JP5170318B2 - 高電圧回路の異常検出装置及び異常検出方法 - Google Patents
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Description
本発明は、車両に搭載される高電圧回路の地絡、及び電線等を機械的に固定する締結部の緩みを検出する異常検出装置、及び異常検出方法に関する。
特開2003−250201号公報は、電気自動車に設けられた高電圧の直流電源のプラス側端子を、コンデンサの一端側に接続し、このコンデンサの他端側となる測定点に矩形波信号を印加し、該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技術を開示している。
上記技術は、直流電源の地絡を検出することができるものの、直流電源とインバータ回路とを接続する電線等を機械的に固定する締結部に緩みが生じた場合、これを検出することができないという欠点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、地絡、及び締結部の緩みを高精度に検出することが可能な高電圧回路の異常検出装置及び方法を提供することである。
本発明の一態様は、直流電源と、該直流電源と締結部を介して接続されたインバータ回路と、を備えた高電圧回路の地絡及び前記締結部の緩みを検出する、高電圧回路の異常検出装置及び方法である。該高電圧回路の異常検出装置及び方法では、一端が前記直流電源のプラス側端子に接続され、他端が測定点とされた第1コンデンサを設け、前記測定点に矩形波パルスを出力し、前記矩形波パルス信号が第1の位相となる時点で、前記測定点に生じる第1の電圧を測定し、前記矩形波パルス信号が前記第1の位相とは異なる第2の位相となる時点で、前記測定点に生じる第2の電圧を測定し、前記第1の電圧と第2の電圧との差分電圧を求め、前記インバータ回路のプラス側端子とグランドとの間に、第2コンデンサ及びスイッチ手段の直列接続回路を設け、前記スイッチ手段を開路した状態で求めた差分電圧に基づいて、前記直流電源の地絡を検出するとともに、前記地絡が検出されていないときに、前記スイッチ手段を閉路した状態で求めた差分電圧に基づいて、前記締結部の緩み状態を検出する。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、本発明に係る高電圧回路Aは、直流電源1とインバータ回路2とを備えており、直流電源1より出力される直流電力をインバータ回路2で交流電力に変換して、電気自動車やハイブリッド自動車等に設けられる駆動モータ(図示省略)等に電力を供給する。直流電源1のプラス側端子とインバータ回路2のプラス側端子との間には、電線、端子等の機械的な固定又は締結によって直流電源1とインバータ回路2とを電気的に接続する締結部p2が設けられている。
本発明の一実施形態に係る異常検出装置3は、高電圧回路Aの地絡及び締結部p2の緩みを検出する装置であり、直流電源1のプラス側端子に接続された第1回路部3aと、インバータ回路2のプラス側端子に接続された第2回路部3bと、を備えている。
第1回路部3aは、制御回路4と、カップリングコンデンサC1(第1コンデンサ)と、バッファアンプ5、6と、抵抗R1と、電圧測定回路18と、を備えている。
第1回路部3aは、制御回路4と、カップリングコンデンサC1(第1コンデンサ)と、バッファアンプ5、6と、抵抗R1と、電圧測定回路18と、を備えている。
カップリングコンデンサC1は、一端を、締結部p2を介さずに直流電源1のプラス側端子に接続され(締結部p2を介してインバータ回路2のプラス側端子に接続され)、他端を、電圧測定回路18を介してグランドに接地されている。以下、このカップリングコンデンサC1の他端を測定点p1とする。
電圧測定回路18は、互いに直列に接続された抵抗R2及びコンデンサC3から構成される。抵抗R2は、一端を測定点p1に接続され、他端をコンデンサC3に接続されている。コンデンサC3は、一端を抵抗R2に接続され、他端をグランドに接地されている。
電圧測定回路18は、互いに直列に接続された抵抗R2及びコンデンサC3から構成される。抵抗R2は、一端を測定点p1に接続され、他端をコンデンサC3に接続されている。コンデンサC3は、一端を抵抗R2に接続され、他端をグランドに接地されている。
