(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換して、該交流電力により電動機を駆動する駆動システムの地絡検出装置であって、
前記直流電源の電源線にカップリングコンデンサを介して接続され、周期波形を有する地絡検査信号を前記カップリングコンデンサを介して前記直流電源の電源線に印加する検査信号出力回路と、
前記電源線にカップリングコンデンサを介して接続され、地絡検査信号印加時の応答波形を検出し、該応答波形の振幅の変化に基づいて前記直流電源を含む直流側の地絡を検出する直流側地絡検出回路と、
前記電源線にカップリングコンデンサを介して接続され、前記電動機を含む交流側が地絡した場合に該電動機の誘起電圧に起因して前記応答波形に重畳するように発生する振幅波を検出し、該振幅波の包絡線を抽出する抽出回路と、
前記包絡線の電圧レベルを測定する測定回路と、
前記測定回路で測定された電圧レベルと地絡判定値とを比較して、交流側に地絡が発生したか否かを判定する判定回路と、を備え、
前記地絡判定値は、前記電動機の回転数に応じて設定されることを特徴とする地絡検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の地絡検出装置において、
前記判定回路は、前記測定回路で測定された電圧レベルと予め設定された基準電圧レベルとの差分と、前記地絡判定値とを比較することを特徴とする地絡検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の地絡検出装置において、
前記直流側地絡検出回路は、周期波形を有する前記応答波形の振幅値が予め設定された地絡相当振幅値よりも小さい場合に、直流側に地絡が発生したと判定することを特徴とする地絡検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の地絡検出装置において、
前記電動機が停止している時には前記直流側地絡検出回路による直流側の地絡検出を行わせ、前記電動機が動作している時には、前記抽出回路による抽出、前記測定回路による測定および前記判定回路による交流側の地絡判定を行わせる、制御手段を備えることを特徴とする地絡検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の地絡検出装置において、
前記制御手段は、交流側および直流側の少なくとも一方に地絡が検出されると、前記駆動システムを停止する指令を出力することを特徴とする地絡検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の地絡検出装置において、
前記抽出回路は、包絡線検波回路であることを特徴とする地絡検出装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の地絡検出装置において、
前記抽出回路は、全波整流回路であることを特徴とする地絡検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地絡検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車およびハイブリッド自動車においては、電動機やインバータ等の機器を動作させるために高電圧のバッテリが搭載されることから、高電圧から乗車人員を保護するための地絡検出手段を備えることが必要である。そのため、高電圧から乗車人員を保護するための技術基準が策定されている。例えば、活電部と電気的シャシとの間の絶縁抵抗を監視し、絶縁抵抗値が作動電圧１Ｖ当たり１００Ωに低下するまでに運転者へ警告するような装置の、実装が必要とされている。
【０００３】
従来の地絡検出装置は、主に高電圧バッテリ側の直流側で地絡が発生した場合の検出が対象となっている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の地絡検出方法では、地絡検出信号を検出抵抗およびカップリングコンデンサを介して直流電源回路に供給する。そして、検出抵抗とカップリングコンデンサとの接続点である地絡検出点の電圧振幅を、周期波形（地絡検出信号）の周期の１／２となるサンプリング周期でサンプリングし、サンプリング周期の奇数番目と偶数番目に検出した電圧振幅値との差分を求めて地絡を判定するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６７８１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された方法は、バッテリ側（直流側）の地絡を検出する構成であるため、電動機側（交流側）の地絡を検出するのは困難であった。