絶縁劣化検知装置及び車載高電圧系統
【課題】簡易な構成により、絶縁劣化の発生検知及び絶縁劣化箇所の特定を容易に行うこと。
【解決手段】電力ラインＬ上に設けられ、インピーダンス成分を有するコイル１１と、電力ラインＬ上において、コイル１１よりも車載コンポーネント２側に設けられた接続点Ｐ１と車体アースとの間に直列的に接続されたコンデンサ１２および電圧検出用抵抗１３と、コンデンサ１２および電圧検出用抵抗１３と直列に接続されるとともに、コンデンサ１２およびコイル１１とで決定される共振周波数よりも高い周波数の電圧を印加する発振源１４と、電圧検出用抵抗１３の両端電圧を検出する電圧検出部１５と、電圧検出部１５によって検出された両端電圧に基づいて、車載コンポーネント２の絶縁劣化を判定する判定部１６とを具備する絶縁劣化検知装置３を提供する。
【解決手段】電力ラインＬ上に設けられ、インピーダンス成分を有するコイル１１と、電力ラインＬ上において、コイル１１よりも車載コンポーネント２側に設けられた接続点Ｐ１と車体アースとの間に直列的に接続されたコンデンサ１２および電圧検出用抵抗１３と、コンデンサ１２および電圧検出用抵抗１３と直列に接続されるとともに、コンデンサ１２およびコイル１１とで決定される共振周波数よりも高い周波数の電圧を印加する発振源１４と、電圧検出用抵抗１３の両端電圧を検出する電圧検出部１５と、電圧検出部１５によって検出された両端電圧に基づいて、車載コンポーネント２の絶縁劣化を判定する判定部１６とを具備する絶縁劣化検知装置３を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁劣化を検知する絶縁劣化検知装置及び車載高電圧系統に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、１５０Ｖ系統、３００Ｖ系統等の高電圧で駆動される車両用電動コンプレッサや車両用インバータは、車両シャーシに対して絶縁されたバッテリや電源回路等により駆動される。また、一般的な車両用電装品は、１２Ｖ系統または２４Ｖ系統のバッテリで駆動され、そのＮ極側は車両シャーシに接続されている。
高電圧のＰ極またはＮ極に何らかの不具合等が発生することにより、車両シャーシとの絶縁劣化が発生した場合、車両乗客員が感電する可能性がある。そのため、高電圧系統に接続されているコンポーネント類や車両全体を取りまとめているシステム系統における絶縁劣化監視が提案されている。
従来の絶縁劣化検出方法や漏電検出方法として、抵抗分圧による検出方法（例えば、特許文献１参照）、コンデンサカップリング方式またはインピーダンス方式（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。しかしながら、このような方法では、絶縁劣化が発生している箇所を特定できないというという問題があった。
また、上記問題を解消する方法として、例えば、車両高電圧システムの上位側で各コンポーネントにリレーまたはコンタクタ等のスイッチング素子を接続し、このスイッチング素子を順番にオン／オフすることで、絶縁劣化が発生しているコンポーネントを特定する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３２０３５２号公報
【特許文献２】特開平１１−１２２７０２号公報
【特許文献３】特開２００７−１５７６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献３の方法では、絶縁劣化の検知およびその発生源の特定が可能となるが、それを実現するための装置構成が煩雑であり、部品点数の増大、重量増加、コストアップ、システムソフトウェアの煩雑化等が懸念される。