制御回路4は、測定点p1に矩形波パルス信号を出力し、且つ、該測定点p1に発生する電圧を測定して、高電圧回路Aに地絡(絶縁抵抗の低下)が発生しているか否かを検出する。制御回路4は、矩形波パルス信号を出力する出力部(パルス出力手段)16と、電圧測定回路18より出力される電圧信号(抵抗R2とコンデンサC3との接続点p3に発生する電圧信号)をA/D変換するA/D変換器17と、制御中枢となるCPU11、RAM12、ROM13、タイマ14、及びカウンタ15と、を具備している。出力部16の出力側には、バッファアンプ5が設けられ、A/D変換器17の入力側には、バッファアンプ6が設けられている。バッファアンプ5の出力端子は、抵抗R1を介して測定点p1に接続されている。
第2回路部3bは、互いに直列に接続されたコンデンサC2(第2コンデンサ)及びスイッチSW1(スイッチ手段)から構成された直列接続回路である。コンデンサC2の静電容量は、カップリングコンデンサC1の静電容量より大きく設定されている。
コンデンサC2は、一端を、締結部p2を介さずにインバータ回路2のプラス側端子に接続され(締結部p2を介して直流電源1のプラス側端子に接続され)、他端をスイッチSW1の一端に接続されている。また、スイッチSW1は、一端をコンデンサC2に接続され、他端をグランドに接地されている。スイッチSW1は、CPU11の制御下でオン、オフ動作する。
コンデンサC2は、一端を、締結部p2を介さずにインバータ回路2のプラス側端子に接続され(締結部p2を介して直流電源1のプラス側端子に接続され)、他端をスイッチSW1の一端に接続されている。また、スイッチSW1は、一端をコンデンサC2に接続され、他端をグランドに接地されている。スイッチSW1は、CPU11の制御下でオン、オフ動作する。
また、後述するようにCPU11は、測定点p1に出力する矩形波パルス信号の周波数及びデューティ比(例えば、50%)を設定し、スイッチSW1をオフ(開路)とした状態で、出力部16から矩形波パルス信号を上記周波数及びデューティ比で出力させ、このとき測定点p1に発生する電圧を測定することにより、高電圧回路Aに地絡が発生しているか否かを判定する。また、CPU11は、スイッチSW1をオン(閉路)とした状態で、上記矩形波パルス信号を出力部16から出力させ、このとき測定点p1に発生する電圧を測定することにより、締結部p2に緩みが発生しているか否かを判定する。ここで、締結部の緩み又は緩み状態とは、例えば、電線、端子等をボルト締結した場合の該ボルトの緩みなど、機械的な固定又は締結手段によって2以上の要素を電気的に接続した部位において当該接続状態が悪化すること又は悪化した状態を意味する。
即ち、CPU11は、出力部16より出力された矩形波パルス信号が第1の位相となる時点(例えば、デューティ比を50%に設定した場合、周期Tの1/2(=T/2)の奇数倍で、矩形波パルス信号がHレベルからLレベルに変化する時点)で、測定点p1に生じる第1の電圧を測定し、矩形波パルス信号が第1の位相とは異なる第2の位相となる時点(例えば、デューティ比を50%に設定した場合、T/2の偶数倍で、矩形波パルス信号がLレベルからHレベルに変化する時点)で、測定点p1に生じる第2の電圧を測定し、且つ、第1の電圧と第2の電圧との差分電圧Vp-pを求める電圧測定手段としての機能を備える。また、CPU11は、スイッチSW1をオフ(開路)とした状態で、上記のように測定・算出した差分電圧Vp-pに基づいて、直流電源1の地絡を検出する地絡検出手段としての機能を備える。更に、CPU11は、直流電源1の地絡が検出されていないときに、スイッチSW1をオン(閉路)とした状態で、上記のように測定・算出した差分電圧Vp-pに基づいて、締結部p2の緩みを検出する緩み状態検出手段としての機能を備える。
次に、上記のように構成された本実施形態に係る異常検出装置の動作を、図2に示すフローチャート、図3に示す判定表、及び図4に示す特性図を参照して説明する。
始めに、ステップS11において、CPU11は、スイッチSW1をオフとする。次いで、ステップS12において、CPU11は、出力部16より出力する矩形波パルス信号を0[V]からE[V]に上昇させる。この矩形波パルス信号の電圧は、バッファアンプ5、抵抗R1を介してカップリングコンデンサC1の他端である測定点p1に供給される。なお、出力部16より出力される矩形波パルス信号は、0〜E[V]で変化するデューティ比50%の信号である。
