JP7542393B2 - 絶縁異常検出装置および絶縁異常検出方法 - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁異常検出装置および絶縁異常検出方法に関する。
近年、車両では、制御の複雑化に伴って電力供給を必要とするＥＣＵ（Electric Control Unit）の搭載数が増えつつある。このＥＣＵの増加に伴って、例えば、グランドとして機能する車両ボディに蓄積する浮遊容量が増加傾向にあり、車両ボディの絶縁抵抗の抵抗値が低下する異常が生じた場合には、浮遊容量が電池を介して負荷に供給されることで負荷が誤作動を起こすおそれがある。
これに対して、従来は、電池、フライングキャパシタ、車両絶縁抵抗および車両ボディ接地を接続した状態で充電したフライングキャパシタの電圧をもとに、車両の絶縁異常を検出する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、従来技術では、車両の絶縁異常を高精度に検出する点でさらなる改善の余地があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、車両の絶縁異常を高精度に検出することができる絶縁異常検出装置および絶縁異常検出方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る絶縁異常検出装置は、電圧検出回路と、制御部とを備える。前記電圧検出回路は、電池と、前記電池に並列接続されるキャパシタと、前記キャパシタの両極の入力側にそれぞれ接続される複数の第１スイッチと、前記キャパシタの両極の出力側に接続される複数の第２スイッチと、前記キャパシタに並列接続される第３スイッチとを有する。前記制御部は、前記電圧検出回路における前記第２スイッチに接続され、前記キャパシタの一方の極に接続される前記第１スイッチおよび前記キャパシタの他方の極に接続される前記第２スイッチをオンすることで絶縁計測経路を形成し、前記絶縁計測経路により充電される前記キャパシタの電圧を計測し、当該電圧に基づいて絶縁異常を検出する。前記制御部は、前記絶縁計測経路を形成するとともに前記第３スイッチをオンし、第１の時間経過後に前記第３スイッチをオフした後の第２の時間経過後に計測した前記キャパシタの電圧に基づいて前記絶縁異常を検出する。
本発明によれば、車両の絶縁異常を高精度に検出することができる。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する絶縁異常検出装置および絶縁異常検出方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本発明が限定されるものではない。
図１は、実施形態に係る車載システムの一例を示す図である。車載システム１は、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）、燃料電池自動車（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）等の車両に搭載されるシステムである。車載システム１は、車両の動力源であるモータへ電力を供給する電源の充放電を含む制御を行う。
車載システム１は、電池２、ＳＭＲ（System Main Relay）３ａ及び３ｂ、モータ４、コンプレッサ５、電池ＥＣＵ（絶縁異常検出装置の一例）１０、ＰＣＵ２０、エアコンＥＣＵ３０、ＭＧ＿ＥＣＵ（Motor Generator ＥＣＵ）４０、ＨＶ＿ＥＣＵ（Hybrid ＥＣＵ）５０を含む。モータ４、コンプレッサ５、ＰＣＵ２０、エアコンＥＣＵ３０、ＭＧ＿ＥＣＵ４０等の電装部品は、負荷回路の一例である。なお、ＰＣＵは、Power Control Unitの略である。また、ＥＣＵは、Electric Control Unitの略である。
電池２は、図示しない車体と絶縁された電源（バッテリ）であり、直列に接続された複数、例えば２個の電池スタック２Ａ、電池スタック２Ｂを含んで構成される。電池スタック２Ａ、電池スタック２Ｂは、直列に接続された複数、例えば３個の電池セル２ａ、電池セル２ｂをそれぞれ含んで構成される。すなわち、電池２は、高圧直流電源である。
なお、電池スタックの数、電池セルの数は、上記あるいは図示のものに限定されない。また、電池セルは、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等を用いることができるが、これに限定されるものではない。
ＳＭＲ３ａは、ＨＶ＿ＥＣＵ５０の制御によりオン及びオフされ、オンのときに、電池２の最上位の電圧側とＰＣＵ２０とを接続する。また、ＳＭＲ３ｂは、ＨＶ＿ＥＣＵ５０の制御によりオン及びオフされ、オンのときに、電池２の最低位の電圧側とＰＣＵ２０とを接続する。
電池ＥＣＵ１０は、電池２の状態監視及び制御を行う電子制御装置である。電池ＥＣＵ１０は、監視ＩＣ（Integrated Circuit）１１ａ、監視ＩＣ１１ｂ、電圧検出回路１２、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換部１３、制御部１４、電源ＩＣ１５を含む。電源ＩＣ１５は、監視ＩＣ１１ａ、監視ＩＣ１１ｂ、電圧検出回路１２、Ａ／Ｄ変換部１３、制御部１４へ電力を供給する。
