车载用电力供给系统的漏电检测装置和液压挖掘机的制作方法
【专利摘要】车载用电力供给系统的漏电检测装置，其包括：检测信号生成部，其对连接电力转换电路和电源的电线的电压施加点施加交流电压，上述电力转换电路将来自上述电源的电力转换成交流电力供给到电动机；电压测量部，其测量上述检测信号生成部与上述电压施加点之间的电压测量点的电压；以及漏电检测部，其在上述电动机的控制装置向上述电动机发出将旋转角度保持恒定的指令时，根据上述电压测量部测量出的上述电压测量点的电压，检测从上述电力转换电路至上述电动机之间有无漏电。
【专利说明】
车载用电力供给系统的漏电检测装置和液压挖掘机
技术领域
[0001 ]本发明涉及用电力转换电路将蓄电池的直流电力转换成交流电力，并将该交流电力供给到交流马达的车载用电力供给系统的漏电检测装置和液压挖掘机。
【背景技术】
[0002]近年来，正在推进用从蓄电池供给的电力来替代一部分或全部动力的混合动力车等车辆的开发。这样的车辆大多搭载有电力供给系统，该电力供给系统使用逆变器这样的电力转换电路将蓄电池的直流电力转换成交流电力，并将该交流电力供给到交流马达等负载。
[0003]电力供给系统中所用的蓄电池是高电压大容量，因此在电路的某一处产生漏电时，可能给进行车辆的维护作业带来障碍。因此，在车载用电力供给系统中，需要事先知道有无漏电，并且在发现漏电时能迅速应对。
[0004]图4是表示以往使用的车载用电力供给系统的漏电检测装置的图。例如下述专利文献I和专利文献2中公开了这样的漏电检测装置。
[0005]在图4中，车载用电力供给系统的漏电检测装置由电力供给系统10和漏电检测装置20构成。
[0006]电力供给系统10由直流高电压电路A和交流高电压电路B构成。直流高电压电路A包括:直流用蓄电池11;与蓄电池11的正负极连接的正极电线13和负极电线14;设置在正极电线13上和负极电线14上的接触器17a及17b;以及位于接触器17a及17b的后级且与正极电线13和负极电线14连接的平滑用电容器18。交流高电压电路B包括:与正极电线13和负极电线14连接并通过多个开关元件的接通/断开切换而将直流电力转换成交流电力的逆变器电路12;交流马达15;以及连接逆变器电路12和交流马达15的多条交流电线16。
[0007]在驱动交流马达15时，接触器17a及17b接通。
[0008]逆变器电路12例如使用图5所不的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)逆变器电路12。在IGBT逆变器电路12中，设置有由6个IGBT元件(开关元件)76和对应的6个二极管77构成的6个IGBT电路70?75。
[0009]当交流马达15为三相时，IGBT电路70、73、1681'电路71、74、1681'电路72、75这三组IGBT电路并联配置。IGBT电路70、73的中间点MUIGBT电路71、74的中间点M2、IGBT电路72、75的中间点M3分别与交流马达15的3个线圈连接。
[0010]漏电检测装置20包括:与蓄电池11的正极侧的正极电线13上的电压施加点P连接的电容器C;与电容器C连接的电阻R;产生正弦波或方波等规定频率的交流信号Vs并在电阻R中使交流信号Vs流过的振荡器21;以及在电阻R与电容器C之间的电压测量点Q测量电压电平(交流电压的有效值)的电压测量部40。在由该电压测量部40测量电压时，设定用于判别有无漏电的阈值。
[0011]图4的漏电检测装置20中的漏电检测处理按如下方式进行。假设是在负极电线14中因绝缘劣化而产生漏电的情况。且从振荡器21输出的交流信号Vs通过电阻R和电容器C后施加于正极电线13的施加点P。
[0012]如果是在电力供给系统10中没有漏电的情况，则由电压测量部40测量的电压有效值与从振荡器21输出的交流信号Vs的电压有效值大致相同，并且在设定的阈值以上。由此，判断为没有漏电。
