(57)【要約】      （修正有）【課題】外部交流電源からバッテリを充電する際に、充電開始に伴って生じる負荷側からの一次的な過渡電流に起因する漏電の誤検知を防止して微小な漏電を検知できるようにする。【解決手段】判定回路２３６及び漏電と判定されると蓄電池５３を有する負荷部５０と外部交流電源との間を遮断する電磁リレー１１を備えた充電監視装置で、交流ラインＬ１、Ｌ２を流れる電流のレベルの差分に応じた電圧信号をコイル両端に出力する零相変流器１２と、コイル両端間の電圧信号に含まれる直流成分を抑圧する中点グランド回路２３１と、コイル両端間の電圧信号をそれぞれグランドとの差分として増幅する差動増幅器２３２と、電圧信号を漏電特性に対応させてレベル変換するローパスフィルタ２３３と、ローパスフィルタ２３３の出力から直流成分をカットするＤＣカットフィルタ２３４と、ＤＣカットフィルタ２３４の出力を整流平滑する整流平滑回路２３５とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池を有する負荷部と外部交流電源との間に介設され、漏電判定回路及び該漏電判定回路によって漏電と判定されると前記負荷部と外部交流電源との間を遮断する開閉器を備えた充電監視装置において、
前記外部交流電源の各ラインを流れる電流のレベルの差分に応じた検出信号を出力する電流検出回路と、
前記検出信号に含まれる直流成分を抑圧する抑圧回路と、
前記検出信号を漏電特性に対応させてレベル変換するフィルタ回路と、
出力側が前記漏電判定回路に接続され、前記フィルタ回路及び前記抑圧回路を経た出力を整流平滑する整流平滑回路とを備えたことを特徴とする充電監視装置。
【請求項２】
前記抑圧回路は、直流成分を遮断する直流分カット回路であることを特徴とする請求項１記載の充電監視装置。
【請求項３】
前記電流検出回路は、環状のコアに巻回された検出コイルを有する零相変流器であり、
前記抑圧回路は、前記検出コイルの両端子をそれぞれ抵抗を介してグランドに接続した回路であることを特徴とする請求項１記載の充電監視装置。
【請求項４】
前記検出コイルの各端子とグランドとの差分の電圧をそれぞれ増幅する差動増幅回路を有することを特徴とする請求項３記載の充電監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池を有する負荷部と外部交流電源との間に介設され、漏電判定回路及び該漏電判定回路によって漏電と判定されると前記負荷部と外部交流電源との間を遮断する開閉器を備えた充電監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電池からの電力を利用して駆動される電気車両や電池に蓄積された電力を必要時に取り出すことが可能となる補助電源システムが知られている、これら装置がもつ電池への充電は、主に家庭用あるいは工業用の外部交流電源から行われるようになっている。この場合、充電ラインと装置との接続不良とか装置の電池まわりに生じ得る絶縁不備等によって、充電時に漏電が生じる可能性がある。このような漏電は感電、装置の故障、また充電効率を損なう等の理由により早期の検出が望まれる。また、装置がグランドに対して絶縁されている構造では、充電時の漏電電荷が人体を介してグランドに流れる際に不快感を生じることがある。
【０００３】
特許文献１には、充電時の漏電を検知する漏電遮断器とコンセントとを有する充電回路が開示されている。この漏電遮断器は、外部電源と電気自動車の充電リレー間に設けられ、ホール素子、漏電リレー及び検出回路を備えている。ホール素子は充電回路の短絡時に電気信号を出力し、検出回路はホール素子からの前記電圧信号に基づいて漏電リレーを閉状態から開状態として充電回路を遮断する。しかし、特許文献１では、検出回路は充電回路での短絡の有無を検出するものであり、微小な漏電を検知するものではない。
【０００４】
かかる微小な漏電を検出するものとして、従来、外部交流電源からの２本の交流ラインにそれぞれ零相変流器を設け、両ラインに流れる電流の差分を検出することで微小な漏電電流を検出可能にした漏電監視装置が知られている。