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成により、絶縁劣化の発生検知及び絶縁劣化箇所の特定を容易に行うことのできる絶縁劣化検知装置及び車載高電圧系統を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、車両に搭載され、該車両の車体アースから絶縁された車載電源システムと、前記車載電源システムから電力ラインを介して電力が供給されるとともに、前記車体アースから絶縁された少なくとも１つの車載コンポーネントとを備える車載高電圧系統に適用される絶縁劣化検知装置であって、前記電力ライン上に設けられ、インピーダンス成分を有する第１素子と、前記電力ライン上において、前記第１素子よりも前記車載コンポーネント側に設けられた接続点と前記車体アースとの間に直列的に接続されたコンデンサおよび電圧検出用抵抗と、前記コンデンサおよび前記電圧検出用抵抗と直列に接続されるとともに、前記コンデンサおよび前記第１素子とで決定される共振周波数よりも高い周波数の電圧を印加する発振源と、前記電圧検出用抵抗の両端電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出された前記電圧検出用抵抗の両端電圧に基づいて、前記車載コンポーネントの絶縁劣化を判定する判定部とを具備する絶縁劣化検知装置を提供する。
【０００７】
このような構成によれば、電力ラインにはインピーダンス成分を有する第１素子が設けられ、更に、電力ラインにおいて第１素子よりも車載コンポーネント側の接続点と車両アースとの間にはコンデンサ、電圧検出用抵抗、及び発振源が直列的に接続されている。このため、発振源から共振周波数よりも高い周波数の電圧が印加されると、第１素子の作用により、車載コンポーネント側と車載電源システム側とが電気的に分離され、車載コンポーネント側における絶縁状態に依存する電流のみが電圧検出用抵抗に流れることとなる。従って、電圧検出用抵抗の両端電圧を検出することにより、車載コンポーネント側の絶縁劣化を車載電源システム側から独立した形で検知することが可能となる。よって、簡易な構成により、車載コンポーネントの絶縁劣化を検知することができるとともに、絶縁劣化箇所の特定を容易に行うことが可能となる。
【０００８】
上記絶縁劣化検知装置において、前記発振源は、前記共振周波数よりも高い周波数の電圧と、該共振周波数よりも低い周波数の電圧とを切り替えて印加し、前記判定部は、前記発振源から印加される電圧の周波数が共振周波数よりも高い場合に前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知し、前記共振周波数よりも低い場合に前記車載電源システム側の絶縁劣化を検知することとしてもよい。
【０００９】
上記発振源から共振周波数よりも低い周波数の電圧が印加された場合には、車載コンポーネント側だけでなく、車載電源システム側の絶縁状態にも依存する電流が流れることとなる。ここで、上述したように、車載コンポーネント側における絶縁劣化については、共振周波数よりも高い周波数の電圧を印加すれば検知できるため、車載コンポーネント側における絶縁劣化の判定結果も加味することにより、車載電源システムの絶縁劣化についても判定することが可能となる。
このように、上記構成によれば、発振源から出力する周波数を切り替えるだけで、車載電源システム側と車載コンポーネント側の両方における絶縁劣化を容易に判定することができる。
【００１０】
上記絶縁劣化検知装置において、前記判定部は、前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知するための第１の電圧閾値と、車載電源システム側の絶縁劣化を検知するための第２の電圧閾値とを保有しており、前記発振源から印加される電圧の周波数に応じて上記電圧閾値を切り替え、切り替えた電圧閾値と前記電圧検出部によって検出された両端電圧とを比較することにより、絶縁劣化を検知することとしてもよい。
【００１１】
このように、発振源から印加される電圧の周波数に応じて、電圧閾値を切り替えることにより、車載電源システム側と車載コンポーネント側の両方における絶縁劣化を簡易な処理でかつ正確に判定することができる。
【００１２】
上記絶縁劣化検知装置において、前記第１素子はコイルであることが好ましい。
第１素子としてコイルを採用することにより、第１素子として抵抗を使用する場合と比べて、電力損失を大幅に低減することができる。
【００１３】
上記車載コンポーネントが、三相交流モータと、前記車載電源システムからの直流電力を３相交流電力に変換して前記三相交流モータに供給するインバータと、前記インバータを駆動制御するインバータ制御回路とを備える車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサである場合において、上記絶縁劣化検知装置における前記判定部は、前記インバータ一体型電動コンプレッサ側における絶縁劣化の判定結果を前記インバータ制御回路に出力することとしてもよい。