監視ＩＣ１１ａは、複数の電池セル２ａそれぞれと接続され（接続ラインは省略している）、各電池セル２ａの電圧を監視する。また、監視ＩＣ１１ａは、電池スタック２Ａの最上位の電圧側及び最低位の電圧側と接続され、電池スタック２Ａの電圧を監視する。また、監視ＩＣ１１ｂは、複数の電池セル２ｂそれぞれと接続され（接続ラインは省略している）、各電池セル２ｂの電圧を監視する。また、監視ＩＣ１１ｂは、電池スタック２Ｂの最上位の電圧側及び最低位の電圧側と接続され、電池スタック２Ｂの電圧を監視する。
なお、１つの電池セルに対してそれぞれ１つの監視ＩＣが設けられるとしてもよいし、電池２に対して１つの監視ＩＣが設けられるとしてもよい。１つの電池セルに対してそれぞれ１つの監視ＩＣが設けられる場合には、制御部１４は、各監視ＩＣが監視する各電池スタックの電圧の合計を、電池２の総電圧として用いる。また、電池２に対して１つの監視ＩＣが設けられる場合には、制御部１４は、監視ＩＣが監視する電池２の総電圧を用いる。なお、監視ＩＣ１１ａ及び１１ｂは、制御部１４に対する外部装置である。
なお、電池ＥＣＵ１０の電圧検出回路１２、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換部１３、制御部１４の構成および動作については図２で後述する。
ＰＣＵ２０は、モータ４や車両の電装機器等へ供給する電源電圧を昇圧すると共に、直流から交流の電圧に変換する。図１に示すように、ＰＣＵ２０は、電池２の正極側及び負極側と接続される。ＰＣＵ２０は、ＤＣＤＣコンバータ２１、３相インバータ２２、低圧側平滑用キャパシタ２３ａ、高圧側平滑用キャパシタ２３ｂを含む。
エアコンＥＣＵ３０は、図示しない制御装置を含むとともに、コンプレッサ５へ供給する電源電圧を、直流から交流の電圧に変換するインバータ３１を含む。
ＭＧ＿ＥＣＵ４０は、ＰＣＵ２０の状態監視及び制御を行う電子制御装置である。具体的には、ＭＧ＿ＥＣＵ４０は、ＤＣＤＣコンバータ２１及び３相インバータ２２の各動作状態や、低圧側平滑用キャパシタ２３ａ及び高圧側平滑用キャパシタ２３ｂの充電状態を監視する。そして、ＭＧ＿ＥＣＵ４０は、ＰＣＵ２０における昇圧の有無や昇圧電圧に関する情報を取得し、上位装置であるＨＶ＿ＥＣＵ５０へ通知する。また、ＭＧ＿ＥＣＵ４０は、ＨＶ＿ＥＣＵ５０の指示に応じて、ＰＣＵ２０の動作を制御する。
次に、図２を用いて、実施形態に係る電圧検出回路１２について説明する。図２は、実施形態に係る電圧検出回路１２の一例を示す図である。なお、図２では、電池２のうち、電池スタック２Ａに接続される電圧検出回路１２の構成を示しているが、電池スタック２Ｂについても図２と同様の電圧検出回路１２が構成される。なお、図２では、電池スタック２Ａを電池２と称して説明することとする。
図２に示すように、電圧検出回路１２は、スイッチＳＷ１～ＳＷ５、キャパシタＣ１、抵抗Ｒ１～Ｒ６を含む。なお、スイッチＳＷ１～ＳＷ５としては、例えばソリッドステートリレー（ＳＳＲ：Solid State Relay）を用いることができるが、これに限定されるものではない。
また、スイッチＳＷ１～ＳＷ５のうち、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２は、第１スイッチであり、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５は、第２スイッチであり、スイッチＳＷ３は、第３スイッチである。
図２に示すように、電池２（電池スタック２Ａ）の正側には、電池２から近い順にスイッチＳＷ１、抵抗Ｒ１、スイッチＳＷ４および抵抗Ｒ３が直列に接続される。また、電池２（電池スタック２Ａ）の負側には、電池２から近い順にスイッチＳＷ２、抵抗Ｒ２、スイッチＳＷ５および抵抗Ｒ４が直列に接続される。
キャパシタＣ１は、電池２に並列接続され、フライングキャパシタとして機能する。具体的には、キャパシタＣ１は、一方の極が抵抗Ｒ１およびスイッチＳＷ４の間に接続され、他方の極が抵抗Ｒ２およびスイッチＳＷ５の間に接続される。言い換えれば、キャパシタＣ１の一方の極には入力側にスイッチＳＷ１が、出力側にスイッチＳＷ４が接続され、他方の極には入力側にスイッチＳＷ２が、出力側にはスイッチＳＷ５が接続される。すなわち、キャパシタＣ１の両極の入力側にそれぞれ複数の第１スイッチであるスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２が接続され、キャパシタＣ１の両極の出力側に複数の第２スイッチであるスイッチＳＷ４とスイッチＳＷ５が接続されル。また、スイッチＳＷ３は、キャパシタＣ１に対して並列接続される。
また、抵抗Ｒ５は、一方がスイッチＳＷ４に対して抵抗Ｒ３と並列して接続されるとともに、他方が車両ボディ等に接地される。また、抵抗Ｒ６は、一方がスイッチＳＷ５に対して抵抗Ｒ４と並列して接続されるとともに、他方が車両ボディ等に接地される。
また、電池２の負側と、抵抗Ｒ５および抵抗Ｒ６の一端との間には、絶縁抵抗Ｒｎおよび浮遊容量Ｃ２が並列して存在している。また、電池２の正側と、抵抗Ｒ５および抵抗Ｒ６の一端との間には、絶縁抵抗Ｒｐおよび浮遊容量Ｃ３が並列して存在している。浮遊容量Ｃ２および浮遊容量Ｃ３は、略同じ値である。なお、浮遊容量はコモン容量とも呼ばれる。
