特許 5972972 直流電力供給装置

(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】5972972

(24)【登録日】2016年7月22日

(45)【発行日】2016年8月17日

(54)【発明の名称】直流電力供給装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/16 20060101AFI20160804BHJP

   G01R 31/02 20060101ALI20160804BHJP

   B60L 3/00 20060101ALI20160804BHJP

【ＦＩ】

   H02H3/16 A

   G01R31/02

   B60L3/00 S

【請求項の数】14

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-514006(P2014-514006)

(86)(22)【出願日】2012年6月1日

(65)【公表番号】特表2014-519307(P2014-519307A)

(43)【公表日】2014年8月7日

(86)【国際出願番号】EP2012060396

(87)【国際公開番号】WO2012171818

(87)【国際公開日】20121220

【審査請求日】2015年5月28日

(31)【優先権主張番号】1154851

(32)【優先日】2011年6月1日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】510132347

【氏名又は名称】コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ

(74)【代理人】

【識別番号】100060759

【弁理士】

【氏名又は名称】竹沢 荘一

(74)【代理人】

【識別番号】100087893

【弁理士】

【氏名又は名称】中馬 典嗣

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル シャトルー

(72)【発明者】

【氏名】セバスティアン カルクェ

(72)【発明者】

【氏名】ジュリアン ドーシー

【審査官】 竹下 翔平

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００８／０８８４４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０８−１６３７０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１６９４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３６３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１３３０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２０３６０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ １／００−３／１２

７／００−１３／００

１５／００−１５／４２

Ｇ０１Ｒ ３１／０２−３１／０６

Ｈ０２Ｈ １／００−３／２５３

９９／００

Ｈ０２Ｊ １／００−１／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

− 自身の２つの端子間に公称電圧Ｖｍを出力する直流電圧源（２）と、
− 前記直流電圧源（２）の絶縁欠陥を検出するための検出装置（４）であって、
・ 前記直流電圧源の２つの端子の各１つにそれぞれ接続されている第１および第２の入力端子（４７、４８）、
・ 前記第１の入力端子（４７）と第２の入力端子（４８）との間で、互いに直列に接続されており、標準化されている安全閾値によって定められる最大絶縁欠陥電流をＩｍａｘとすると、Ｚｍｉｎ＝Ｖｍ／Ｉｍａｘで定義されるＺｍｉｎと、Ｚｍａｘ＝１．５×Ｖｍ／Ｉｍａｘで定義されるＺｍａｘとの間の範囲のインピーダンス値Ｚをそれぞれに有している第１および第２のインピーダンス素子（４１、４２）、および
・ 前記第１のインピーダンス素子（４１）と第２のインピーダンス素子（４２）との間の中間点（４９）と、電気的接地部との間に接続されている電流検出回路（４５）を
有している検出装置（４）とを備えている直流電力供給装置であって、
前記電流検出回路（４５）は、前記中間点（４９）から来る絶縁欠陥電流に比例した電圧を受ける入力端子を有するマイクロコントローラ（４５３）を備えており、該入力端子は、第３のインピーダンス素子（４５６）を介して、前記直流電圧源の電圧レベルの１／１０倍未満の電圧レベルＶｃｃを有する電圧供給源に接続されており、該入力端子は、さらに、第４のインピーダンス素子（４５７）を介して、前記電気的接地部（９３）に接続されており、前記マイクロコントローラ（４５３）は、その入力端子に印加される電圧の関数として、前記絶縁欠陥の大きさを特定するように構成されており、前記第３および第４のインピーダンス素子の各々は、Ｚｔｍｉｎ＝Ｚ×Ｖｃｃ／（４Ｖｍ）で定義されるＺｔｍｉｎと、Ｚｔｍａｘ＝Ｚ×Ｖｃｃ／（２Ｖｍ）で定義されるＺｔｍａｘとの間の範囲のインピーダンス値Ｚｔを有していることを特徴とする直流電力供給装置。

【請求項2】

前記第１および第２のインピーダンス素子（４１、４２）は、前記バッテリの端子の１つが前記電気的接地部に短絡しているときに、３．５ｍＡ未満の最大電流までしか流れないような定格を有している、請求項１に記載の直流電力供給装置。

【請求項3】

− 前記第１の入力端子と前記中間点との間で、前記第１のインピーダンス素子に直列に接続されている第３の断続器（４３）と、
− 前記第２の入力端子と前記中間点との間で、前記第２のインピーダンス素子に直列に接続されている第４の断続器（４４）と、
− 前記第３および第４の断続器のうちの一方を開いておくとともに、前記第３および第４の断続器のうちの他方を閉じておくことができるように構成されている制御回路（８）とを備えている、請求項１または２に記載の直流電力供給装置。

【請求項4】

前記第３のインピーダンス素子に並列に接続されている第１のダイオード（４５４）、および前記第４のインピーダンス素子に並列に接続されている第２のダイオード（４５５）を備えている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の直流電力供給装置。

【請求項5】

前記第３のインピーダンス素子（４５６）と第４のインピーダンス素子（４５７）とは、実質的に同一の特性を有する抵抗である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の直流電力供給装置。