【特許文献１】特開平１１−２０５９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般に蓄電池を充電する充電制御回路としては、外部交流電源からの交流を一旦チャージする回路、電圧変換して充電するための高周波スイッチング回路等を有するインバータ回路が採用されており、この種の充電制御回路による充電の場合、外部交流電源と蓄電池とが接続された瞬間や、充電を開始すると、外部交流電源側との間で生じる電圧差を吸収してバランスさせるべく一時的な過渡電流がノイズ対策用のコンデンサ等を経由して流れ、これによって漏電監視装置が誤動作する虞がある。従来はこの点に関する対策は採られておらず、誤動作防止の点から漏電検知の精度に一定の限界を有していた。同様な問題は、車載バッテリの充電分野以外の家庭用、商業用、工業用で利用されるバッテリ充電においても生じうる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、外部交流電源から負荷部としてのバッテリを充電する際に、充電開始に伴って生じる負荷側からの一次的な過渡電流に起因する誤検知を防止して微小な漏電を検知できるようにした漏電監視装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明は、蓄電池を有する負荷部と外部交流電源との間に介設され、漏電判定回路及び該漏電判定回路によって漏電と判定されると前記負荷部と外部交流電源との間を遮断する開閉器を備えた充電監視装置において、前記外部交流電源の各ラインを流れる電流のレベルの差分に応じた検出信号を出力する電流検出回路と、前記検出信号に含まれる直流成分を抑圧する抑圧回路と、前記検出信号を漏電特性に対応させてレベル変換するフィルタ回路と、出力側が前記漏電判定回路に接続され、前記フィルタ回路及び前記抑圧回路を経た出力を整流平滑する整流平滑回路とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
この構成によれば、充電監視装置は、充電に際して蓄電池を有する負荷部と外部交流電源との間に介設される。充電時に、漏電判定回路及び該漏電判定回路によって漏電と判定されると、前記負荷部と外部交流電源との間が開閉器によって遮断されて充電動作が停止される。電流検出回路は前記外部交流電源の各ラインを流れる電流のレベルの差分に応じた電圧を検出信号として出力する。この検出信号は、各ラインを流れる交流電流と同相の信号として出力される。抑圧回路は前記検出信号に含まれる直流成分を抑圧する。また、フィルタ回路は、前記検出信号を周波数に応じた知覚電流に基づく漏電特性、すなわち周波数と漏電レベルとの特性に対応させるべくフィルタを用いてレベル変換を行う。そして、整流平滑回路は前記フィルタ回路及び前記抑圧回路を経た出力を整流平滑して、漏電判定回路に出力する。漏電判定回路は、整流平滑回路の出力レベルが所定の基準レベルを超えると、開閉器を遮断する遮断信号を生成して出力する。すなわち、漏電が生じていなければ、差分０であるものが、充電開始後、外部交流電源と負荷側回路との電位差を吸収するべく、交流ラインに流れる一時的な過渡電流によって差分が生じても、この差分の信号から直流分を抑圧することで、差分の検知信号の直流レベルが抑制されて誤検知がより一層防止され、漏電の有無が精度良く検出される。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の充電監視装置において、前記抑圧回路は、直流成分を遮断する直流分カット回路であることを特徴とする。この構成によれば、前記の一時的な過渡電流に起因して生じる差分に含まれる直流成分が遮断される。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の充電監視装置において、前記電流検出回路は、環状のコアに巻回された検出コイルを有する零相変流器であり、前記抑圧回路は、前記検出コイルの両端子をそれぞれ抵抗を介してグランドに接続した回路であることを特徴とする。従来方式であれば、差分が検出コイルの両端子間に直流電圧として発生するが、前記検出コイルの両端子をそれぞれ抵抗を介してグランドに接続した回路を採用すると、一時的な直流成分の電流が流れても、その出力の中間がグランド基準と一致するため片方の極性に出力が偏らず、結果として検出レベルが抑制される。従って、前記の一時的な過渡電流に起因して生じる差分に含まれる直流成分が抑圧される。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の充電監視装置において、前記検出コイルの各端子とグランドとの差分の電圧をそれぞれ増幅する差動増幅回路を有することを特徴とする。