[0013]另一方面，在电力供给系统10中有漏电的情况下，也就是说在负极电线14中有漏电的情况下，在负极电线14与车身的主体(接地)之间会产生漏电电阻r。因此，交流信号Vs的电压有效值由于电阻R和漏电电阻r而被分压。因此，由电压测量部40测量的电压有效值小于从振荡器21输出的交流信号Vs的电压有效值，并且低于设定的阈值。由此，判断为有漏电。这样，通过测量测量点Q处的电压并将其与阈值进行比较，能够检测有无漏电。其中，C是寄生电容。
[0014]专利文献1:国际公开第2007/007749号公报
[0015]专利文献2:日本特开2003 — 219551号公报
【发明内容】
[0016]但是，以往的漏电检测装置中，虽然在车辆运行期间等对高电压电路施加高电压的状态下，能够对电力供给系统10中的直流高电压电路A产生的漏电不存在误检地检测出来，但是对交流高电压电路B产生的漏电进行检测时却存在误检的可能性。以下，使用图4、图5来说明在对高电压电路施加高电压的状态下对交流高电压电路B的漏电进行检测时存在误检可能性的理由。这里，与漏电检测装置20的电容器C相比，电容器18通常容量大且阻抗小。因此，交流信号Vs能够使电容器18导通，所以以高电压部的正极13和负极14这两者能够导通为前提进行说明。
[0017]假设是因交流高电压电路B的交流电线16a?16c中的某一个绝缘劣化而产生漏电的情况。首先，在对高电压电路施加高电压的状态下且IGBT元件76的接通/断开控制停止时，各IGBT元件76为非导通状态。因此，交流信号Vs不能通过各IGBT元件76。
[0018]而且，在对高电压电路施加高电压的状态下且IGBT元件76的接通/断开控制停止时，各二极管77在反向偏置方向上被施加高电压而成为非导通状态。因此，交流信号Vs也不能通过各二极管77。因此，在对高电压电路施加高电压的状态下且IGBT元件76的接通/断开控制停止时，直流高电压电路A能够通过专利文献I的方法不存在误检地检测出漏电，但是交流高电压电路B则无法进行漏电检测。
[0019]接着，在对高电压电路施加高电压的状态下且IGBT元件76的接通/断开控制工作时，各IGBT元件76中的某一个为导通状态。此外，在流过回流电流的情况下，各二极管77也为导通状态。因此，交流信号Vs能够导通至交流高电压电路B。但是，在对高电压电路施加高电压的状态下且IGBT元件76的接通/断开控制工作时，漏电检测装置20中会产生较大的噪声。该噪声中包含多个频率和振幅不同的噪声。而且，当高电压电路的各部位的阻抗因绝缘状态的变化而发生变化时，各噪声的振幅等也发生变化。
[0020]因此，在车辆运行期间等对高电压电路施加高电压的状态下，难以不存在误检地实施对交流高电压电路B的漏电检测。但是，当发生故障时，为了防止故障的恶化，在对高电压电路施加高电压的状态下也需要不存在误检地检测交流高电压电路B产生的漏电。
[0021]因此，本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于在对高电压电路施加高电压的状态下，也能够以廉价的电路结构在直流高电压电路和交流高电压电路双方不存在误检地进行漏电检测。
[0022]本发明提供一种车载用电力供给系统的漏电检测装置，其包括:检测信号生成部，其对连接电力转换电路和电源的电线的电压施加点施加交流电压，上述电力转换电路将来自上述电源的电力转换成交流电力供给到电动机；电压测量部，其测量上述检测信号生成部与上述电压施加点之间的电压测量点的电压；以及漏电检测部，其在上述电动机的控制装置向上述电动机发出将旋转角度保持为恒定的指令时，根据上述电压测量部测量出的上述电压测量点的电压，检测从上述电力转换电路至上述电动机之间有无漏电。
[0023]优选具有滤波器，其去除与上述控制装置进行将上述电动机的旋转角度保持为恒定的控制时的控制周期相对应的频率的噪声。