【００１４】
このように、インバータ制御回路に対してインバータ一体型電動コンプレッサの絶縁劣化を通知することにより、漏電防止のための適切な対処を迅速に実施させることが可能となる。
【００１５】
また、前記インバータ一体型電動コンプレッサが、前記インバータよりも前記車載電源システム側の電力ラインに設けられたコイルを備える場合において、前記コイルを絶縁劣化検知装置の前記第１素子として使用することとしてもよい。
【００１６】
このように、インバータ一体型電動コンプレッサがもともと備える構成を絶縁劣化検知装置にも流用することにより、部品点数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。
【００１７】
本発明は、上記いずれかの絶縁劣化検知装置を備える車載高電圧系統を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡易な構成により絶縁劣化の発生検知及び絶縁劣化箇所の特定を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る車載高電圧系統の概略構成を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る絶縁劣化検知装置の電圧検出部及び判定部の具体的な回路構成の一例を示した図である。
【図３】発振源から共振周波数よりも大きい周波数の電圧が印加された場合に、電流が流れるループを示した図である。
【図４】絶縁劣化検知装置を車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサに適用した場合の車載高電圧系統を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る絶縁劣化検知装置及び車載高電圧系統の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る車載高電圧系統の概略構成を示した図である。図１に示されるように、車両には車体アース（本実施形態では、車両シャーシ）から絶縁された車載電源システム１と、車載電源システム１から電力ラインＬを介して電力が供給されるとともに、車体アースから絶縁された少なくとも１つの車載コンポーネント２とが搭載されている。
【００２１】
車載電源システム１は、例えば、少なくとも５０Ｖ以上の高電圧を車載の所定のコンポーネントに供給する直流電源であり、例えば、１５０Ｖ系統や３００Ｖ系統における電源システムをいう。この車載電源システム１は、例えば、上位側絶縁抵抗２１を介して車体アースに接続されている。
【００２２】
車載コンポーネント２は、車載電源システム１からの高電圧の供給を受けて作動する電子機器である。車載コンポーネント２は、例えば、コンポーネント側絶縁抵抗２０を介して車体アースに接続されている。
また、実際には、車載電源システム１から高電圧の供給を受けて作動する電子機器は複数存在するが、ここでは、絶縁劣化検知の対象となる一の電子機器を車載コンポーネント２として定義し、その他の電子機器については車載コンポーネント２よりも上位側にあるといえることから上位コンポーネントと定義する。
【００２３】
車載電源システム１から車載コンポーネント２への電力供給は、電力ラインＬを通じて行われる。図１では、電力ラインＬは、１本しか図示されていないが、実際はＰ極側電力ラインＬｐとＮ極側電力ラインＬｎ（例えば、図４参照）の２本が存在している。
【００２４】
本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３は、車載コンポーネント２自身の絶縁劣化と車載コンポーネント２よりも電気的に上位に存在する上位システム（ここでは、車載電源システム１および車載電源システム１に接続される他のコンポーネントをいう。）に発生した絶縁劣化とをそれぞれ独立して検知できることを特徴としている。
【００２５】
具体的には、絶縁劣化検知装置３は、電力ラインＬ上に設けられたコイル（第１素子）１１、電力ラインＬ上において、コイル１１よりも車載コンポーネント２側に設けられた接続点Ｐ１と車体アースとの間に直列的に接続されたコンデンサ１２、電圧検出用抵抗１３、及び発振源１４を備えている。