また、交流側で地絡が発生した場合、Yコンデンサ経由で電動機の回転数に応じた振幅波が周期波形に重畳されるため上述した地絡判定が困難になる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、直流電源からの直流電力を交流電力に変換して、該交流電力により電動機を駆動する駆動システムの地絡検出装置であって、直流電源の電源線にカップリングコンデンサを介して接続され、周期波形を有する地絡検査信号をカップリングコンデンサを介して直流電源の電源線に印加する検査信号出力回路と、電源線にカップリングコンデンサを介して接続され、地絡検査信号印加時の応答波形を検出し、該応答波形の振幅の変化に基づいて直流電源を含む直流側の地絡を検出する直流側地絡検出回路と、電源線にカップリングコンデンサを介して接続され、電動機を含む交流側が地絡した場合に該電動機の誘起電圧に起因して応答波形に重畳するように発生する振幅波を検出し、該振幅波の包絡線を抽出する抽出回路と、包絡線の電圧レベルを測定する測定回路と、測定回路で測定された電圧レベルと地絡判定値とを比較して、交流側に地絡が発生したか否かを判定する判定回路と、を備え、地絡判定値は、電動機の回転数に応じて設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、交流側の地絡を容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の地絡検出装置の第１の実施の形態を説明する図である。
【図２】交流側に地絡が発生した場合を説明する図である。
【図３】振幅波を説明する図である。
【図４】検波回路の第１の例を示す図である。
【図５】検波回路の第２の例を示す図である。
【図６】本発明の地絡検出装置の第２の実施の形態を説明する図である。
【図７】第２の実施における検波回路４１の一例を示す図である。
【図８】バッテリ側地絡検査における、検査信号の波形と応答波形とを示す図である。
【図９】電動機側地絡検査における、検査信号の波形と応答波形と包絡線とを示す図である。
【図１０】地絡検出動作の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明の地絡検出装置の第１の実施の形態を説明するための図である。ここでは、バッテリにより電動機をインバータ駆動する車両駆動システムにおける、地絡検出装置を例に説明する。なお、第１の実施の形態では、電動機側（交流側）の地絡検出について説明する。
【００１０】
駆動システムは、メインコントローラ１、三相交流電動機（以下では電動機と呼ぶ）１０、インバータ２０、直流電源としてのバッテリ３０および地絡検出装置４０を備えている。バッテリ３０は、高電圧直流電源（例えば出力電圧VB=340V）として設けられたバッテリ群であり、車体（図示無し）と電気的に絶縁されている。バッテリ３０とインバータ２０とは、直流正極給電線であるプラス母線６１と直流負極給電線であるマイナス母線６２とで接続されている。インバータ２０は直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であり、バッテリ３０からインバータ２０に直流電力が供給され、インバータ２０は直流電力を交流電力に変換して電動機１０に供給する。
【００１１】
コンデンサ５１は、スイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するものである。また、プラス母線６１およびマイナス母線６２には、直流電源に重畳するノイズを除去するためのラインバイパスコンデンサ（Ｙコンデンサ）５０が設けられている。インバータ２０から電動機１０への交流給電は、Ｕ相線６３、Ｖ相線６４、Ｗ相線６５により行われる。電動機１０の回転数は回転数センサ１１により検出され、検出信号はメインコントローラ１に入力される。
【００１２】
プラス母線６１には地絡検出装置４０が接続されている。なお、地絡検出装置４０は、マイナス母船６２に接続しても構わない。地絡検出装置４０は、検波回路４１と地絡測定回路４２とを備えている。検波回路４１は電動機地絡時に電源線に発生する振幅波から包絡線を抽出する回路であり、カップリングコンデンサ４３を介してプラス母線６１に接続されている。カップリングコンデンサ４３により、プラス母線６１の直流成分が遮断される。地絡測定回路４２は、検波回路４１で検出される包絡線の電圧レベルを監視し、電圧レベルが閾値を超えたときに、電動機側に地絡が発生したと判定する。