[0024]本发明在对高电压电路施加高电压的状态下，也能够以廉价的电路结构在直流高电压电路和交流高电压电路双方不存在误检地进行漏电检测。
【附图说明】
[0025]图1是表示实施方式涉及的车载用电力供给系统的漏电检测装置的结构的图。
[0026]图2是表示将电子控制单元的结构功能块化的图。
[0027]图3是表示实施方式涉及的漏电检测装置以及该漏电检测装置的漏电检测对象的图。
[0028]图4是表示以往使用的车载用电力供给系统的漏电检测装置的图。
[0029]图5是表示IGBT逆变器电路的图。
[0030]符号说明
[0031]10电力供给系统
[0032]11 蓄电池
[0033]12逆变器电路
[0034]15交流马达
[0035]16交流电线
[0036]17接触器
[0037]18 电容器
[0038]19直流电压测量部
[0039]20漏电检测装置
[0040]21振荡器[0041 ]25 电路
[0042]30漏电检测装置
[0043]40电压测量部
[0044]50电子控制单元
[0045]51检测信号生成部
[0046]52电压测量部
[0047]52A滤波部
[0048]53漏电检测部
[0049]54开关元件控制部
[0050]55接触器控制部
【具体实施方式】
[0051]以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
[0052]图1是表示实施方式的结构的图。在图1中，车载用电力供给系统的漏电检测装置包括电力供给系统10和漏电检测装置30。
[0053]图1所示的电力供给系统10，除了没有在负极电线14上设置接触器17b这一点以夕卜，与使用图4说明的电力供给系统10基本上相同。在本实施例中也可以在负极电线14上设置接触器，但是在本实施例的漏电检测处理时需要将设置在正极电线、负极电线上的接触器中的某一个接通。
[0054]电力供给系统10由直流高电压电路A和交流高电压电路B构成。直流高电压电路A包括:直流用蓄电池11;分别与蓄电池11的正负极连接的正极电线13和负极电线14;设置在正极电线13上的接触器17;位于接触器17的后级且与正极电线13和负极电线14连接的平滑用电容器18;与电容器18并联连接的直流电压测量部19;以及同样与电容器18并联连接，并且对电容器18进行直流电压去除的电压去除电路25。电压去除电路25例如由电阻和继电器构成。
[0055]交流高电压电路B包括:与正极电线13和负极电线14连接并通过多个开关元件的接通/断开切换而将直流电力转换成交流电力的逆变器电路12;交流马达15;以及连接逆变器电路12和交流马达15的多条交流电线16。逆变器电路12是将来自电源的直流电力转换成交流电力并供给到作为电动机的交流马达15的电力转换电路。
[0056]如图5所示，在逆变器电路12设置有由6个IGBT元件76和6个二极管77构成的6个IGBT电路70?75。在交流马达15为三相的情况下，IGBT电路70、73、IGBT电路71、74、以及IGBT电路72、75这三组并联配置。
[0057]IGBT电路70、73的中间点Ml、IGBT电路71、74的中间点M2、IGBT电路72、75的中间点M3分别与交流马达15的3个线圈连接。
[0058]漏电检测装置30包括:与蓄电池11的正极侧的正极电线13上的电压施加点P连接的电容器C;与电容器C连接的电阻R;电子控制单元50;电子控制单元的电源60;根据对车辆的启动键的操作而接通/断开，将电子控制单元50和电源60电连接/切断的开关80;以及由电子控制单元50进行接通/断开控制，来将电子控制单元50和电源60电连接/切断的继电器
