JP5323561B2 - 地絡検出システム及び該システムを備える電気自動車 - Google Patents

Description

この発明は、非接地電源の接地部（接地）に対する地絡や絶縁状態を検出する地絡検出システム及び該システムを備える電気自動車に関する。

一般に、電気自動車では、高圧化（例えば、２００［Ｖ］以上）されている電源を車体から絶縁して非接地電源として取り扱う。

このように高圧の非接地電源の地絡（漏電、または絶縁が劣化して絶縁抵抗が下がった状態も含む。）を検出する技術が提案されている（特許文献１）。

この特許文献１に係る技術では、非接地電源である蓄電池がブレーカを介して車両推進用のモータに接続され、このモータに並列に地絡検出部が設けられている。

特開平８−２２６９５０号公報

ところで、特許文献１に開示されるような電気自動車では、前記モータの回生電力（逆起電力）が、前記蓄電池に充電されるように構成されている。したがって、モータの逆起電力は概ね蓄電池の電圧程度に抑制される。

しかしながら、前記モータの回生中に、前記ブレーカが遮断されて蓄電池が前記モータから開放された場合には、前記モータの回生に係る高電圧（逆起電力）が前記地絡検出部に印加されることになり、地絡検出部を構成する回路部品が破損（故障）してしまうという問題がある。

この発明はこの種の課題を解決するものであり、地絡検出部を構成する回路部品の破損（故障）を未然に防止することを可能とする地絡検出システム及び該システムを備える電気自動車を提供することを目的とする。

この発明に係る地絡検出システムは、非接地電源と、駆動回路と、前記非接地電源から前記駆動回路を介して駆動されるモータと、を含む非接地駆動電気システムの地絡検出システムであって、以下の特徴（１）〜（３）を有する。

（１）前記非接地電源の接地部に対する絶縁抵抗を計測する地絡検出部と、前記地絡検出部を構成し、前記非接地電源との間、及び前記接地部との間に設けられる開閉器と、前記非接地駆動電気システムの異常又は停止を検出したときに、前記開閉器を開放して前記地絡検出部と前記非接地駆動電気システムとの間を遮断する遮断制御部と、を有することを特徴とする。

この特徴（１）を有する発明によれば、非接地電源と、駆動回路と、モータとを含む非接地駆動電気システムの異常又は停止を検出したとき地絡検出部に繋がる開閉器を開放することで地絡検出部を絶縁するようにしたので、地絡検出部を構成する回路部品の破損（故障）を防止することができる。

（２）上記の特徴（１）を有する発明において、前記非接地電源は、第１非接地電源と、この第１非接地電源より低電圧の第２非接地電源とからなり、例えば、前記第１非接地電源が燃料電池であって、前記第２非接地電源が蓄電装置であるとき、前記地絡検出部は、前記第１非接地電源に対して設けられ、前記遮断制御部は、前記第２非接地電源のみが、前記非接地駆動電気システムから開放された異常を検出したとき、前記開閉器を開放することを特徴とする。

この特徴（２）を有する発明によれば、第２非接地電源（例えば、蓄電装置）が開放された異常を検出したとき、地絡検出部に繋がる開閉器を開放するようにしたので、回生時における前記モータの過大な逆起電力に係る高電圧が地絡検出部に印加されることを回避することができる。

なお、地絡検出部は、第２非接地電源側に設けてもよい。

上記の特徴（１）又は（２）を有する地絡検出システムを備える電気自動車もこの発明に含まれる。

この発明によれば、非接地電源と、駆動回路と、前記非接地電源から前記駆動回路を通じて駆動されるモータとを含む非接地駆動電気システムの異常又は停止を検出したとき地絡検出部に繋がる開閉器を開放して地絡検出部を絶縁するようにしたので、地絡検出部を構成する回路部品の破損（故障）を防止することができる。

この発明の一実施形態に係る地絡検出システムを備える電気自動車の全体構成図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 インバータの回路図である。 絶縁抵抗検出部の回路図である。 絶縁抵抗の計測の原理動作説明に供されるタイムチャートである。 電源電圧計測期間（充電期間）の説明図である。 コンデンサ電圧読込・放電期間の説明図である。 ＋側地絡計測期間（充電期間）の説明図である。 絶縁抵抗の大小と所定時間内での充電電圧の変化の対応説明図である。 電圧比と絶縁抵抗値の関係説明特性図である。 モータ回生中に、バッテリの開閉器が誤開放した場合の課題説明図である。 モータ回生中に、バッテリの開閉器が誤開放した場合の課題説明図である。 実施形態の動作説明に供されるフローチャートである。

