JP2013072751A

JP2013072751A - 絶縁状態判断装置

Info

Publication number: JP2013072751A
Application number: JP2011211962A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Onishi; 陽一郎大西
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-22

Abstract

【課題】コストの低減を図ることができる、絶縁状態判断装置を提供する。
【解決手段】インバータ５と燃料電池３とを接続する第１配線６，７には、それぞれ第１リレー１０および第２リレー１１が介在されている。第１配線６には、第２配線８が第１リレー１０よりもインバータ５側の部分に接続されている。第１配線７には、第２配線９が第２リレー１１よりもインバータ５側の部分に接続されている。第２配線８，９には、それぞれ第３リレー１２および第４リレー１３が介在されている。絶縁抵抗検出回路１４は、二次電池４に接続されるとともに、アースに接続されている。第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３がオン／オフされ、絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値に基づいて、燃料電池３および二次電池４などの絶縁状態が判断される。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁状態判断装置に関する。

たとえば、燃料電池自動車には、走行用のモータへの電力供給源として燃料電池および二次電池を搭載したハイブリッドタイプのものがある。燃料電池が発生する電力は、モータに供給され、その余剰電力は、二次電池に供給される。また、燃料電池の発電停止時などには、二次電池に蓄えられている電力がモータに供給される。

燃料電池および二次電池は、高電圧発生源であるにもかかわらず、非接地の状態（アースされていない状態）で使用される。したがって、燃料電池および二次電池の各絶縁状態（漏電の有無）の検出は重要である。

モータと燃料電池との間およびモータと二次電池との間には、それぞれリレーが介在されており、各リレーをオフすることにより、燃料電池および二次電池がモータから電気的に切り離されるようになっている。そのため、燃料電池および二次電池には、絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗検出回路が個別に接続されている。そして、各絶縁抵抗検出回路によって検出される絶縁抵抗に基づいて、燃料電池および二次電池での漏電の有無が判断される。

特開２０１０−２３９８２０号公報

ところが、前述の構成では、２つの絶縁抵抗検出回路を備えているため、コストが高くつく。

本発明の目的は、コストの低減を図ることができる、絶縁状態判断装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る絶縁状態判断装置は、負荷に電力を供給する第１電源および第２電源の絶縁状態を判断する絶縁状態判断装置であって、前記負荷と前記第１電源とを接続するマイナス側の第１配線と、前記第１配線に介在された第１スイッチと、前記第１配線における前記第１スイッチよりも前記負荷側の部分と前記第２電源とを接続するマイナス側の第２配線と、前記第２配線に介在された第２スイッチと、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部と、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉にかかわらず、前記第１電源および前記第２電源のいずれか一方に接続されるとともに、アースに接続されており、前記第１電源および前記第２電源の各絶縁状態を判断する絶縁状態判断部とを含む。そして、前記絶縁状態判断部は、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの両方が開かれた状態で、当該絶縁状態判断手段が接続されている前記第１電源または前記第２電源の絶縁状態を判断し、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの両方が閉じられた状態で、当該絶縁状態判断手段が前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを介して接続される前記第１電源または前記第２電源の絶縁状態を判断する。

負荷と第１電源とを接続するマイナス側の第１配線には、第１スイッチが介在されている。第１スイッチの開閉により、負荷と第１電源とが電気的に切断／接続される。第１配線には、第２電源のマイナス側の第２配線が第１スイッチよりも負荷側の部分から分岐して接続されている。第２配線には、第２スイッチが介在されている。第２スイッチの開閉により、負荷と第１電源とが電気的に切断／接続される。

第１電源および第２電源の各絶縁状態を判断するために、絶縁状態判断部が備えられている。絶縁状態判断部は、第１スイッチおよび第２スイッチの開閉にかかわらず、第１電源および第２電源のいずれか一方に接続されるとともに、アースに接続されている。

絶縁状態判断部が第１電源に接続される場合、第１スイッチおよび第２スイッチの両方が開かれた状態においても、絶縁状態判断部が第１電源と接続されているので、絶縁状態判断部による第１電源の絶縁状態の判断が可能である。第１スイッチおよび第２スイッチの両方が閉じられると、絶縁状態判断部が第１スイッチおよび第２スイッチを介して第２電源に接続されるので、絶縁状態判断部による第２電源の絶縁状態の判断が可能となる。

また、絶縁状態判断部が第２電源に接続される場合、第１スイッチおよび第２スイッチの両方が開かれた状態においても、絶縁状態判断部が第２電源と接続されているので、絶縁状態判断部による第２電源の絶縁状態の判断が可能である。第１スイッチおよび第２スイッチの両方が閉じられると、絶縁状態判断部が第１スイッチおよび第２スイッチを介して第１電源に接続されるので、絶縁状態判断部による第２電源の絶縁状態の判断が可能となる。