ここで、コイル１１は、Ｐ極側電力ライン及びＮ極側電力ラインのいずれに設けられていてもよいが、ここでは、コイル１１が設けられている方の電力ラインを電力ラインＬとしている。
【００２６】
上記電圧検出用抵抗１３の両端には、電圧検出用抵抗１３の両端電圧を検出するための電圧検出部１５が設けられている。さらに、電圧検出部１５には、電圧検出部１５によって検出された電圧検出用抵抗１３の両端電圧並びに発振源１４から印加される電圧の周波数に基づいて、車載コンポーネント２側の絶縁劣化及び車載電源システム１側、換言すると、コンポーネント上位側の絶縁劣化をそれぞれ独立して判定する判定部１６が接続されている。
【００２７】
このような構成を備える車載高電圧系統において、発振源１４からみた図１の系統全体のインピーダンスＺａｌｌは、以下の（１）式で表わされる。
【００２８】
Ｚａｌｌ＝Ｚｓ＋Ｚ１・（Ｚ２＋Ｚｐｎ）／（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚｐｎ） （１）
Ｚｓ＝Ｒｓ＋１／（２π・ｆｓ・Ｃｓ）
【００２９】
上記（１）式において、Ｚ１はコンポーネント側絶縁抵抗２０のインピーダンス、Ｚ２は上位側絶縁抵抗２１のインピーダンス、Ｚｐｎはコイル１１のインピーダンスである。Ｒｓは、電圧検出用抵抗の抵抗値、ｆｓは発振源１４の電圧周波数、Ｃｓはコンデンサ１２の静電容量である。なお、コイルのインピーダンスは、Ｚｐｎ＝２π・ｆｓ・Ｌｐｎで表わされ、コイル１１のインダクタンスＬｐｎ及び周波数ｆｓを調整することで可変とすることができる。
【００３０】
周波数ｆｓが、コイル１１のインダクタンスＬｐｎとコンデンサ１２の静電容量（キャパシタンス）Ｃｓとで決まる共振周波数ｆよりも高い周波数の場合には、上記（１）式においてＺｐｎの値が非常に大きくなることから、車載高電圧系統に流れる電流のループは、図３に示すように車載コンポーネント２側のみとなり、上記（１）式は、以下の（２）式で表わされる。なお、以降の式において、上記Ｚ１，Ｚ２は抵抗成分が主であるとし、それぞれをＲ１，Ｒ２とおく。
【００３１】
ｆｓ＞＞ｆの場合
Ｚａｌｌ＿Ｈ＝Ｒｓ＋Ｒ１ （２）
【００３２】
また、周波数ｆｓが共振周波数ｆよりも低い周波数の場合には、上記（１）式においてＺｐｎの値がほぼゼロになるとともに、また、この場合には、車載電源システム１側および車載コンポーネント２側の両方に絶縁状態に応じた電流が流れることから、上記（１）式は、以下の（３）式で表わされる。
【００３３】
ｆｓ＜＜ｆの場合
Ｚａｌｌ＿Ｌ＝｛Ｒｓ＋１／（２π・ｆｓ・Ｃｓ）｝＋｛Ｒ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝ （３）
【００３４】
ここで、図１に示した系統において、コンポーネント側絶縁抵抗２０または上位側絶縁抵抗２１のいずれかに絶縁劣化が生じていた場合、電力系統内には発振源１４から印加される電圧ＶｓとインピーダンスＺａｌｌに応じた電流が流れることとなるので、電圧検出用抵抗Ｒｓの両端電圧Ｖｒｓを用いて、Ｚａｌｌは以下の（４）式のように表わされる。
【００３５】
Ｖｒｓ＝Ｒｓ・Ｖｓ／Ｚａｌｌ
Ｚａｌｌ＝Ｒｓ・Ｖｓ／Ｖｒｓ （４）
【００３６】
上記（４）式および（２）式からＲ１は、以下の（５）式で表わされる。
【００３７】
Ｒ１＝Ｒｓ（Ｖｓ／Ｖｒｓ−１） （５）
また、上記Ｒ１を上記（３）式に代入すれば、Ｒ２についても容易に求められる。
【００３８】
このように、Ｒ１、Ｒ２の値は、発振源１４から出力される電圧Ｖｓおよび絶縁劣化検知装置３を構成する各素子のパラメータ等から容易に求められる。
ここで、本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３が目的とするところは、コンポーネント側絶縁抵抗２０の抵抗値Ｒ１および上位側絶縁抵抗２１の抵抗値Ｒ２を正確に求めることではなく、これらの抵抗値Ｒ１およびＲ２が規定の抵抗閾値（例えば、１０ＭΩ）よりも低下しているか否か、つまり、絶縁劣化が生じているか否かを判定することである。
【００３９】
従って、本実施形態では、抵抗値Ｒ１，Ｒ２を算出して、この抵抗値Ｒ１、Ｒ２を抵抗閾値と比較するのではなく、これよりも更に簡単に絶縁劣化を検知するために、絶縁劣化が生じていると判定される規定の抵抗閾値（例えば１０ＭΩ）に相当する電圧閾値Ｖｒｅｆを上記演算式を用いて決定し、この電圧閾値Ｖｒｅｆと電圧検出部１５によって検出された電圧Ｖｒｓとを比較することにより、絶縁劣化の判定を行うこととした。
