JP2014126510A - 地絡検知装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電池と負荷の間の接続線に電位変動が生じて地絡検知を停止した後に、地絡検知を素早く再開する。
【解決手段】地絡検知装置121は、絶縁抵抗変化部250において、リレー150、151により電池モジュール112と負荷の間が導通されて正極接続線160の電位が変動する際に、スイッチ251を切断状態から導通状態に切り替える。これにより、正極接続線160の絶縁抵抗を低下させて、正極接続線160の電位変動に応じたカップリングコンデンサ220の充電または放電を、絶縁抵抗202、212よりも低い抵抗値Rqを有する抵抗器252を介して行われるようにする。
【選択図】図2

Description

本発明は、地絡検知装置に関する。
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車には、モータ駆動系として、モータの駆動エネルギーの供給源としての電池や、電池状態を監視するための回路、電池から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路等が搭載されている。これらは、車体との間で閉回路を作らないように車体から絶縁されている。これにより、人が誤ってモータ駆動系に接触した場合にも、人体に電流が流れて感電するのを防ぐことができるようにしている。
上記のようなモータ駆動系において、車体に対する絶縁抵抗が一定以上であることを検証するための従来技術として、電池とインバータ回路等の負荷との間の接続線に一定周期の交流波形を印加し、これに応じた電圧変化を平滑フィルタおよび比較器を用いて検出する手法が周知である。しかし、このような従来の手法を用いた場合、接続線の電位変動によって誤動作が発生することが知られている。
そこで、上記の問題点の解決策として、たとえば接続線の電位変動を検知したら、その後は一定の期間だけ地絡検知を停止する手法が提案されている(特許文献1参照)。
特開2004−286523号公報
特許文献1に開示された手法において、地絡検知を停止する期間は、接続線の電位が変動してから一定の範囲内に落ち着くまでの時間に応じて設定することが好ましい。この時間は一般に、接続線の浮遊容量や絶縁抵抗の大きさに依存しており、これらの値が大きいほど長い時間が必要となる。したがって、車体に対する絶縁状態が正常に保たれているときには、電池と負荷の間の接続線に電位変動が生じて地絡検知を停止した後に、地絡検知を素早く再開することが困難である。
本発明による地絡検知装置は、電池と負荷の間の接続線の地絡を検知するものであって、交流信号を発生し、カップリングコンデンサを介して接続線に交流信号を印加する交流信号発生部と、交流信号に対する応答信号を検出し、応答信号に基づいて接続線の地絡を検知する地絡検知部と、接続線の電位が変動する際に、接続線の絶縁抵抗を低下させる絶縁抵抗変化部とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、電池と負荷の間の接続線に電位変動が生じて地絡検知を停止した後に、地絡検知を素早く再開することができる。
本発明の一実施形態に係るモータ駆動系の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る地絡検知に関する回路構成を示す図である。 本発明を適用しない場合の各部位の電圧値および抵抗値の変化の様子を示す図である。 本発明を適用した場合の各部位の電圧値および抵抗値の変化の様子を示す図である。
図1は、本発明の一実施形態に係るモータ駆動系の構成例を示す図である。図1に示すモータ駆動系は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車において用いられるものであり、監視装置100、電池モジュール112、駆動回路113およびモータ140を有している。
電池モジュール112は、所定数の電池セルが電気的に直列に接続されて構成された電池群が、複数個電気的に直列に接続されて構成されている。電池モジュール112は、正極接続線160および負極接続線161を介して駆動回路113と接続されており、各電池セルの放電によって発生した直流電力を駆動回路113へ供給する。なお、電池モジュール112の各電池セルは、充放電可能な二次電池であってもよい。この場合、モータ140の回生発電によって生じた交流電力を駆動回路113により直流電力に変換して電池モジュール112へ出力することにより、電池モジュール112の各電池セルが充電される。
駆動回路113は、電池モジュール112から供給された直流電力を交流電力に変換してモータ140へ出力することにより、モータ140を駆動する。なお、図1では、駆動回路113として、三相分のスイッチング素子(トランジスタ)を備えた三相型インバータの構成例を示しているが、駆動回路113の構成はこれに限定されない。モータ140の構造等に応じて、様々な構成の駆動回路113を用いることができる。