このように、１つの絶縁状態判断部により、第１電源および第２電源の両方の絶縁状態を判断することができる。よって、第１電源および第２電源に対して個別に絶縁状態判断部（絶縁抵抗検出回路）を設ける構成と比較して、コストの低減を図ることができる。

第１電源が燃料電池であり、第２電源が二次電池であってもよい。この場合、絶縁状態判断手段は、第１スイッチおよび第２スイッチの開閉にかかわらず、第２電源に接続されていることが好ましい。

これにより、第１スイッチおよび第２スイッチの両方が開かれた状態において、第２電源である二次電池の絶縁状態を判断することができる。そのため、第１スイッチが開かれて、第１電源である燃料電池が負荷から電気的に切り離された状態で、第２スイッチが閉じられて、第２電源である二次電池が負荷と電気的に接続される場合に、第２スイッチが閉じられる前および閉じられた後において、二次電池の絶縁状態を判断することができる。よって、この構成を有する絶縁状態判断装置は、燃料電池が発電を停止した状態で、負荷の駆動に二次電池が使用されるシステムに好適に用いることができる。

本発明によれば、１つの絶縁状態判断部により、第１電源および第２電源の両方の絶縁状態を判断することができる。よって、第１電源および第２電源に対して個別に絶縁状態判断部を設ける構成と比較して、コストの低減を図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る絶縁状態判断装置が備えられる燃料電池自動車の電気的な構成を示すブロック図である。図２は、絶縁状態判断処理のフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る絶縁状態判断装置が備えられた燃料電池自動車の電気的な構成を示すブロック図である。

燃料電池自動車１は、走行用のモータ２への電力供給源として燃料電池３および二次電池４を搭載している。

モータ２は、インバータ５に接続されている。

燃料電池３は、たとえば、アノード（燃料極）およびカソード（酸素極）が電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードには、燃料循環ラインから液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードには、空気が供給される。そして、アノードにおいて、液体燃料からプロトン（Ｈ＋）および電子（ｅ−）が生成され、プロトンが電解質膜を透過してカソードに移動するとともに、電子が外部回路を介してカソードに移動し、カソードにおいて、プロトン、電子および空気に含まれる酸素の反応による水が生成される。その結果、電気化学反応による電力が発生する。燃料電池３が出力する直流電圧は、昇圧コンバータ（図示せず）により、たとえば、１５０〜２３５Ｖに昇圧される。

二次電池４は、たとえば、１５０〜２３５Ｖの直流電圧を出力する。

燃料電池３および二次電池４は、インバータ５に並列に接続されている。具体的には、燃料電池３のプラス端子およびマイナス端子には、それぞれプラス側の第１配線６の一端およびマイナス側の第１配線７の一端が接続されている。第１配線６，７の他端は、インバータ５に接続されている。また、二次電池４のプラス端子およびマイナス端子には、それぞれプラス側の第２配線８の一端およびマイナス側の第２配線９の一端が接続されている。第２配線８，９の他端は、それぞれ第１配線６，７の途中部に接続されている。

プラス側の第１配線６には、燃料電池３とプラス側の第２配線８の接続点との間に、第１リレー１０が介在されている。

マイナス側の第１配線７には、燃料電池３とマイナス側の第２配線９の接続点との間に、第２リレー１１が介在されている。

第２配線８，９には、それぞれ第３リレー１２および第４リレー１３が介在されている。

また、マイナス側の第２配線９における二次電池４と第４リレー１３との間には、絶縁抵抗検出回路１４が接続されている。絶縁抵抗検出回路１４は、既知の回路であり、第２配線９とアースとの間に接続され、たとえば、第２配線９に小振幅の交流電圧を供給し、その交流電流が流れる部分の絶縁抵抗を検出する。

燃料電池自動車１にはさらに、マイクロコンピュータを含む構成のＶＣＵ（車両制御ユニット）１５が備えられている。ＶＣＵ１５には、インバータ５、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２、第４リレー１３および絶縁抵抗検出回路１４が接続されている。

ＶＣＵ１５により、第１リレー１０および第２リレー１１がオンにされると、燃料電池３からインバータ５に直流電力が供給される。そして、ＶＣＵ１５によるインバータ５の制御により、燃料電池３からインバータ５に供給される直流電力が三相交流電力に変換されて、三相交流電力がインバータ５からモータ２に供給される。

また、ＶＣＵ１５により、第３リレー１２および第４リレー１３がオンにされると、二次電池４からインバータ５に直流電力が供給される。そして、ＶＣＵ１５によるインバータ５の制御により、二次電池４からインバータ５に供給される直流電力が三相交流電力に変換されて、三相交流電力がインバータ５からモータ２に供給される。