検出コイルの両端子間を差動増幅回路に導くと、増幅回路のオフセット電圧が差分の増幅に含まれてしまい、差分のみの増幅精度が確保し難いが、前記検出コイルの各端子とグランドとの差分の電圧をそれぞれ増幅する構成とすることで、両差動増幅回路のオフセット電圧が相殺されるので、増幅誤差が生じず、精度アップが図れる。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、充電開始後に生じる、電圧差吸収のための一時的な過渡電流によって差分が生じても、この差分中の直流分を抑圧することで漏電に対する誤検知を一層防止でき、漏電の有無を精度良く検出できる。
【００１３】
請求項２，３記載の発明によれば、前記一時的に生じる過渡電流に起因して生じる差分の直流成分を遮断乃至は抑圧できる。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、両差動増幅回路のオフセット電圧が相殺され、増幅誤差が生じず、精度アップを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明に係る充電監視装置を蓄電池（バッテリ）を備える充電装置に適用した場合の一実施形態を示すブロック図である。図１において、充電監視装置１は、外部交流電源ＡＣ側と接続するプラグＰ１と前記充電装置（負荷部）のバッテリと接続するプラグ（ソケット）Ｐ２とを備え、その間に充電監視のための回路ブロックを有して構成されている。プラグＰ１，Ｐ２間には交流ラインＬ１，Ｌ２（Ｈｏｔ、Ｃｏｌｄ）、グランドライン（ＧＮＤ）、及び負荷部との制御信号線が設けられている。
【００１６】
充電監視のための回路ブロックは、交流ラインＬ１，Ｌ２に介設される遮断器である電磁リレー１１、その外部交流電源ＡＣ側で交流ラインＬ１，Ｌ２に設けられる電流検出回路である零相変流器（ＺＣＴ）１２、及び交流ラインＬ１，Ｌ２に跨って、かつＺＣＴ１２を跨いで接続されるテスト用の電磁リレー１３を備える。また、充電監視のための回路ブロックは、プラグＰ１の直ぐ入力側の交流ラインＬ１，Ｌ２に接続され、外部交流電源ＡＣに接続されることで各回路部に必要なレベルの電源電圧を生成する電源回路２１、負荷部５０の、例えば充電制御回路５１（図２参照）との間で、バッテリ５３（図２参照）との接続確認、テスト動作の指示及び充電開始のための許可信号の交信を行うための制御回路２２、ＺＣＴ１２の出力側に接続された漏電検出回路２３、グランドモニタ２４、プラグＰ２の直ぐ入力側の交流ラインＬ１，Ｌ２に接続され、交流ラインＬ１，Ｌ２間の電圧を検出する電圧モニタ２５及びテスト動作を行わせるためのテスト回路２６とを備えている。漏電検出回路２３の出力側の励磁コイル２３０は漏電が検出された場合に、電流供給が停止されて電磁リレー１１を閉状態から開状態に戻すためのものである。
【００１７】
制御回路２２は、電源回路２１からの電力供給を受けると、起動して負荷部５０の、例えば充電制御回路５１と接続確認のための交信を行い、接続が確認されるとテスト回路２６に対してテスト動作を指示するものである。そして、テスト動作によって正常と判断すると、充電開始の許可を行うものである。テスト回路２６は、テスト用の電磁リレー１３を閉状態に切り替えて、交流ラインＬ１，Ｌ２を抵抗Ｒ１３を介して所定時間だけ短絡すると共に、この短絡によって、後述するように漏電検出回路２３で異常（漏電）が発生したことが検出され、電磁リレー１１が開状態に切り替わり、この切り換わりによって交流ラインＬ１，Ｌ２間に電圧が消失したことを電圧モニタ２５が検知すると、漏電検知回路２５、電磁リレー１１が正常に動作したとして、この検知結果を制御回路２２に出力するものである。逆に電圧モニタ２５が電圧変化を検知しないなど異常を検知した場合には、テスト時点で異常があった旨の信号を制御回路２２に出力するものである。制御回路２２は、正常であると充電開始指示を行い、異常であると充電を不許可とするものである。漏電検出回路２３は充電動作中の異常の有無を検知するもので、詳細は図２に示す。
【００１８】
