特許 5761044 絶縁異常検知装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5761044

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月12日

(54)【発明の名称】絶縁異常検知装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/02 20060101AFI20150723BHJP

【ＦＩ】

   G01R31/02

【請求項の数】2

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-9312(P2012-9312)

(22)【出願日】2012年1月19日

(65)【公開番号】特開2013-148474(P2013-148474A)

(43)【公開日】2013年8月1日

【審査請求日】2014年6月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(72)【発明者】

【氏名】山本 悟士

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 恒雄

(72)【発明者】

【氏名】加藤 洋明

(72)【発明者】

【氏名】松井 正清

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０９１２２４（ＪＰ，Ａ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源の接地ラインに設けられた絶縁抵抗の抵抗値の低下を検知する絶縁異常検知装置において、
第１の電極に検出抵抗を介して発振回路から発振信号が入力されるカップリングコンデンサと、
前記カップリングコンデンサの第２の電極に接続され、前記カップリングコンデンサの第２の電極が前記絶縁抵抗を介して接地された第１の状態と、前記カップリングコンデンサの第２の電極が擬似抵抗を介して接地された第２の状態に切替可能なスイッチと、
前記スイッチにより前記第１の状態にしたときにおいて前記検出抵抗と前記カップリングコンデンサの間の接続点から取り出される信号から前記絶縁抵抗の抵抗値の低下を検知する第１の判定手段と、
前記スイッチにより前記第２の状態にしたときにおいて前記接続点から取り出される信号から前記発振回路と前記検出抵抗と前記カップリングコンデンサを含めた発振信号伝送系の異常を検出する第２の判定手段と、
を備え、
前記第２の判定手段は、
前記接続点から取り出される信号の振幅が、予め定められた第１の値よりも大きい場合に、前記カップリングコンデンサが開放していると判断し、
前記接続点から取り出される信号の振幅が、前記第１の値よりも小さい値に予め定められた第２の値よりも小さい場合に、前記カップリングコンデンサが短絡していると判断することを特徴とする絶縁異常検知装置。

【請求項2】

前記発振回路は、接地電圧と当該接地電圧よりも高い第１の電圧の間で変化する矩形信号を前記発振信号として出力し、
前記第２の判定手段は、
前記接続点から取り出される信号の電圧が前記接地電圧で推移する場合に、前記発振回路が発振していない又は前記検出抵抗が断線していると判定し、
前記接続点から取り出される信号の電圧が前記第１の電圧に張り付いている場合に、前記検出抵抗が短絡していると判定することを特徴とする請求項１に記載の絶縁異常検知装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、絶縁異常検知装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１においては、検出抵抗およびカップリングコンデンサを備え、自己診断時に検出抵抗とカップリングコンデンサとの間の接続点と接地間に自己診断用抵抗を接続し、検出抵抗とカップリングコンデンサとの間の接続点に現れる電圧値が基準値と異なる値になっていると検出抵抗の劣化または故障と判定する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−１２７８２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、この方法だとカップリングコンデンサより低圧側を見ているため、カップリングコンデンサ自体の異常を正確に検知できない。
本発明の目的は、カップリングコンデンサの異常を検出することができる絶縁異常検知装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

請求項１に記載の発明では、直流電源の接地ラインに設けられた絶縁抵抗の抵抗値の低下を検知する絶縁異常検知装置において、第１の電極に検出抵抗を介して発振回路から発振信号が入力されるカップリングコンデンサと、前記カップリングコンデンサの第２の電極に接続され、前記カップリングコンデンサの第２の電極が前記絶縁抵抗を介して接地された第１の状態と、前記カップリングコンデンサの第２の電極が擬似抵抗を介して接地された第２の状態に切替可能なスイッチと、前記スイッチにより前記第１の状態にしたときにおいて前記検出抵抗と前記カップリングコンデンサの間の接続点から取り出される信号から前記絶縁抵抗の抵抗値の低下を検知する第１の判定手段と、前記スイッチにより前記第２の状態にしたときにおいて前記接続点から取り出される信号から前記発振回路と前記検出抵抗と前記カップリングコンデンサを含めた発振信号伝送系の異常を検出する第２の判定手段と、を備え、前記第２の判定手段は、前記接続点から取り出される信号の振幅が、予め定められた第１の値よりも大きい場合に、前記カップリングコンデンサが開放していると判断し、前記接続点から取り出される信号の振幅が、前記第１の値よりも小さい値に予め定められた第２の値よりも小さい場合に、前記カップリングコンデンサが短絡していると判断することを要旨とする。