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[0059]图2是表示将电子控制单元50的结构功能块化的图。电子控制单元50包括:产生正弦波或方波等规定频率的交流信号Vs，并在电阻R中使交流信号Vs流过的检测信号生成部51;在电阻R与电容器C之间的电压测量点Q通过滤波部52A测量电压电平(交流电压的有效值)的电压测量部52;将由电压测量部52测量出的电压与预先设定的阈值进行比较来检测有无漏电的漏电检测部53;控制设置于IGBT逆变器电路12的各IGBT元件(开关元件)76的接通/断开的开关元件控制部54;以及控制接触器17和继电器81的接通/断开的接触器控制部55。电子控制单元50的各部51?55的功能通过电子电路或编程来实现。
[0060]另外，在实施例中将接触器17设置在正极电线13上，但也可以设置在负极电线14上。此外，在实施例中在正极电线13上设置有施加交流电压Vs的电压施加点P，但是也可以在负极电线14上设置电压施加点P。
[0061 ]使用图1、图5来说明在对高电压电路施加高电压的状态下且IGBT元件76的接通/断开控制工作时，漏电检测装置30中会产生较大噪声的理由及其解決方法。
[0062]在对高电压电路施加高电压的状态下且IGBT元件76的接通/断开控制工作时，在交流高电压电路B的Ml?M3会产生较大的电压变动。该电压变动由于绝缘电阻r和寄生电容c等阻抗、以及漏电检测装置30的电阻R和电容器C等阻抗而被分压的电压在漏电检测装置30中成为噪声而产生。
[0063]这里，交流高电压电路B的Ml?M3的电压变动主要是因为对各IGBT元件76进行开关而产生的。该电压变动主要包括载波频率(开关频率)分量、正极电压和负极电压的时间比率变化的频率也就是说相电流频率分量。
[0064]这里，关于载波频率的电压变动，由于设计者能够自由地决定载波频率的控制周期，所以设计者能够自由地决定噪声频率和交流信号Vs的频率这两者。因此，能够通过滤波器等实施可靠的噪声对策。
[0065]但是，相电流频率的电压变动中，频率与马达转速成比例地变化。因此，在交流马达15用于车辆行走或回转的情况下，设计者无法自由地决定噪声频率。
[0066]而且，为了可靠地实施漏电检测，需要确保充分的检测时间，但是在刚发生漏电之后能够实现噪声对策的马达转速持续得未必足够。
[0067]对此，为了应对上述的相电流频率的噪声，本发明的漏电检测装置采用下述方式。
[0068]在用于车辆行走或者混合动力液压挖掘机或电动挖掘机回转的交流马达15中，在停止马达旋转而使机械制动器动作的前后，从交流马达15的控制装置发出将旋转角度保持在特定范围内的指令。
[0069]在将该旋转角度保持在特定范围内的期间，与相电流频率同步的广域频率的噪声会消失，取而代之的是与旋转角度的控制指令的控制周期同步的、频率一定的噪声。
[0070]在本发明中，着眼于该现象，在将旋转角度保持在特定范围内的期间内，在施加了高电压的状态下实施交流高电压电路B的漏电检测。
[0071]这里，旋转角度的控制指令的控制周期能够由设计者自由地决定，因此设计者能够自由地设定噪声频率和交流信号Vs这两者。因此，能够通过滤波部52A来实施可靠的噪声对策。
[0072]而且，将旋转角度保持在特定范围内的指令所持续的时间也能够由设计者自由地决定，因此能够可靠地确保充分的检测时间。
[0073]通过采用上述方式，即使是在对高电压电路施加高电压的状态下，也能够在交流马达15旋转和停止的各周期可靠地实施稳定的漏电检测。
[0074]接着，使用图3来说明实施方式的漏电检测的处理步骤。在车辆运行期间实施漏电检测的情况下，首先，基于IGBT元件76的接通/断开控制是停止还是工作而区分成两种不同的情况。由于CPU自身发出控制指令，所以能够容易地判断IGBT元件76的接通/断开控制的状态。