また、抵抗Ｒ３は、アンプとして構成されるＡＤ変換部１３のプラス端子に接続され、抵抗Ｒ４は、ＡＤ変換部１３のマイナス端子に接続される。ＡＤ変換部１３は、電圧検出回路１２から入力されたアナログの電圧をデジタルの電圧へ変換して制御部１４へ出力する。
制御部１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等を有するマイクロコンピュータ等の処理装置である。
制御部１４は、実施形態に係る絶縁異常検出方法を実行することで、絶縁抵抗Ｒｐ，Ｒｎの絶縁異常を検出する。
ここで、図２を用いて、実施形態に係る絶縁異常検出方法を実行した場合の電圧検出回路１２の回路動作について説明する。実施形態に係る絶縁異常検出方法では、下記に示す（１）～（４）の４つの処理が行われる。
（１）電池電圧計測処理
（２）ＶＲｐ計測処理
（３）ＶＲｎ計測処理
（４）絶縁異常検出処理
（１）電池電圧計測処理
（２）ＶＲｐ計測処理
（３）ＶＲｎ計測処理
（４）絶縁異常検出処理
実施形態に係る絶縁異常検出方法では、特に、（２）ＶＲｐ計測および（３）ＶＲｎ計測の計測方法を工夫することで、浮遊容量Ｃ２，Ｃ３の影響を排除したキャパシタＣ１の電圧計測が可能となり、これにより、高精度な絶縁異常検出を実現できる。
（１）電池電圧計測処理
電池電圧計測処理は、電池２の電池電圧を計測する処理である。具体的には、制御部１４は、まず、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２をオンし、スイッチＳＷ３、スイッチＳＷ４、スイッチＳＷ５をオフする。
電池電圧計測処理は、電池２の電池電圧を計測する処理である。具体的には、制御部１４は、まず、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２をオンし、スイッチＳＷ３、スイッチＳＷ４、スイッチＳＷ５をオフする。
これにより、電池２、スイッチＳＷ１、抵抗Ｒ１、キャパシタＣ１、抵抗Ｒ２およびスイッチＳＷ２の順に充電経路が形成されることで、電池２によってキャパシタＣ１が充電される。
つづいて、制御部１４は、所定時間経過後、すなわち、キャパシタＣ１の充電が完了する時間経過後、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２をオフし、スイッチＳＷ４、スイッチＳＷ５をオンする。これにより、キャパシタＣ１からグランド（車両ボディ）までが導通することで、キャパシタＣ１に蓄積した電荷が抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して放電される。また、このとき、キャパシタＣ１のアナログ電圧が抵抗Ｒ３，Ｒ４を介してＡＤ変換部１３に出力され、ＡＤ変換部１３によってデジタルの電圧に変換される。そして、制御部１４は、ＡＤ変換部１３から出力されるデジタルの電圧の値に基づいて、キャパシタＣ１の電圧、すなわち、電池２の電池電圧を計測する。
そして、制御部１４は、電池２の電池電圧を計測後、スイッチＳＷ３をオンすることで、キャパシタＣ１の電荷を完全に放電し、電池電圧計測処理を終了する。
（２）ＶＲｐ計測処理
電池電圧計測処理の後、ＶＲｐ計測処理が行われる。なお、ＶＲｎ計測処理が先に行われてもよい。ＶＲｐ計測処理は、キャパシタＣ１の入力側に接続されたスイッチＳＷ２およびキャパシタＣ１の出力側に接続されたスイッチＳＷ４をオンすることにより絶縁計測経路を形成することで、電池２の正側の絶縁抵抗Ｒｐの抵抗値を算出するための電圧であるＶＲｐを計測する処理である。つまり、ＶＲｐ計測処理における絶縁計測経路は、電池２の負側、スイッチＳＷ２、抵抗Ｒ２、キャパシタＣ１、スイッチＳＷ４、抵抗Ｒ５、絶縁抵抗Ｒｐおよび浮遊容量Ｃ３、電池２の正側により形成される経路である。この絶縁計測経路を形成することで、絶縁抵抗Ｒｐの抵抗値に応じた電圧（ＶＲｐ）がキャパシタＣ１に充電される。本実施形態では、このＶＲｐの計測動作に先立って、キャパシタＣ１に流れる浮遊容量Ｃ３を除去するための除去動作が行われることで、浮遊容量Ｃ３の影響を排除したＶＲｐ計測が可能となる。
電池電圧計測処理の後、ＶＲｐ計測処理が行われる。なお、ＶＲｎ計測処理が先に行われてもよい。ＶＲｐ計測処理は、キャパシタＣ１の入力側に接続されたスイッチＳＷ２およびキャパシタＣ１の出力側に接続されたスイッチＳＷ４をオンすることにより絶縁計測経路を形成することで、電池２の正側の絶縁抵抗Ｒｐの抵抗値を算出するための電圧であるＶＲｐを計測する処理である。つまり、ＶＲｐ計測処理における絶縁計測経路は、電池２の負側、スイッチＳＷ２、抵抗Ｒ２、キャパシタＣ１、スイッチＳＷ４、抵抗Ｒ５、絶縁抵抗Ｒｐおよび浮遊容量Ｃ３、電池２の正側により形成される経路である。この絶縁計測経路を形成することで、絶縁抵抗Ｒｐの抵抗値に応じた電圧（ＶＲｐ）がキャパシタＣ１に充電される。本実施形態では、このＶＲｐの計測動作に先立って、キャパシタＣ１に流れる浮遊容量Ｃ３を除去するための除去動作が行われることで、浮遊容量Ｃ３の影響を排除したＶＲｐ計測が可能となる。
具体的には、制御部１４は、除去動作として、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４をオンする。なお、スイッチＳＷ３は、電池電圧計測処理の最後に行われた放電処理時にオンされているため、除去動作では引き続きオンされた状態となる。