このように、電圧閾値Ｖｒｅｆを用いることで、電圧検出部１５によって検出された電圧Ｖｒｓをそのまま用いて絶縁劣化の判定が行えるので、簡素な回路構成あるいは簡易な演算処理によって絶縁劣化の判定を実現させることができる。
【００４０】
例えば、上記コンポーネント側絶縁抵抗２０が１０ＭΩよりも小さくなった場合に、絶縁劣化が発生したと判定する場合、上記（５）式は以下の（６）式で表わされる。
【００４１】
Ｒ１＝Ｒｓ（Ｖｓ／Ｖｒｓ−１）＜１０ＭΩ （６）
【００４２】
上記（６）式からＶｒｓの閾値は、以下の（７）式で表わされる。
Ｖｒｓ＞Ｖｓ・Ｒｓ／（Ｒｓ＋１０ＭΩ）＝Ｖｒｅｆ＿Ｈ （７）
【００４３】
つまり、電圧検出用抵抗１３の両端電圧Ｖｒｓが上記電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｈよりも大きい場合には、コンポーネント側絶縁抵抗２０の抵抗値Ｒ１が抵抗閾値よりも小さいと判断できることから、判定部１６は絶縁劣化を検知する。なお、上位側絶縁抵抗２１についても同様に、電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｌの算出、比較が行われる。
【００４４】
次に、図２を用いて、電圧検出部１５および判定部１６についてより詳しく説明する。図２は、電圧検出部１５および判定部１６の具体的な回路構成の一例を示した図である。
図２に示すように、電圧検出部１５により電圧検出用抵抗１３を流れる電流が電圧に変換され、更に、増幅およびノイズ低減が施された後に判定部１６に出力される。
【００４５】
判定部１６は、例えば、上記（７）式の方法を用いて算出された車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知するための第１電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｈと、車載電源システム側の絶縁劣化を検知するための第２電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｌとを有しており、発振源１４から出力された電圧周波数ｆｓが共振周波数ｆよりも高い場合に、第１電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｈを選択し、発振源１４から出力された電圧周波数ｆｓが共振周波数ｆよりも低い場合に、第２電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｌを選択する。
【００４６】
判定部１６は、電圧検出部１５から出力された端子間電圧Ｖｒｓと選択した電圧閾値とを比較することで絶縁劣化を検知し、検知結果に応じた信号、例えば、絶縁劣化の場合にはＨ信号、絶縁劣化が生じてない場合にはＬ信号を出力する。判定部１６から出力された信号は、例えば、アイソレータを介して車載コンポーネント２の制御回路や車載電源システム１の制御回路等へ送られ、絶縁劣化の有無が通知される。
【００４７】
次に、本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３の作用について説明する。
まず、発振源１４により共振周波数ｆよりも大きい周波数の電圧が印加される。コンポーネント側絶縁抵抗２０による絶縁が十分でない場合、コンポーネント側絶縁抵抗２０の抵抗値Ｒ１に応じた電流が図３に示すようなループで流れ、電圧検出用抵抗１３の両端電圧Ｖｒｓが電圧検出部１５によって検出される。電圧検出部１５により検出された両端電圧Ｖｒｓは、判定部１６において電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｈと比較され、比較結果に応じた信号がアイソレータを介して車載コンポーネント２側の制御回路（図示略）に通知される。
【００４８】
