JP2018072169A - 地絡検出回路逆電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】地絡検出回路の入力用カップリングコンデンサに用いられる電解コンデンサを逆電圧から保護する。【解決手段】地絡検出回路は、交流信号を発生させる交流信号発生部と、前記交流信号発生部と高電圧バッテリの一端側との間に設けられた第１の容量性素子と、前記高電圧バッテリの一端側の電圧を分圧する分圧回路と、入力される地絡検出信号に基づいて、前記高電圧バッテリの地絡を検出する地絡検出部と、前記分圧回路と前記地絡検出部との間に設けられ、前記分圧回路により分圧された前記高電圧バッテリの一端側の電圧の交流成分を前記地絡検出信号として前記地絡検出部へ入力するための第２の容量性素子と、前記第１の容量性素子を複数個直列に接続するとともに当該複数個の第１の容量性素子の容量バラツキを抑制するバイアス抵抗と前記第１の容量性素子の逆電圧保護回路として機能するダイオードとにより構成される交流信号伝達回路部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、地絡検出回路および電源装置に関する。

一般的に電気自動車、燃料電池車、ハイブリッド電気自動車は、高電圧バッテリに接続された高電圧電源部と車体間が絶縁されている。高電圧電源部に地絡が発生すると、感電の危険が高くなるため地絡による感電防止を目的に高電圧電源部の地絡を検出する回路が必要とされる。

たとえば、高電圧電源部と車体の地絡判定を行う地絡検出装置としては、下記の特許文献１に記載されているような地絡検出装置が知られている。
特許文献１では入力用カップリングコンデンサの一端側に高電圧電源の出力端子を接続し、カップリングコンデンサの他端側となる測定点に、パルス信号を印加し、測定点に発生する電圧値を検出して、高電圧電源の地絡の判定を行っている。

特開２００６−１７７８４０号公報

地絡検出回路に使用される入力用カップリングコンデンサは数百Ｖの高電圧バッテリに接続されるため高耐圧かつ地絡有無で出力電圧差が大きくなるよう高容量のコンデンサが用いられる。そのため主に電解コンデンサが主に使用される。

この地絡検出回路は高電圧バッテリの＋側もしくは−側に接続され、地絡検出回路端子は低圧−高圧間の絶縁、耐圧に関する試験などで正負両極の数百〜数ｋＶの高電圧が印加される場合がある。また地絡検出回路端子は誤接続などにより本来接続されるべき高電圧バッテリ側と逆に接続され可能性もあるため地絡検出回路の電解コンデンサは正負両極の高い耐圧をもつ必要がある。

正電圧に対して電解コンデンサは数Ｖ〜数百Ｖの耐性を有する一方、逆電圧に対しては一般的に１Ｖ程度であり逆電圧耐性は非常に弱い。電解コンデンサに逆耐圧以上の電圧が印加された場合、電流が流れ、内部化学反応によりガスが発生し、電解コンデンサの劣化を引き起こす可能性がある。つまり、地絡検出回路の入力用カップリングコンデンサに使用される電解コンデンサは逆電圧に対する保護が必要である。

本発明に係る地絡検出回路は、高電圧バッテリの地絡を検出する地絡検出回路であって、交流信号を発生させる交流信号発生部と、前記交流信号発生部と前記高電圧バッテリの一端側との間に設けられた第１の容量性素子と、前記高電圧バッテリの一端側の電圧を分圧する分圧回路と、入力される地絡検出信号に基づいて、前記高電圧バッテリの地絡を検出する地絡検出部と、前記分圧回路と前記地絡検出部との間に設けられ、前記分圧回路により分圧された前記高電圧バッテリの一端側の電圧の交流成分を前記地絡検出信号として前記地絡検出部へ入力するための第２の容量性素子と、前記第１の容量性素子を複数個直列に接続するとともに当該複数個の第１の容量性素子の容量バラツキを抑制するバイアス抵抗と前記第１の容量性素子の逆電圧保護回路として機能するダイオードとにより構成される交流信号伝達回路部と、を備える。