【0006】

請求項１に記載の発明によれば、スイッチにより、カップリングコンデンサの第２の電極が絶縁抵抗を介して接地された第１の状態と、カップリングコンデンサの第２の電極が擬似抵抗を介して接地された第２の状態に切替可能となっている。第１の判定手段において、スイッチにより第１の状態にしたときにおいて検出抵抗とカップリングコンデンサの間の接続点から取り出される信号から絶縁抵抗の抵抗値の低下が検知される。また、第２の判定手段において、スイッチにより第２の状態にしたときにおいて検出抵抗とカップリングコンデンサの間の接続点から取り出される信号から発振回路と検出抵抗とカップリングコンデンサを含めた発振信号伝送系の異常が検出される。

【0007】

このようにして、カップリングコンデンサの異常を検出することができる。
請求項２に記載のように、請求項１に記載の絶縁異常検知装置において、前記発振回路は、接地電圧と当該接地電圧よりも高い第１の電圧の間で変化する矩形信号を前記発振信号として出力し、前記第２の判定手段は、前記接続点から取り出される信号の電圧が前記接地電圧で推移する場合に、前記発振回路が発振していない又は前記検出抵抗が断線していると判定し、前記接続点から取り出される信号の電圧が前記第１の電圧に張り付いている場合に、前記検出抵抗が短絡していると判定するとよい。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、カップリングコンデンサの異常を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態における絶縁異常検知装置の電気的構成を示す回路図。

【図2】絶縁異常検知装置の電気的構成を示す回路図。

【図3】（ａ）〜（ｃ）は絶縁異常検知装置の作用を説明するためのタイムチャート。

【図4】（ａ）〜（ｆ）は絶縁異常検知装置の作用を説明するためのタイムチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、ハイブリッド車の走行モータの制御システムにおいて、車載バッテリ（二次電池）５０の正極端子と負極端子との間にはインバータ５１が接続され、インバータ５１には走行用モータ５２が接続されている。インバータ５１はスイッチング素子を具備しており、スイッチング素子のスイッチング動作により車載バッテリ５０による直流電力を交流電力に変換して走行用モータ５２に供給して走行用モータ５２を駆動する。本実施形態では、車載バッテリ５０に対する負荷がインバータ５１と走行用モータ５２により構成されている。

【0011】

また、車載バッテリ５０の負極端子は絶縁抵抗５３を介して接地されている（ボディアースされている）。つまり、直流電源としての車載バッテリ５０の接地ラインに絶縁抵抗５３が設けられている。この絶縁抵抗５３の絶縁異常、即ち、抵抗値の低下を検知するために絶縁異常検知装置１０が設けられている。

【0012】

絶縁異常検知装置１０は、電池監視ユニット２０を備えており、電池監視ユニット２０の接続端子２１は車載バッテリ５０の負極端子と接続されている。つまり、電池監視ユニット２０の接続端子２１は絶縁抵抗５３を介して接地されている（ボディアースされている）。

【0013】

電池監視ユニット２０は絶縁抵抗低下検出器３０とマイコン４０を備えている。絶縁抵抗低下検出器３０は発振回路３１と検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３と擬似抵抗３４とフィルタ回路３５とスイッチ３６を備えている。マイコン４０はＡ／Ｄコンバータ４１とＣＰＵ４２を備えている。

【0014】

電池監視ユニット２０の接続端子２２は外部において接地されている（ボディアースされている）。電池監視ユニット２０の内部において接続端子２２には発振回路３１が接続されている。また、電池監視ユニット２０の内部において発振回路３１の信号出力端子には検出抵抗３２が接続されている。そして、マイコン４０のＣＰＵ４２からの発振指令により発振回路３１が駆動して、発振回路３１の信号出力端子から発振信号としての低周波信号が出力されるようになっている。

