(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車には、バッテリ(直流電源)とバッテリ電圧を昇圧させる昇圧コンバータが搭載されている。
【0003】
バッテリや昇圧コンバータ等の高電圧機器を車体(ボデー)から絶縁させるために、これら高電圧機器は絶縁抵抗を介して車体に支持される。絶縁劣化による高電圧機器と車体との導通を防ぐため、特許文献1には、絶縁抵抗の劣化を検出する検出装置が開示されている。また、特許文献2には、絶縁劣化の検出に加えてバッテリ電圧の検出も行う計測装置が開示されている。
【0004】
これらの検出装置や計測装置では、いわゆるフライングキャパシタ方式と呼ばれる計測が行われる。すなわち、バッテリに対して並列にキャパシタと電圧センサを接続させ、バッテリとキャパシタとを結ぶ正極配線及び負極配線にそれぞれリレーを設ける。さらにキャパシタと電圧センサとを結ぶ正極配線及び負極配線にそれぞれリレーを設ける。
【0005】
バッテリ電圧の測定に当たり、バッテリとキャパシタの間の一組のリレーをオンにしてバッテリの電荷をキャパシタにチャージ(蓄電)させる。次に当該一組のリレーをオフにするとともに、キャパシタと電圧センサの間の一組のリレーをオンにして、電圧センサにキャパシタ電圧を測定させる。このように、キャパシタを介してバッテリ電圧を検出する。なお、電圧検出から次の電圧検出までの間にキャパシタの電荷を空にする必要があるため、キャパシタは放電抵抗に接続される。放電抵抗は車体に接続(接地)される。
【0006】
絶縁抵抗の劣化検出に当たり、バッテリとキャパシタの間の一組のリレーの一方と、キャパシタと電圧センサの間の一組のリレーの一方をオンにする。このとき、絶縁抵抗RHp,RHnが劣化していると、
図10のような車体を介したループが形成され、キャパシタSSCに電荷がチャージされる。電圧センサにてキャパシタSSCの端子電圧を計測することで、絶縁抵抗RHp,RHnの劣化状況を判定することができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
<全体構成>
図1に、本実施形態に係る車両用の電源システム10を例示する。電源システム10は、バッテリ12、検出回路14、システムメインリレー16、昇降圧コンバータ18、及びインバータ20を備える。電源システム10は、絶縁抵抗RHp及びRHnを介して車体BD1,BD2に接続(接地)されている。
【0013】
システムメインリレー16によってバッテリ12と昇降圧コンバータ18が導通されると、昇降圧コンバータ18によってバッテリ12の電圧が昇圧される。昇圧後の直流電力はインバータ20によって交流電力に変換され、車両の駆動源である回転電機(図示せず)に供給される。
【0014】
検出回路14は、バッテリ12の電圧計測や、絶縁抵抗RHp及びRHnの劣化判定を行う。バッテリ12の電圧計測に当たり、第1正極側リレーSSR1及び第1負極側リレーSSR2をオンにする(閉じる)ことで、バッテリ12からキャパシタSSCに電荷がチャージされる。その後、第1正極側リレーSSR1及び第1負極側リレーSSR2をオフにするとともに第2正極側リレーSSR3及び第2負極側リレーSSR4をオンにすることで、キャパシタSSCの電圧が電圧センサ22によって計測される。
【0015】
絶縁抵抗RHp及びRHnの劣化判定では、車体を経由して絶縁抵抗RHpまたはRHnとキャパシタSSCとを繋ぐ回路を形成する。例えば後述する
図4のように絶縁抵抗RHpの劣化判定を行う際には第1負極側リレーSSR2及び第2正極側リレーSSR3をオンにする。このとき、車体BD1及び車体BD3を介して絶縁抵抗RHpとキャパシタSSCを含む回路が形成される。このときのキャパシタSSCにチャージされる電荷を検出することで、絶縁抵抗RHpの劣化状況の判定が可能となる。
【0016】
さらに本実施形態に係る電源システム10では、絶縁抵抗RHp,RHnの劣化時に検出回路14のリレーSSR1〜SSR4に耐電圧を超過するような高電圧が印加されることを防ぐために、2つのバイパス配線24,26(第1バイパス配線及び第2バイパス配線)を設けている。