【請求項6】

− 前記第３のインピーダンス素子に並列に接続されており、前記第３のインピーダンス素子のインピーダンス値より低いインピーダンス値を有している第５のインピーダンス素子（４６１）と、
− 前記第４のインピーダンス素子に並列に接続されており、前記第４のインピーダンス素子のインピーダンス値より低いインピーダンス値を有している第６のインピーダンス素子（４６２）と、
− 前記第５のインピーダンス素子に直列に接続されている第１の断続器（４６３）と、
− 前記第６のインピーダンス素子に直列に接続されている第２の断続器（４６４）とを備えている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の直流電力供給装置。

【請求項7】

前記第１の断続器（４６３）と第２の断続器（４６４）とを、一時的かつ同時に閉じることができるように構成されている制御回路（８）を備えている、請求項６に記載の直流電力供給装置。

【請求項8】

前記制御回路（８）は、前記絶縁欠陥の大きさが、ある閾値を超過したことを特定することができるように構成されており、かつこの特定がなされると、前記第１および第２の断続器を一時的に閉じるように構成されている、請求項７に記載の直流電力供給装置。

【請求項9】

前記マイクロコントローラ（４５３）は、前記中間点（４９）における電圧に比例した信号を発生させ、この発生させた信号を前記制御回路に供給する、請求項７または８に記載の直流電力供給装置。

【請求項10】

前記電圧供給源の電圧レベルは２５Ｖ未満である、請求項１〜９のいずれか１つに記載の直流電力供給装置。

【請求項11】

前記第１および第２のインピーダンス素子（４１、４２）は、１００ｋΩ以上のインピーダンス値を有している、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の直流電力供給装置。

【請求項12】

前記第１のインピーダンス素子と第２のインピーダンス素子とは、実質的に同一の特性を有する抵抗である、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の直流電力供給装置。

【請求項13】

− 直流電圧源がバッテリである、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の直流電力供給装置と、
− 直流／直流インターフェイスおよび交流／交流インターフェイスを有しており、該直流／直流インターフェイスに前記バッテリの２つの端子を接続されているインバータ（６）と、
− 前記インバータ（６）の交流／交流インターフェイスに接続されているモータ（７）とを備えている電動システム（１）。

【請求項14】

前記バッテリ（２）の端子間電圧は、１００Ｖを超えている、請求項１３に記載の直流電動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電力供給装置における大地に対する配電網の絶縁に関する。

【背景技術】

【0002】

高電力の直流電圧供給システムは、大きく発展しつつある。実際、多くの輸送システムは、直流電圧供給装置を備えている。

【0003】

特に、燃料／電気ハイブリッド自動車や電気自動車は、高電力バッテリを備えている。適切な電圧レベルを得るために、複数の電気化学蓄電池が、直列に配置される。高電力および高供給能力を得るためには、複数の蓄電池群が直列に配置される。ブロックの数（蓄電池群の数）、および各ブロックにおいて互いに並列に接続される単位蓄電池の数は、そのバッテリに要求される電圧、電流、および供給能力に応じて異なる。いくつかの単位蓄電池の組み合わせは、単位蓄電池が組み合わされたバッテリと呼ばれる。このような自動車用の電気化学蓄電池としては、限られた重量および体積において、相当のエネルギー量を蓄える能力を有するために、一般に、リチウムイオンタイプのものが用いられる。リン酸鉄リチウムイオン（ＬｉＦｅＰＯ_４）タイプのバッテリ技術が、エネルギー蓄積密度が若干低いにしても、高いレベルの安全性を内在的に保有するために、際立った開発対象となっている。

【0004】

このようなバッテリは、インバータを介して、交流モータを駆動するために用いられる。このような交流モータに必要な電圧レベルは、数百ボルト（通常、およそ４００ボルト）に達する。このようなバッテリは、さらに、電気モードにおける自動車の航続距離を長くするために、高い電力供給能力を有する。自動車への応用に特有のいくつかの技術的な理由によって、自動車の車体（自動車の金属シャーシおよび金属ボディシェルによって構成され、したがって、ユーザによってアクセス可能な部分）とバッテリの出力端子とは、互いに絶縁される。走行中の最初の絶縁欠陥の発生の際に、バッテリが駆動系から即時に電気的に切り離されるという危険は避けなければならないというのが、その主な理由である。例えばバッテリの一方の極の端子が車体に電気的に接続されており、他方の極の端子に絶縁欠陥が発生する場合を考える。この絶縁欠陥の発生によって短絡が生じ、保護ヒューズが即時に溶断する。これにより、自動車を危険な状態となる。駆動電力が消失し、または回生ブレーキが作動するために、必然的に、バッテリを絶縁し、絶縁モニタでその絶縁をチェックして、人間の安全を図らなければならなくなる。最初の絶縁欠陥の発生の際に、ユーザに対する危険がなかったとしても、バッテリの正極端子と負極端子との間の短絡を引き起こすことによって、バッテリを駆動系から電気的に切り離す効果を有する２回目の絶縁欠陥の発生の前に、この最初の絶縁欠陥に関して、ユーザに警告を与えることは適切なことである。さらに、この２回目の絶縁欠陥の発生の際に、バッテリ電圧が車体に直接印加されるから、ユーザは、このバッテリ電位にある車体に触れる可能性がある。このような電力源には、ユーザに対するこうした危険性が存在するために、極めて注意深く、バッテリと車体との間の絶縁および絶縁の監視を行わなければならない。自動車の全ての導電部分を、大地に対して絶縁しなければならない。この絶縁は、絶縁材料を用いてなされる。絶縁材料は、時間の経過とともに劣化し（振動、機械的な衝撃、塵芥などのために）、したがって、車体は、危険な電位に置かれる場合がある。