制御部１４は、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４をオンした状態を一定時間（第１の時間）維持する。つまり、制御部１４は、第１スイッチであるスイッチＳＷ２および第２スイッチであるスイッチＳＷ４をオンすることで絶縁計測経路を形成するとともに、第３スイッチであるスイッチＳＷ３を第１の時間だけオンする除去動作を行う。
これにより、絶縁計測経路がキャパシタＣ１ではなくスイッチＳＷ３を通る経路になるため、浮遊容量Ｃ３の電荷は、キャパシタＣ１に充電されずに放電（除去）されることとなる。
そして、除去動作後、ＶＲｐの計測動作が行われる。具体的には、制御部１４は、第１の時間経過後にスイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５をオンすることでキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換部１３によって変換した後、スイッチＳＷ３をオフする。つづいて、制御部１４は、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ４をオンして絶縁計測経路を形成し、スイッチＳＷ３をオフした状態を一定時間（第２の時間）維持する。この場合、絶縁抵抗Ｒｐが正常（抵抗値が十分に大きい値）であれば、絶縁計測経路は導通しないため、キャパシタＣ１は充電されず、絶縁抵抗Ｒｐが劣化等の異常により抵抗値が低下した場合には、キャパシタＣ１は充電されることとなる。
そして、制御部１４は、第２の時間経過後に、スイッチＳＷ２をオフし、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５をオンすることでキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換部１３によってＡＤ変換しＶＲｐとして計測する。なお、計測したＶＲｐは、後段の絶縁異常検出処理によって用いられる。
つまり、制御部１４は、第３スイッチであるスイッチＳＷ３をオフした後の第２の時間経過後に計測したキャパシタＣ１の電圧であるＶＲｐに基づいて絶縁異常を検出する。
そして、制御部１４は、ＶＲｐを計測後、スイッチＳＷ３をオンすることで、キャパシタＣ１の電荷を完全に放電し、ＶＲｐ計測処理を終了する。つまり、第３スイッチであるスイッチＳＷ３は、浮遊容量Ｃ３の電荷を除去するためのスイッチと、キャパシタＣ１の電荷を放電する放電スイッチとを兼ねる。これにより、それぞれのスイッチを配置する必要が無いため、コストを低減することができる。
（３）ＶＲｎ計測
ＶＲｐ計測処理の後、ＶＲｎ計測処理が行われる。ＶＲｎ計測処理は、キャパシタＣ１の入力側に接続されたスイッチＳＷ１およびキャパシタＣ１の出力側に接続されたスイッチＳＷ５をオンすることにより絶縁計測経路を形成することで、電池２の負側の絶縁抵抗Ｒｎの抵抗値を算出するための電圧であるＶＲｎを計測する処理である。つまり、ＶＲｎ計測処理における絶縁計測経路は、電池２の正側、スイッチＳＷ１、抵抗Ｒ１、キャパシタＣ１、スイッチＳＷ５、抵抗Ｒ６、絶縁抵抗Ｒｎおよび浮遊容量Ｃ２、電池２の負側により形成される経路である。この絶縁計測経路を形成することで、絶縁抵抗Ｒｎの抵抗値に応じた電圧（ＶＲｎ）がキャパシタＣ１に充電される。本実施形態では、ＶＲｐ計測処理と同様に、ＶＲｎの計測動作に先立って、キャパシタＣ１に流れる浮遊容量Ｃ２を除去するための除去動作が行われることで、浮遊容量Ｃ２の影響を排除したＶＲｎ計測が可能となる。
ＶＲｐ計測処理の後、ＶＲｎ計測処理が行われる。ＶＲｎ計測処理は、キャパシタＣ１の入力側に接続されたスイッチＳＷ１およびキャパシタＣ１の出力側に接続されたスイッチＳＷ５をオンすることにより絶縁計測経路を形成することで、電池２の負側の絶縁抵抗Ｒｎの抵抗値を算出するための電圧であるＶＲｎを計測する処理である。つまり、ＶＲｎ計測処理における絶縁計測経路は、電池２の正側、スイッチＳＷ１、抵抗Ｒ１、キャパシタＣ１、スイッチＳＷ５、抵抗Ｒ６、絶縁抵抗Ｒｎおよび浮遊容量Ｃ２、電池２の負側により形成される経路である。この絶縁計測経路を形成することで、絶縁抵抗Ｒｎの抵抗値に応じた電圧（ＶＲｎ）がキャパシタＣ１に充電される。本実施形態では、ＶＲｐ計測処理と同様に、ＶＲｎの計測動作に先立って、キャパシタＣ１に流れる浮遊容量Ｃ２を除去するための除去動作が行われることで、浮遊容量Ｃ２の影響を排除したＶＲｎ計測が可能となる。
具体的には、制御部１４は、除去動作として、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ５をオンする。なお、スイッチＳＷ３は、ＶＲｐ計測処理の最後に行われた放電処理時にオンされているため、除去動作では引き続きオンされた状態となる。
制御部１４は、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ５をオンした状態を一定時間（第１の時間）維持する。つまり、制御部１４は、第１スイッチであるスイッチＳＷ１および第２スイッチであるスイッチＳＷ５をオンすることで絶縁計測経路を形成するとともに、第３スイッチであるスイッチＳＷ３を第１の時間だけオンする除去動作を行う。