ステップS13において、CPU11は、矩形波パルス信号を0[V]からE[V]に上昇させた時点(時刻t1)から時間T/2が経過した時点(第1の位相:時刻t1+T/2)にて、測定点p1に生じる電圧Vh(第1の電圧)を検出する。測定点p1に生じる電圧は、抵抗R2及びバッファアンプ6を介してA/D変換器17に入力され、CPU11は、A/D変換器17に入力された電圧データに基づいて、測定点p1に生じる電圧Vhを検出する。
時刻t1から時間T/2が経過したとき、ステップS14において、CPU11は、出力部16より出力する矩形波パルス信号をE[V]から0[V]に低下させる。従って、この時点でカップリングコンデンサC1に供給される電圧は、0[V]となる。
ステップS15において、CPU11は、時刻t1から時間Tが経過した時点(第2の位相:時刻t1+T)において、測定点p1に生じる電圧Vl(第2の電圧)を検出する。
ステップS16において、CPU11は、ステップS13の処理で検出した電圧VhからステップS15の処理で検出した電圧Vlを減算することにより差分電圧Vp-p(=Vh−Vl)を算出する。
ステップS17において、CPU11は、ステップS16の処理で求めた差分電圧Vp-pと、予め設定した第1基準電圧Vref1と、を比較する。そして、CPU11は、差分電圧Vp-pが第1基準電圧Vref1を下回っている(Vp-p<Vref1)と判断した場合には(ステップS17でYES)、高電圧回路Aに地絡等の絶縁異常が発生しているものと判断し、ステップS18において、地絡の発生を操作者に報知する。
即ち、直流電源1のプラス側端子とマイナス側端子(グランド)との間には、図1に破線で示したように、仮想的に絶縁抵抗RL及び車両静電浮遊容量CLが存在しており、絶縁抵抗RLが低下すると、該絶縁抵抗RLを介して流れる電流が増加し、測定点p1の電圧が低下する。そして、CPU11は、差分電圧Vp-pが第1基準電圧Vref1を下回った時点で、操作者に地絡の発生を報知する。
つまり、図3の判定表に示すように、CPU11は、スイッチSW1がオフとされているときに、差分電圧Vp-pが第1基準電圧Vref1を下回っている場合には、地絡が発生しているものと判断する。
一方、図4(a)に示すように、差分電圧Vp-pが充分に大きく、ステップS17において、CPU11が、差分電圧Vp-pが第1基準電圧Vref1以上である(Vp-p≧Vref1)と判断した場合には(ステップS17でNO)、CPU11は、高電圧回路Aに地絡等の絶縁異常は発生していないと判断し、締結部p2の緩みを検出する処理に移る。
ステップS19において、CPU11は、スイッチSW1をオンとする。即ち、インバータ回路2の高電圧側端子を、コンデンサC2を介してグランドに接続する。
ステップS20において、CPU11は、出力部16より出力する矩形波パルス信号を0[V]からE[V]に上昇させる。この矩形波パルス信号の電圧は、バッファアンプ5、抵抗R1を介してカップリングコンデンサC1の他端である測定点p1に供給される。
ステップS21において、CPU11は、矩形波パルス信号を0[V]からE[V]に上昇させた時点(時刻t2)から時間T/2が経過した時点(第1の位相:時刻t2+T/2)にて、測定点p1に生じる電圧Vh(第1の電圧)を検出する。即ち、測定点p1に生じる電圧は、抵抗R2及びバッファアンプ6を介してA/D変換器17に入力され、CPU11は、A/D変換器17に入力された電圧データに基づいて、測定点p1に生じる電圧Vhを検出する。
そして、時刻t2から時間T/2が経過したとき、ステップS22において、CPU11は、出力部16より出力する矩形波パルス信号をE[V]から0[V]に低下させる。従って、この時点でカップリングコンデンサC1に供給される電圧は、0[V]となる。
ステップS23において、CPU11は、時刻t2から時間Tが経過した時点(第2の位相:時刻t2+T)にて、測定点p1に生じる電圧Vl(第2の電圧)を検出する。
ステップS24において、CPU11は、ステップS21の処理で検出した電圧VhからステップS23の処理で検出した電圧Vlを減算することにより差分電圧Vp-p(=Vh−Vl)を算出する。
ステップS25において、CPU11は、ステップS24の処理で求めた差分電圧Vp-pと、予め設定した第2基準電圧Vref2と、を比較する。そして、CPU11は、差分電圧Vp-pが第2基準電圧Vref2以下となっている(Vp-p≦Vref2)と判断した場合には(ステップS25でYES)、締結部p2における緩み等の異常は発生していないものと判断し、ステップS27において、締結部p2の緩みが発生していないことを操作者に通知する。即ち、締結部p2にて緩みが発生していない場合には、測定点p1の電圧はコンデンサC2の影響を受けて、差分電圧Vp-pは小さくなる。この場合、図4(b)に示すように、オンデューティ時とオフデューティ時の電圧の差が小さくなり、差分電圧Vp-pは第2基準電圧Vref2以下となることから、締結部p2に緩みが発生していないことを確認できる。
