接地检测装置以及蓄电系统的制作方法

本发明涉及用于对搭载于车辆的蓄电部的接地进行检测的接地检测装置以及蓄电系统。

背景技术：

近年来，混合动力车、电动车、燃料电池车的普及正在扩大。在这些车辆中，除了搭载辅机蓄电池之外还搭载驱动用蓄电池(牵引蓄电池)。驱动用蓄电池将多个锂离子电池、镍氢电池等二次电池串联连接从而被高电压化。一般而言，大多使用100～400v的驱动用蓄电池。

驱动用蓄电池为了防止触电、起火，需要在与底盘绝缘的状态下搭载。例如，在驱动用蓄电池漏电的状态下，当乘员、服务人员、救援人员等接触因车辆的漏电被通电的露出导电部时有触电的危险。

在搭载了驱动用蓄电池的车辆中，通常导入对驱动用蓄电池和底盘之间的绝缘状态进行监视的结构。绝缘状态的监视方式的主要方式有检测从正极、负极线流向底盘的电流的不平衡的非绝缘方式、在商用电源系统中大多使用的箝位方式、由耦合电容器切断直流电流的绝缘方式。当前，利用了耦合电容器的绝缘方式(例如参照专利文献1)成为主流。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-274504号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在利用了耦合电容器的绝缘方式中，来自车辆的噪声容易经由耦合电容器而流入检测电路，因此需要降低检测电路的响应性。为了降低响应性，需要增大耦合电容器的电容，或者在检测电路的前级连接低通滤波器。

由于耦合电容器的车辆侧的端子电位变动，因此耦合电容器的检测侧的端子电位有时会偏离检测电路的输入电压范围。在车辆侧的端子电位变动大的情况下，为了降低检测电路的响应性，直到耦合电容器的检测侧的端子电位恢复至检测电路的输入电压范围为止耗费时间。因此，从发生接地到确定发生接地为止需要时间。虽然有无接地基本上基于检测点的电压振幅来判定，但在检测点的电压偏离检测电路的输入电压范围的状态下，准确地判定有无接地变得困难。

本发明正是鉴于这样的状况而完成的，其目的在于，提供一种短时间且高精度地判定有无接地的技术。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的某形态的接地检测装置具备：阻抗元件，施加给定的交流电压；电容器，连接在所述阻抗元件的输出端子和蓄电部之间，所述蓄电部与车辆的底盘绝缘地搭载于所述车辆；和接地判定部，根据基于所述阻抗元件和所述电容器的连接点电压的峰峰值的检测值来判定所述蓄电部有无接地。所述接地判定部在所述检测值为第1基准值以下且第2基准值以上时，判定为发生了接地，其中，所述第1基准值是基于所述蓄电部和所述车辆的底盘之间的绝缘电阻被容许的最小值的状态下的所述连接点电压的峰峰值而设定的，所述第2基准值是基于所述蓄电部和所述车辆的底盘完全接地的状态下的所述连接点电压的峰峰值而设定的。

另外，以上的结构要素的任意组合、本发明的表现在方法、装置、系统等之间变换后的形态作为本发明的形态也是有效的。

发明效果

根据本发明，能够短时间且高精度地判定有无接地。

附图说明

图1是用于说明本发明的实施方式所涉及的蓄电系统的图。

图2是表示比较例所涉及的接地判定方法的流程的流程图。

图3是表示实施例所涉及的接地判定方法的流程的流程图。

图4是表示漏电电阻为10kω时的仿真结果的图。

图5是表示漏电电阻为100kω时的仿真结果的图。

图6是表示漏电电阻为1000kω时的仿真结果的图。

图7是表示漏电电阻为3000kω时的仿真结果的图。

具体实施方式

图1是用于说明本发明的实施方式所涉及的蓄电系统1的图。蓄电系统1是车辆用电源系统，搭载于混合动力车、电动车、燃料电池车等的具备行驶用电动机的车辆。蓄电系统1在车辆内与辅机用的12v系的二次电池(通常使用铅电池)单独设置。蓄电系统1具备蓄电部3、管理装置(未图示)、接地检测装置2。