これにより、絶縁計測経路がキャパシタＣ１ではなくスイッチＳＷ３を通る経路になるため、浮遊容量Ｃ２の電荷は、キャパシタＣ１に充電されずに放電（除去）されることとなる。
そして、除去動作後、ＶＲｎの計測動作が行われる。具体的には、制御部１４は、第１の時間経過後にスイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５をオンすることでキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換部１３によって変換した後、スイッチＳＷ３をオフする。つづいて、制御部１４は、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ５をオンして絶縁計測経路を形成し、スイッチＳＷ３をオフした状態を一定時間（第２の時間）維持する。この場合、絶縁抵抗Ｒｎが正常（抵抗値が十分に大きい値）であれば、絶縁計測経路は絶縁抵抗Ｒｎを介して導通しないため、キャパシタＣ１は充電されず、絶縁抵抗Ｒｎが劣化等の異常により抵抗値が低下した場合には、絶縁計測経路が絶縁抵抗Ｒｎを介して導通するため、キャパシタＣ１は充電されることとなる。
そして、制御部１４は、第２の時間経過後に、スイッチＳＷ１をオフし、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５をオンすることでキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換部１３によってＡＤ変換しＶＲｎとして計測する。なお、計測したＶＲｎは、後段の絶縁異常検出処理によって用いられる。
つまり、制御部１４は、第３スイッチであるスイッチＳＷ３をオフした後の第２の時間経過後に計測したキャパシタＣ１の電圧であるＶＲｎに基づいて絶縁異常を検出する。
そして、制御部１４は、ＶＲｎを計測後、スイッチＳＷ３をオンすることで、キャパシタＣ１の電荷を完全に放電し、ＶＲｎ計測処理を終了する。つまり、第３スイッチであるスイッチＳＷ３は、浮遊容量Ｃ２の電荷を除去するためのスイッチと、キャパシタＣ１の電荷を放電する放電スイッチとを兼ねる。これにより、それぞれのスイッチを配置する必要が無いため、コストを低減することができる。
ここで、図３を用いて、ＶＲｐ計測処理およびＶＲｎ計測処理により計測されるＶＲｐおよびＶＲｎの電圧値について説明する。図３は、計測されるＶＲｐおよびＶＲｎの電圧値を示す図である。図３では、ＶＲｐおよびＶＲｎの総和を縦軸に示し、キャパシタＣ１の充電時間を横軸に示す。なお、図３では、ＶＲｐおよびＶＲｎの総和を示したが、ＶＲｐおよびＶＲｎがそれぞれ別々に示されてもよい。
また、図３に示す「コモン除去期間」とは、第１の時間であり、「絶縁抵抗算出期間」とは、第２の時間である。また、図３では、参考例として、第３スイッチであるスイッチＳＷ３を備えていない電圧検出回路において検出されるＶＲｐおよびＶＲｎの総和を示している。
図３に示すように、参考例では、浮遊容量の電荷がキャパシタに充電されることとなるため、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間であるコモン除去期間において、キャパシタには、電池および浮遊容量の電荷が蓄積することとなる。このため、例えば、浮遊容量が大きくなると、キャパシタに蓄積する電荷が多くなるため、キャパシタの容量によっては電池電圧を正確に計測できないおそれがある。
そこで、本実施形態では、制御部１４は、浮遊容量Ｃ２，Ｃ３の電荷が影響するコモン除去期間（時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間）において、絶縁計測経路を形成するとともにスイッチＳＷ３をオンすることで、キャパシタＣ１に浮遊容量Ｃ２の電荷が蓄積しないようした。これにより、図３に示すように、コモン除去期間では、スイッチＳＷ３をオンすることでキャパシタＣ１が充電されないため、キャパシタＣ１の電圧が略ゼロとなる。
そして、制御部１４は、コモン除去期間経過後、すなわち、浮遊容量Ｃ２，Ｃ３の電荷を完全に放電後である時刻ｔ２において、ＡＤ変換部１３によりキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換した後、絶縁計測経路を形成するとともにスイッチＳＷ３をオフすることで、キャパシタＣ１の充電を開始する。すなわち、第１の時間であるコモン除去期間は、仮にスイッチＳＷ３を備えていない場合に絶縁計測経路を形成してから浮遊容量Ｃ２の充電が完了するまでに要する時間である。これにより、浮遊容量Ｃ２，Ｃ３の影響を排除して電池２の電荷のみをキャパシタＣ１に蓄積することができる。
そして、制御部１４は、第２の時間である絶縁抵抗算出期間（時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間）においてスイッチＳＷ３を継続してオフすることで、キャパシタＣ１を充電する。すなわち、第２の時間は、電池２によりキャパシタＣ１の充電が完了するまでに要する時間である。
そして、制御部１４は、絶縁抵抗算出期間経過後である時刻ｔ３において、ＡＤ変換部１３によってキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換し、ＡＤ変換されたキャパシタＣ１の電圧に基づいて、後述する（４）絶縁異常検出処理により、絶縁抵抗Ｒｐ，Ｒｎの異常を検出する。