【0015】

カップリングコンデンサ３３は、低圧側電極である第１の電極が検出抵抗３２を介して発振回路３１と接続され、発振回路３１から発振信号としての低周波信号が入力される。当該低周波信号はカップリングコンデンサ３３を通過する。具体的には、発振回路３１から出力される低周波信号の周波数が、例えば、１〜３Ｈｚであり、この帯域の低周波信号がカップリングコンデンサ３３を通過するようになっている。

【0016】

カップリングコンデンサ３３における高圧側電極である第２の電極はスイッチ３６の可動接点３６ａを介して電池監視ユニット２０の接続端子２１と接続可能となっている。スイッチ３６は固定接点３６ｂと固定接点３６ｃを有している。可動接点３６ａは固定接点３６ｂまたは固定接点３６ｃと選択的に接続可能となっている。スイッチ３６の固定接点３６ｂが電池監視ユニット２０の接続端子２１と接続されている。スイッチ３６の固定接点３６ｃが擬似抵抗３４の一端と接続されている。

【0017】

擬似抵抗３４の他端は電池監視ユニット２０の接続端子２２を介して外部において接地されている（ボディアースされている）。
スイッチ３６は可動接点３６ａの動作により、カップリングコンデンサ３３と電池監視ユニット２０の接続端子２１が接続された状態（図２参照）、あるいは、カップリングコンデンサ３３と擬似抵抗３４とが接続された状態（図１参照）に切り替えることができるようになっている。

【0018】

このように、スイッチ３６はカップリングコンデンサ３３の第２の電極（高圧側電極）に接続され、第１の状態と、第２の状態に切替可能である。第１の状態では、カップリングコンデンサ３３の第２の電極（高圧側電極）が絶縁抵抗５３を介して接地される。第２の状態では、カップリングコンデンサ３３の第２の電極（高圧側電極）が擬似抵抗３４を介して接地される。つまり、カップリングコンデンサ３３から見て高圧側（車載バッテリ５０側）にスイッチ３６と擬似抵抗３４を設けてスイッチ３６で擬似抵抗３４とバッテリ端とを切り替え可能となっている。そして、スイッチ３６で擬似抵抗３４側に接続することにより、擬似的に絶縁させると同時に車載バッテリ５０との接続を遮断させる構造となっている。

【0019】

検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３との間の接続点Ａはフィルタ回路３５を介してマイコン４０のＡ／Ｄコンバータ４１と接続されている。フィルタ回路３５はローパスフィルタあるいはバンドパスフィルタであり、ノイズを除去するためのものである。

【0020】

接続点Ａでの電圧（信号）がフィルタ回路３５を介してＡ／Ｄコンバータ４１に入力され、Ａ／Ｄコンバータ４１においてアナログ値からデジタル値に変換される。Ａ／Ｄコンバータ４１にはＣＰＵ４２が接続され、ＣＰＵ４２はＡ／Ｄコンバータ４１からＡ／Ｄ変換後の信号を取り込むようになっている。そして、ＣＰＵ４２は、取り込んだ信号の振幅から異常の有無を判定する。

【0021】

また、マイコン４０のＣＰＵ４２にはイグニッションスイッチ操作信号が送られてくる。マイコン４０にはシステムＥＣＵ６０が接続され、マイコン４０のＣＰＵ４２から、異常検出信号が電池監視ユニット２０の外部のシステムＥＣＵ６０に対し出力されるようになっている。

【0022】

次に、このように構成した絶縁異常検知装置１０の作用について説明する。
まず、絶縁抵抗５３の異常（抵抗値の低下）を検知する絶縁異常検知動作について説明する。

【0023】

ＣＰＵ４２は、スイッチ切替指令をスイッチ３６に送り、図２に示すように、スイッチ３６の可動接点３６ａと固定接点３６ｂを接続する。即ち、カップリングコンデンサ３３と車載バッテリ５０の負極端（絶縁抵抗５３）とが接続され、カップリングコンデンサ３３が絶縁抵抗５３を介して接地された状態にする。一方、ＣＰＵ４２は発振回路３１に対し発振指令を送り、発振回路３１から低周波信号を出力させる。図３（ａ）には発振信号としての低周波信号を示し、低周波信号は０ボルトと５ボルトの間で変化する矩形信号である。即ち、振幅が５ボルトの信号である。