蓄电部3将多个单体s1～sn串联连接而构成。对于单体s1～sn，能够利用锂离子电池单体、镍氢电池单体、双电层电容器单体、锂离子电容器单体等。另外，也能够将被串联连接的多个单体s1～sn并联连接来增加电容。

管理装置(未图示)对蓄电部3中包含的多个单体s1～sn的电压、电流、温度进行监视，在发生了过电压、不足电压、过电流、温度异常等的异常的情况下，将插入至电流路径的切断开关(未图示)关断来保护蓄电部3。此外，管理装置进行多个单体s1～sn的soc(stateofcharge；充电状态)管理、soh(stateofhealth；健康状态)管理、均等化控制等。

逆变器4是连接在蓄电部3和电动机5之间的双向逆变器。逆变器4在动力运行时将从蓄电部3供给的直流电变换为交流电而供给至电动机5。在再生时，将从电动机5供给的交流电变换为直流电而供给至蓄电部3。对于电动机5，例如使用三相交流同步电动机。电动机5在动力运行模式下，基于从逆变器4供给的电力而旋转，使车辆行驶。在再生模式下，通过基于车辆的减速能量的旋转而发电，经由逆变器4对蓄电部3进行充电。

一般而言，在车辆内，12v系的辅机蓄电池(未图示)以其负极与车辆的底盘直接连结的状态来设置。另一方面，高压的牵引蓄电池以与底盘绝缘的状态来设置。在高压的牵引蓄电池与底盘导通的状态下，当人接触车辆的露出导电部时，有触电的危险。因此，在搭载了高压的牵引蓄电池的车辆中，需要搭载接地检测装置2来始终监视牵引蓄电池和底盘之间的绝缘状态。

接地检测装置2具备控制部10、第1低通滤波器20、分压电阻r1、耦合电容器c1以及滤波器部30。控制部10能够由微控制器来实现，包括局部振荡器11、a/d变换器12以及接地判定部13。滤波器部30包括第2低通滤波器31以及高通滤波器32。在本实施方式中，假定分别由有源滤波器来构成第1低通滤波器20、第2低通滤波器31以及高通滤波器32的例子。

接地检测装置2的电源由12v系的辅机蓄电池供给。分别从辅机蓄电池的供电线向第1低通滤波器20、第2低通滤波器31以及高通滤波器32的电源端子施加12v。向控制部10的电源端子施加从12v通过开关调节器(未图示)被降压后的5v。第1低通滤波器20、第2低通滤波器31、高通滤波器32以及控制部10的接地端子被连接至底盘。

局部振荡器11生成给定的频率的矩形波并输出。第1低通滤波器20将从局部振荡器11输入的矩形波整形为正弦波。电压振幅的峰峰值vp-p需要设定为比控制部10的电源电压(5v)低的电压。在本实施方式中，假定整形成电压振幅的峰峰值vp-p为4v、频率为2.5hz的正弦波的例子。

分压电阻r1的输入端子与第1低通滤波器20的输出端子连接，分压电阻r1的输出端子与耦合电容器c1的一个端子连接。耦合电容器c1的另一个端子与蓄电部3的负极端子连接。能够视作在蓄电部3的负极端子和底盘之间假想地连接了大的漏电电阻r2。另外，耦合电容器c1的另一个端子并不限定连接于蓄电部3的负极端子，只要连接于蓄电部3的给定的一处即可。

耦合电容器c1切断接地检测装置2和蓄电部3之间的直流分量。在本实施方式中，假定使用2.5μf的电容器的例子。分压电阻r1、耦合电容器c1以及漏电电阻r2构成分压电路。

由局部振荡器11以及第1低通滤波器20生成的交流电压被施加至分压电阻r1的输入端子。在分压电阻r1和耦合电容器c1的连接点n1(以下称为检测点n1)连接有第2低通滤波器31的输入端子。第2低通滤波器31的输出端子与高通滤波器32的输入端子连接，高通滤波器32的输出端子与a/d变换器12的输入端子连接。