このように、実施形態に係る絶縁異常検出方法では、コモン除去期間においてスイッチＳＷ３をオンすることで、浮遊容量Ｃ２，Ｃ３の影響を排除したキャパシタＣ１の電圧計測が可能となる。すなわち、実施形態に係る絶縁異常検出方法によれば、高精度に絶縁抵抗Ｒｐ，Ｒｎの異常を検出することができる。
なお、上述したように、実施形態に係る絶縁異常検出方法では、キャパシタＣ１に浮遊容量Ｃ２の電荷が蓄積されないため、キャパシタＣ１の容量を浮遊容量Ｃ２の分だけ小さくできる。換言すれば、キャパシタＣ１の容量は、浮遊容量Ｃ２を除いた容量が設定される。これにより、キャパシタＣ１のコストを抑えることができる。
（４）絶縁異常検出処理
絶縁異常検出処理は、計測したＶＲｐおよびＶＲｎに基づいて、絶縁抵抗ＲＮの異常を検出する処理である。具体的には、制御部１４は、図３に示す時刻ｔ２においてＡＤ変換されたキャパシタＣ１の電圧（Ｖｔ２）と、時刻ｔ３においてＡＤ変換されたキャパシタＣ１の電圧（Ｖｔ３）の増加率（傾き）を算出する。すなわち、増加率は、（Ｖｔ３－Ｖｔ２）／（ｔ３－ｔ２）によって算出する。そして、制御部１４は、かかる増加率が所定の閾値未満である場合、絶縁抵抗Ｒｐ，Ｒｎが正常であると判定し、増加率が所定の閾値以上である場合には、絶縁抵抗Ｒｐ，Ｒｎが異常であると判定する。つまり、制御部１４は、図３に示す絶縁抵抗算出期間（時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間）におけるＶＲｐおよびＶＲｎの傾きに基づいて絶縁異常を検出する。
絶縁異常検出処理は、計測したＶＲｐおよびＶＲｎに基づいて、絶縁抵抗ＲＮの異常を検出する処理である。具体的には、制御部１４は、図３に示す時刻ｔ２においてＡＤ変換されたキャパシタＣ１の電圧（Ｖｔ２）と、時刻ｔ３においてＡＤ変換されたキャパシタＣ１の電圧（Ｖｔ３）の増加率（傾き）を算出する。すなわち、増加率は、（Ｖｔ３－Ｖｔ２）／（ｔ３－ｔ２）によって算出する。そして、制御部１４は、かかる増加率が所定の閾値未満である場合、絶縁抵抗Ｒｐ，Ｒｎが正常であると判定し、増加率が所定の閾値以上である場合には、絶縁抵抗Ｒｐ，Ｒｎが異常であると判定する。つまり、制御部１４は、図３に示す絶縁抵抗算出期間（時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間）におけるＶＲｐおよびＶＲｎの傾きに基づいて絶縁異常を検出する。
なお、制御部１４は、ＶＲｐおよびＶＲｎの和の増加率であってもよく、ＶＲｐおよびＶＲｎそれぞれについて増加率を算出することで、それぞれの絶縁異常を検出してもよい。
また、制御部１４は、増加率による絶縁異常判定を行う場合に限らず、ＶＲｐおよびＶＲｎの和（あるいは、ＶＲｐおよびＶＲｎそれぞれの値）が所定の閾値以上であるか否かにより絶縁異常を判定してもよい。
また、制御部１４は、時刻ｔ２においてキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換せずに絶縁異常を検出してもよい。かかる場合、制御部１４は、Ｖｔ２＝０として上記した増加率を算出することとしてもよい。
また、制御部１４は、キャパシタＣ１の電圧に基づいて、スイッチＳＷ３の開固着異常を検出可能である。具体的には、制御部１４は、第１の時間（図３に示すコモン除去期間）経過後のキャパシタＣ１の電圧を計測し、かかる電圧が所定値以上である場合には、第３スイッチであるスイッチＳＷ３の開固着異常を検出する。
つまり、制御部１４は、コモン除去期間後には本来略ゼロであるはずの電圧がゼロでない場合に、スイッチＳＷ３がオンされない異常によりキャパシタＣ１が意図せずに充電されているとして、スイッチＳＷ３の開固着異常を検出する。これにより、スイッチＳＷ３の開固着異常を高精度に検出することができる。
また、制御部１４は、第１の時間であるコモン除去期間に先立って、浮遊容量Ｃ２を計測する処理を行い、浮遊容量Ｃ２に応じてコモン除去期間の長さを決定してもよい。具体的には、制御部１４は、上記した（２）または（３）において、第３スイッチであるスイッチＳＷ３を第１の時間オンする以前に、絶縁計測経路を形成するとともに、スイッチＳＷ３を第１の時間オフすることで充電されるキャパシタＣ１の電圧を計測する。かかる電圧は浮遊容量Ｃ２に充電される電圧であるため、かかる電圧に基づいて予測した浮遊容量Ｃ２に応じて第１の時間を決定する。
これにより、第１の時間であるコモン除去期間の長さを高精度に決定できるため、例えば、第１の時間が必要以上に長すぎたり、第１の時間が短すぎて絶縁抵抗算出期間に浮遊容量Ｃ２の電荷が残ってしまうことを高精度に回避することができる。
次に、図４～図６を用いて、実施形態に係る絶縁異常検出装置である電池ＥＣＵ１０が実行する処理内容について説明する。図４は、実施形態に係る電池ＥＣＵ１０が実行する全体処理の処理手順を示すフローチャートである。図５は、実施形態に係る電池ＥＣＵ１０が実行するＶＲｐ計測処理の処理手順を示すフローチャートである。図６は、実施形態に係る電池ＥＣＵ１０が実行するＶＲｎ計測処理の処理手順を示すフローチャートである。
まず、図４を用いて、全体処理の処理手順について説明する。