【0005】

さらに、配電網から電気的に絶縁されていない充電器を用いる場合がある。通常、充電中、車体は大地に接地され、従来用いられる中性線方式（ＴＴ方式）においては、常に、中性線が大地に接地されているから、充電中、車体は、バッテリの２つの電極のうちの１つの電位に接続されていることになる。したがって、充電中、絶縁材料の両境界間には、十分に制御された状態で、バッテリ電圧の半分しか印加されない標準的な場合と違って、バッテリの全電圧が印加される。したがって、この絶縁材料は、バッテリの全電圧に耐えることができず、即座に短絡をもたらす２回目の絶縁欠陥が発生する場合がある。

【0006】

従来技術による電気自動車は、通常、三相モータに電力を供給するためのバッテリを備えている。このバッテリは、電気化学蓄電池を有している。ヒューズを備えた保護装置が、バッテリの両端子に接続されている。さらに、絶縁監視装置がバッテリの両端子に接続され、また自動車の車体に接続されている。絶縁監視装置はコンピュータに接続されており、検出された絶縁欠陥を、そのコンピュータに通知する。このコンピュータは、車内ネットワークのバッテリから電力を供給される。遮断システムを介して、バッテリの両端子から、インバータの直流入力に、電圧（＋Ｖｂａｔ）、（−Ｖｂａｔ）が印加される。遮断システムには、コンピュータによって制御されるパワースイッチが設けられている。三相モータが、インバータの交流出力に接続されている。種々のタイプの絶縁監視装置が、従来公知である。

【0007】

特許文献１は、直流電圧配電網の絶縁を監視する絶縁監視装置を開示している。この特許文献１には、低周波（４〜１０Ｈｚの範囲の）の交流成分（約３０Ｖ）を放出する抵抗性ブリッジが開示されている。検出回路が、絶縁インピーダンス素子および測定抵抗を通って接地部まで流れる電流を測定する。このような検出回路の設計には、抵抗性ブリッジ内の抵抗との兼ね合いが考慮される。

【0008】

検出回路の測定精度を適切に保持するためには、抵抗性ブリッジにおいて、常時、相当量に及ぶ電流消費が誘発される。そのような電流消費は、組み込みシステムへの応用には、例えば電気自動車の航続距離の低下をもたらすために、望ましくないことがわかっている。さらに、このような絶縁監視装置は、特に、高直流電圧用に設計された低周波電源を用いるために、かなり高価である。さらに、検出回路は、一方の端子と接地部との間の絶縁欠陥しか検出することができず、他方の端子と接地部との間の絶縁欠陥を検出することはできない。さらに、このような絶縁監視装置は、交流電流がインバータ中に存在するコモンモードコンデンサを通るときに絶縁欠陥を検出するため、誤判定を起こすおそれがある。

【0009】

電気自動車１で通常行われる別の解決方法においては、絶縁監視装置に、抵抗性の分圧器を設け、マイクロコントローラを、分圧器の中間点と車体との間に接続している。中間点の両側における分圧器の抵抗は、同一の特性を有している。したがって、絶縁欠陥が存在しない場合には、マイクロコントローラの入力における電圧は０であり、絶縁欠陥の存在は通知されない。バッテリの両端子のうちの一方と車体との間に、絶縁欠陥が発生すると、分圧器の中間点の電位は変化する。すなわち、マイクロコントローラの入力に電圧が発生し、それに応じて、絶縁欠陥信号が生成される。

【0010】

処理回路が、中間点とマイクロコントローラの入力との間に接続されている。この処理回路は、特に、自動車の車内ネットワークに電力を供給するためのバッテリから引き出された−Ｖｃｃ電源（電圧値が−Ｖｃｃである）との間に、測定抵抗を接続されている。反転増幅器としての第１の演算増幅器が、電圧（−Ｖｃｃ）および電圧（＋Ｖｃｃ）を出力する２出力電源から電力を供給される。この第１の演算増幅器の非反転入力は、−Ｖｃｃ電源に接続されている。この第１の演算増幅器の反転入力は、第２の抵抗、および反転入力における電位をＶｃｃ／２だけ上昇させる加算回路を介して、中間点に接続されている。反転増幅器としての第２の演算増幅器には、電圧（−Ｖｃｃ）および電圧（＋Ｖｃｃ）を出力する２出力電源から、電力が供給される。この第２の演算増幅器の非反転入力は、−Ｖｃｃ電源に接続されている。この第２の演算増幅器の反転入力は、第３の抵抗を介して、第１の演算増幅器の出力に接続されている。第２の演算増幅器の出力は、マイクロコントローラの入力に接続されている。

【0011】

この解決方法を実施するためには、相当に大きな費用、および多数の部品を要することがわかっている。さらに、バッテリの種々の充電レベルに対して、十分な検出能力を確保するために、分圧器中の抵抗の抵抗値を、ほぼ５０ＫΩの比較的低い値としなければならない。したがって、これらの抵抗によって、相当的に大きな直流電力消費が生じ、バッテリによって与えられる走行距離が短縮される。さらに、処理回路によって、無視し得ない電力の消費が生じる。さらに処理回路は、負電圧と正電圧とを同時に供給する２出力電源を必要とし、そのため、費用および複雑さが増す。また、負電源（−Ｖｃｃ電源）は、上述の目的に用いるために必要とされるだけである。さらに、人体への電流の流入からのユーザの保護と、絶縁欠陥の大きさの特定のための十分な精度との両方が、同時になされることが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】フランス国特許公開第２６７１１９０号公報