第2低通滤波器31除去连接点n1的电压的高频分量。高通滤波器32进行用于使第2低通滤波器31的输出电压与a/d变换器12的输入电压范围相匹配的偏置调整。在本实施方式中，由于a/d变换器12的输入电压范围为0～5v，因此高通滤波器32进行电平偏移以使得第2低通滤波器31的输出电压的中心值(偏置值)成为2.5v。

a/d变换器12将从滤波器部30输入的模拟电压变换为数字值而输出至接地判定部13。接地判定部13基于输入的数字值来判定蓄电部3和底盘之间有无接地。在发生了接地的情况下，接地判定部13经由can(controllerareanetwork；控制器区域网络)等的车内网络而向车辆侧的ecu(electroniccontrolunit；电子控制单元)输出表示接地发生的警告信号。

在蓄电部3与底盘理想绝缘的情况下，蓄电部3的中间电压被维持在底盘接地的电压附近。例如，在蓄电部3的两端电压为400v的情况下，蓄电部3的正极电压被维持在+200v附近，负极电压被维持在-200v附近。

在此，考虑蓄电部3和底盘之间的绝缘被破坏，漏电电阻r2下降至100kω的状态。在该状态下，当人接触车体的露出导电部时，人体有可能流动大约4ma的电流。一般而言，可以说人体的最小感知电流为1ma，给人体不会带来生理上的不良影响的最大容许电流为5ma。以下，在本说明书中，考虑取1ma的余裕，将最大容许电流设为4ma的例子。在该情况下，容许漏电电阻r2至100kω的下降。在漏电电阻r2下降至小于100kω的情况下，判定为接地。即，认为漏电电阻r2为100kω以上的漏电在接地检测中忽略。

将漏电电阻r2为容许最小值(在本实施方式中为100kω)时的检测点电压的峰峰值(在本实施方式中为2.2v)设为第1基准值，由接地判定部13预先保持。接地判定部13作为基本的判定处理，在实际计测的检测点电压的峰峰值vp-p为第1基准值以下时，判定为发生了接地，在超过第1基准值时，判定为未发生接地。在上述分压电路中，由于漏电电阻r2越低则检测点n1的电压振幅越小，因此能够通过监视检测点n1的电压来判定有无接地。

如上述的例子那样，在蓄电部3的两端电压为400v、且蓄电部3从底盘理想地浮置的情况下，耦合电容器c1蓄积与检测点n1的电压和蓄电部3的负极的电压(-200v)的电压差相应的电荷。在蓄电部3的正极侧与底盘导通的情况下，蓄电部3的正极电压转变为0v，负极电压转变为-400v。另一方面，在蓄电部3的负极侧与底盘导通的情况下，蓄电部3的正极电压转变为+400v，负极电压转变为0v。

在蓄电部3的正极侧与底盘导通的情况下，耦合电容器c1的车辆侧的端子电压从-200v急剧下降至-400v。由此，作为耦合电容器c1的检测侧的端子电压的检测点n1的电压被拉至-200v附近。由此，检测点n1的电压偏离第2低通滤波器31的输入电压范围(在本实施方式中为0～12v)。在该状态下，通过高通滤波器32相加的偏置电压(在本实施方式中为2.5v)直接以恒压的方式输入至a/d变换器12。在该情况下，检测点电压的峰峰值vp-p大致成为0v，因此接地判定部13判定为发生了接地。

然而，上述的判定处理起因于检测点n1的电压被拉至-200v附近而判定为发生接地，并不是准确地反映了实际上漏电电阻r2是否下降至小于100kω的判定结果。

在耦合电容器c1的车辆侧的端子电压从-200v急剧下降至-400v之后，若耦合电容器c1的充电完成，则耦合电容器c1的检测侧的端子电压恢复为2.5v附近。因此，如果超过耦合电容器c1的充电完成的时间而持续检测点电压的峰峰值vp-p为第1基准值以下的状态，则能够确定漏电电阻r2下降至小于100kω。在本实施方式中，假定10秒作为直到确定该接地为止的时间。该时间是基于相对于耦合电容器c1的车辆侧的端子电压的急剧变动而耦合电容器c1的检测侧的端子电压恢复为正常为止的最大时间所设定的时间。