図２は、漏電検出回路２３の一例を示す詳細なブロック図である。図２において、まず、負荷部５０はプラグＰ２と接続されるプラグＴＬを有し、このプラグＴＬを介して、負荷部５０に交流ラインＬ１，Ｌ２、ＧＮＤライン及び制御信号ラインが接続可能にされている。負荷部５０は、インバータ方式の公知の充電制御回路５１，リレー５２及び充放電可能なバッテリ（蓄電池）５３が備えられている。なお、バッテリ５３からの出力側は図略している。また、充電制御回路５１は種々の方式が採用可能であり、例えば交流ラインＬ１、Ｌ２の電圧を一旦チャージし、高周波でスイッチングして所定の直流電圧に変換し、リレー５２を介してバッテリ５３に、例えば十数アンペア程度の電流で充電するものである。リレー５２は、満充電時の充電動作を停止させるためのものである。
【００１９】
また、交流ラインＬ１，Ｌ２間にはコンデンサＣ５０が、交流ラインＬ１とＧＮＤ間にはコンデンサＣ５１が、交流ラインＬ２とＧＮＤ間にはコンデンサＣ５３がそれぞれ接続されている。これらのコンデンサＣ５０，Ｃ５１，Ｃ５２は、プラグＰ２とプラグＴＬとが接続されて充電動作が開始されると、充電制御回路５１内の変換電圧レベルと交流ラインＬ１，Ｌ２の電圧レベルとの間の差が吸収するべく一時的に生じる過渡電流の重畳によって交流ラインＬ１，Ｌ２間に電位差を生じることがある。また、充電制御回路５１内で高周波でスイッチング動作を行うことで、高周波ノイズの電流が流れ、同様に電位差を生じて、コンデンサの少なくとも１つにそれぞれのレベルのノイズ電流が流れることになる。そして、コンデンサＣ５０，Ｃ５１，Ｃ５２に流れる上記のような電流によって、充電監視装置１の交流ラインＬ１，Ｌ２間に電流レベル差を生じることとなる。同様に、電力系ライン、各接続用のプラグ、バッテリ５３まわりの絶縁性の低下乃至はグランドや他の電圧を有する部位との短絡などに起因して生じる漏電によっても交流ラインＬ１、Ｌ２間に電流レベル差が生じる。
【００２０】
ＺＣＴ１２は、かかる電流レベルの差を検出するものである。ＺＣＴ１２は、例えばパーマロイ等の強磁性体からなる環状のコアに複数回巻回された二次巻線（コイル）から構成され、この環状の内側に交流ラインＬ１，Ｌ２及びグランドラインを挿通したものである。かかる構成とすることで、コイルの両端に、交流ラインＬ１，Ｌ２、グランドライン（但し、グランドラインは単相２００Ｖ交流を採用する態様では、グランドに接続されているので考慮する必要はない。）を流れる通常６０Ｈｚで互いに逆向きの電流のそれぞれによって生じる（逆向きの）各鎖交磁束数の差分に応じた電圧を誘起するものである。従って、交流ラインＬ１，Ｌ２に正常な交流電流が流れている間は、互いに逆向きの各鎖交磁束数は等しく、差分は零となり、出力がないことになる一方、いずれかの交流ラインに漏電電流が流れ、あるいは他部からの電流が重畳されると、交流ラインＬ１，Ｌ２間の電流レベルが異なるため、コイルの両端に差分電圧が発生することになる。
【００２１】
中点グランド回路２３１は、電圧抑圧回路として機能するもので、ＺＣＴ１２のコイルの両端に抵抗値の等しい２個の抵抗Ｒ１，Ｒ２からなる直列回路と、容量値の等しい２個のコンデンサＣ１，Ｃ２からなる直列回路とを並列接続し、かつ抵抗Ｒ１，Ｒ２の中点及びコンデンサＣ１，Ｃ２の中点をグランドに接続したものである。コイルの検出電圧は、中点グランド回路２３１を経て差動増幅回路２３２に入力されるようになっている。ＺＣＴ１２のコイルの両端末をそのまま差動増幅器に入力する構成では、交流ラインＬ１，Ｌ２の一方に前記充電開始に伴う過渡電流が重畳された場合、差動増幅器にはコイルからの一時的な差分電圧が直流信号として発生することになるが、中点グランド回路２３１を設けることで、一時的な直流成分の電流が流れても、その出力の中間がグランド基準と一致するため片方の極性に出力が偏らず、その分、直流成分としてのレベルは抑圧されることとなる。従って、充電開始に伴って生じる一時的な過渡電流の交流ラインＬ１、Ｌ２への不均衡な重畳に対して、漏電有りとする誤検出を防止することができることとなる。
【００２２】
差動増幅回路２３２は、２個のオペアンプからなり、ＺＣＴ１２のコイルの端末をそれぞれ入力端子に接続し、他方の入力端子のグランドとの差分を増幅して出力すると共に、両オペアンプの出力の差分を得るようにしたものである。１個のオペアンプで差分を増幅して出力する態様では、アンプのオフセット電圧が差分電圧に影響して、その分の誤差を含む可能性があるが、２個のオペアンプを並設して採用することで、両オフセット電圧が相殺され、零電位との間で入力電圧の差分を増幅することになって、高い精度が確保できることとなる。
【００２３】