【0024】

この低周波信号が検出抵抗３２を介してカップリングコンデンサ３３に向かって送られる。接続点Ａでの電圧（信号）がフィルタ回路３５によりノイズ成分が除去された後にＡ／Ｄコンバータ４１に送られ、Ａ／Ｄコンバータ４１によりアナログ信号からデジタル信号に変換された後にＣＰＵ４２に取り込まれる。この取り込んだ信号に基づいて、即ち、接続点Ａから取り出される信号からＣＰＵ４２は、絶縁抵抗５３における絶縁異常の検知（抵抗値の低下検知）を行う。

【0025】

具体的には、ＣＰＵ４２は、図３（ｂ）に示すように、接続点Ａでの電圧（信号）が４ボルト程度であると、絶縁抵抗５３の抵抗値が低下しておらず正常であると判定する。
一方、マイコン４０のＣＰＵ４２は接続点Ａでの電圧（信号）が正常時の振幅（４ボルト）に対し図３（ｃ）に示すように振幅が小さいと（例えば２ボルト以下であると）、絶縁抵抗５３が異常である（抵抗値が低下したと）と判定する。

【0026】

ＣＰＵ４２は、絶縁抵抗５３の異常（抵抗値の低下）を検知すると、異常検出信号を外部のシステムＥＣＵ６０に出力する。
次に、発振回路３１と検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３を含めた発振信号伝送系の異常の検出（自己診断）動作について説明する。

【0027】

イグニッションスイッチがオン操作されると、ＣＰＵ４２は、スイッチ切替指令をスイッチ３６に送り、図１に示すように、スイッチ３６でカップリングコンデンサ３３と擬似抵抗３４とが接続された状態にする。即ち、カップリングコンデンサ３３が擬似抵抗３４を介して接地された状態にする。一方、ＣＰＵ４２は発振回路３１に対し発振指令を送り、発振回路３１から低周波信号を出力させる。図４（ａ）に示したように発振信号としての低周波信号は図３（ａ）と同様に０ボルトと５ボルトの間で変化する矩形信号であり、振幅が５ボルトの信号である。

【0028】

この低周波信号が検出抵抗３２を介してカップリングコンデンサ３３に向かって送られる。接続点Ａでの電圧（信号）がフィルタ回路３５によりノイズ成分が除去された後にＡ／Ｄコンバータ４１に送られ、Ａ／Ｄコンバータ４１によりアナログ信号からデジタル信号に変換された後にＣＰＵ４２に取り込まれる。この取り込んだ信号に基づいて、即ち、接続点Ａから取り出される信号からＣＰＵ４２は、発振回路３１と検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３を含めた発振信号伝送系の異常を検出する（自己診断を行う）。

【0029】

具体的には、ＣＰＵ４２は、図４（ｂ）に示すように、接続点Ａでの電圧（信号）が０ボルトと４ボルトの間で変化する信号であったならば、即ち、カップリングコンデンサ３３に対応する所定振幅となっていたならば、発振回路３１と検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３を含めた発振信号伝送系が正常と判定する。このように、マイコン４０のＣＰＵ４２は図４（ｂ）のように、接続点Ａでの電圧（信号）の振幅が４ボルト程度であると、正常であると判定する。

【0030】

また、マイコン４０のＣＰＵ４２は図４（ｃ）に示すように、接続点Ａでの電圧（信号）がゼロボルトで推移すると、発振回路３１と検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３を含めた発振信号伝送系が異常であると判定する。具体的には、例えば、発振回路３１が故障して発振回路３１において発振しない（停止した）、あるいは、検出抵抗３２が断線（オープン）した場合が考えられる。

【0031】

マイコン４０のＣＰＵ４２は図４（ｄ）に示すように、接続点Ａでの電圧（信号）の振幅が５ボルトに張り付いた状態であると、検出抵抗３２が短絡（ショート）したと判定する。