若减小耦合电容器c1的电容，则能够缩短耦合电容器c1的充电时间。然而，当减小耦合电容器c1的电容时，检测侧容易受到蓄电部3的电位变动的影响。蓄电部3的内部电阻由于流过蓄电部3的电流而变动。在牵引蓄电池用途中，由于车速、路面状况等而电流频繁地变动，因此在行驶中蓄电部3的负极电位也不断地变动。增大耦合电容器c1的电容，追加第2低通滤波器31，以提高检测点电压的s/n比，使得接地判定部13不会由于该电位变动而发生误判定。其结果，直到确定接地发生为止需要长的时间。

以下，考虑缩短到确定该接地发生为止所需的时间的方法。将蓄电部3和底盘完全接地(在漏电电阻r2为0ω的状态下接地)时的检测点电压的峰峰值(在本实施方式中为1.1v)设为第2基准值，由接地判定部13进一步保持。接地判定部13在实际计测的检测点电压的峰峰值vp-p为第1基准值以下且为第2基准值以上时，判定为发生了接地，在不满足这些基准时，判定为未发生接地。

检测点电压的峰峰值vp-p的最小值应该成为第2基准值，在检测点电压的峰峰值vp-p小于第2基准值时，能够推定为检测系统发生了异常。如上述那样检测点电压偏离第2低通滤波器31的输入电压范围的情况下，由于检测点电压的峰峰值vp-p小于第2基准值，因此不会判定为发生接地。换言之，若检测点电压的峰峰值vp-p达到第2基准值，则成为能够判定接地发生的状态。

此外，输入至a/d变换器12的交流电压的中心值在接地发生时的过渡状态下发生变动，不久收敛。因而，在分压电路以及滤波器部30正常动作的情况下，输入至a/d变换器12的交流电压的平均值实质上变得固定，应该变为其交流电压的中心值附近。因此，接地判定部13计算检测点n1的交流电压的、单位周期中的区间积分值的平均值v1、单位周期中的最大值和最小值的平均值v1、或者给定期间中的移动平均值v1。接地判定部13在计算出的平均值v1与输入至a/d变换器12的交流电压的中心值实质上相等时，能够推定为分压电路、滤波器部30以及a/d变换器12正常动作。即，在平均值v1与输入至a/d变换器12的交流电压范围的中心值实质上相等、且实质上成为固定的给定值时，是能够判定接地发生的状态。因此，将检测点电压的峰峰值vp-p成为第2基准值以上、且平均值v1成为与输入至a/d变换器12的交流电压的中心值实质上相等的范围内作为触发，来检测检测点电压的峰峰值vp-p为第1基准值以下，从而能够无误判定地迅速判定接地发生。

图2是表示比较例所涉及的接地判定方法的流程的流程图。接地判定部13计测检测点电压的峰峰值vp-p(s10)。接地判定部13对计测出的峰峰值vp-p和第1基准值(2.2v)进行比较(s11)。在计测出的峰峰值vp-p为第1基准值(2.2v)以下的情况下(s11的是)，接地判定部13检测接地发生(s12)。在该状态持续了给定时间(在比较例中为10秒钟)的情况下(s13的是)，接地判定部13确定接地发生(s14)。当确定接地发生时，接地判定部13向ecu输出警告(s15)。