モータ140は、駆動回路113から出力された交流電力を受けて回転駆動することにより、図1のモータ駆動系が搭載されている車両の駆動力を発生する。なお、前述のように電池モジュール112の各電池セルを二次電池とした場合、制動時に車両の運動エネルギーを用いてモータ140が回生発電を行うことで、モータ140により交流電力を発生してもよい。この回生発電によって得られた交流電力が駆動回路113により直流電力に変換されて電池モジュール112へ出力されることで、電池モジュール112の各電池セルが充電される。
なお、駆動回路113およびモータ140と、電池モジュール112および監視装置100とは、リレー150および151が開かれた状態では互いに絶縁されている。また、これらはグランド電位からそれぞれ絶縁されている。そのため、リレー150および151が開いているとき、駆動回路113およびモータ140と、電池モジュール112および監視装置100とは、それぞれ異なる対地電位を有していることがある。
監視装置100は、電池モジュール112の状態を監視するための装置であり、電池状態監視用集積回路120、地絡検知装置121、通信回路130、制御部131および通信部132を有している。
電池状態監視用集積回路120は、電池モジュール112の各電池セルと接続されており、通信回路130を介して制御部131から送信される制御指令に応じて、各電池セルの電圧測定やバランシング制御等を行う。電池状態監視用集積回路120による各電池セルの測定結果は、通信回路130を介して制御部131へ送信される。なお、電池状態監視用集積回路120は、電池モジュール112の電池群ごとに対応して設けられていてもよい。
制御部131は、通信回路130を介して電池状態監視用集積回路120へ制御指令を送信することにより、電池状態監視用集積回路120の起動制御を行うと共に、電池状態監視用集積回路120の動作を制御して、電池モジュール112の各電池セルの状態監視を行う。また、通信部132を介して外部の上位コントローラとの間で通信を行うことにより、電池モジュール112の各電池セルの状態監視結果を報告する。
地絡検知装置121は、駆動回路113と電池モジュール112との間の地絡を検知する装置である。地絡検知装置121による地絡検知結果は、制御部131へ通知される。なお、地絡検知装置121の詳細については、後で図2を用いて説明する。
監視装置100において、電池状態監視用集積回路120と制御部131とは、通信回路130および地絡検知装置121を介して、互いに絶縁された状態で接続されている。そのため、以下では図1に示すように、電池モジュール112と接続されており、電池状態監視用集積回路120を含む高電位側の監視装置100の部分を、監視装置(HV側)110と称する。また、上位コントローラと接続されており、制御部131および通信部132を含む低電位側の監視装置100の部分を、監視装置(LV側)111と称する。監視装置(LV側)111は、接地用回路114を介して車両のグランドに接地されているため、その対地電位は0である。
図2は、本発明の一実施形態に係る地絡検知に関する回路構成を示す図である。図2において、電池モジュール112の負荷として作用する駆動回路113およびモータ140は、リレー150が設けられた正極接続線160を介して、電池モジュール112の正極側に接続されている。また、リレー151が設けられた負極接続線161を介して、電池モジュール112の負極側に接続されている。
なお、駆動回路113およびモータ140とグランド電位との間には、その絶縁状態に応じた浮遊容量211および絶縁抵抗212が存在する。同様に、電池モジュール112とグランド電位との間には、その絶縁状態に応じた浮遊容量201および絶縁抵抗202が存在する。
駆動回路113およびモータ140と電池モジュール112の正極側との間を接続している正極接続線160は、図2に示すように、地絡検知装置121にも接続されている。地絡検知装置121は、カップリングコンデンサ220、地絡検知部221、交流信号発生部222および絶縁抵抗変化部250を有する。
交流信号発生部222は、所定の振幅を有する交流信号(たとえばパルス信号)を発生して出力する。交流信号発生部222から出力された交流信号は、分圧回路およびカップリングコンデンサ220を介して正極接続線160に印加される。
交流信号発生部222により発生された交流信号が正極接続線160に印加されると、正極接続線160において、そのグランド電位に対する絶縁状態に応じた振幅の応答信号が生じる。すなわち、正極接続線160の対地抵抗値が高ければ、交流信号に対する応答信号の波形は振幅が大きいものとなり、反対に正極接続線160の対地抵抗値が低ければ、交流信号に対する応答信号の波形は振幅が小さいものとなる。この応答信号は、カップリングコンデンサ220および分圧回路を介して地絡検知部221により検出される。