ローパスフィルタ２３３は、漏電電流の周波数特性を加味したフィルタである。漏電電流が多重周波数を含む場合に採用されるフィルタで、回路の一例を図３に示す。図３において、ローパスフィルタ２３３は、回路中に、抵抗Ｒｆ１が直列に接続されると共にその出力側にコンデンサＣｆ１と抵抗Ｒｆ２とからなる直列回路とコンデンサＣｆ２とが並列に接続された構成を有するものである。
【００２４】
図４は、多重周波数を含む電流のレベルと知覚の閾値（トリップ電流）とを対応させる前記ローパスフィルタ２３３の周波数特性の一例を説明したものである（「知覚電流の閾値」、著者Ｄａｌｚｉｅｌ．Ｃ．Ｆ、ＡＩＥＥ会報、パートIII―Ｂ，９９０頁〜９９６頁、１９５４年発行）。図４によれば、周波数が５０Ｈｚとか６０Ｈｚではトリップ電流は５ｍＡ程度である一方、周波数が高くなるにつれてトリップ電流のレベルは高くなっており、周波数と信号減衰特性とは、知覚の閾値に合わせてある。従って、ローパスフィルタ２３３を構成する回路素子は、低い周波数側になるほど感度が高く、高い周波数側に移行するほど感度が低くなるよう（Let-goカーブ）な値（抵抗値や容量値等）のものが採用される。
【００２５】
ＤＣカットフィルタ２３４は、交流ラインＬ１，Ｌ２に重畳される、充電開始時の前記一時的な過渡電流に基づいて検出される差分電圧から直流成分を遮断するもので、代表的には直流分カット用のコンデンサで構成されている。このＤＣカットフィルタ２３４によって、直流分が遮断されるため、前記充電開始時の一時的な過渡電流の重畳に起因する検出信号によって漏電有りとの誤検出が防止できるようにされている。なお、前記中点グランド回路２３１及びＤＣカットフィルタ２３４はそれぞれ抑制回路を構成しているが、両回路を設ける態様の他、いずれか一方を採用する回路構成としてもよい。
【００２６】
整流平滑回路２３５は、ＤＣカットフィルタ２３４の出力信号を整流し、さらに平滑して出力するものである。整流平滑回路２３５の整流動作を、ＤＣカットフィルタ２３４で直流分をカットしていることから、全波整流方式の回路構成とすることができ、かつ全波整流とすることで、直流成分を抑圧した後に、感度及び応答性を上げることが可能となる。判定回路２３６は、入力信号のレベルと予め設定された基準レベルとを比較する比較回路として構成されたもので、入力信号レベルが基準レベルを超えた時、漏電発生とみなして、励磁コイル２３０への供給電流を停止し、電磁リレー１１を充電中の閉状態から、異常時の開状態に切り換えるものである。
【００２７】
なお、判定回路２３６は入力信号をデジタル信号に変換し、マイクロコンピュータを利用してソフトウェアによって比較判定処理する態様でもよい。
【００２８】
また、本実施形態では、単相２００Ｖ交流、６０Ｈｚの例で説明したが、本発明は、種々の外部交流電源（電圧、周波数）に適用可能である。また、本発明は、エンジンと電動機の２つの動力源を持つ自動車や電気自動車のバッテリへの充電システム、家庭用、電動機器のバッテリへの蓄電システム、太陽光発電や風力発電における蓄電システム等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る充電監視装置を蓄電池（バッテリ）を備える充電装置に適用した場合の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】漏電検出回路の一例を示す詳細なブロック図である。
【図３】漏電電流が多重周波数を含む場合に採用されるフィルタの一例を示す回路図である。
【図４】多重周波数を含む電流のレベルと知覚の閾値（トリップ電流）とを対応させるローパスフィルタの周波数特性の一例を示すものである図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  充電監視装置
１１  電磁リレー（開閉器）
１２  零相変流器（電流検出回路）
２３  漏電検出回路
２３０  リレーコイル
２３１  中点グランド回路（抑圧回路）
２３２  差動増幅回路
２３３  ローパスフィルタ（フィルタ回路）
２３４  ＤＣカットフィルタ（抑圧回路）
２３５  整流平滑回路
２３６  判定回路
Ｌ１，Ｌ２  交流ライン
Ｐ１，Ｐ２  プラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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