图3是表示实施例所涉及的接地判定方法的流程的流程图。接地判定部13计测检测点电压的峰峰值vp-p(s20)。接地判定部13计算出检测点电压的区间积分值的平均值v1(s21)。接地判定部13判定计测出的峰峰值vp-p是否为第2基准值(1.1v)以上且第1基准值(2.2v)以下，并且计算出的平均值v1是否与输入电压范围的中心值(2.5v)大致相等(s22)。在全部满足这些条件时(s22的是)，接地判定部13检测接地发生(s23)。在该状态持续了给定时间(在本实施例中为2秒钟)的情况下(s24的是)，接地判定部13确定接地发生(s25)。在确定接地发生时，接地判定部13向ecu输出警告(s26)。

图4是表示漏电电阻r2为10kω时的仿真结果的图。在图4所示的例子中，作为平均值v1而使用了检测点电压的400ms间的积分值的平均值。在比较例中，在发生了接地的时间点检测接地，在其10秒之后确定接地。另外，在该比较例中，在检测点电压的峰峰值vp-p超过了4v的情况下也检测接地，将其加入判定条件中。另一方面，在实施例中，在从由于接地发生而平均值v1背离2.5v的状态恢复至2.5v的时间点检测接地，在其2秒之后确定接地。在恢复至大约2.5v的时间点，由于检测点电压的峰峰值vp-p为1.1v以上且2.2v以下，因此在该时间点检测接地。若对实施例和比较例进行比较的话，可知实施例能够以短时间确定接地发生。

图5是表示漏电电阻r2为100kω时的仿真结果的图。在比较例中，接地发生之后，在检测点电压的峰峰值vp-p变为2.2v以下的时间点检测接地，在其10秒之后确定接地。另一方面，在实施例中，在从由于接地发生而平均值v1背离2.5v的状态恢复至2.5v的时间点检测接地，在其2秒之后确定接地。在恢复至大约2.5v的时间点，由于检测点电压的峰峰值vp-p为1.1v以上且2.2v以下，因此在其时间点检测接地。另外，虽然检测点电压的峰峰值vp-p一度变得小于1.1v，但在平均值v1恢复至大约2.5v的时间点又恢复至1.1v以上。若对实施例和比较例进行比较的话，可知实施例能够以短时间确定接地发生。

图6是表示漏电电阻r2为1000kω时的仿真结果的图。在比较例中，在发生了接地的时间点检测接地，但在经过10秒之前检测点电压的峰峰值vp-p超过2.2v，因此接地检测变得无效。另一方面，在实施例中，平均值v1为大约2.5v、检测点电压的峰峰值vp-p为1.1v以上、以及检测点电压的峰峰值vp-p为2.2v以下这三个判定条件全部满足的期间没有发生，未检测接地。若对实施例和比较例进行比较的话，则在比较例中发生了将本来不应判定为接地的漏电作为接地来检测的处理。

图7是表示漏电电阻r2为3000kω时的仿真结果的图。在图7所示的例子中，作为平均值v1而使用了检测点电压的42取样区间的移动平均值。在比较例中，在发生了接地的时间点检测接地，但在经过10秒之前检测点电压的峰峰值vp-p超过2.2v，因此接地检测变得无效。另一方面，在实施例中，移动平均值v1为大约2.5v、检测点电压的峰峰值vp-p为1.1v以上、以及检测点电压的峰峰值vp-p为2.2v以下这三个判定条件全部满足的期间没有发生，未检测接地。若对实施例和比较例进行比较的话，则在比较例中发生了将本来不应判定为接地的漏电作为接地来检测的处理。

如以上说明过的那样，根据本实施例，利用基于完全接地时的检测点电压的峰峰值而设定的第2基准值(1.1v)来规定检测点电压的输入范围，从而能够准确地判定向接地判定部13的输入值的有效性。此外，兼用判定检测点电压的区间积分值的平均值是否处于输入电压范围的中心值附近的处理，从而能够进一步高精度地判定向接地判定部13的输入值的有效性。由此，能够防止基于有效性未被确认的输入值而判定为接地发生。

在比较例中，为了确保向接地判定部13的输入值的有效性，将直到确定接地检测为止的时间取得长，但根据本实施例，通过进行利用了第2基准值的比较、以及区间积分值的平均值的比较，从而能够大幅缩短直到确定接地检测为止的时间。