地絡検知部221は、交流信号発生部222からの交流信号に対する応答信号を検出し、これに基づいて正極接続線160の地絡を検知する。たとえば、検出した応答信号の振幅が所定の閾値未満であるか否かを判定し、閾値未満であった場合は正極接続線160の対地抵抗値が基準値よりも低下していると判断して地絡を検知する。地絡検知部221による地絡検知結果は、地絡検知装置121から図1の制御部131へ通知される。
絶縁抵抗変化部250は、カップリングコンデンサ220と正極接続線160の間に接続されており、スイッチ251および抵抗器252を有する。抵抗器252は抵抗値Rqを有しており、その一端側が接地されている。スイッチ251は、抵抗器252の接地されていない側と正極接続線160の間に接続されており、これらの接続状態の切り替え動作を行う。このスイッチ251による切り替え動作は、リレー150、151の状態に応じて、以下のように制御される。
正極接続線160と負極接続線161には、リレー150、151がそれぞれ接続されている。リレー150、151は、外部の上位コントローラからの切替制御に応じて、電池モジュール112と負荷である駆動回路113およびモータ140の間をそれぞれ切断(OFF)または導通(ON)する。
リレー150および151がOFFされており、駆動回路113と電池モジュール112の間が切断されているときには、地絡検知装置121の絶縁抵抗変化部250においてスイッチ251は切断(OFF)状態となっている。この状態からリレー150および151がONに切り替えられて駆動回路113と電池モジュール112の間が接続されるときに、スイッチ251は所定時間だけ導通(ON)される。所定時間の経過後、スイッチ251は再び切断される。
地絡検知装置121において、リレー150および151の切り替えタイミングは、図1に示した制御部131から通知される。地絡検知装置121は、制御部131から通知された切り替えタイミングに応じて、絶縁抵抗変化部250のスイッチ251の動作を制御することができる。なお、制御部131は、たとえば、不図示の上位コントローラから通信部132を介して送信される情報に基づいて、リレー150および151の切り替えタイミングを特定することができる。
ここで、リレー150および151がOFFであるときに、駆動回路113およびモータ140の対地電位と、電池モジュール112および監視装置(HV側)110の対地電位との間に差異が存在したとする。この場合、駆動回路113およびモータ140とグランド電位との間の浮遊容量211の両端電圧と、電池モジュール112および監視装置(HV側)110とグランド電位との間の浮遊容量201の両端電圧とは異なっている。そのため、上記のようにリレー150および151がOFFからONに切り替えられて駆動回路113と電池モジュール112の間が接続されると、浮遊容量211と浮遊容量201の両端電圧が一致するように、これらの間に電流が流れる。たとえば、浮遊容量201よりも浮遊容量211の両端電圧の方が高い場合、図2において矢印に示すように、浮遊容量211から浮遊容量201へと電流が流れる。その結果、浮遊容量201および211の両端電圧が変化する。これは、駆動回路113や電池モジュール112において対地電位が変動することに等しい。
上記のようにして電池モジュール112の対地電位が変動すると、正極接続線160の電位にも変動が生じる。そのため、カップリングコンデンサ220を介して検出される応答信号は、リレー150および151がOFFであるときの状態から変化し、地絡検知部221において正しい地絡検知を行うことができなくなる。この対地電位の変動による応答信号への影響が解消されるためには、カップリングコンデンサ220が充電または放電されることにより、蓄積されている電荷量が、駆動回路113と接続された後の電池モジュール112(監視装置(HV側)110)と監視装置(LV側)111の対地電位差に応じた電荷量まで増加または減少される必要がある。
ここで、本発明を適用していない従来技術として、地絡検知装置121に絶縁抵抗変化部250が設けられていない場合を考える。この場合、カップリングコンデンサ220の充電または放電は、駆動回路113およびモータ140とグランド電位との間の絶縁抵抗212や、電池モジュール112および監視装置(HV側)110とグランド電位との間の絶縁抵抗202を介して行われることとなる。そのため、カップリングコンデンサ220の電荷量が上記の電荷量まで増加または減少されるまでに長時間を要すると共に、その時間を予め計算して見積もることが困難であった。
一方、本発明を適用した上記の実施形態によれば、地絡検知装置121において、カップリングコンデンサ220と正極接続線160の間に絶縁抵抗変化部250が設けられている。この絶縁抵抗変化部250は、前述のようにリレー150および151がOFFからONに切り替えられて正極接続線160の電位が変動する際に、スイッチ251を所定時間だけONする。これにより、正極接続線160の絶縁抵抗として抵抗器252が作用し、正極接続線160の電位変動に応じたカップリングコンデンサ220の充電または放電は、絶縁抵抗202、212よりも低い抵抗値Rqを有する抵抗器252を介して行われるようになる。そのため、絶縁抵抗変化部250が設けられていない場合と比べて、地絡検知部221が地絡検知できない期間を短縮して、短時間で地絡検知を再開することができる。