図４に示すように、電池ＥＣＵ１０の制御部１４は、電圧検出回路１２を制御して、電池２の電池電圧を計測する（ステップＳ１０１）。つづいて、制御部１４は、電池電圧計測後、キャパシタＣ１の電荷を放電する放電処理を行う（ステップＳ１０２）。
つづいて、制御部１４は、電圧検出回路１２を制御して、ＶＲｐ計測処理を行う（ステップＳ１０３）。つづいて、制御部１４は、ＶＲｐ計測後、キャパシタＣ１の電荷を放電する放電処理を行う（ステップＳ１０４）。
つづいて、制御部１４は、電圧検出回路１２を制御して、ＶＲｎ計測処理を行う（ステップＳ１０５）。つづいて、制御部１４は、ＶＲｎ計測後、キャパシタＣ１の電荷を放電する放電処理を行う（ステップＳ１０６）。
つづいて、制御部１４は、計測したＶＲｐおよびＶＲｎに基づいて、絶縁抵抗ＲＮの絶縁異常を検出する絶縁異常検出処理を行い（ステップＳ１０７）、処理を終了する。
次に、図５を用いて、ＶＲｐ計測処理の処理手順について説明する。
図５に示すように、制御部１４は、電圧検出回路１２におけるスイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４をオンする（ステップＳ２０１）。なお、スイッチＳＷ３は、前段の放電処理（図４に示すステップＳ１０２）により既にオンされているため、ステップＳ２０１では、継続してオンされることとなる。
つづいて、制御部１４は、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４をオンしてから第１の時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ２０２）、第１の時間経過していない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、第１の時間が経過するまでステップＳ２０２を繰り返し実行する。
制御部１４は、第１の時間が経過した場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、ＡＤ変換部１３によりキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換しスイッチＳＷ３をオフする（ステップＳ２０３）。これにより、キャパシタＣ１の充電が開始される（ステップＳ２０４）。
つづいて、制御部１４は、スイッチＳＷ３がオフされてから第２の時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ２０５）、第２の時間経過していない場合（ステップＳ２０５：Ｎｏ）、第２の時間が経過するまでステップＳ２０５を繰り返し実行する。
制御部１４は、第２の時間が経過した場合（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、ＡＤ変換部１３のＡＤサンプリングによりＶＲｐを取得し（ステップＳ２０６）、処理を終了する。
次に、図６を用いて、ＶＲｎ計測処理の処理手順について説明する。
図６に示すように、制御部１４は、電圧検出回路１２におけるスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ５をオンする（ステップＳ３０１）。なお、スイッチＳＷ３は、前段の放電処理（図４に示すステップＳ１０４）により既にオンされているため、ステップＳ３０１では、継続してオンされることとなる。
つづいて、制御部１４は、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ５をオンしてから第１の時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ３０２）、第１の時間経過していない場合（ステップＳ３０２：Ｎｏ）、第１の時間が経過するまでステップＳ３０２を繰り返し実行する。
制御部１４は、第１の時間が経過した場合（ステップＳ３０２：Ｙｅｓ）、ＡＤ変換部１３によりキャパシタＣ１の電圧をＡＤ変換後しスイッチＳＷ３をオフする（ステップＳ３０３）。これにより、キャパシタＣ１の充電が開始される（ステップＳ３０４）。
つづいて、制御部１４は、スイッチＳＷ３がオフされてから第２の時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ３０５）、第２の時間経過していない場合（ステップＳ３０５：Ｎｏ）、第２の時間が経過するまでステップＳ３０５を繰り返し実行する。
制御部１４は、第２の時間が経過した場合（ステップＳ３０５：Ｙｅｓ）、ＡＤ変換部１３のＡＤサンプリングによりＶＲｐを取得し（ステップＳ３０６）、処理を終了する。
上述してきたように、実施形態に係る絶縁異常検出装置（電池ＥＣＵ１０）は、電圧検出回路１２と、制御部１４とを備える。電圧検出回路１２は、電池２と、電池２に並列接続されるキャパシタＣ１と、キャパシタＣ１の両極の入力側にそれぞれ接続される複数の第１スイッチ（スイッチＳＷ１，ＳＷ２）と、キャパシタＣ１の両極側の出力側に接続される複数の第２スイッチ（スイッチＳＷ４，スイッチＳＷ５）と、キャパシタＣ１に並列接続される第３スイッチ（スイッチＳＷ３）とを有する。制御部１４は、電圧検出回路１２における第２スイッチに接続され、キャパシタＣ１の一方の極に接続される第１スイッチおよびキャパシタＣ１の他方の極に接続される第２スイッチをオンすることで絶縁計測経路を形成し、絶縁計測経路により充電されるキャパシタＣ１の電圧を計測し、当該電圧に基づいて絶縁異常を検出する。制御部１４は、絶縁計測経路を形成するとともに第３スイッチをオンし、第１の時間経過後に第３スイッチをオフした後の第２の時間経過後に計測したキャパシタＣ１の電圧に基づいて絶縁異常を検出する。これにより、車両の絶縁異常を高精度に検出することができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ 車載システム