【0017】
バイパス配線24(第1バイパス配線)は、検出回路14の接地配線28から第1負極側リレーSSR2及び第2負極側リレーSSR4をバイパスしてバッテリ12の負極に接続される。バイパス配線24には、負極から正極に向かう方向を順方向としたツェナーダイオードZD1(第1ツェナーダイオード)が設けられている。ツェナーダイオードZD1の降伏電圧は第1負極側リレーSSR2及び第2負極側リレーSSR4の耐電圧未満となるように定められている。
【0018】
絶縁抵抗RHpまたはRHnが劣化して、車体BD1〜BD3の電位が昇降圧コンバータ18の昇圧電圧VHと等しくなったときに、ツェナーダイオードZD1に印加される電圧が降伏電圧に達して導通状態となる。これにより、ツェナーダイオードZD1と並列接続された第1負極側リレーSSR2及び第2負極側リレーSSR4に印加される電圧はツェナーダイオードZD1の降伏電圧以下、つまり耐電圧以下となり、その結果、第1負極側リレーSSR2及び第2負極側リレーSSR4のオン故障が回避される。
【0019】
バイパス配線26(第2バイパス配線)は、第1正極側及び負極側リレーSSR1,SSR2ならびに第2正極側及び負極側リレーSSR3,SSR4よりもキャパシタSSC寄りに、キャパシタSSCに並列接続される。バイパス配線26には、順方向が逆方向となるように、2つのツェナーダイオードZD21,ZD22(第2ツェナーダイオード)が設けられている。
【0020】
ツェナーダイオードZD21,ZD22を設けることで、これらと並列に接続されたキャパシタSSCの電圧は、ツェナーダイオードZD21,ZD22の降伏電圧以下に抑えられる。本実施形態に係る電源システム10では、ツェナーダイオードZD21,ZD22の降伏電圧は所定のリレー保護電圧以下となるように設定されており、キャパシタSSCの電圧を抑えることで、周辺のリレーSSR1〜SSR4に過大な電圧が印加されるのを回避できる。
【0021】
<各構成の詳細>
バッテリ12は、複数の単電池を直列接続させた組電池から構成される。各単電池はリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の2次電池から構成される。
【0022】
システムメインリレー16は、バッテリ12と昇降圧コンバータ18(及びその後段のインバータや回転電機)との接続/遮断を行う。システムメインリレー16は、正極側(プラス側)にプラス側リレーSMRHが接続され、負極側(マイナス側)に、マイナス側リレーSMRLが接続される。さらに、マイナス側リレーSMRLとは並列に、プリチャージリレーSMRPが接続される。プリチャージリレーSMRPはレジスタ抵抗RRに接続される。プリチャージリレーSMRP及びレジスタ抵抗RRは、バッテリ12と昇降圧コンバータ18を繋ぐ際の突入電流を防止するために用いられる。
【0023】
昇降圧コンバータ18は、バッテリ12の電圧を昇圧させる昇圧コンバータと、回転電機(図示せず)からの回生電力を降圧させる降圧コンバータの2つの電圧変換機能を備える。昇降圧コンバータ18は、例えば2象限チョッパ回路を備えており、正極から負極に向かう方向を順方向としたIGBT等のスイッチング素子36,42と、これとは逆並列に接続されたダイオード38,44からなる2つのアーム、すなわち上アーム40及び下アーム34が直列に接続されている。上アーム40と下アーム34の間から一次側(バッテリ12側)に、バッテリ12と直列接続されたリアクトル32と、バッテリ12と並列接続された一次側平滑キャパシタ30Aが設けられる。さらに上アーム40及び下アーム34の二次側(回転電機側)に、両アーム34,40と並列に二次側平滑キャパシタ30Bが設けられる。
【0024】
インバータ20は昇降圧コンバータ18によって昇圧された直流電力を三相交流電力に変換して回転電機に供給する。また、回転電機から回生された三相交流電力を直流電力に変換して昇降圧コンバータ18に供給する。インバータ20は図示しないスイッチング素子を複数備えており、これらスイッチング素子のオンオフによって電力の交直変換及び直交変換が行われる。
【0025】