本発明により、地絡検出回路の入力用カップリングコンデンサに用いられる電解コンデンサを逆電圧から保護することができる。

本発明の一実施形態による電源装置の構成を示す図である。 式（１）におけるＶｉｎとＶｏｕｔの比とリーク抵抗との関係を示す図である。 地絡したときのマイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２に印加させる電圧波形の一例である。 本発明の一実施形態による電源装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による電源装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（電源装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態による電源装置の構成を示す図である。

この電源装置は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されており、車両のモータ７を駆動したり、モータ７により発生された回生電力を回収したりする際に、高電圧バッテリ１の充放電制御を行う。

高電圧バッテリ１は、車体から絶縁されている。本実施形態による電源装置は、地絡検出回路を有する。この地絡検出回路は、高電圧バッテリ１とモータ７との間で、車体に対する絶縁が劣化し地絡が発生したことを検知する。

電源装置は、プリチャージ抵抗２、リレー３〜５、インバータ６、ＭＣＵ２１、ドライバ回路２２、コンデンサ８、総電圧検出回路９、電流センサ１０、マイクロプロセッサ１１、抵抗１３、入力用カップリングコンデンサ１４、検出用カップリングコンデンサ１５および増幅器１６を有している。

高電圧バッテリ１は、たとえばリチウムイオン電池であり、正極にマンガン系材料を、負極に非晶質系炭素材料をそれぞれ用いた複数のセルが直列に接続されて構成されている。高電圧バッテリ１の定格容量はたとえば５．５Ａｈであり、定格電圧はたとえば３．６Ｖである。

高電圧バッテリ１とインバータ６は、リレー３〜５を介して接続される。リレー３〜５は、インバータ６を制御しているＭＣＵ２１により制御されオン、オフが切り替わる。インバータ６の入力端子側には、パルス状の充放電電流を平滑化するための大容量のコンデンサ８が接続されている。高電圧バッテリ１とインバータ６の間には、突入電流防止用のプリチャージ抵抗２が設けられている。プリチャージ抵抗２は、たとえば３９０Ωの抵抗値を有する。高電圧バッテリ１からインバータ６への通電開始時には、リレー４、５が閉じられることにより、高電圧バッテリ１とインバータ６がプリチャージ抵抗２を介して接続される。これにより、コンデンサ８に流れる突入電流が制限され、リレー３〜５の接点が保護される。その後、リレー３が閉じられると共にリレー４が開放されることで、高電圧バッテリ１とインバータ６がプリチャージ抵抗２を介さずに接続される。このようにして、リレー３〜５により高電圧バッテリ１とインバータ６の接続状態が切り替えられる。

インバータ６は、車両に搭載されたモータ７と接続されており、高電圧バッテリ１から出力される直流電力を３相交流電力に変換してモータ７に出力し、モータ７を駆動する。また、モータ７を発電機として発生された回生電力を直流電力に変換して高電圧バッテリ１に出力し、高電圧バッテリ１を充電する。すなわち、インバータ６は双方向型の入出力特性を有しており、高電圧バッテリ１の充放電負荷として機能する。

総電圧検出回路９は、高電圧バッテリ１の総電圧を検出し、その検出値に応じた電圧を電圧検出信号として出力する。総電圧検出回路９は、分圧回路を構成する抵抗１７〜２０および差動増幅器２１を有する。総電圧検出回路９から出力される電圧検出信号は、差動増幅器２１からの出力である。電流センサ１０は、高電圧バッテリ１に入出力される電流を検出し、その検出値に応じた電圧を電流検出信号として出力する。電流センサ１０から出力された電流検出信号と、総電圧検出回路９から出力された電圧検出信号とは、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子１、３においてそれぞれ入力される。

高電圧バッテリ１の高電圧側、すなわち正極側の端子は、総電圧検出回路９内の抵抗１７、検出用カップリングコンデンサ１５および増幅器１６を介して、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２に接続されている。増幅器１６は、高電圧バッテリ１の高電圧側の電圧を検出し、その検出値に応じた電圧を地絡検出信号として、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２に出力する。また、高電圧バッテリ１の高電圧側の端子は、抵抗１７を介して、差動増幅器２１が有する２つの入力端子のうち一方に接続されている。高電圧バッテリ１の高電圧側の端子から検出用カップリングコンデンサ１５および差動増幅器２１へ入力される電圧は、抵抗１７、１９により分圧される。従って、検出用カップリングコンデンサ１５および差動増幅器２１は耐圧が低くてもよい。