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】ＮＦ ＥＮ６１８５１−２１（欧州統一規格６１８５１−２１にしたがうフランス規格）、８．２項、第８頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明は、上述の欠点の１つ以上を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

この目的の達成のために、本発明は、次のものを備えている電力供給装置を提供するものである。
− 自身が備えている２つの端子間に公称電圧Ｖｍを出力する、感電死を引き起こし得る直流電圧源と、
− 直流電圧源の絶縁欠陥を検出するための検出装置であって、
・ 直流電圧源の２つの端子の各１つにそれぞれ接続されている第１および第２の入力端子、
・ 第１の入力端子と第２の入力端子との間で、互いに直列に接続されており、標準化されている安全閾値によって定められる最大絶縁欠陥電流をＩｍａｘとすると、Ｚｍｉｎ＝Ｖｍ／Ｉｍａｘで定義されるＺｍｉｎと、Ｚｍａｘ＝１．５×Ｖｍ／Ｉｍａｘで定義されるＺｍａｘとの間の範囲のインピーダンス値Ｚをそれぞれに有している第１および第２のインピーダンス素子、および
・ 第１のインピーダンス素子と第２のインピーダンス素子との間の中間点と、電気的接地部との間に接続されている電流検出回路を有している検出装置。
電流検出回路は、中間点から来る絶縁欠陥電流に比例した電圧を受ける入力端子を有するマイクロコントローラを備えており、この入力端子は、第３のインピーダンス素子を介して、直流電圧源の電圧レベルの１／１０倍未満の電圧レベルＶｃｃを有する電圧供給源に接続されており、この入力端子は、さらに、第４のインピーダンス素子を介して、電気的接地部に接続されており、マイクロコントローラは、その入力端子に印加される電圧の関数として、絶縁欠陥の大きさを特定するように構成されており、第３および第４のインピーダンス素子の各々は、Ｚｔｍｉｎ＝Ｚ×Ｖｃｃ／で定義されるＺｔｍｉｎと、Ｚｔｍａｘ＝Ｚ×Ｖｃｃ／（２Ｖｍ）で定義されるＺｔｍａｘとの間の範囲のインピーダンス値Ｚｔを有している。

【0016】

一変形例によれば、第１および第２のインピーダンス素子は、バッテリの端子の１つが電気的接地部に短絡しているときに、３．５ｍＡ未満の最大電流までしか流れないような定格を有している。

【0017】

別の変形例によれば、電力供給装置は、次のものを備えている。
− 第１の入力端子と中間点との間で、第１のインピーダンス素子に直列に接続されている第３の断続器と、
− 第２の入力端子と中間点との間で、第２のインピーダンス素子に直列に接続されている第４の断続器と、
− 第３および第４の断続器のうちの一方を開いておくとともに、第３および第４の断続器のうちの他方を閉じておくことができるようになっている制御回路。

【0018】

別の一変形例によれば、電力供給装置は、第３のインピーダンス素子に並列に接続されている第１のダイオード、および第４のインピーダンス素子に並列に接続されている第２のダイオードを備えている。

【0019】

別の一変形例によれば、第３のインピーダンス素子と第４のインピーダンス素子とは、実質的に同一の特性を有する抵抗である。

【0020】

− 別の変形例によれば、電力供給装置は、次のものを備えている。
− 第３のインピーダンス素子に並列に接続されており、第３のインピーダンス素子のインピーダンス値より低いインピーダンス値を有している第５のインピーダンス素子と、
− 第４のインピーダンス素子に並列に接続されており、第４のインピーダンス素子のインピーダンス値より低いインピーダンス値を有している第６のインピーダンス素子と、
− 第５のインピーダンス素子に直列に接続されている第１の断続器と、
− 第６のインピーダンス素子に直列に接続されている第２の断続器。

【0021】

一変形例によれば、電力供給装置は、第１の断続器と第２の断続器とを、一時的かつ同時に閉じることができるようになっている制御回路を備えている。

【0022】

別の一変形例によれば、制御回路は、絶縁欠陥の大きさが、ある閾値を超過したことを特定することができるようになっており、かつこの特定がなされると、第１および第２の断続器を一時的に閉じるようになっている。

【0023】

別の一変形例によれば、マイクロコントローラは、中間点における電圧に比例した信号を発生させ、この発生させた信号を制御回路に供給するようになっている。

【0024】

さらなる一変形例によれば、電圧供給源の電圧レベルは２５Ｖ未満である。

【0025】

さらに別の一変形例によれば、第１および第２のインピーダンス素子は、１００ｋΩ以上のインピーダンス値を有している。

【0026】

さらなる一変形例によれば、第１のインピーダンス素子と第２のインピーダンス素子とは、実質的に同一の特性を有する抵抗である。

【0027】

本発明は、さらに、次のものを備えている電動システムを提供するものである。
− 直流電圧源がバッテリである上述の電力供給装置と、
− 直流／直流インターフェイスおよび交流／交流インターフェイスを有し、直流／直流インターフェイスにバッテリの２つの端子を接続されているインバータと、
− インバータの交流／交流インターフェイスに接続されているモータ。

