生器は、前記放電判定部により前記電圧が前記第２の閾値未満になったと判定された場合に、新たなパルスを立ち上げることを特徴とする漏電検知装置。
2. 請求項１に記載の漏電検知装置において、
   前記パルスが立ち下がった後、前記放電判定部により、前記電圧が前記第２の閾値未満にならない状態が一定時間継続したと判定された場合に、異常が発生したと判定する異常判定部をさらに備えたことを特徴とする漏電検知装置。
3. 請求項１に記載の漏電検知装置において、
   前記パルスが立ち下がった後、次のパルスが立ち上がるまでの間に、前記カップリングコンデンサの電荷を強制的に放電させる放電回路をさらに備えたことを特徴とする漏電検知装置。
4. 請求項１に記載の漏電検知装置において、
   前記漏電判定部は、前記パルスが立ち上がってから、前記カップリングコンデンサの電圧が飽和するまでの間の所定時刻で、漏電の有無を判定することを特徴とする漏電検知装置。
5. 請求項１に記載の漏電検知装置において、
   前記漏電判定部は、前記パルス発生器から前記新たなパルスが出力される度に、漏電の有無を判定することを特徴とする漏電検知装置。

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