高電圧バッテリ１の低電圧側、すなわち負極側の端子は、総電圧検出回路９内の抵抗１８を介して、差動増幅器２１が有する２つの入力端子のうち残りの一方に接続されている。高電圧バッテリ１の低電圧側の端子から差動増幅器２１へ入力される電圧は、抵抗１８、２０により分圧される。

差動増幅器２１は、上記２つの入力端子に入力された電圧を比較し、その差分に応じた信号を総電圧検出回路９からの電圧検出信号として、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子３に出力する。この電圧検出信号は、高電圧バッテリ１の高電圧側と低電圧側との電圧差、すなわち総電圧を表している。

マイクロプロセッサ１１は、高電圧バッテリ１を含む電源装置全体を管理するバッテリコントローラである。マイクロプロセッサ１１は、発振回路を内蔵している。この発振回路は、所定の交流信号、たとえば０〜５Ｖの振幅を有する周波数１０Ｈｚの矩形波を生成し、交流出力端子から出力する。マイクロプロセッサ１１の交流出力端子は、抵抗１３および入力用カップリングコンデンサ１４を介して高電圧バッテリ１の高電圧側の端子に接続されている。

マイクロプロセッサ１１は更に、ＡＤコンバータを内蔵している。電流センサ１０からの電流検出信号と、増幅器１６からの地絡検出信号と、総電圧検出回路９からの電圧検出信号とは、ＡＤ入力端子１〜３を介してマイクロプロセッサ１１のＡＤコンバータにそれぞれ入力される。ＡＤコンバータは、これらの信号を所定の測定範囲、たとえば０〜５Ｖの測定範囲内で測定してデジタル値に変換する。このデジタル変換後の測定値に基づいて、マイクロプロセッサ１１は高電圧バッテリ１の総電圧および入出力電流を測定すると共に、高電圧バッテリ１とモータ７との間における車体に対する地絡を検知する。

（地絡検出動作の説明）
マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２には、地絡検出信号として、次式（１）により表される電圧Ｖｏｕｔが印加される。次式（１）において、αは抵抗１７と抵抗１９との分圧比に増幅器１６の増幅率を掛け合わせた値、Ｖｉｎはマイクロプロセッサ１１の交流出力端子から高電圧バッテリ１の高電圧側に印加される交流信号の電圧、Ｒ１はリーク抵抗１２の抵抗値、Ｒ２は抵抗１３の抵抗値、Ｚは入力用カップリングコンデンサ１４のインピーダンスである。

Ｖｏｕｔ≒αＶｉｎ（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｚ）） ・・・式（１）
リーク抵抗１２が発生した場合、すなわち高電圧バッテリ１とモータ７との間で地絡が発生した場合には、上式（１）に応じて、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２へ入力される地絡検出信号の振幅が変化する。従って、マイクロプロセッサ１１は地絡の発生を検出することができる。

また、検出用カップリングコンデンサ１５が故障などにより開放状態となった場合、ＡＤ入力端子２には正常時とは異なる地絡検出信号が現れるので、やはり異常を検出することができる。

さらに、入力用カップリングコンデンサ１４が開放状態となり、高電圧バッテリ１の高電圧側に交流信号が印加されなくなった場合、ＡＤ入力端子２に現れる地絡検出信号に交流成分が含まれなくなるので、マイクロプロセッサ１１はやはり異常を検出することが可能である。

総電圧検出回路９において、抵抗１７〜２０からなる分圧回路は、高電圧バッテリ１側から見て、シャーシＧＮＤに対して十分に高抵抗でなければならない。さらに、抵抗１７と抵抗１９、抵抗１８と抵抗２０の組み合わせからなる分圧比は、互いに一致していて、高電圧バッテリ１の一方の端子がシャーシＧＮＤに短絡していても、差動増幅器２１で正常に増幅できる電圧範囲になるように設定する。