一方、ステップS25において、CPU11が、差分電圧Vp-pが第2基準電圧Vref2を上回った(Vp-p>Vref2)と判断した場合には(ステップS25でNO)、CPU11は、締結部p2において緩みが発生していると判断し、ステップS26において、締結異常が発生していることを操作者に報知する。即ち、締結部p2に緩みが発生している場合には、この締結部p2に静電容量が発生して、測定点p1とグランドとの間の合成静電容量が低下することから、差分電圧Vp-pは大きくなる。この場合、図4(c)に示すように、オンデューティ時とオフデューティ時の電圧の差が大きくなり、差分電圧Vp-pは第2基準電圧Vref2を上回ることから、締結部p2に緩みが発生していることを確認できる。つまり、図3の判定表に示すように、CPU11は、スイッチSW1がオンとされた状態で、差分電圧Vp-pが第2基準電圧Vref2を上回った場合には、締結部p2に緩みが発生しているものと判断し、これを操作者に報知する。
このようにして、本実施形態に係る高電圧回路Aの異常検出装置では、インバータ回路2とグランドとの間に、コンデンサC2とスイッチSW1とが直列に接続された直列接続回路を設け、スイッチSW1をオフとした状態で、測定点p1に矩形波パルス信号を出力することにより、高電圧回路Aに地絡が発生しているか否かを判断し、更に、地絡が発生していないという条件下で、スイッチSW1をオンとし、この状態で測定点p1に矩形波パルス信号を出力した際の差分電圧Vp-pが第2基準電圧Vref2を超えた場合に、締結部p2に緩みが生じていると判断する。従って、締結部p2に緩みが発生していることを確実且つ迅速に検出することができ、締結部p2での締結が完全に外れる(断線する)前の時点でこれを認識することができ、メンテナンス作業等を先行して行うことができる。
また、カップリングコンデンサC1よりもコンデンサC2の方が静電容量が大きく設定されているので、締結部p2に緩みが発生している場合に差分電圧Vp-pの変化を大きくすることができ、締結部p2の緩みを検出する精度を向上させることができる。
また、測定点p1に出力する矩形波パルスのデューティ比を50%とし、この矩形波パルスがHレベルからLレベルに変化する時点の電圧Vh、及び矩形波パルスがLレベルからHレベルに変化する時点の電圧Vlに基づいて差分電圧Vp-pを求めるので、オンデューティ時の電圧とオフデューティ時の電圧の差分を正確に求めることができ、地絡検出、及び締結部の緩み検出の精度を向上させることができる。
以上、説明した通り、本発明に係る高電圧回路Aの異常検出装置及び方法では、スイッチ手段を開路(オフ)した状態で、測定点に矩形波パルス信号を出力し、矩形波パルス信号が第1の位相となる時点で検出される第1の電圧と、矩形波パルス信号が第2の位相となる時点で検出される第2電圧との差分電圧Vp-pを求める。そして、この差分電圧Vp-pの大きさに基づいて高電圧回路Aに地絡が発生しているか否かを検出する。更に、地絡が検出されていない場合には、スイッチ手段を閉路(オン)して、測定点に矩形波パルス信号を出力し、矩形波パルス信号が第1の位相となる時点で検出される第1の電圧と、矩形波パルス信号が第2の位相となる時点で検出される第2電圧との差分電圧Vp-pを求め、この差分電圧Vp-pの大きさに基づいて締結部に緩みが発生しているか否かを検出する。従って、直流電源とインバータ回路とを接続する締結部に緩みが発生している場合には、確実且つ迅速にこれを検出することができる。
以上、本発明の高電圧回路の異常検出装置及び方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
本出願は、2009年9月24日に出願された日本国特許願第2009−219037号に基づく優先権を主張しており、これらの出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、高電圧の直流電源とインバータ回路とを接続する締結部に緩みが発生した場合に、これをいち早く認識する際に利用することができる。
1 直流電源
2 インバータ回路
3 異常検出装置