以下、この発明に係る地絡検出システムを備える電気自動車の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係る電気自動車１０の全体構成図を示している。

この電気自動車１０は、基本的には、第１主回路配線１Ｐ、１Ｎ間に電圧Ｅ１を発生する第１非接地電源（第１直流電源）としての燃料電池（Fuel Cell）１４（第１非接地電源１４ともいう。）と、第２主回路配線２Ｐ、２Ｎ間に電圧Ｅ２（Ｅ１＞Ｅ２）を発生する第２非接地電源（第２直流電源）としてのバッテリ１２（蓄電装置であり第２非接地電源１２ともいう。）とから構成されるハイブリッド直流電源装置と、このハイブリッド直流電源装置からインバータ２２（駆動回路）を通じて電力が供給される負荷である走行駆動用のモータ１６とから構成される。

ここで、第１及び第２非接地電源１４、１２と、インバータ２２と、前記第１及び第２非接地電源１４、１２からインバータ２２を介して駆動されるモータ１６とにより非接地駆動電気システムが構成される。なお、燃料電池１４とインバータ２２との間には、燃料電池１４への電流の流入を防止するダイオード１５が挿入されている。

燃料電池１４は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。燃料電池１４には、反応ガス供給部１８が配管を通じて接続されている。反応ガス供給部１８は、一方の反応ガスである水素（燃料ガス）を貯留する水素タンク（不図示）と、他方の反応ガスである空気（酸化剤ガス）を圧縮するコンプレッサ（不図示）を備えている。反応ガス供給部１８から燃料電池１４に供給された水素と空気の燃料電池１４内での電気化学反応により生成された発電電流がモータ１６とバッテリ１２に供給される。

燃料電池システム１１は、燃料電池１４及び反応ガス供給部１８の制御を含め電気自動車１０の全体を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０（制御部）を有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、一方側が第２主回路配線２Ｐ、２Ｎ及び開閉器４２を通じてバッテリ１２に接続され、他方側が第１主回路配線１Ｐ、１Ｎを通じて燃料電池１４とモータ１６側に接続されたチョッパ型の電圧変換装置である。

図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の回路図を示す。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、バッテリ１２の電圧Ｅ２を燃料電池１４側の電圧Ｅ１（Ｅ２＜Ｅ１）に電圧変換（昇圧変換）するとともに、燃料電池１４側の電圧Ｅ１をバッテリ１２側の電圧Ｅ２に電圧変換（降圧変換）する昇降圧型の電圧変換装置である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、ＥＣＵ４０により駆動される相アームと、リアクトル９０とから構成される。

相アームは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１とダイオード８３）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２とダイオード８４）とで構成される。

上アームスイッチング素子８１と下アームスイッチング素子８２には、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。

リアクトル９０は、相アームの中点とバッテリ１２の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０により電圧Ｅ２と電圧Ｅ１との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。

平滑用のコンデンサ９４、９６がそれぞれ第２主回路配線２Ｐ、２Ｎ及び第１主回路配線１Ｐ、１Ｎ間に挿入される。

アームスイッチング素子８１、８２は、ＥＣＵ４０から供給されるゲート駆動信号（駆動電圧）のレベルによりオンオフが切り替えられる。

図３は、インバータ２２の回路図を示す。インバータ２２は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１６のＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルに供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流を第１主回路配線１Ｐ、１Ｎ側からＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通じて第２主回路配線２Ｐ、２Ｎ側に供給し、バッテリ１２を充電等する。

インバータ２２は、ＥＣＵ４０により駆動されるＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等のスイッチング素子５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５２ｕ、５２ｖ、５２ｗと、逆方向接続されたダイオード５３ｕ、５３ｖ、５３ｗ、５４ｕ、５４ｖ、５４ｗとから構成される。

再び、図１において、モータ１６は、トランスミッション２４を通じて車輪２６を回転する。なお、実際上、インバータ２２とモータ１６を併せて負荷２３という。

第２主回路配線２Ｐ、２Ｎ間に開閉器４２を介して接続される高圧（High Voltage）のバッテリ１２は、蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えばリチウムイオン２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

ＥＣＵ４０は、上述したように、燃料電池システム１１の他、開閉器４２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、負荷２３、後述する絶縁抵抗検出部５１等、電気自動車１０全体を統括して制御するマイクロコンピュータ等から構成される。なお、ＥＣＵ４０に対してメインスイッチ３５（電源スイッチ）が接続され、このメインスイッチ３５は、電気自動車１０及び燃料電池システム１１をオン（起動又は始動）オフ（停止）するイグニッションスイッチとしての機能を有する。