このようにして、車載コンポーネント側の絶縁劣化検知が終了すると、続いて、発振源１４により共振周波数ｆよりも小さい周波数の電圧が印加される。いずれかの絶縁抵抗２０，２１による絶縁が十分でない場合等には系統内に電流が発生し、電圧検出用抵抗１３の両端に電圧が発生する。電圧検出用抵抗１３の両端電圧Ｖｒｓは電圧検出部１５によって検出されて、判定部１６に出力され、電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｌと比較され、比較結果に応じた信号がアイソレータを介して車載電源システム１側へ通知される。
【００４９】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３によれば、簡易な構成により、車載コンポーネント２側と車載電源システム１側とで発生した絶縁劣化をそれぞれ独立に検知することが可能となる。これにより、絶縁劣化の発生箇所を簡易な構成により容易に特定することができる。
【００５０】
なお、上記実施形態において、コイル１１に代えて抵抗を用いることとしてもよい。ただし、コイル１１をインピーダンス成分として用いることで、以下のようなメリットがある。例えば、コイル１１に代えて抵抗を電源ラインＬに接続した場合、電源ラインＬには直流成分の電流Ｉｐｎが流れているため、電圧降下と電力損失が発生する。流れる電流Ｉｐｎの値が大きいほど、これらの損失は顕著となる。これに対し、コイル１１は、内部抵抗成分が抵抗に比べて非常に低いため、コイルをインピーダンス成分として用いることで、車載コンポーネント２の通常運転時における電圧低下、電力損失を抑制することが可能となる。また、発振源１４の周波数ｆｓ、コイル１１のインダクタンスＬｐｎを大きくすることにより、コイル１１におけるインピーダンス成分Ｚｐｎを大きくすることができるので、車載コンポーネント２側と車載電源システム１側とをより明確に電気的に分離することが可能となる。
Ｚｐｎ＝２π・ｆｓ・Ｌｐｎ
【００５１】
また、上述したように、本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３は、あくまでも絶縁劣化が生じているか否かを判定することを目的としているため、それぞれの絶縁抵抗２０、２１の抵抗値Ｒ１，Ｒ２を正確に算出することを必要としないが、例えば、上述した電圧検出用抵抗１３の端子間電圧Ｖｒｓと電圧閾値との比較による絶縁劣化の検知に代えて、車載電源システム１側における絶縁抵抗２１の抵抗値Ｒ２および車載コンポーネント２側における絶縁抵抗２０の抵抗値Ｒ１を算出するための演算式を判定部１６が有しており、これら演算式を用いて抵抗値Ｒ１、Ｒ２をそれぞれ算出し、これらの算出結果と規定の抵抗閾値（例えば、１０ＭΩ）とを比較することにより、絶縁劣化を検知することとしてもよい。
【００５２】
なお、本実施形態においては、絶縁劣化検知装置３のコンデンサ１２、電圧検出用抵抗１３、及び発信源１４の配置順序は、図４に示されるように接続点Ｐ１側から順に、コンデンサ１２、電圧検出用抵抗１３、発信源１４として説明していたが、これに限定されない。例えば、接続点Ｐ１側から順に電圧検出用抵抗１３、コンデンサ１２、発信源１４のように配置して構成する場合には、電圧検出用抵抗１３は、コンデンサ１２により車両シャーシに対して電気的に分離されていることとなるので、判定部１６からは絶縁せずに、直接車載コンポーネント２に電気信号を送ることが可能となる。または、例えば、接続点Ｐ１側から順に電圧検出用抵抗１３、発信源１４、コンデンサ１２のように配置して構成する場合には、発信源１４も車両シャーシに対して電気的に分離されるので、発信源１４及び判定部１６を車載コンポーネント２と電気的に分離せずに回路を構成することができる。
【００５３】
〔適用例〕
次に、上述した絶縁劣化検知装置３を車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサに適用した場合について説明する。
図４は、絶縁劣化検知装置３を車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサ３０に適用した場合の車載高電圧系統を示した図である。
【００５４】
図４に示すように、車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサ３０は、３相交流モータ３１、インバータ３２、インバータ制御回路３３、フィルタ部３４、コモンモードコイル３５等を備えている。このような構成において、車載電源システム１からの出力は、Ｐ極側電力ラインＬｐまたはＮ極側電力ラインＬｎを介して最終的に三相交流モータ３に供給される。具体的には、車載電源システム１からの出力は、コモンモードコイル３５、フィルタ部３４を介してインバータ３２に供給される。インバータ３２において直流電力は三相交流電力に変換され、三相交流モータ３１に供給される。