検出回路14は電池ECUとも呼ばれ、コンピュータの回路の一部として構成される。検出回路14は、バッテリ12の正負両端に接続される。
【0026】
検出回路14は、いわゆるフライングキャパシタ方式の電圧検出回路であって、バッテリ12と並列にキャパシタSSCが接続される。キャパシタSSCはいわゆる両極性型のキャパシタであって、図面上側を正極とし下側を負極とした電荷蓄積(チャージ)も、図面上側を負極とし下側を正極とした電荷蓄積も可能となっている。
【0027】
バッテリ12及びキャパシタSSCと並列に電圧センサ22が接続される。電圧センサ22の前段(キャパシタSSC側)に、作動増幅回路やA/Dコンバータが設けられていてもよい。
【0028】
バッテリ12とキャパシタSSCとを接続する正極配線46には第1正極側リレーSSR1が設けられ、負極配線48には第1負極側リレーSSR2が設けられる。また、キャパシタSSCと電圧センサ22とを接続する正極配線50には第2正極側リレーSSR3が設けられ、負極配線52には第2負極側リレーSSR4が設けられる。
【0029】
さらに、正極配線50及び負極配線52の、第2正極側リレーSSR3及び第2負極側リレーSSR4と電圧センサ22の間から分岐して、車体BD3に接続される接地配線28が設けられる。接地配線28は、正極配線50及び負極配線52からそれぞれ引き出された後に合流されて車体BD3に接続される。
【0030】
接地配線28には、放電抵抗R1,R2と絶縁抵抗R3が設けられる。放電抵抗R1は負極配線52から分岐して合流されるまでの経路に設けられ、放電抵抗R2は正極配線50から分岐して合流されるまでの経路に設けられる。絶縁抵抗R3は合流後車体BD3に至るまでの経路に設けられる。
【0031】
放電抵抗R1,R2は、電圧センサ22によるキャパシタSSCの電圧検出後に、キャパシタSSCの電荷を空(0[C])にするために設けられている。つまり、キャパシタSSCに蓄積された電気エネルギー(電力)が放電抵抗R1,R2にて消費されることでキャパシタSSCの電荷が空になる。
【0032】
なお、後述する絶縁抵抗RHp,RHnの劣化判定時であってキャパシタSSCに電荷を蓄積させる際に、電流が放電抵抗R1及びR2のどちらか一方を通過する。このとき、放電抵抗R1,R2の抵抗値が異なると、RC回路における時定数が異なり、絶縁抵抗RHp及びRHnの劣化判定ごとにキャパシタSSCのチャージ期間を異ならせる必要が生じる。時間管理の簡便化の観点から、放電抵抗R1及びR2の抵抗値は等しいことが好適である。
【0033】
本実施形態に係る検出回路14には、2つのバイパス配線24,26が設けられている。バイパス配線24(第1バイパス配線)は、接地配線28の合流点54と絶縁抵抗R3との間から第1及び第2負極側リレーSSR2,SSR4をバイパスしてバッテリ12の負極に接続される。バイパス配線24には、負極側から正極側に向かう方向を順方向とするツェナーダイオードZD1と、これとは対向するようにダイオードDD1が設けられる。後述するように、ツェナーダイオードZD1の降伏電圧は第1及び第2負極側リレーSSR2,SSR4の耐電圧未満となっており、車体BD3から高電圧が印加された際、第1及び第2負極側リレーSSR2,SSR4の耐電圧に達する前にツェナーダイオードZD1が降伏電圧に達して導通状態となる。その結果第1及び第2負極側リレーSSR2,SSR4への高電圧印加が回避される。
【0034】
バイパス配線26(第2バイパス配線)は、第1正極側及び負極側リレーSSR1,SSR2ならびに第2正極側及び負極側リレーSSR3,SSR4よりもキャパシタSSC寄りに、キャパシタSSCと並列接続される。バイパス配線26には対向してツェナーダイオードZD21,ZD22が設けられる。
【0035】
キャパシタSSCにツェナーダイオードZD21,ZD22が並列接続されているので、キャパシタSSCの上限電圧はツェナーダイオードZD21,ZD22の降伏電圧となる。本実施形態に係る電源システム10では、ツェナーダイオードZD21,ZD22の降伏電圧が所定のリレー保護電圧以下となるように設定されており、キャパシタSSCの蓄電時の上限電圧はこのリレー保護電圧以下に抑えられる。キャパシタSSCの上限電圧を抑えることで、周辺のリレーSSR1〜SSR4に過大な電圧が印加されるのを回避できる。