第１主回路配線１Ｐ、１Ｎに接続された燃料電池１４、インバータ２２及びモータ１６の地絡を絶縁抵抗ＲＬの値により検出する絶縁抵抗検出部５１（地絡検出部）が第１主回路配線１Ｐ、１Ｎ間に設けられる。

絶縁抵抗検出部５１及び機能手段として地絡判定部３９（比較部）を有するＥＣＵ４０により地絡検出システムが構成される。

図４は、絶縁抵抗検出部５１の回路図を示している。

図４において、第１主回路配線１Ｐ、１Ｎ間に、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の一端が接続され、スイッチＳＷ１の他端が抵抗値（抵抗）Ｒ１の抵抗器１０１の一端に接続される。抵抗器１０１の他端が抵抗値Ｒ４の抵抗器１０４の一端、スイッチＳＷ３の一端、及び容量Ｃ１のコンデンサ１０６の一端に接続される。

抵抗器１０４の他端は、スイッチＳＷ４を通じて、接地（車体、車体グラウンド）との間の電圧値（電圧）Ｖを計測する電圧センサ（電圧計）５０に接続されるとともに、検出電圧値ＶがＥＣＵ４０のメモリ（記憶部）に記憶される。スイッチＳＷ３の他端は、抵抗値ＲＳ１の抵抗器１０３を通じて接地される。

コンデンサ１０６の他端は、スイッチＳＷ２の他端に接続されるとともに、スイッチＳＷ５を介し、抵抗値Ｒ５の抵抗器１０５を通じて接地される。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の開閉タイミングは、ＥＣＵ４０（開閉器の開閉タイミング制御部）からの動作信号Ｓｄにより制御される。

基本的には以上のように構成される地絡検出システムを備える電気自動車１０の地絡検出動作について説明する。

図５は、絶縁抵抗ＲＬの計測の動作説明に供されるタイムチャートである。「Ｉ．電源電圧計測期間」の時点ｔ０〜ｔ１の第１立ち上がり時間（第１所定時間）Ｔ１ｒでは、図６に示すように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が閉じられ、コンデンサ１０６に第１非接地電源１４の電圧Ｅ１［Ｖ］に向かって次の（１）式で示す充電が遂行される。
Ｖ０＝Ｅ１［１−ｅｘｐ｛−（Ｔ１ｒ／Ｒ１×Ｃ１）｝］ …（１）

この電圧Ｖ０が、図７に示すように、時点ｔ１において、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が開かれ、スイッチＳＷ４、ＳＷ５が閉じられて、電圧センサ５０により計測され、ＥＣＵ４０のメモリに記憶される。ＥＣＵ４０と電圧センサ５０は、時点ｔ１から時点２の間ピークホールド回路として動作する。時点ｔ１〜ｔ２は、「ＩＩ．コンデンサ電圧読込・放電期間」である。なお、放電は、図７の矢印の経路に示すように、電圧センサ５０の内部抵抗を通じて行われる。

なお、時点ｔ０〜ｔ２間では、コンデンサ１０６への充電について、絶縁抵抗ＲＬ（抵抗値もＲＬ［Ω］とする。）の影響のない回路接続になっていることが分かる。

次に、「ＩＩＩ．＋側地絡計測期間」の時点ｔ２〜ｔ３の第２立ち上がり時間（第２所定時間）Ｔ２ｒでは、図８に示すように、スイッチＳＷ２、ＳＷ３が閉じられ、第１非接地電源１４の＋側から、ダイオード１５、絶縁抵抗ＲＬ、抵抗器１０３、スイッチＳＷ３、コンデンサ１０６、スイッチＳＷ２、及び第１非接地電源１４の−側に至る経路で電流がながれ、コンデンサ１０６に第１非接地電源１４の電圧Ｅ１［Ｖ］に向かって次の（２）式で示す充電が遂行される。
Ｖ１＝Ｅ１［１−ｅｘｐ｛−（Ｔ２ｒ／（ＲＬ＋ＲＳ１）×Ｃ１）｝］
…（２）