２ 電池
２Ａ、２Ｂ 電池スタック
２ａ、２ｂ 電池セル
４ モータ
５ コンプレッサ
１０ 電池ＥＣＵ
１２ 電圧検出回路
１３ ＡＤ変換部
１４ 制御部
１５ 電源ＩＣ
２１ ＤＣＤＣコンバータ
３０ エアコンＥＣＵ
３１ インバータ
４０ ＭＧ＿ＥＣＵ
５０ ＨＶ＿ＥＣＵ
Ｃ１ キャパシタ
Ｃ２ 浮遊容量
１１ａ、１１ｂ 監視ＩＣ
Ｒ 絶縁抵抗
Ｒ１～Ｒ６ 抵抗
Ｒｐ、Ｒｎ 絶縁抵抗
ＳＷ１～ＳＷ５ スイッチ
２ 電池
２Ａ、２Ｂ 電池スタック
２ａ、２ｂ 電池セル
４ モータ
５ コンプレッサ
１０ 電池ＥＣＵ
１２ 電圧検出回路
１３ ＡＤ変換部
１４ 制御部
１５ 電源ＩＣ
２１ ＤＣＤＣコンバータ
３０ エアコンＥＣＵ
３１ インバータ
４０ ＭＧ＿ＥＣＵ
５０ ＨＶ＿ＥＣＵ
Ｃ１ キャパシタ
Ｃ２ 浮遊容量
１１ａ、１１ｂ 監視ＩＣ
Ｒ 絶縁抵抗
Ｒ１～Ｒ６ 抵抗
Ｒｐ、Ｒｎ 絶縁抵抗
ＳＷ１～ＳＷ５ スイッチ
Claims (7)
- 電池に並列接続されるキャパシタと、２つの第１スイッチと、２つの第２スイッチと、前記キャパシタを短絡させるための第３スイッチとを有する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の動作を制御し、電圧検出部を介して前記電池の絶縁異常を検出する制御部と、を備え、
前記２つの第１スイッチの一方は前記電池の一方の極と前記キャパシタの一端とを接続し、他方は前記電池の他方の極と前記キャパシタの他端とを接続し、
前記２つの第２スイッチの一方は前記キャパシタの一端と前記電圧検出部とを接続し、他方は前記キャパシタの他端と前記電圧検出部とを接続し、
前記第３スイッチは前記２つの第２スイッチよりも前記電池に近い位置で前記キャパシタに並列接続され、
前記制御部は、
前記２つの第１スイッチの一方および前記２つの第２スイッチの他方をオンして前記一方の極と前記他方の極との間の絶縁抵抗を含む絶縁計測経路を形成した状態で前記第３スイッチをオンし、第１の時間経過後に前記第３スイッチをオフし、第２の時間経過後の前記キャパシタの電圧に基づいて前記絶縁異常を検出すること
を特徴とする絶縁異常検出装置。 - 前記第１の時間は、
前記絶縁計測経路を形成してから浮遊容量の充電が完了するまでに要する時間であること
を特徴とする請求項１に記載の絶縁異常検出装置。 - 前記制御部は、
前記第３スイッチを前記第１の時間オンする以前に、前記絶縁計測経路を形成するとともに前記第３スイッチをオフすることで充電される前記キャパシタの電圧を計測し、当該電圧に基づき予測した浮遊容量に応じて前記第１の時間を決定すること
を特徴とする請求項１または２に記載の絶縁異常検出装置。 - 前記キャパシタの容量は、浮遊容量を除いた容量が設定されること
を特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の絶縁異常検出装置。 - 前記制御部は、
前記第１の時間経過後の前記キャパシタの電圧を計測し、当該電圧が所定値以上である場合、前記第３スイッチの開固着異常を検出すること
を特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載の絶縁異常検出装置。 - 前記第３スイッチは、
前記キャパシタを放電するための放電スイッチを兼ねること
を特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載の絶縁異常検出装置。 - 電池と、電圧検出回路と、電圧検出部とを備える絶縁異常検出装置が実行する絶縁異常検出方法であって、
前記電圧検出回路は、前記電池に並列接続されるキャパシタと、２つの第１スイッチと、２つの第２スイッチと、前記キャパシタを短絡させるための第３スイッチとを有し、
前記２つの第１スイッチの一方は前記電池の一方の極と前記キャパシタの一端とを接続し、他方は前記電池の他方の極と前記キャパシタの他端とを接続し、
前記２つの第２スイッチの一方は前記キャパシタの一端と前記電圧検出部とを接続し、他方は前記キャパシタの他端と前記電圧検出部とを接続し、
前記第３スイッチは前記２つの第２スイッチよりも前記電池に近い位置で前記キャパシタに並列接続され、
前記２つの第１スイッチの一方および前記２つの第２スイッチの他方をオンすることで前記一方の極と前記他方の極との間の絶縁抵抗を含む絶縁計測経路を形成し、前記絶縁計測経路により充電される前記キャパシタの電圧を計測し、当該電圧に基づいて絶縁異常を検出する制御工程、
を含み、
前記制御工程は、
前記絶縁計測経路を形成するとともに前記第３スイッチをオンし、第１の時間経過後に前記第３スイッチをオフした後の第２の時間経過後に計測した前記キャパシタの電圧に基づいて前記絶縁異常を検出する
絶縁異常検出方法。
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