以上説明したような絶縁抵抗変化部250の有無による地絡検知装置121の動作の違いについて、以下に具体例を挙げて説明する。図3は、本発明を適用しない場合の各部位の電圧値および抵抗値の変化の様子を示す図である。図3において、(a)はリレー150、151の切り替え状態を示し、(b)は電池モジュール112の対地電位を示し、(c)は電池モジュール112とグランド電位間の絶縁抵抗値を示し、(d)はカップリングコンデンサ220の両端電圧を示し、(e)は地絡検知部221において検出される応答信号の電圧を示している。
図3(a)に示すように、時刻t0においてリレー150、151がOFFからONに切り替えられると、図3(b)に示すように、電池モジュール112の対地電位が変化する。一方、図3(c)に示すように、電池モジュール112とグランド電位間の絶縁抵抗値は、時刻t0の前後で変化しない。なお、図3(b)では、時刻t0以前において駆動回路113およびモータ140の対地電位が電池モジュール112および監視装置(HV側)110の対地電位よりも低く、そのため時刻t0で電池モジュール112の対地電位が低下している場合の例を示している。
時刻t0において電池モジュール112の対地電位が低下すると、これに応じて、カップリングコンデンサ220の放電が開始される。この放電は、前述のように絶縁抵抗202や絶縁抵抗212を介して行われる。そのため、図3(d)に示すように、カップリングコンデンサ220の両端電圧はゆっくりと低下していく。
図3(e)に示すように、カップリングコンデンサ220の両端電圧が変化している間は、応答信号が正しく出力されないため、地絡検知部221において地絡検知を行うことができない。時刻t1においてカップリングコンデンサ220の両端電圧がほぼ一定になると、応答信号が再び正しく出力されるようになり、地絡検知を再開することができる。このように、本発明を適用しない場合に地絡検知部221において地絡検知できない期間は、図3(e)に示した時刻t0から時刻t1までの期間である。
図4は、本発明を適用した場合の各部位の電圧値および抵抗値の変化の様子を示す図である。図3と同様に、図4において、(a)はリレー150、151の切り替え状態を示し、(b)は電池モジュール112の対地電位を示し、(c)は電池モジュール112とグランド電位間の絶縁抵抗値を示し、(d)はカップリングコンデンサ220の両端電圧を示し、(e)は地絡検知部221において検出される応答信号の電圧を示している。
図4(a)に示すように、時刻t0においてリレー150、151がOFFからONに切り替えられると、図4(b)に示すように、電池モジュール112の対地電位が変化する。この点は、図3(a)、(b)と同様である。
ここで、時刻t0の直前において、前述のように絶縁抵抗変化部250のスイッチ251がONされると、正極接続線160が抵抗器252を介してグランド電位に接続され、正極接続線160の絶縁抵抗として抵抗器252が作用する。これにより、図4(c)に示すように、電池モジュール112とグランド電位間の絶縁抵抗値が低下する。その後、時刻t0において電池モジュール112の対地電位が低下すると、これに応じて、カップリングコンデンサ220の放電が開始される。このときのカップリングコンデンサ220の放電は、図3の場合とは異なり、絶縁抵抗202や絶縁抵抗212ではなく、抵抗器252を介して行われる。そのため、図4(d)に示すように、カップリングコンデンサ220の両端電圧は図3(d)と比べて素早く低下していき、時刻t2においてほぼ一定となる。
時刻t2においてカップリングコンデンサ220の両端電圧がほぼ一定になると、図4(e)に示すように、応答信号の出力が復活して地絡検知を再開することができる。したがって、本発明を適用した場合に地絡検知部221において地絡検知できない期間は、図4(e)に示した時刻t0から時刻t2までの期間であり、これは図3(e)に示した地絡検知できない時刻t0から時刻t1までの期間よりも短いことが分かる。
なお、絶縁抵抗変化部250においてスイッチ251をONする期間の開始点は、前述のように、リレー150、151がOFFからONに切り替えられる時刻t0よりも前の時点、または時刻t0と同時点であることが好ましい。また、図4(c)に示した時間Tは、時刻t0からこの期間の終了点までの時間を表しており、これは以下の式(1)を満たすことが好ましい。式(1)において、Cはカップリングコンデンサ220の容量値、Rqは抵抗器252の抵抗値、VLは交流信号発生部222から発生される交流信号の振幅、VHは電池モジュール112が取り得る最大電圧をそれぞれ表している。ただし、式(1)において、ln{VH/(VH−VL)}はVH/(VH−VL)の自然対数を表している。
T≧C×Rq×ln{VH/(VH−VL)} ・・・(1)
以上説明した本発明の一実施形態によれば、次の作用効果を奏する。