この電圧Ｖ１が、図７に示したのと同様の接続回路で（スイッチＳＷ１、ＳＷ２が開かれ、スイッチＳＷ４、ＳＷ５が閉じられる。）、電圧センサ５０により計測され、ＥＣＵ４０のメモリに記憶される。ＥＣＵ４０と電圧センサ５０は、時点ｔ３から時点４の間ピークホールド回路として動作する。時点ｔ３〜ｔ４は、「ＩＶ．コンデンサ電圧読込・放電期間」である。上記のように、コンデンサ１０６は、フライングキャパシタとして作用している。

この場合、絶縁抵抗ＲＬの大小と所定時間内での充電電圧の変化の対応説明図である図９に示すように、電圧Ｖ１は、（２）式から電流制限抵抗がＲＬ＋ＲＳ１であることが分かるので、絶縁抵抗ＲＬが大きいほど、時定数が大きくなって、第２所定時間Ｔ２ｒでの電圧Ｖ１が小さくなり、絶縁抵抗ＲＬが小さいほど、充電電圧Ｖ１は、第１非接地電源１４の電圧（電源電圧）Ｅ１に近づくことが分かる。

よって、電圧比Ｖ０／Ｖ１と絶縁抵抗（絶縁抵抗値）ＲＬの関係を示す図１０の特性１１０例に示すように、電圧Ｖ１と電圧Ｖ０の比Ｖ０／Ｖ１から絶縁抵抗ＲＬを求めることができる。

ところで、この絶縁抵抗ＲＬ（地絡）の検出中、例えば、図８に示した経路で絶縁抵抗ＲＬに電流を流しコンデンサ１０６に充電中に、図１１に示すように、バッテリ１２の開閉器４２が誤開放する故障が発生した場合に、モータ１６が回生中であるとき、回生による逆起電力により発生する回生電流が、バッテリ１２側に充電されないことになる。そのため、第１主回路配線１Ｐ、１Ｎ間に逆起電力による過大な電圧Ｅｒが発生する。

この過大電圧Ｅｒは、図１１に矢線で示す経路（第１主回路配線１Ｐから絶縁抵抗ＲＬ、抵抗器１０３、スイッチＳＷ３、コンデンサ１０６、スイッチＳＷ２及び第１主回路配線１Ｎに向かうループ）でコンデンサ１０６に充電される。このとき、絶縁抵抗検出部５１の内部回路を構成する抵抗器１０３、コンデンサ１０６に過大電圧（高圧）がかかる。また、図１２に示すように、過大電圧が充電されたコンデンサ１０６の電圧を電圧センサ５０により読み込もうとするとき、矢線で示す経路中の抵抗器１０５、スイッチＳＷ５、抵抗器１０４、スイッチＳＷ４、及び電圧センサ５０にそれぞれ過大電圧（高圧）がかかるおそれがある。

すなわち、モータ１６の回生動作中にバッテリ１２の開閉器４２が誤開放する故障が発生した場合、絶縁抵抗検出部５１の内部回路・部品に高圧がかかり、その分、高圧の部品が必要になるか、または部品が破損する。なお、高圧の部品は、沿面距離が必要となるため、体積等が相当に大きくなり、高価である。

そこで、この実施形態では、第１及び第２非接地電源１４、１２と、インバータ２２と、第１及び第２非接地電源１４、１２からインバータ２２を通じて駆動されるモータ１６とを含む非接地駆動電気システムの異常又は停止を検出したとき絶縁抵抗検出部５１に繋がる開閉器であるスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を開放して絶縁抵抗検出部５１を、非接地駆動電気システムから絶縁するようにしている。

具体的には、モータ１６の回生電力をバッテリ１２に充電中に、開閉器４２が誤開放する故障を検出したとき、直ちに、動作信号Ｓｄ（図４参照）を停止信号状態とし、絶縁抵抗検出部５１に繋がるスイッチＳＷ１〜ＳＷ５が全て開放するように制御している。

なお、モータ１６の回生電力をバッテリ１２に充電中に、開閉器４２が誤開放する故障の検出は、ＥＣＵ４０によりバッテリ１２に流れ込む電流の変化を検出すること、又はバッテリ１２の電圧を検出すること、あるいは主回路配線１Ｐ、１Ｎ間の電圧の変化を検出することにより容易に行える。

さらに、絶縁抵抗検出部５１自体が故障している場合や、バッテリ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ２０に接続されているが発電停止していて絶縁抵抗検出部５１のコンデンサ１０６に充電がなされない場合にも、絶縁抵抗検出部５１が故障であると見なして絶縁抵抗検出部５１を動作停止させる（絶縁抵抗検出部５１に繋がるスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を開放する）ことが好ましい。