4 制御回路
5、6 バッファアンプ
SW1 切替スイッチ
C1 カップリングコンデンサ(第1コンデンサ)
C2 コンデンサ(第2コンデンサ)
C3 コンデンサ
11 CPU
12 RAM
13 ROM
14 タイマ
15 カウンタ
16 出力部(パルス出力手段)
17 A/D変換器
18 電圧測定回路
RL 絶縁抵抗
CL 車両静電浮遊容量
p1 測定点
p2 締結部
2 インバータ回路
3 異常検出装置
4 制御回路
5、6 バッファアンプ
SW1 切替スイッチ
C1 カップリングコンデンサ(第1コンデンサ)
C2 コンデンサ(第2コンデンサ)
C3 コンデンサ
11 CPU
12 RAM
13 ROM
14 タイマ
15 カウンタ
16 出力部(パルス出力手段)
17 A/D変換器
18 電圧測定回路
RL 絶縁抵抗
CL 車両静電浮遊容量
p1 測定点
p2 締結部
Claims (6)
- 直流電源と、該直流電源と締結部を介して接続されたインバータ回路と、を備えた高電圧回路の地絡及び前記締結部の緩みを検出する、高電圧回路の異常検出装置において、
一端が前記直流電源のプラス側端子に接続され、他端が測定点とされた第1コンデンサと、
前記測定点に矩形波パルス信号を出力するパルス出力手段と、
前記インバータ回路のプラス側端子とグランドとの間に設けられた、第2コンデンサ及びスイッチ手段の直列接続回路と、
前記パルス出力手段より出力された矩形波パルス信号が第1の位相となる時点で、前記測定点に生じる第1の電圧と、前記矩形波パルス信号が前記第1の位相とは異なる第2の位相となる時点で、前記測定点に生じる第2の電圧と、を測定し、且つ、前記第1の電圧と第2の電圧との差分電圧を求める電圧測定手段と、
前記スイッチ手段を開路した状態で、前記電圧測定手段により測定された差分電圧に基づいて、前記直流電源の地絡を検出する地絡検出手段と、
前記地絡検出手段にて地絡が検出されていないときに、前記スイッチ手段を閉路した状態で、前記電圧測定手段により測定された差分電圧に基づいて、前記締結部の緩み状態を検出する緩み状態検出手段と、
を備えたことを特徴とする高電圧回路の異常検出装置。 - 前記矩形波パルスは、デューティ比50%であり、前記第1の位相は、該矩形波パルスがHレベルからLレベルに変化する時点であり、前記第2の位相は、矩形波パルスがLレベルからHレベルに変化する時点であることを特徴とする請求項1に記載の高電圧回路の異常検出装置。
- 前記地絡検出手段は、予め設定した第1基準電圧と前記差分電圧とを比較し、該差分電圧が前記第1基準電圧を下回った場合に、地絡が発生していると判断することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の高電圧回路の異常検出装置。
- 前記緩み状態検出手段は、予め設定した第2基準電圧と前記差分電圧とを比較し、該差分電圧が前記第2基準電圧を上回った場合に、前記締結部に緩みが発生していると判断することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の高電圧回路の異常検出装置。
- 第2コンデンサは第1コンデンサよりも静電容量が大きいことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の高電圧回路の異常検出装置。
- 直流電源と、該直流電源と締結部を介して接続されたインバータ回路と、を備えた高電圧回路の地絡及び前記締結部の緩みを検出する、高電圧回路の異常検出方法であって、
一端が前記直流電源のプラス側端子に接続され、他端が測定点とされた第1コンデンサを設け、
前記測定点に矩形波パルスを出力し、
前記矩形波パルス信号が第1の位相となる時点で、前記測定点に生じる第1の電圧を測定し、
前記矩形波パルス信号が前記第1の位相とは異なる第2の位相となる時点で、前記測定点に生じる第2の電圧を測定し、
前記第1の電圧と第2の電圧との差分電圧を求め、
前記インバータ回路のプラス側端子とグランドとの間に、第2コンデンサ及びスイッチ手段の直列接続回路を設け、
前記スイッチ手段を開路した状態で求めた差分電圧に基づいて、前記直流電源の地絡を検出するとともに、
前記地絡が検出されていないときに、前記スイッチ手段を閉路した状態で求めた差分電圧に基づいて、前記締結部の緩み状態を検出することを特徴とする高電圧回路の異常検出方法。
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