【0028】

一変形例によれば、バッテリの端子間電圧は、１００Ｖを超えている。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】バッテリから電力を供給されるモータを備えている自動車の一例を示す概要図である。

【図2】絶縁欠陥を検出する検出装置の概要的な回路図である。

【図3】図２の検出装置の一制御相における回路図である。

【図4】図２の検出装置の別の一制御相における回路図である。

【図5】絶縁欠陥電流の振幅を特定することができる、絶縁欠陥電流検出回路の第１の実施形態の回路図である。

【図6】絶縁欠陥電流の振幅に応じて測定感度を変更することができる、絶縁欠陥電流検出回路の第２の実施形態の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

添付図面を参照して、完全に非限定的な例として以下に示す本発明に関する説明を読むことによって、本発明の他の特性および利点が明らかになると思う。

【0031】

本発明は、自身の２つの端子間に公称電圧Ｖｍを出力する、感電死を引き起こし得る直流電圧源を備えている電力供給装置を提供するものである。絶縁欠陥の検出装置が、直流電圧源の２つの端子の各１つにそれぞれ接続されている第１および第２の入力端子を有している。互いに直列に組み合わされた第１および第２のインピーダンス素子が、これらの２つの入力端子間に接続されている。電流検出回路が、第１のインピーダンス素子と第２のインピーダンス素子との間の中間点と、電気的接地部との間に接続されている。第１および第２のインピーダンス素子の各々は、Ｚｍｉｎ〜Ｚｍａｘの範囲のインピーダンス値Ｚを有している。Ｚｍｉｎ、Ｚｍａｘは、それぞれＺｍｉｎ＝Ｖｍ／Ｉｍａｘ、Ｚｍａｘ＝１．５×Ｖｍ／Ｉｍａｘで与えられる。Ｉｍａｘは、標準化されている安全閾値によって定められる最大絶縁欠陥電流である。電流検出回路は、中間点から来る絶縁欠陥電流に比例する電圧Ｖｃｃを受ける入力端子を有するマイクロコントローラを備えている。この入力端子は、それぞれ接地部および１つの電圧供給源に接続されている２つのインピーダンス素子の中間点に接続されている。これらの２つのインピーダンス素子の各々は、Ｚｔｍｉｎ〜Ｚｔｍａｘの範囲のインピーダンス値Ｚｔを有している。Ｚｔｍｉｎ、Ｚｔｍａｘは、それぞれＺｔｍｉｎ＝Ｚ×Ｖｃｃ／（４Ｖｍ）、Ｚｔｍａｘ＝Ｚ×Ｖｃｃ／（２Ｖｍ）で与えられる。電圧供給源の電圧レベルは、直流電圧源の電圧レベルの１／１０倍未満である。

【0032】

本発明は、最少限の部品、原価の低い部品、ならびにただ１つの電圧供給源しか有しない測定回路で、漏洩電流（絶縁欠陥電流）の測定を行なうことを可能にする。本発明は、さらに、人体への電流の流入から人間を確実に保護するとともに、絶縁欠陥電流の振幅を正確に特定することを可能にする。

【0033】

図１は、本発明の一実施形態を実装している自動車の一例を示す。この自動車１は、互いに直列に接続された複数の電気化学蓄電池２１を有するバッテリ２を備えている電気自動車（それ自体は公知である）である。バッテリ２は、互いに直列に接続された多数の電気化学蓄電池２１（必要な電圧、および用いられている電気化学蓄電池のタイプに依存して、通常、４０〜１５０個の範囲の）を有している。充電を完了したバッテリ２の端子間電圧は、通常、およそ４００Ｖである。バッテリ２は、第１の端子に電圧（＋Ｖｂａｔ）、第２の端子に電圧（−Ｖｂａｔ）を出力する。電気化学蓄電池２１は、電力コネクタを介して、互いに直列に接続されている。バッテリ２の両端子は、インバータ６の直流／直流インターフェイスに接続されている。モータ７が、インバータ６の交流／交流インターフェイスに接続されている。

【0034】

バッテリ２の両端子と、インバータ６の直流／直流インターフェイスとの接続は、保護回路３および電力結合回路５を介して行われている。保護回路３は、公知のように、短絡の際に接続を断つように構成されたヒューズを有している場合がある。電力結合回路５は、インバータ６の直流／直流インターフェイスへの、バッテリ２の両端子の接続および接続解除を選択的に行うことができる断続器５１および５２を有している。断続器５１および５２の開／閉は、制御回路８（通常、バッテリ２の動作を管理するためのコンピュータ）によって制御される。制御回路８は、通常、自動車１の車内ネットワークに電力を供給するためのバッテリ９１（バッテリ２の電圧レベルよりずっと低い電圧レベルを有する）から電力を供給される。制御回路８は、通常、自動車１の金属シャーシおよびボディシェル９２を含む、接地体である車体９３に接続されている。