さらに、ＶＣＵ１５により、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３のオン／オフが制御され、このとき絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値に基づいて、燃料電池３および二次電池４などの絶縁状態（漏電の有無）が判断される。

具体的には、燃料電池３、二次電池４、インバータ５（モータ２）、第１配線６，７および第２配線８，９からなる回路は、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３がすべてオフにされることにより、燃料電池３を含む部分Ａ、二次電池４を含む部分Ｂおよびインバータ５を含む部分Ｃに分割される。ＶＣＵ１５により、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３のオン／オフが制御され、このとき絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値に基づいて、３つの部分Ａ，Ｂ，Ｃの各絶縁状態（漏電の有無）が判断される。

そして、第１配線６，７、第２配線８，９、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２、第４リレー１３、絶縁抵抗検出回路１４およびＶＣＵ１５により、燃料電池３および二次電池４の絶縁状態を判断する絶縁状態判断装置が構成されている。

図２は、絶縁状態判断処理のフローチャートである。

燃料電池自動車１のイグニッションキースイッチ（図示せず）のオフ時には、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３がオフにされて、燃料電池３および二次電池４がインバータ５から切り離されている。

イグニッションキースイッチ（ＩＧスイッチ）がオンにされると、ＶＣＵ１５により、図２に示される絶縁状態判断処理が開始される。

絶縁状態判断処理では、まず、二次電池４を含む部分Ｂにおける漏電の有無が確認される。部分Ｂにおける漏電の有無は、絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値が予め定める閾値以上であるか否かにより判定することができる（ステップＳ１）。

絶縁抵抗値が閾値よりも小さい場合（ステップＳ１のＮＯ）、二次電池４を含む部分Ｂで漏電が生じている（漏電異常）と判断される（ステップＳ２）。そして、車室内に配置されたメータパネルなどに、その漏電異常を報知するための表示が出される（ステップＳ３）。

絶縁抵抗値が閾値以上である場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、部分Ｂでは漏電が生じていないと判断されて、次いで、第４リレー１３がオンにされる（ステップＳ４）。

その後、二次電池４を含む部分Ｂおよびインバータ５を含む部分Ｃにおける漏電の有無が確認される。部分Ｂ，Ｃにおける漏電の有無は、絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値が予め定める閾値以上であるか否かにより判定することができる（ステップＳ５）。

絶縁抵抗値が閾値よりも小さい場合（ステップＳ５のＮＯ）、インバータ５を含む部分Ｃで漏電が生じている（漏電異常）と判断される（ステップＳ６）。そして、車室内に配置されたメータパネルなどに、その漏電異常を報知するための表示が出される（ステップＳ３）。

絶縁抵抗値が閾値以上である場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、部分Ｂ，Ｃでは漏電が生じていないと判断されて、第２リレー１１がオンにされる（ステップＳ７）。

そして、燃料電池３を含む部分Ａ、二次電池４を含む部分Ｂおよびインバータ５を含む部分Ｃにおける漏電の有無が確認される。部分Ａ，Ｂ，Ｃにおける漏電の有無は、絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値が予め定める閾値以上であるか否かにより判定することができる（ステップＳ８）。

絶縁抵抗値が閾値よりも小さい場合（ステップＳ８のＮＯ）、燃料電池３を含む部分Ａで漏電が生じている（漏電異常）と判断される（ステップＳ９）。そして、車室内に配置されたメータパネルなどに、その漏電異常を報知するための表示が出される（ステップＳ３）。

絶縁抵抗値が閾値以上である場合（ステップＳ８のＹＥＳ）、部分Ａ，Ｂ，Ｃで漏電が生じていないと判断されて、第１リレー１０および第３リレー１２がオンにされる（ステップＳ１０）。これにより、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３がオンとなり、燃料電池３および二次電池４がインバータ５と電気的に接続される。

以上のように、インバータ５と燃料電池３とを接続する第１配線６，７には、それぞれ第１リレー１０および第２リレー１１が介在されている。第１リレー１０および第２リレー１１のオン／オフにより、インバータ５と燃料電池３とが電気的に切断／接続される。

第１配線６には、第２配線８が第１リレー１０よりもインバータ５側の部分から分岐して接続されている。また、第１配線７には、第２配線９が第２リレー１１よりもインバータ５側の部分から分岐して接続されている。第２配線８，９には、それぞれ第３リレー１２および第４リレー１３が介在されている。第３リレー１２および第４リレー１３のオン／オフにより、インバータ５と燃料電池３とが電気的に切断／接続される。

燃料電池３および二次電池４の各絶縁状態を判断するために、絶縁抵抗検出回路１４およびＶＣＵ１５が備えられている。絶縁抵抗検出回路１４は、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３のオン／オフにかかわらず、二次電池４に接続されるとともに、アースに接続されている。