【0032】

マイコン４０のＣＰＵ４２は図４（ｅ）のように、接続点Ａでの電圧（信号）の振幅が４．５ボルト程度あると、カップリングコンデンサ３３が開放（オープン；切断）されていると判定する。

【0033】

マイコン４０のＣＰＵ４２は図４（ｆ）のように接続点Ａでの電圧（信号）の振幅が３．５ボルト程度あると、カップリングコンデンサ３３がショート（短絡）していると判定する。

【0034】

より具体的には、例えば、接続点Ａから取り出される信号の振幅が予め定めた範囲（例えば３．８〜４．２ボルトの範囲）から外れると、発振回路３１と検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３を含めた発振信号伝送系が異常であると判定する。

【0035】

ＣＰＵ４２は異常が発生したと判定すると、異常検出信号を外部のシステムＥＣＵ６０に出力する。
このようにして、電池監視ユニット２０で絶縁抵抗５３の異常（抵抗値の低下）を検出する絶縁異常検知装置において、カップリングコンデンサ３３の高圧側（車載バッテリ５０側）にスイッチ３６と擬似抵抗３４を設けている。そして、擬似的に絶縁させると同時に、即ち、擬似抵抗３４をカップリングコンデンサ３３と接地端子（２２）と間に接続すると同時に、車載バッテリ５０との接続を遮断させるようにした。これにより、車載バッテリ５０側とは遮断しているため、車載バッテリ５０側からのインバータのノイズ等の影響を受けることなく、正確にカップリングコンデンサ３３を含めた絶縁抵抗低下検出器３０の異常を検知することができる。

【0036】

以上のごとく本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）スイッチ３６は、カップリングコンデンサ３３の第２の電極（高圧側電極）が絶縁抵抗５３を介して接地される第１の状態と、カップリングコンデンサ３３の第２の電極（高圧側電極）が擬似抵抗３４を介して接地される第２の状態に切替可能である。第１の判定手段としてのＣＰＵ４２において、スイッチ３６により第１の状態にしたときにおいて検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３の間の接続点Ａから取り出される信号から絶縁抵抗５３の抵抗値の低下を検知する。また、第２の判定手段としてのＣＰＵ４２において、スイッチ３６により第２の状態にしたときにおいて検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３の間の接続点Ａから取り出される信号から発振回路３１と検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３を含めた発振信号伝送系の異常を検出する。

【0037】

よって、正確にカップリングコンデンサ３３を含めた自己診断を行うことができる。つまり、カップリングコンデンサ３３の異常を検出することができる。
（２）第２の判定手段としてのＣＰＵ４２は、検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３の間の接続点Ａから取り出される信号の振幅が予め定めた範囲から外れると、発振回路３１と検出抵抗３２とカップリングコンデンサ３３を含めた発振信号伝送系が異常であると判定するので、正確に異常判定することができる。

【0038】

（３）自己診断の際、スイッチ３６は図１に示す状態となっており、車載バッテリ５０とは遮断しているため、車載バッテリ５０側からのインバータのノイズ等の影響を受けない。

【0039】

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・上記実施形態ではＣＰＵ４２においてＡ／Ｄコンバータ４１の出力信号から振幅を求め、この振幅から異常の有無を判定してシステムＥＣＵ６０に異常検出信号を出力した。これに代わり、ＣＰＵ４２においてＡ／Ｄコンバータ４１の出力信号から振幅を求め、この振幅をシステムＥＣＵ６０に出力し、システムＥＣＵ６０において振幅から異常の有無を判定してもよい。

【0040】

・フィルタ回路３５は無くてもよい。
・負荷はインバータ５１と走行用モータ５２であったが、これに限定されるものではない。

【0041】

・発振回路３１から矩形波を出力したが、正弦波等であってもよい。

【符号の説明】

【0042】

１０…絶縁異常検出装置、２０…電池監視ユニット、３０…絶縁抵抗低下検出器、３１…発振回路、３２…検出抵抗、３３…カップリングコンデンサ、３４…擬似抵抗、３６…スイッチ、４２…ＣＰＵ、５０…車載バッテリ、５１…インバータ、５２…走行モータ、５３…絶縁抵抗。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】