【0035】

絶縁欠陥を検出するための検出装置４が、バッテリ２の両端子、および車体９３に接続されている。このような検出装置４の一実施形態が、図２に概略的に示されている。検出装置４は、それぞれ電力コネクタ９５および９６を介して、電圧（＋Ｖｂａｔ）および（−Ｖｂａｔ）が印加される入力端子４７および４８を有している。検出装置４は、第１の入力端子４７と第２の入力端子４８との間で、互いに直列に接続されている第１のインピーダンス素子４１および第２のインピーダンス素子４２（この例においては、どちらも抵抗）を有している。インピーダンス素子４１と４２とは、中間点４９を介して接続されており、実質的に同一のインピーダンス値を有していることが好ましい。第１の断続器４３が、第１の入力端子４７と中間点４９との間で、第１のインピーダンス素子４１に直列に接続されている。第２の断続器４４が、第２の入力端子４８と中間点４９との間で、第２のインピーダンス素子４２に直列に接続されている。断続器４３および４４は、この例においては、ＭＯＳ電界効果トランジスタである。当然ながら、他のタイプの断続器を用いることもできる。制御回路８は、断続器４３および４４のそれぞれの開／閉を制御する。検出装置４は、さらに、車体９３に接続されている。検出装置４は、中間点４９と車体９３との間に接続されている絶縁欠陥電流検出回路４５を有している。絶縁欠陥電流検出回路４５は、第１のインピーダンス素子４１と第２のインピーダンス素子４２とのうちの一方に直列に接続されている断続器が閉じられたときに、そのインピーダンス素子を通る絶縁欠陥電流が存在すれば、その絶縁欠陥電流を受けるように構成されている。

【0036】

図３に示すように、車体９３に対する、バッテリ２の（＋Ｖｂａｔ）側の端子の絶縁を検査するために、制御回路８は断続器４３を開き、断続器４４を閉じる。（しかしながら、断続器４３と４４とを同時に閉じることによって、車体９３に対する、バッテリ２の両端子の絶縁を検査しようとすることも可能である。）そうすると、絶縁欠陥電流検出回路４５は、バッテリ２の（−Ｖｂａｔ）側の端子と車体９３との間で、インピーダンス素子４２に直列に接続される。（＋Ｖｂａｔ）側の端子に絶縁欠陥が存在すれば、その絶縁欠陥を介して、（＋Ｖｂａｔ）側の端子と車体９３との間に、１つの回路が形成され、したがって、絶縁欠陥電流検出回路４５に絶縁欠陥電流が流れる。

【0037】

図４に示すように、車体９３に対するバッテリ２の（−Ｖｂａｔ）側の端子の絶縁を検査するために、制御回路８は断続器４４を開き、断続器４３を閉じる。そうすると、絶縁欠陥電流検出回路４５は、バッテリ２の（＋Ｖｂａｔ）側の端子と車体９３との間で、インピーダンス素子４１に直列に接続される。（−Ｖｂａｔ）側の端子に絶縁欠陥が存在すれば、その絶縁欠陥を介して、（−Ｖｂａｔ）側の端子と車体９３との間に、１つの回路が形成され、したがって、絶縁欠陥電流検出回路４５に絶縁欠陥電流が流れる。

【0038】

断続器４３および４４を用いると、断続器４３および４４を閉じておく期間を非常に短くする（デューティ比を非常に低くする）ことができるから、検出装置４による電力消費を非常に低減させることができる。したがって、検出装置４は、バッテリ２によって得られる走行距離に、ごくわずかしか影響を与えない。例えば自動車１の操作中、２〜３０秒の範囲の時間間隔で（例えば１０秒ごとに）、各断続器４３および４４を閉じることができる。自動車１の電気回路における電磁障害の発生を制限するために、トランジスタである断続器４３および４４のスイッチング速度は十分に低くされる。断続器４３および４４の閉路操作のデューティ比を非常に小さくすることによって、インピーダンス素子４１および４２に対して、かなり小さなインピーダンス値を用いることができる。それによって、バッテリ２によって与えられる航続距離をあまり損ねることなく、検出装置４の感度を上げることができる。車体９３（例えば自動車１のボディシェル）が、ユーザにとってアクセス可能である場合には、最初の絶縁欠陥の発生時に、この車体を通る最大電流は、標準化されている安全閾値によって定められる最大絶縁欠陥電流Ｉｍａｘ未満でなければならない。絶縁欠陥電流は、例えば３．５ｍＡ（具体的には、非特許文献１に開示されているＩｍａｘの値）未満に規定される。そのためには、各インピーダンス素子４１および４２は、最小でもＺｍｉｎに等しいインピーダンス値を有していなければならない。Ｚｍｉｎは、Ｚｍｉｎ＝Ｖｍ／Ｉｍａｘで与えられる。Ｖｍは、バッテリ２によって、入力端子４７と４８との間に印加される公称電圧である。インピーダンス素子４１および４２として、一般に、１００ｋΩを超過する抵抗値を有する抵抗が用いられる。抵抗であるインピーダンス素子４１および４２は、バッテリ２の充電のために絶縁されていない外部充電器が用いられる際に、配電網から生じる過電圧から、トランジスタである断続器４３および４４を保護することができる保護抵抗としても用いることができる。抵抗であるインピーダンス素子４１および４２は、さらに、絶縁欠陥電流検出回路４５を通る電流の振幅を減衰させる減衰抵抗としても働く。

【0039】

絶縁欠陥検出の閾値を十分に低く保つために、各インピーダンス素子４１および４２は、最大でも、Ｚｍａｘに等しいインピーダンス値Ｚを有するべきである。Ｚｍａｘは、Ｚｍａｘ＝１．５×Ｖｍ／Ｉｍａｘで得られる。