増幅器１６の増幅率は、マイクロプロセッサ１１から出力された交流信号の振幅低下を補正し、マイクロプロセッサ１１のＡＤコンバータの分解能で、地絡検出信号から十分に地絡を検出可能となる増幅率に設定する。また、リレー３〜５の接続時に発生した過渡応答がその後に十分安定して、地絡を十分に検出可能となったときには、地絡検出信号がマイクロプロセッサ１１のＡＤコンバータの入力電圧範囲を超えないように設定する。

式（１）においてリーク抵抗Ｒ１（リーク抵抗１２の抵抗値）が０のとき、すなわち、高電圧バッテリ１が完全に地絡したとき、式（１）は式（２）に簡略化される。

Ｖｏｕｔ＝０ ・・・式（２）
図２は、式（１）におけるＶｉｎとＶｏｕｔの比と、リーク抵抗との関係を示す図である。本実施形態ではＶｉｎで印加した電圧範囲全体で絶縁抵抗値を監視することができ、絶縁抵抗の測定精度を向上することが可能である。

図３は、高電圧バッテリ１の正極端子側とモータ７との間が地絡したときに、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子２に印加される地絡検出信号の電圧波形の一例である。

マイクロプロセッサ１１におけるＡＤコンバータの入力電圧範囲を０〜５Ｖとすると、地絡が発生したときに生じる電圧変動により、ＶｏｕｔはＡＤコンバータの入力電圧範囲外となる場合がある。

本実施形態では、振幅を調節することにより地絡発生直後から振幅を監視し、地絡検出動作の遅延を最小に抑えることが可能となる。

マイクロプロセッサ１１は、地絡の発生を検出すると、リレー３〜５を開くことにより、高電圧バッテリ１をインバータ６およびモータ７から遮断するようにしてもよい。あるいは、地絡の発生を検出したマイクロプロセッサ１１が、リレー３〜５を開く以外の動作を行ってもよい。たとえば、予め用意された警告灯を点灯する等により、ユーザへ地絡の発生を報知してもよい。これらの動作や、他の様々な動作を組み合わせて行ってもよい。

以上が地絡検出動作に関する説明になる。

本発明はこの地絡検出回路の正負過電圧に対する保護に関する発明になる。

図１の地絡検出回路を高電圧バッテリの＋側に接続する回路構成において、地絡検出回路への正過電圧に対しては所望の耐圧に従い電解コンデンサ１４を複数直列接続することにより全体の耐圧を上げる回路構成が考えられる。図１は例として４直列接続構成を示している。このとき電解コンデンサ１４の多直列接続は静電容量ばらつきにより各電解コンデンサ１４に印加される電圧がばらつくため各電解コンデンサ１４に並列にバイアス抵抗２４を接続することにより印加電圧のばらつきを少なくすることが出来る。

地絡検出回路への負過電圧に対しては逆接保護ダイオード２３を電解コンデンサ１４の＋側にカソード、−側にアノードを接続することで負過電圧が印加された場合、逆接保護ダイオード２３に順方向電流が流れ、電解コンデンサ１４には順電圧Ｖｆしか印加されなくすることができる。負過電圧値に応じ、抵抗１３の抵抗値を順方向電流が充分小さくなるよう調整し電解コンデンサ１４に１Ｖ以下の順電圧Ｖｆしか印加されなくすることで負過電圧に対して電解コンデンサ１４を保護することができる。

また地絡検出回路を高電圧バッテリ１の−側に接続する場合には地絡検出回路に対して負電位への接続となるため図４のような電解コンデンサの極性を逆にする回路構成となる。地絡検出回路への負過電圧に対しては所望の耐圧に従い電解コンデンサ１４を複数直列接続することにより全体の耐圧を上げる回路構成が考えられる。図４は例として４直列接続構成を示している。このとき電解コンデンサ１４の多直列接続は静電容量ばらつきにより各電解コンデンサ１４に印加される電圧がばらつくため各電解コンデンサ１４に並列にバイアス抵抗２４を接続することにより印加電圧のばらつきを少なくすることが出来る。