【００１３】
図２は交流側に地絡が発生した場合を説明する図である。ここでは、電動機１０のＷ相線で地絡が発生した場合を示しており、地絡により地絡抵抗７０がＷ相線と接地電位との間に等価的に発生する。ところで、電動機１０が回転すると固定子巻線に誘起電圧が発生するので、回転している電動機１０は電圧源とみなすことができる。そのため、電動機負荷の交流側で地絡が発生した場合、この電圧源の影響で電圧レベルの変動である振幅波が電源線に発生する。
【００１４】
例えば、図２に示すように電動機１０のＷ相で地絡が発生すると、電圧源は、他の相（Ｕ相、Ｖ相）で発生する２相交流分となる。図２において、符号８０の矢印で示すように、発生した振幅波が、地絡抵抗７０〜Ｙコンデンサ５０の接地箇所〜カップリングコンデンサ４３の経路で、地絡検出装置４０に入力される。
【００１５】
図３は、電動機地絡時に発生する振幅波を説明する図であり、縦軸は電圧レベルを示す。図３（ａ）は電動機１０が地絡していない場合の波形例を示す。この場合には振幅波は発生しないので、カップリングコンデンサ４３を介して接続された地絡検出装置４０側の電圧レベル１００は一定となる。一方、電動機１０に地絡が発生すると、電源線の電圧に前述した振幅波が重畳し、図３（ｂ）、（ｃ）に示すような振幅波１０１、１０２が検出される。
【００１６】
振幅波１０１、１０２の周波数は、電動機１０の特性（回転数、極数など）によって変化する。具体的には、振幅波の周波数は、f=NP/120（N：回転数、P極数）の式から算出される値にリンクしている。図３（ｂ）は回転数が低い場合を示し、図３（ｃ）は回転数が高い場合を示す。また、振幅波は回転数Ｎにリンクした周波数成分を持つとともに、回転数Ｎが高いほど振幅値が小さい。
【００１７】
本実施の形態では、このような電圧レベルの変動、すなわち、図３（ａ）のライン１００で示す基準レベルからの変動ΔＶを監視することで地絡発生を判定するようにした。ライン１１１，１１２は、それぞれ振幅波１０１、１０２に対する包絡線である。包絡線１１１，１１２の電圧レベルは、基準電圧レベルに対してΔＶ１，ΔＶ２だけ高くなっている。例えば、このような電圧レベルの変動ΔＶ１，ΔＶ２が閾値を越えた場合に地絡発生と判定するが、回転数Ｎにより変動ΔＶは異なるので、閾値の設定は回転数センサ１１によって検出される回転数に応じて行う。
【００１８】
例えば、回転数に応じた複数の閾値をテーブルとして記憶しておき、検出された回転数とテーブルとから閾値を選択する。地絡判定を地絡検出装置４０で行う場合には、テーブルを地絡検出装置４０内に記憶しておき、地絡判定をメインコントローラ１で行う場合には、テーブルはメインコントローラ１内に記憶される。テーブルに代えて、計算式に回転数を代入して閾値を設定するようにしても良い。
【００１９】
前述したように、検波回路４１は振幅波の包絡線を抽出する回路であり、具体的には、図４や図５に示すような構成を有している。図４に示す第１の例はいわゆる包絡線検波回路であり、ダイオード検波（ダイオードＤ０１）の後段に抵抗Ｒ０１とコンデンサＣ０１を組み合わせた時定数回路をもつ構成となっている。時定数を検波する信号の周期に合わせることで，信号波形の包絡線を抽出することができる。カップリングコンデンサ４３を介して入力される振幅波はダイオードＤ０１で整流される。その出力の高周波成分はコンデンサＣ０１で除去され、低周波成分はコンデンサＣ０１で平滑される。
【００２０】
なお、コンデンサＣ０１と抵抗Ｒ０１の時定数が大きすぎると、コンデンサＣ０１の放電による電圧降下の傾斜が振幅波の包絡線の傾斜より緩やかになり、正常な出力波形が得られないので、検波回路４１では、出力波形が入力波形の包絡線に近い波形となるように、コンデンサＣ０１と抵抗Ｒ０１の時定数を適切に設定する。検波回路４１は、部品点数が少なく、部品自体も安価であるためコストを低く抑えることができる。
【００２１】
地絡測定回路４２は、検波回路４１で得られた包絡線の電圧を検出する。この検出した電圧を基準電圧レベルとの差分をとることにより、ΔＶ１，ΔＶ２が得られる。地絡測定回路４２はΔＶ１，ΔＶ２に基づいて地絡判定を行うが、例えば、ΔＶ１，ΔＶ２が閾値を超えた場合に地絡発生と判定する。その場合、変動ΔＶは回転数により異なるので、地絡判定の閾値は回転数に応じて設定する。