第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３のすべてがオフにされた状態においても、絶縁抵抗検出回路１４が二次電池４と接続されているので、絶縁抵抗検出回路１４およびＶＣＵ１５による二次電池４の絶縁状態の判断が可能である。第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３のすべてがオンにされると、絶縁抵抗検出回路１４が燃料電池３に接続されるので、絶縁抵抗検出回路１４およびＶＣＵ１５による二次電池４の絶縁状態の判断が可能となる。

このように、１つの絶縁抵抗検出回路１４により、燃料電池３および二次電池４の両方の絶縁抵抗を検出することができ、それに基づいて絶縁状態を判断することができる。よって、燃料電池３および二次電池４に対して個別に絶縁抵抗検出回路１４（絶縁抵抗検出回路）を設ける構成と比較して、コストの低減を図ることができる。

また、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３のすべてがオフにされた状態において、二次電池４の絶縁状態を判断することができる。そのため、第１リレー１０および第２リレー１１がオフにされて、燃料電池３である燃料電池がインバータ５から電気的に切り離された状態で、第３リレー１２および第４リレー１３がオンされて、二次電池４がインバータ５と電気的に接続される場合に、第３リレー１２および第４リレー１３がオンされる前およびオンされた後において、二次電池４の絶縁状態を判断することができる。よって、この構成を有する絶縁状態判断装置は、燃料電池３が発電を停止した状態で、インバータ５の駆動に二次電池４が使用されるシステムに好適に用いることができる。

さらに、１つの絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗に基づいて、燃料電池３を含む部分Ａおよび二次電池４を含む部分Ｂの絶縁状態だけでなく、インバータ５を含む部分Ｃの絶縁状態も判断することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、絶縁抵抗検出回路１４がマイナス側の第２配線９に接続された構成を取り上げたが、マイナス側の第１配線７における燃料電池３と第２リレー１１との間に、絶縁抵抗検出回路１４が接続されてもよい。

この場合、第１リレー１０、第２リレー１１、第３リレー１２および第４リレー１３のすべてがオフにされた状態において、まず、絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値に基づいて、燃料電池３を含む部分Ａの絶縁状態が判断される。次いで、第２リレー１１がオンにされ、絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値に基づいて、燃料電池３を含む部分Ａおよびインバータ５を含む部分Ｃの絶縁状態が判断される。その後、第４リレーがオンにされ、絶縁抵抗検出回路１４から出力される絶縁抵抗値に基づいて、燃料電池３を含む部分Ａ、二次電池４を含む部分Ｂおよびインバータ５を含む部分Ｃの絶縁状態が判断される。

また、第１電源および第２電源の一例として、それぞれ燃料電池３および二次電池４を取り上げたが、第１電源および第２電源は、それぞれ燃料電池３およびキャパシタであってもよい。また、第１電源および第２電源の一方が二次電池で、他方がキャパシタであってもよい。

さらに、本発明に係る絶縁状態判断装置は、燃料電池自動車１に限らず、電気自動車やハイブリッドカーに備えられてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１燃料電池自動車
２モータ（負荷）
３燃料電池（第１電源）
４二次電池（第２電源）
５インバータ（負荷）
７第１配線
９第２配線
１１第２リレー（第１スイッチ）
１３第４リレー（第２スイッチ）
１４絶縁抵抗検出回路（絶縁状態判断部）
１５ＶＣＵ（スイッチ制御部、絶縁状態判断部）

Claims

負荷に電力を供給する第１電源および第２電源の絶縁状態を判断する絶縁状態判断装置であって、
前記負荷と前記第１電源とを接続するマイナス側の第１配線と、
前記第１配線に介在された第１スイッチと、
前記第１配線における前記第１スイッチよりも前記負荷側の部分と前記第２電源とを接続するマイナス側の第２配線と、
前記第２配線に介在された第２スイッチと、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部と、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉にかかわらず、前記第１電源および前記第２電源のいずれか一方に接続されるとともに、アースに接続されており、前記第１電源および前記第２電源の各絶縁状態を判断する絶縁状態判断部とを含み、
前記絶縁状態判断部は、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの両方が開かれた状態で、当該絶縁状態判断手段が接続されている前記第１電源または前記第２電源の絶縁状態を判断し、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの両方が閉じられた状態で、当該絶縁状態判断手段が前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを介して接続される前記第１電源または前記第２電源の絶縁状態を判断する、絶縁状態判断装置。
前記第１電源は、燃料電池であり、
前記第２電源は、二次電池であり、
前記絶縁状態判断手段は、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉にかかわらず、前記第２電源に接続される、請求項１に記載の絶縁状態判断装置。