【0036】
なお、ツェナーダイオードZD21,ZD22とで降伏電圧が異なると、チャージ極性に応じてキャパシタSSCのチャージ電圧の上限値が異なることになる。そうなるとチャージ極性に応じて判定値を異ならせるなど、絶縁抵抗の劣化判定プロセスが煩雑になる。そこで、ツェナーダイオードZD21,ZD22の降伏電圧は等しいことが好適である。
【0037】
<通常時の検出回路の動作>
図2,
図3には、検出回路14によるバッテリ12の電圧検出時の動作が例示されている。まず、
図2のように、第1正極側リレーSSR1及び第1負極側リレーSSR2をオン状態とし、第2正極側リレーSSR3及び第2負極側リレーSSR4をオフ状態とする。このとき、
図2の破線で示すように、バッテリ12→第1正極側リレーSSR1→キャパシタSSC→第1負極側リレーSSR2→バッテリ12との電流の流れが形成され、バッテリ12によってキャパシタSSCに電荷がチャージされる。
【0038】
次に、
図3のように、第1正極側リレーSSR1及び第1負極側リレーSSR2をオフ状態とし、第2正極側リレーSSR3及び第2負極側リレーSSR4をオン状態とする。このとき、
図3の破線で示すように、キャパシタSSC→第2正極側リレーSSR3→電圧センサ22→第2負極側リレーSSR4→キャパシタSSCとの電流の流れが形成され、電圧センサ22によってバッテリ12の電圧が計測される。さらに破線の流れとは並列にキャパシタSSCから放電抵抗R1,R2に電流が流れることでキャパシタSSCの電荷が0になる。
【0039】
図4には、絶縁抵抗RHpの劣化判定時の動作が例示されている。第1正極側リレーSSR1をオフ状態とし、第1負極側リレーSSR2をオン状態とする。また、第2正極側リレーSSR3をオン状態とし、第2負極側リレーSSR4をオフ状態とする。このとき、破線で示すように、絶縁抵抗RHp→車体BD1→車体BD3→絶縁抵抗R3→放電抵抗R2→第2正極側リレーSSR3→キャパシタSSC→第1負極側リレーSSR2→バッテリ12→ダイオード44→絶縁抵抗RHpとの電流の流れが形成される。これに伴ってキャパシタSSCに電荷が蓄積される。その後、
図3のように各リレーSSR1〜SSR4のオンオフ状態を切り替えてキャパシタSSCの電圧を計測し、絶縁抵抗RHpの劣化状態が判定される。
【0040】
図5には、絶縁抵抗RHnの劣化判定時の動作が例示されている。第1正極側リレーSSR1をオン状態とし、第1負極側リレーSSR2をオフ状態とする。また、第2正極側リレーSSR3をオフ状態とし、第2負極側リレーSSR4をオン状態とする。このとき、破線で示すように、絶縁抵抗RHn→バッテリ12→第1正極側リレーSSR1→キャパシタSSC→第2負極側リレーSSR4→放電抵抗R1→絶縁抵抗R3→車体BD3→車体BD2→絶縁抵抗RHnとの電流の流れが形成される。これに伴ってキャパシタSSCに電荷が蓄積される。その後、
図3のように各リレーSSR1〜SSR4のオンオフ状態を切り替えてキャパシタSSCの電圧を計測し、絶縁抵抗RHnの劣化状態が判定される。
【0041】
なお、
図5では、スイッチング素子36,42がオフ状態であるなど、昇降圧コンバータ18が昇圧を行っておらず、バッテリ12の電圧が車体BD2よりも高い場合の電流の流れが示されている。昇降圧コンバータ18が昇圧中であって、バッテリ12の電圧が車体BD2よりも低くなると、
図6に示すように、電流の流れは逆になり、キャパシタSSCのチャージ極性は逆になる。
【0042】
<絶縁抵抗劣化時の検出回路の動作>
図7には、絶縁抵抗RHpの劣化時に、
図3のようにキャパシタSSCの電圧を電圧センサ22で計測するときの電流の流れが示されている。リレーSSR1〜SSR4のオンオフ状態は
図3と同様(SSR1:オフ、SSR2:オフ、SSR3:オン、SSR4:オン)である。また、昇降圧コンバータ18は稼働中(昇圧中)であるものとする。
【0043】