【００２２】
図５に示す第２の例では、検波回路４１を、４つのダイオードＤ０２〜Ｄ０５を備えた全波整流回路で構成した。入力された振幅波はブリッジダイオードで全波整流され、その出力を抵抗Ｒ０２とコンデンサＣ０２との並列回路で受けるようにした。
【００２３】
このように、第１の実施の形態では、検波回路４１を備えることにより、電動機側の地絡によって生ずる振幅波の包絡線を抽出し、その包絡線の電圧レベルの変動に基づいて電動機側に地絡が発生したか否かを検出するようにした。そのため、容易に電動機側の地絡を検出することができる。また、包絡線の電圧レベルは電動機の回転数によって変化するが、地絡判定の閾値を電動機の回転数に応じて設定するようにしたので、地絡判定をより確実に行うことができる。さらに、包絡線の電圧レベルを判定する構成であるため、包絡線を検出する回路が簡単になり、低コストで対応ができる。
【００２４】
−第２の実施の形態−
図６は本発明の地絡検出装置の第２の実施の形態を説明するための図である。地絡検出装置４０は、検波回路４１と、地絡測定回路４２と、カップリングコンデンサ４３と、波形出力回路４４とを備える。第１の実施の形態では、電動機側の地絡を検出する地絡検出装置について説明したが、第２の実施の形態では、電動機側（交流側）の地絡とバッテリ側（直流側）の地絡の両方を検出できる構成とした。そのため、検波回路４１は、電動機側の地絡に対応する回路と、バッテリ側の地絡に対応する回路とを備えている。
【００２５】
図７は、検波回路４１の一例を示す図である。回路４１１は電動機側の地絡に対応する回路であって、第１の実施の形態の検波回路４１と同様に振幅波の包絡線を抽出する。具体的には、図４や図５に示すような構成となっている。一方、回路４１２はバッテリ側の地絡に対応する回路であって、抵抗Ｒ３２、コンデンサＣ３３およびツェナーダイオードＤ３４を備えている。回路４１２と波形出力回路４４と合わせた構成は、一般的な交流電圧分圧型の地絡検出回路を構成している。
【００２６】
波形出力回路４４は、周期波形を有する地絡検査用の信号（以下では検査信号と呼ぶ）を出力する。例えば、周波数１０Ｈｚ、０−５Ｖの振幅を有するデューティ５０％の矩形波信号を、検査信号として出力する。検査信号は測定対象回路であるプラス母線６１に重畳される。
【００２７】
交流電圧分圧型の地絡検出では、波形出力回路４４の検査信号（交流信号）を検出抵抗Ｒ３１とカップリングコンデンサ４３を通して印加し、検出抵抗Ｒ３１とカップリングコンデンサ４３の接続点Ａの応答波形の振幅変化から絶縁抵抗の変化を検出するようにしている。図８（ａ）は、カップリングコンデンサ４３を介してプラス母線６１に重畳される検査信号の一例を示したものである。図８（ｂ）および図８（ｃ）は、図８（ａ）のような矩形波信号を印加したときの、接続点Ａにおける応答波形を示したものである。なお、立ち上がり時と立下り時の波形なまりは遅延等によるものである。
【００２８】
図８（ｂ）の応答波形は、バッテリ側にも電動機側にも地絡が発生していない正常時の波形を示したものである。このときの振幅をＶｒ１とする。一方、バッテリ側に地絡が発生すると、車両側のインピーダンスに地絡抵抗が加わるため、図８（ｃ）に示す応答波形の振幅Ｖｒ２は、地絡が発生していない場合の振幅Ｖｒ１よりも小さくなる。地絡測定回路４２は、この応答波形の振幅の変化を捉えることにより、バッテリ側に地絡が発生したか否かを判定する。実際には、予め地絡に相当する振幅値を閾値に定めておき、応答波形の振幅値がその閾値よりも小さい場合には、直流側に地絡が発生したと判定する。
【００２９】
図９は、電動機側に地絡が発生した場合の応答波形を説明する図である。図９（ａ）は、図８（ａ）と同じ検出信号（出力波形）２００を示す図である。また、図９（ｂ）は正常時の応答波形を示したのもので、図８（ｂ）と同じものである。また、図９（ｃ）は電動機側に地絡が発生した場合の応答波形を示したものである。電動機側に地絡が発生すると、図８（ｂ）に示す波形に、電動機１０の回転数にリンクした周波数の振幅波が重畳することになる。
【００３０】
図９（ｃ）に示すような波形２０２の信号（応答波）を、振幅波の包絡線を得る回路である回路４１２に通すと、図９（ｄ）の符号２０３で示すような包絡線が抽出される。図９（ｄ）は地絡していない場合の波形２０１と、振幅波が検査信号に重畳した波形２０２と、包絡線２０３とを重ねて示したものである。地絡していない場合の波形２０１の電圧レベルを基準レベルとすると、振幅波より得られた包絡線２０３の電圧レベルは、基準レベルに対して変動ΔVが生じている。この電圧レベルの変動ΔVが閾値を超えている場合には、地絡が発生していると判定する。