此外，为了在确保接地判定精度的同时缩短直到确定接地检测为止的时间，还考虑在检测点n1和滤波器部30之间连接高通滤波器、保护电路。然而，伴随着部件个数增加导致的可靠性下降、成本增大。根据本实施例，通过将误判定防止的结构安装于微型计算机的软件，从而能够在不追加硬件的情况下缩短直到确定接地检测为止的时间。

以上，基于实施方式对本发明进行了说明。实施方式只是例示，对于本领域技术人员可理解：能够对这些各结构要素、各处理工艺的组合实施各种变形例，此外，这样得到的变形例也包含在本发明的范围内。

在上述的实施例中，对检测点电压的峰峰值vpp和第1基准值以及第2基准值进行了比较。关于这一点，对检测点电压的峰峰值vpp和第1基准值(峰峰值)以及第2基准值(峰峰值)进行了比较。关于这一点，也可以对检测点电压的振幅值和第1基准值(振幅值)以及第2基准值(振幅值)进行比较。尤其是，在检测点电压的中心值位于2.5v附近的状态下，即便用振幅值来比较，判定精度也相同。

另外，实施方式可以通过以下的项目来确定。

[项目1]

一种接地检测装置(2)，其特征在于，具备：

阻抗元件(r1)，施加给定的交流电压；

电容器(c1)，连接在所述阻抗元件(r1)的输出端子和蓄电部(3)之间，该蓄电部与车辆的底盘绝缘地搭载于所述车辆；和

接地判定部(13)，根据基于所述阻抗元件(r1)和所述电容器(c1)的连接点电压的峰峰值的检测值来判定所述蓄电部(3)有无接地，

所述接地判定部(13)在所述检测值为第1基准值以下且第2基准值以上时，判定为发生了接地，其中，所述第1基准值是基于所述蓄电部(3)和所述车辆的底盘之间的绝缘电阻(r2)被容许的最小值的状态下的所述连接点电压的峰峰值而设定的，所述第2基准值是基于所述蓄电部(3)和所述车辆的底盘完全接地的状态下的所述连接点电压的峰峰值而设定的。

由此，能够短时间且高精度地判定有无接地。

[项目2]

根据项目1所记载的接地检测装置(2)，其特征在于，

还具备：

滤波器部(30)，从所述连接点电压之中除去高频分量，调整偏置；和

a/d变换部(12)，将从所述滤波器部(30)输入的模拟电压变换为数字值并输出至所述接地判定部(13)，

所述接地判定部(13)计算所述连接点的交流电压的、单位周期中的区间积分值的平均值、单位周期中的最大值和最小值的平均值、或者给定期间中的移动平均值，

所述接地判定部(13)在所述检测值为所述第1基准值以下且所述第2基准值以上，并且所述平均值与所述a/d变换部(12)的输入电压范围的中心值实质上相等时，判定为发生了接地。

由此，能够短时间且更高精度地判定有无接地。

[项目3]

根据项目2所记载的接地检测装置(2)，其特征在于，

所述接地判定部(13)在所述检测值为所述第1基准值以下且所述第2基准值以上并且所述平均值与所述a/d变换部(12)的输入电压范围的中心值实质上相等的状态持续了给定时间时，判定为发生了接地。

由此，能够短时间且更高精度地判定有无接地。

[项目4]

一种蓄电系统(1)，其特征在于，具备：

行驶用的蓄电部(3)，搭载于车辆；和

项目1至3中任一项所记载的接地检测装置(2)，检测所述蓄电部(3)和所述车辆的底盘之间的接地。

由此，能够实现能短时间且高精度地判定有无接地的蓄电系统(1)。

符号说明

1蓄电系统、2接地检测装置、3蓄电部、4逆变器、5电动机、10控制部、11局部振荡器、12a/d变换器、13接地判定部、20第1低通滤波器、30滤波器部、31第2低通滤波器、32高通滤波器、r1分压电阻、c1耦合电容器、r2漏电电阻、s1、s2、s3、sn单体。