(1)地絡検知装置121は、絶縁抵抗変化部250により、正極接続線160の電位が変動する際に、正極接続線160の絶縁抵抗を低下させる。このようにしたので、電池と負荷の間の接続線に電位変動が生じて地絡検知を停止した後に、地絡検知を素早く再開することができる。
(2)絶縁抵抗変化部250は、一端が接地された抵抗器252と、抵抗器252と正極接続線160の間に接続されたスイッチ251とを有する。このスイッチ251を切断状態から導通状態に切り替えることにより、正極接続線160の絶縁抵抗を低下させるようにしたので、簡単な回路で確実に絶縁抵抗を低下させることができる。
(3)正極接続線160には、外部からの切替制御に応じて電池モジュール112と負荷である駆動回路113およびモータ140の間を切断または導通するリレー150、151が接続されている。絶縁抵抗変化部250は、このリレー150、151により電池モジュール112と負荷の間が導通されるときに、スイッチ251を切断状態から導通状態に切り替える。このようにしたので、正極接続線160に電位変動が生じる際に、正極接続線160の絶縁抵抗を確実に低下させることができる。
(4)絶縁抵抗変化部250は、電池モジュール112と負荷の間が導通されてから、前述の式(1)で表される時間Tの間、正極接続線160の絶縁抵抗を低下させることが好ましい。このようにすれば、カップリングコンデンサ220が充電または放電されてその両端電圧が一定となるまでの間、正極接続線160の絶縁抵抗を確実に低下させることができる。
なお、上記の実施形態では、絶縁抵抗変化部250においてスイッチ251を切断状態から導通状態に切り替えることにより、正極接続線160の絶縁抵抗を低下させるようにする例を説明した。しかし、正極接続線160の電位変動の際にその絶縁抵抗を低下させることができれば、これ以外の回路構成としてもよい。
また、上記の実施形態では、地絡検知装置121を電池モジュール112の正極側に接続して、交流信号発生部222からの交流信号を正極接続線160に印加することとした。しかし、地絡検知装置121を電池モジュール112の負極側に接続して、交流信号発生部222からの交流信号を負極接続線161に印加してもよい。このようにしても、上記の実施形態と同様の方法で地絡検知を行うと共に、負極接続線161の電位変動の際には絶縁抵抗を低下して、地絡検知できない期間を短縮することができる。
以上説明した実施形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。
100 監視装置
112 電池モジュール
113 駆動回路
114 接地用回路
120 電池状態監視用集積回路
121 地絡検知装置
130 通信回路
131 制御部
132 通信部
140 モータ
150 リレー
151 リレー
160 正極接続線
161 負極接続線
201 浮遊容量
202 絶縁抵抗
211 浮遊容量
212 絶縁抵抗
220 カップリングコンデンサ
221 地絡検知部
222 交流信号発生部
250 絶縁抵抗変化部
251 スイッチ
252 抵抗器

Claims (4)

  1. 電池と負荷の間の接続線の地絡を検知する地絡検知装置であって、
    交流信号を発生し、カップリングコンデンサを介して前記接続線に前記交流信号を印加する交流信号発生部と、
    前記交流信号に対する応答信号を検出し、前記応答信号に基づいて前記接続線の地絡を検知する地絡検知部と、
    前記接続線の電位が変動する際に、前記接続線の絶縁抵抗を低下させる絶縁抵抗変化部とを備えることを特徴とする地絡検知装置。
  2. 請求項1に記載の地絡検知装置において、
    前記絶縁抵抗変化部は、一端が接地された抵抗器と、前記抵抗器と前記接続線の間に接続されたスイッチとを有し、
    前記スイッチを切断状態から導通状態に切り替えることにより、前記接続線の絶縁抵抗を低下させることを特徴とする地絡検知装置。
  3. 請求項2に記載の地絡検知装置において、
    前記接続線には、外部からの切替制御に応じて前記電池と前記負荷の間を切断または導通するリレーが接続されており、
    前記絶縁抵抗変化部は、前記リレーにより前記電池と前記負荷の間が導通されるときに、前記スイッチを切断状態から導通状態に切り替えることを特徴とする地絡検知装置。
  4. 請求項2または3に記載の地絡検知装置において、
    前記絶縁抵抗変化部は、前記カップリングコンデンサの容量値C、前記抵抗器の抵抗値Rq、前記交流信号の振幅VLおよび前記電池の最大電圧VHに基づいて、前記電池と前記負荷の間が導通されてから下記の式で表される時間Tの間、前記接続線の絶縁抵抗を低下させることを特徴とする地絡検知装置。
    T≧C×Rq×ln{VH/(VH−VL)}
    ただし、上記式においてln{VH/(VH−VL)}は、VH/(VH−VL)の自然対数を表す。
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