[0075]在IGBT元件76的接通/断开控制为停止时(步骤SlOl:“否”)，如上述那样，在步骤S105中仅对直流高电压侧进行漏电检测。在IGBT元件76的接通/断开控制为工作时(步骤SlOl: “是”)，在步骤S102中，基于是否输出了将交流马达15的旋转角度保持在特定范围内的指令而区分成两种不同的情况。该判定也由于CPU自身发出控制指令所以能够容易地判断。
[0076]在输出了将旋转角度保持在特定范围内的指令的情况下(步骤S102:“是”)，在步骤S103中，如上述那样对直流高电压侧和交流高电压侧双方进行漏电检测。在没有输出将旋转角度保持在特定范围内的指令的情况下(步骤S102:“否”)，在步骤S104中不执行漏电检测。
[0077]另外，即使在没有输出将旋转角度保持在特定范围内的指令的情况下，当例如马达转速为阈值以上的状态持续一定时间以上等满足了特定条件时，也能够同样地实施漏电检测。
[0078]进而，在IGBT元件76的接通/断开控制为工作时检测出漏电的情况下，保持对高电压电路施加高电压的状态，而使IGBT元件76的接通/断开控制停止，然后在接通/断开控制停止的状态下再次检测有无漏电，由此还能够诊断漏电发生部位是直流高电压电路A还是交流高电压电路B。即，在接通/断开控制停止的状态下判断为没有漏电时，可知漏电是在交流高电压电路B中产生。反之，在接通/断开控制停止的状态下也判断为有漏电时，可知漏电是在直流高电压电路A中产生。
[0079]根据本实施方式，在车辆的运行期间不仅能够检测直流高电压电路A有无漏电，还能够检测交流高电压电路B有无漏电。由此，能够早期就检测出漏电的发生，从而防止故障的恶化。
[0080]而且，根据本实施方式，能够确定在直流高电压电路A和交流高电压电路B中的哪一个发生了漏电。因此，能够迅速地维修漏电部位，提高作业効率。
[0081]此外，以下对漏电检测的具体方法进行说明。在高电压电路没有发生漏电(漏电电阻r)的情况下，由电压测量部52测量的电压测量点Q的电压有效值与从检测信号生成部51输出的交流信号Vs的电压有效值大致相同，而由漏电检测部53判断为测量电压在所设定的阈值以上。由此，判断为没有漏电。
[0082]另一方面，在高电压电路有漏电的情况下，例如在负极电线14上有漏电(漏电电阻r)的情况下，交流信号Vs的电压有效值由于电阻R和漏电电阻r而被分压。因此，由电压测量部52测量的电压有效值小于从检测信号生成部51输出的交流信号Vs的电压有效值，而由漏电检测部53判断为测量电压低于所设定的阈值。由此，判断为有漏电。
[0083]在检测出漏电的情况下，实施使车辆停止等必要的措施。此外，也可以在未图示的显示装置中显示有无漏电和漏电部位。由此，作业者能够迅速地对漏电部位进行维修。
[0084]此外，以下对具体的噪声和滤波器进行说明。为了检测交流高电压电路B的漏电，漏电检测装置需要在检测信号Vs流过交流马达15侧的状态下、也就是说在电动机的工作期间检测漏电。这里，在电动机的工作期间，由用于驱动电动机的开关元件的接通/断开引起的电压变动，由于电压变动部一接地间和漏电检测用电路一接地间的阻抗比而被分压，因此在电压测量点Q产生较大的噪声。此时，直流分量由漏电检测电路的电容器C去除，因此仅交流分量即电压的变动成为噪声。
[0085]这里，噪声中包含根据电动机的转速而会在较大范围内变化的分量。此外，由于绝缘的劣化，车辆各部分的阻抗发生变化时，噪声也与阻抗的变化对应地大幅变化。结果，在对高电压电路施加高电压的状态下，漏电检测装置在电动机的工作期间检测漏电时，噪声的对策需要大规模电路和用于检测漏电的复杂的逻辑。而且，由于电动机的动作条件和绝缘劣化状态的组合数量庞大，所以动作确认所需要的试验也是大规模的。
[0086]这里，关于电动机的旋转角度，在停止马达旋转而使机械性制动工作的前后发出将旋转角度保持在特定范围内的指令。此时，如上所述，噪声频率都成为由设计者决定的值，用小规模电路和简单的逻辑就能够实施可靠的噪声对策。