地絡検出回路への正過電圧に対しては逆接保護ダイオード２３を電解コンデンサ１４の＋側にカソード、−側にアノードを接続することで負過電圧が印加された場合、逆接保護ダイオード２３に順方向電流が流れ、電解コンデンサ１４には順電圧Ｖｆしか印加されなくすることができる。負過電圧値に応じ、抵抗１３の抵抗値を順方向電流が充分小さくなるよう調整し電解コンデンサ１４に１Ｖ以下の順電圧Ｖｆしか印加されなくすることで負過電圧に対して電解コンデンサ１４を保護することができる。

また図５のように交互に電界コンデンサを配置する回路構成も考えられる。
この回路構成をとることで地絡検出回路に対して正電位である高電圧バッテリの＋側にも負電位ある高電圧バッテリ１の−側にも接続することが可能である。
図５は例として４直列接続構成を示しているが複数直列接続することにより所望の耐圧
を得ることができ、かつ電解コンデンサ１４も逆電圧から保護することができる。

本実施形態の変形例として、リチウムイオン電池以外の充電池を使用するシステムや、インバータおよびモータを使用しないシステム、たとえば電気自動車以外のシステム等においても適用可能である。

また本実施形態の変形例として、増幅器１６の出力を、マイクロプロセッサ１１以外の回路および装置へ入力してもよい。また、地絡の発生の検出に応じた動作を、マイクロプロセッサ１１以外の回路および装置が行ってもよい。例えばリレー３〜５の開放を、インバータ６が行うよう電源装置を構成してもよい。

本実施形態の特徴を損なわない限り、本実施形態は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１…高電圧バッテリ、２…プリチャージ抵抗、３〜５…リレー、６…インバータ、７…モータ、８…コンデンサ、９…総電圧検出回路、１０…電流センサ、１１…マイクロプロセッサ、１２…リーク抵抗、１３…抵抗、１４…入力用カップリングコンデンサ、１５…検出用カップリングコンデンサ、１６…増幅器、１７〜２０…抵抗、２１…差動増幅器、２２…ドライバ回路、２３…逆電圧保護ダイオード、２４…バイアス抵抗

Claims (5)

1. 高電圧バッテリの地絡を検出する地絡検出回路であって、
   交流信号を発生させる交流信号発生部と、
   前記交流信号発生部と前記高電圧バッテリの一端側との間に設けられた第１の容量性素子と、
   前記高電圧バッテリの一端側の電圧を分圧する分圧回路と、
   入力される地絡検出信号に基づいて、前記高電圧バッテリの地絡を検出する地絡検出部と、
   前記分圧回路と前記地絡検出部との間に設けられ、前記分圧回路により分圧された前記高電圧バッテリの一端側の電圧の交流成分を前記地絡検出信号として前記地絡検出部へ入力するための第２の容量性素子と、
   前記第１の容量性素子を複数個直列に接続するとともに当該複数個の第１の容量性素子の容量バラツキを抑制するバイアス抵抗と前記第１の容量性素子の逆電圧保護回路として機能するダイオードとにより構成される交流信号伝達回路部と、を備える地絡検出回路。
2. 請求項１に記載の地絡検出回路において、
   前記交流信号伝達回路部の前記バイアス抵抗及び前記ダイオードは、前記第１の容量性素子の数に応じて設けられかつ当該第１の容量性素子に対してそれぞれ電気的に並列に接続される地絡検出回路。
3. 請求項１または２に記載の地絡検出回路において、
   前記分圧回路を用いて前記高電圧バッテリの電圧を検出する総電圧検出回路をさらに備える地絡検出回路。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの地絡検出回路と、複数の電池セルにより構成された組電池である前記高電圧バッテリを管理するバッテリコントローラとを備える電源装置。
5. 請求項４に記載の電源装置において、
   前記高電圧バッテリと前記高電圧バッテリにより駆動される負荷との間の接続状態を切り替える継電器をさらに備え、
   前記バッテリコントローラは、前記地絡検出部により前記地絡が検出されたことに応じて、前記継電器を制御して前記高電圧バッテリと前記負荷との間を遮断する電源装置。

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