【0040】

インピーダンス素子４１および４２は、互いに直列に接続されている、いくつかの抵抗で形成されていることが好ましい。互いに直列に接続されているそれらの抵抗のうちの１つが短絡しても、互いに直列に接続されている残りの抵抗が、検出装置４の短絡を防止する。

【0041】

インピーダンス素子４１および４２は、開路故障モードを有していることが好ましく、例えば巻線抵抗の形態で実装されている。インピーダンス素子４１および４２のどちらかが故障しても、検出装置４は短絡から免れる。

【0042】

図５は、絶縁欠陥電流の振幅を特定し、したがってその時間発展を分析することができる、絶縁欠陥電流検出回路４５の第１の実施形態を示す。絶縁欠陥電流検出回路４５は、マイクロコントローラ４５３を有している。マイクロコントローラ４５３は、入力４９１および車体９３に接続されており、Ｖｃｃ電源から電圧Ｖｃｃを供給されている。Ｖｃｃ電源は、バッテリ９１から引き出すことができる。この電圧Ｖｃｃは、例えば３．３Ｖであり、電子回路に供給される極めて一般的な電圧レベルと一致している。抵抗４５６が、Ｖｃｃ電源と入力４９１との間に接続されている。ダイオード４５４が、抵抗４５６に並列に接続されていることが好ましい。抵抗４５７が、Ｖｃｃ電源と入力４９１との間に接続されている。ダイオード４５５が、抵抗４５７に並列に接続されていることが好ましい。車体９３に触れているユーザの安全を確実に守るとともに、絶縁欠陥電流検出回路４５を低電圧部品で構成することができるように、直列に組み合わされている抵抗４５６および４５７の端子に印加される電圧Ｖｃｃは、直流電圧源の電圧レベル（バッテリ２の公称電圧レベル）の１／１０倍未満に設定される。

【0043】

抵抗４５６と４５７とは、同じ抵抗値を有している。絶縁欠陥電流が存在しない場合には、入力４９１における電圧値はＶｃｃ／２である。

【0044】

いかなる絶縁欠陥電流も、その向きに拘わらず、入力４９１における電圧に変更を与える。入力端子４７側に絶縁欠陥が存在する場合には、マイクロコントローラ４５３の入力４９１で読み出される電圧は、（Ｒ／２）×Ｉｄｅｆ（Ｒ：抵抗４５６または４５７の抵抗値、Ｉｄｅｆ：中間点４９から来る絶縁欠陥電流値）の値に達し得る大きさだけ、Ｖｃｃ／２より高くなる。入力端子４８側に絶縁欠陥が存在する場合には、マイクロコントローラ４５３の入力４９１で読み出される電圧は、（Ｒ／２）×Ｉｄｅｆの値に達し得る大きさだけＶｃｃ／２より低くなる。

【0045】

入力４９１で読み出される電圧値の関数として、マイクロコントローラ４５３は、絶縁欠陥の大きさを正確に特定することができる。この特定は、極めて単純な回路を用いて行われ、逆極性の電圧を出力する電圧供給源の使用も要しない。入力４９１で読み出された電圧値を、制御回路８に供給することができる。マイクロコントローラ４５３は、例えば入力４９１における電圧に比例する振幅を有する信号を発生させ、この信号を、制御回路８に供給することができる。

【0046】

電圧Ｖｃｃを、抵抗４５６を介して入力４９１に接続し、かつマイクロコントローラ４５３への供給電圧にあてていることが有利である。したがって、単一の１出力電源しか必要でなく、バッテリ９１の電圧から容易に引き出すことができる。社内ネットワークのバッテリは、通常、自家用車においては１４Ｖ未満の公称電圧を、バスやトラックにおいては２５Ｖ未満の公称電圧を有する。

【0047】

ダイオード４５４および４５５は、特に、絶縁されていない充電器が用いられているときに、配電網から入ってくる過電圧からマイクロコントローラ４５３を保護することができるという利点を有する。実際、コモンモードまたは差動モードにおいて、バッテリ２の端子間に著しく高い電圧が発生すると、この電圧は、抵抗４５６または４５７に大きな電流を流すように働き、入力４９１に過電圧が発生する危険性をもたらす。このとき、ダイオード４５４および４５５は、入力４９１における電圧を、−Ｖｄ〜Ｖｃｃ＋Ｖｄ（Ｖｄ：ダイオード４５６および４５７の閾値電圧）の範囲の値に制限することを可能にする。ダイオード４５４および４５５は、さらに、良好な測定感度と電力消費の低減との両方を実現することを可能にする。抵抗４５６および４５７の抵抗値を低くすると、ダイオード４５４および４５５は、大きすぎる絶縁欠陥電流を一定の振幅にクリップするか、または小さな絶縁欠陥電流に対する測定感度を良好にすることができる。

【0048】

車体９３の電位は、実際には、中間点４９の電位に等しくなるのではなくて、Ｖｃｃ／２だけ異なる電位になる。Ｖｃｃの値（通常、２５Ｖ未満）を考えると、車体９３の電位と、中間点４９の電位とのこの違いは、動作の面からも安全の面からも、いかなる問題も発生させない。

【0049】

図６は、漏洩電流（絶縁欠陥電流）の振幅の関数として測定感度を変更することができる、絶縁欠陥電流検出回路４５の第２の実施形態を示している。この実施形態の絶縁欠陥電流検出回路は、抵抗４５６および４５７と並列に、切り替え可能ないくつかの抵抗が接続されているということを除いて、図５の絶縁欠陥電流検出回路と同じである。