[0087]电动机在执行机械性制动之前等时，旋转角度被保持在特定范围内的情况下，因电动机产生的噪声主要为与接通/断开开关元件的频率和旋转角度的控制指令的频率成比例的噪声。此时，交流信号Vs的频率和因电动机产生的噪声的频率都能够由设计者决定，因此能够由滤波部52A来实施可靠的噪声对策。
[0088]例如在基于开关元件的接通/断开控制频率的噪声为10kHz、并且基于电动机的旋转角度的控制频率的噪声为10Hz的情况下，将交流信号Vs设定为5Hz，滤波部52A用低通滤波器将频率为50Hz以上的噪声去除，由此能够实施可靠的噪声对策。另外，噪声是由于高电压电路的电压变动被分压而产生的，所以噪声的振幅(日文:“波高”)为高电压电路的施加电压以下，考虑到该情况就能够求取低通滤波器所需要的阶数。
[0089]上述方法尤其在回转作业中使用电动机的混合动力液压挖掘机或电动挖掘机时能够得到较高的改善效果。混合动力液压挖掘机中，对应于作为操作装置的回转操作杆的操作回转电动机被驱动而使上部回转体进行回转动作。作为回转电动机，可以是单独地使上部回转体进行回转动作的方式，也可以是与液压马达连结而并用液压和电力使上部回转体进行回转动作的方式。
[0090]混合动力液压挖掘机通常不会长时间连续地使用回转电动机，而是在运行期间使上部回转体重复进行短时间的回转和停止。在回转操作杆回到空档位置而回转停止时，使作为机械制动器的回转停止制动器进行动作，不过在该回转停止制动器开始进行动作的前后数秒间，将上述的旋转角度保持在特定范围内的指令会被输出。在输出有将该旋转角度保持在特定范围内的指令的时候实施漏电检测的情况下，能够在刚确认完没有漏电的状态下就使车辆运行。此外，每次使用回转电动机时，都能够可靠地实施漏电检测。其结果，通过本发明，混合动力液压挖掘机能够获得较高的改善效果。另外，尽管是以在回转停止制动器开始进行动作的前后的数秒间实施漏电检测为示例进行了说明，但是漏电检测只要是在回转操作杆回到空档后的规定期间内实施即可，可以是制动器动作开始前的规定期间，并且也可以是包含制动器动作开始的规定期间。
【主权项】
1.一种车载用电力供给系统的漏电检测装置，其特征在于，包括: 检测信号生成部，其对连接电力转换电路和电源的电线的电压施加点施加交流电压，所述电力转换电路将来自所述电源的直流电力转换成交流电力供给到电动机； 电压测量部，其测量所述检测信号生成部与所述电压施加点之间的电压测量点的电压；以及 漏电检测部，其在所述电动机的控制装置向所述电动机发出将旋转角度保持在特定范围内的指令时，根据所述电压测量部测量出的所述电压测量点的电压，检测从所述电力转换电路至所述电动机之间有无漏电。2.根据权利要求1所述的车载用电力供给系统的漏电检测装置，其特征在于，具有: 滤波器，其去除与所述控制装置进行将所述电动机的旋转角度保持在特定范围内的控芾'J时的控制周期相对应的频率的噪声。3.根据权利要求1所述的车载用电力供给系统的漏电检测装置，其特征在于: 在检测出所述漏电的情况下，保持施加高电压的状态，使所述电力转换电路具有的开关元件的接通/断开控制停止，然后在所述接通/断开控制停止的状态下检测有无漏电。4.一种液压挖掘机，其特征在于，包括: 电动机，其使上部回转体回转； 电力转换电路，其将来自电源的直流电力转换成交流电力供给到所述电动机；以及 权利要求1至3中任一项所述的车载用电力供给系统的漏电检测装置。5.根据权利要求4所述的液压挖掘机，其特征在于: 所述液压挖掘机还包括用于对回转动作进行操作的回转操作杆， 所述漏电检测部在所述回转操作杆回到空档位置之后的规定期间内检测有无漏电。
【文档编号】E02F9/12GK105960595SQ201580007178
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年1月7日
【发明人】山田健太郎, 川路泰史
【申请人】株式会社小松制作所