そこで、ＥＣＵ４０（遮断制御部）が、絶縁抵抗検出部５１を動作停止させる動作について、モータ１６の回生中及び燃料電池１４の発電停止中を含めて総括的に、図１３のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１において、メインスイッチ３５がオンされているかどうかを判断し、オンされている場合には、ステップＳ２において、絶縁抵抗検出部５１の故障検出フラグＦｆがオン（Ｆｆ＝１）であるかどうかを確認する。

最初は、故障検出フラグＦｆがオフであるので（Ｆｆ＝０）、ステップＳ３において、絶縁抵抗ＲＬの検出のための動作信号Ｓｄ（スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の開閉信号）の送出を、上述した図５の所定のシーケンスで開始する。

次に、ステップＳ４において、例えば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を閉じたことによりコンデンサ１０６（Ｃ１）に充電電圧が発生したかどうかを電圧センサ５０により検出し、充電電圧が発生していた場合には正常であるので、次にステップＳ５において、バッテリ１２の開閉器４２が誤開放していないかどうかの異常検出を行う。

バッテリ１２の開閉器４２が誤開放していない場合（正常な場合）には、ステップＳ６において、絶縁抵抗ＲＬの検出動作を継続し、検出動作後（上記所定のシーケンスの終了後に）にステップＳ１に戻る。

その一方、ステップＳ１において、メインスイッチ３５がオフとなっている場合には、ステップＳ９において動作を停止する。

また、ステップＳ４において、コンデンサ１０６に充電電圧が発生していなかった場合、開閉器ＳＷ１〜ＳＷ５が開いたまま故障していると判断し、又は燃料電池１４が発電を停止していると判断し故障と推定して、ステップＳ７において、警告を発生し、ステップＳ８において、故障検出フラグＦｆをオンにし、ステップＳ９で動作を停止する。

さらに、ステップＳ５において、開閉器４２が誤開放された故障を検出したとき、絶縁抵抗検出部５１に繋がるスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を全て開放し、ステップＳ７において、警告を発生し、ステップＳ８において、故障検出フラグＦｆをオンにし、ステップＳ９で動作を停止する。

以上のように上述した実施形態によれば、第１及び第２非接地電源１４、１２と、インバータ２２と、第１及び第２非接地電源１４、１２からインバータ２２を通じて駆動されるモータ１６とを含む非接地駆動電気システムの異常（バッテリ１２の開閉器４２の誤開放）又は燃料電池システム１１の発電停止を検出したとき絶縁抵抗検出部５１に繋がる開閉器であるスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を開放して絶縁抵抗検出部５１を、非接地駆動電気システムから絶縁するようにしている。

このため、絶縁抵抗検出部５１を構成する回路部品の破損（故障）を防止することができ、かつ発電停止した場合には、絶縁抵抗検出処理を行わないようにしているので無駄な作業の発生を未然に防止できる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…地絡検出システムを備える電気自動車
１２…第２非接地電源（バッテリ） １４…第１非接地電源（燃料電池）
３９…地絡判定部 ４０…ＥＣＵ
５１…絶縁抵抗検出部

Claims (3)

1. 非接地電源と、駆動回路と、前記非接地電源から前記駆動回路を介して駆動されるモータと、を含む非接地駆動電気システムの地絡検出システムであって、
   前記非接地電源の接地部に対する絶縁抵抗を計測する地絡検出部と、
   前記地絡検出部を構成し、前記非接地電源との間、及び前記接地部との間に設けられる開閉器と、
   前記非接地駆動電気システムの異常又は停止を検出したときに、前記開閉器を開放して前記地絡検出部と前記非接地駆動電気システムとの間を遮断する遮断制御部と、を有し、
   前記非接地電源は、第１非接地電源と、前記遮断制御部により前記非接地駆動電気システムから開放された異常が検出される第２非接地電源とからなり、
   前記遮断制御部は、
   前記第２非接地電源が、前記非接地駆動電気システムから開放された異常を検出したとき、前記開閉器を開放する
   ことを特徴とする地絡検出システム。
2. 請求項１記載の地絡検出システムにおいて、
   前記第２非接地電源は、蓄電装置であり、
   前記遮断制御部は、
   前記モータの回生電力を前記蓄電装置に充電中に、前記蓄電装置が、前記非接地駆動電気システムから開放された異常を検出したとき、前記開閉器を開放する
   ことを特徴とする地絡検出システム。
3. 請求項１又は２記載の地絡検出システムを備える電気自動車。