【００３１】
《地絡検出動作》
図１０は、図７，８に示した地絡検出装置における地絡検出動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、この制御はメインコントロールによって行われるとして説明しているが、地絡測定回路４２で行っても良い。このフローチャートの処理は、例えば、車両のメインスイッチがオンされるとスタートする。ステップＳ１００では、電動機１０が停止状態か動作状態かを判定する。すなわち、電動機の回転数ＮがＮ＝０の場合は停止状態と判定し、ステップＳ１１０へ進む。一方、回転数ＮがＮ＞０の場合には動作状態と判定し、ステップＳ１３０へ進む。
【００３２】
ステップＳ１１０に進んだ場合には、電動機１０が回転していないので、仮に電動機側に地絡が発生していたとしても振幅波は発生しないので包絡線は得られない。よって、包絡線検波による地絡検出機能を禁止すべく、包絡線検波機能を禁止する指令を出す。そして、ステップＳ１２０において、DCライン地絡検出機能を動作させる指令を出す。すなわち、図９の回路４１２を用いたバッテリ側の地絡検出を行わせる。すなわち、地絡測定回路４２で測定された応答波形の振幅値（図８のＶｒ１やＶｒ２）と地絡判定の閾値とを比較する。地絡判定の閾値は、絶縁抵抗値を電圧レベルに換算したものである。
【００３３】
ステップＳ１２０からステップＳ１４０へ進んだ場合には、ステップＳ１２０の比較結果から、バッテリ側に地絡が発生しているか否かを判定する。振幅値が閾値を下回っている場合には、地絡が発生したと判定してステップＳ１５０に進む。逆に、振幅値が閾値以上である場合には、地絡が発生していないとしてステップＳ１６０に進む。
【００３４】
ステップＳ１４０で地絡と判定されてステップＳ１５０に進んだ場合には、駆動システムを停止し、一連の地絡検出動作を終了する。一方、地絡が発生していないと判定されてステップＳ１６０に進んだ場合には、駆動システムの動作を継続し、ステップＳ１００へ戻る。
【００３５】
一方、ステップＳ１００で電動機１０の回転数ＮがＮ＞０と判定されてステップＳ１３０に進んだ場合には、ステップＳ１３０において、電動機側の地絡を検出する検波回路４１２を用いた地絡検出動作を行わせる。すなわち、地絡測定回路４２は、検波回路４１２によって得られた包絡線の電圧レベルを測定し、基準レベルに対する電圧レベルの変動ΔVと閾値とを比較する。ステップＳ１３０からステップＳ１４０へ進んだ場合には、ステップＳ１３０の比較結果から、電動機側に地絡が発生しているか否かを判定する。地絡が発生していると判定されるとステップＳ１５０へ進み、地絡が発生していないと判定されるとステップＳ１６０へ進む。
【００３６】
上述したように、第２の実施の形態では、バッテリ側（直流側）の地絡を検出する従来の地絡検知装置に加えて、電動機側（交流側）の地絡により発生する振幅波の包絡線を求める回路４１２を設けた。そして、電動機１０が回転していない状態においてバッテリ側の地絡を検出することで、バッテリ側の地絡を振幅波に影響されることなく確実に行えるようにした。この検出によりバッテリ側地絡が起きていないことが確認されたならば、電動機１０が回転している状態において、電動機側地絡の検出が行われる。電動機側が地絡していないことが確認されれば、回路４１１による直流側の地絡検査結果も十分信頼性が高い。すなわち、第２の実施の形態の構成によれば、バッテリ側および電動機側の両方の地絡を確実に検出することができ、安全性の向上が図れる。
【００３７】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では検査信号として矩形波パルスを印加したが、周期的に変化する信号であれば矩形波でなくても構わない。
【符号の説明】
【００３８】
１：メインコントローラ、１０：三相交流電動機、１１：回転数センサ、２０：インバータ、３０：バッテリ、５０：ラインバイパスコンデンサ、６１：プラス母線、６２：マイナス母線、４０：地絡検出装置、４１：検波回路、４２：地絡測定回路、４３：カップリングコンデンサ、４４：波形出力回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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