このとき、車体BD1及びBD3を介して昇降圧コンバータ18の昇圧電圧が検出回路14に印加される。車体BD3の電位がツェナーダイオードZD1の降伏電圧を超過することから、ツェナーダイオードZD1は導通状態となる。ツェナーダイオードZD1と並列関係にありオフ状態の第1負極側リレーSSR2の両端電圧はツェナーダイオードZD1の降伏電圧以下となり、昇圧電圧の印加が免れる。
【0044】
<ツェナーダイオードの降伏電圧の設定>
図7のような動作状態に基づいた、ツェナーダイオードZD1とツェナーダイオードZD21(及びZD22)の降伏電圧の設定について、
図8を用いて説明する。この図では、
図7と同様、第2正極側及び負極側リレーSSR3,SSR4がオン状態であり、第1正極側及び負極側リレーSSR1,SSR2がオフ状態となっている。またツェナーダイオードZD22の図示を省略している。
【0045】
このとき、絶縁抵抗RHpまたはRHnが劣化状態にあり、昇降圧コンバータ18が稼働中であると、車体BD3の電圧は昇降圧コンバータ18の昇圧電圧VHと等しくなる。また、接地配線28とバイパス配線24の接続点56における電位は、ツェナーダイオードZD1の降伏電圧V1(<VH)と等しくなる。
【0046】
さらにキャパシタSSCに電荷がチャージされている場合、その上限電圧はツェナーダイオードZD21の降伏電圧V2となる。このとき、放電抵抗R1及びR2の抵抗値が等しいとすると、放電抵抗R1及びR2の端子電圧はともにV2/2(V2×R2/(R1+R2)及びV2×R1/(R1+R2))となる。
【0047】
これらの電圧を加味すると、オフ状態の第1負極側リレーSSR2の両端に掛かる電圧は(V1+V2/2)となる。この電圧が第1負極側リレーSSR2の耐電圧未満となれば、第1負極側リレーSSR2のオン故障が免れる。つまり、第1負極側リレーSSR2の耐電圧をVuとすると、ツェナーダイオードZD21(及びZD22)に対するリレー保護電圧は、2(Vu−V1)未満となる。
【0048】
例えば第1負極側リレーSSR2の耐電圧Vuが600Vであり、ツェナーダイオードZD1の降伏電圧を450Vとした場合、(450+V2/2)<600から、ツェナーダイオードZD21の降伏電圧(リレー保護電圧)は300V以下となる。
【0049】
なお、ツェナーダイオードZD1,ZD21,ZD22のいずれも、降伏電圧が過度に低いとキャパシタSSCのチャージが十分に行えないことから、所定の下限値(例えば200V)以上の降伏電圧を有することが好適である。
【0050】
また、キャパシタSSCはツェナーダイオードZD21,ZD22と並列接続されていることから、バッテリ12の電圧計測や絶縁抵抗RHp,RHnの劣化判定は、ツェナーダイオードZD21,ZD22の降伏電圧以下の範囲で行うことが好適である。例えば、キャパシタSSCへの印加電圧が高いほどキャパシタSSCの端子電圧の増加率(dV/dt)が高いことを利用して、キャパシタSSCへのチャージ開始時点から所定のチャージ時間経過時点におけるキャパシタSSCの端子電圧をもとに、バッテリ12の電圧計測や絶縁抵抗RHp,RHnの劣化判定を行ってもよい。所定のチャージ時間とは、例えば、満充電状態のバッテリ12によりキャパシタSSCを充電させるに当たり、キャパシタSSCの電荷が空の状態からキャパシタSSCの端子電圧がツェナーダイオードZD21,ZD22の降伏電圧に到達するまでの時間であってよい。
【0051】
<第2実施形態>
図1〜
図8に示した検出回路14は、バッテリ12の正負両端にのみ接続されていたが、この形態に限らない。例えば
図9に示すように、複数の単電池をいくつかのバッテリユニット12A,12B・・・に分けてそれぞれの電圧を測定してもよい。この場合、バッテリユニット12Aの正極端に正極側リレーSSR1を接続するとともに負極端に負極側リレーSSR5を接続する。またバッテリユニット12Bの正極端に正極側リレーSSR6を接続するとともに負極端に負極側リレーSSR2を接続する。正極側リレーSSR1及び負極側リレーSSR5をオンにすることでバッテリユニット12AからキャパシタSSCに電荷が蓄積される。また、正極側リレーSSR6及び負極側リレーSSR2をオンにすることでバッテリユニット12BからキャパシタSSCに電荷が蓄積される。それ以外のリレー動作は
図3〜
図7と同様である。