【0050】

絶縁欠陥電流検出回路４５は、例えば抵抗４５６に並列に接続されている抵抗４６１および断続器４６３、同じく抵抗４５６に並列に接続されている抵抗４６５および断続器４６７、抵抗４５７に並列に接続されている抵抗４６２および断続器４６４、同じく抵抗４５７に並列に接続されている抵抗４６６および断続器４６８を有している。

【0051】

抵抗４６１の抵抗値は、抵抗４５６の抵抗値よりも低い。同様に、抵抗４６５の抵抗値は、抵抗４６１の抵抗値よりも低い。抵抗４６２の抵抗値は、抵抗４５７の抵抗値よりも低い。同様に、抵抗４６６の抵抗値は、抵抗４６２の抵抗値よりも低い。

【0052】

マイクロコントローラ４５３によって検出される絶縁欠陥電流が存在しない場合には、制御回路８は、断続器４６３、４６４、４６７、および４６８を開き続けている。マイクロコントローラ４５３または制御回路８は、入力４９１において測定される電圧が、あらかじめ定められた第１のシフト閾値を超過して変化したときに、絶縁欠陥が存在すると判定する。第１のシフト閾値を超過する、この変化が発生すると、制御回路８は、マイクロコントローラ４５３の測定感度を上げるために、断続器４６３および４６４を閉じる。断続器４６３および４６４を閉じるこの操作は、電力消費の低減のために、どちらも一時的であり、かつ同時に行われる。入力４９１において測定される電圧が、あらかじめ定められた第２のシフト閾値を超過して変化したときに、制御回路８は、マイクロコントローラ４５３の測定感度をさらに上げるために、断続器４６７および４６８を閉じる。断続器４６７および４６８を閉じるこの操作は、電力消費の低減のために、どちらも一時的であり、かつ同時に行われる。

【0053】

車体９３と、バッテリ２の端子の１つとの間で短絡が生じたときに、入力４９１における電圧を、接地電圧とＶｃｃとの間の範囲にとどめるために、各抵抗４５６および４５７の抵抗値は、最大でもＺｔｍａｘである。Ｚｔｍａｘは、Ｚｔｍａｘ＝Ｚ×Ｖｃｃ／（２Ｖｍ）で与えられる。入力４９１における電圧を、絶縁欠陥の大きさの特定に対して最適な精度を保証することができるほどに十分に大きく保つために、各抵抗４５６および４５７の抵抗値は、最小でもＺｔｍｉｎである。Ｚｔｍｉｎは、Ｚｔｍｉｎ＝Ｚ×Ｖｃｃ／（４Ｖｍ）で与えられる。

【0054】

交流電気機器において、最も一般的な中性線方式は、次のとおりである。
− ＴＴ方式：電源側で機器の中性線が大地に接地され、機器側で金属性の機器本体（保護導体）が大地に接地される。
− ＴＮ方式：電源側で機器の中性線が大地に接地され、機器側で金属性の機器本体が中性線に接続される。
− ＩＴ方式：電源側で機器の中性線が大地から絶縁されるか、または高インピーダンスを介して大地に接続され、機器側で金属性の機器本体が大地の接続部に接地される。

【0055】

したがって、このような中性線方式は、一方において、中性線がどのように接続され、他方において、ユーザ側で機器本体がどのように接続されるかを定めている。接地のレイアウトは、絶縁欠陥を抑制して、人間および設備を保護することを目的として定められている。

【0056】

バッテリ２に対する接地レイアウトは、配電網の中性線のＩＴ方式と同等に扱うことができる。すなわち、中性線が大地から絶縁されており、車体が大地に接続されている（走行中、車体はタイヤによって大地からは絶縁されているが）。このような接地レイアウトによって、最初の絶縁欠陥の発生の際に、継続して自動車を操作することができる。したがって、ユーザは、十分に安全な状態で自動車を停止させるように、自動車を制御し続けることができる。

【0057】

配電網によるバッテリ２の充電を確実に行うために、一般に、配電網に接続されている交流的に絶縁された充電器が、バッテリ２に接続されている。この場合には、中性線方式は、ＩＴ方式に保たれる。一方、ガルバニック絶縁を施された充電器は、非絶縁型の充電器よりも高価である。非絶縁型の充電器を用いた場合には、充電中、中性線方式はＴＴ方式に戻される。これによって、配電網の正の半周期の間、バッテリ２の（−Ｖｂａｔ）電位側の端子に大地が接続されることになる。したがって、配電網の正の半周期の間、大地を通って、電流が流れる。

【符号の説明】

【0058】

１ 電気自動車
２ 直流電圧源（バッテリ）
３ 保護回路
４ 検出装置
５ 電力結合回路
６ インバータ
７ モータ
８ 制御回路
４１、４２ インピーダンス素子
４３、４４、５１、５２、４６３、４６４、４６７、４６８ 断続器
４５ 絶縁欠陥電流検出回路
４７、４８ 入力端子
４９ 中間点
９２ ボディシェル
９３ 車体
９５、９６ 電力コネクタ
４５３ マイクロコントローラ
４５４、４５５ ダイオード
４５６、４５７、４６１、４６２、４６５、４６６ 抵抗
４９１ 入力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】