【００５５】
このようなシステムにおいて、絶縁劣化検知装置３は、Ｎ極側電力ラインＬｎに接続されている。ここで、コイル１１として、インバータ一体型電動コンプレッサ３０が備えるコモンモードコイル３５を流用し、コモンモードコイル３５よりも下流側、換言すると、三相交流モータ３１側に接続点Ｐ１を設けて、この接続点Ｐ１と車両シャーシとの間にコンデンサ１２、電圧検出用抵抗１３、及び発振源１４を直列的に接続する。このように、コイル１１として、インバータ一体型電動コンプレッサ３０がもともと備えている構成を流用することにより、部品点数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。
【００５６】
このような構成において、絶縁劣化検知装置３の作動時には、発振源１４から所定の周波数の電圧が印加され、電圧検出部１５により電圧検出用抵抗１３の両端電圧Ｖｒｓが検出され、これに基づいて絶縁劣化の判定が判定部１６によって行われる。
車載コンポーネント２（図１参照）である一体型電動コンプレッサ３０側に絶縁劣化が発生していた場合、判定部１６からの絶縁劣化検知信号は、インバータ３２を駆動制御するインバータ制御回路３３に出力される。インバータ制御回路３３は、絶縁劣化が通知されると、インバータ３２の運転モードを漏電保護モードに切り替える。漏電保護モードは、絶縁劣化が検知された場合に実行される運転モードであり、例えば、電動コンプレッサの停止、或いは漏電電流が規定値以下になるまで三相交流モータ３１の回転数を下げる等の動作が実施される。
【００５７】
絶縁劣化が検知された場合に、このような電動コンプレッサで実現可能な保護動作を実施することにより、絶縁劣化による被害を効果的に抑えることができる。
また、車載電源システム１側に絶縁劣化が生じていた場合には、判定部１６から車載電源システム１側の制御装置（図示略）に絶縁劣化を通知する信号が出力される。これにより、車載電源システム１側の制御装置は、車載電源システム１から電力供給を受けている車載コンポーネント（上位コンポーネント）に対して運転停止信号を出力したり、安全確保運転の実施を指示する信号を出力したりする。また、車両全体の高電圧系統を遮断する制御を実施するとともに、車両乗務員に対して絶縁劣化を通知する。このような制御を行うことにより、漏電による被害を効果的に抑制することができる。
【００５８】
また、車載コンポーネント２側における絶縁劣化が検知された場合に、判定部１６が車載電源システム１側にもその絶縁劣化を通知してもよいし、逆に、車載電源システム１側における絶縁劣化が検知された場合に、判定部１６がその絶縁劣化を車載コンポーネント２側に通知することとしてもよい。これにより、車載高電圧系統のどこかで絶縁劣化が生じた場合に、該車載高圧系統に接続されている各機器がその絶縁劣化に適切に対処することが可能となり、漏電による被害をさらに低減させることが可能となる。
【００５９】
なお、絶縁劣化検知装置３による絶縁劣化検知は、例えば、周期的に所定の時間間隔で行われてもよいし、車載コンポーネント２の運転停止時に行われてもよい。また、車両のエンジンを停止する直前に行われてもよい。
特に、上述したインバータ一体型電動コンプレッサ３０の絶縁劣化を検知する場合には、電動コンプレッサの停止時に絶縁劣化検知を行うことが好ましい。これにより、三相交流モータ３１からの交流による誤動作を低減することができる。
また、絶縁劣化の有無の情報は、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）、ＭＯＳＴ（Media Oriented Systems Transport）、ＦｌｅｘＲａｙ等の通信プロトコルが使用され、上位システムに通知される。
【符号の説明】
【００６０】
１ 車載電源システム
２ 車載コンポーネント
３ 絶縁劣化検知装置
１１ コイル
１２ コンデンサ
１３ 電圧検出用抵抗
１４ 発振源
１５ 電圧検出部
１６ 判定部
２０ コンポーネント側絶縁抵抗
２１ 上位側絶縁抵抗
３０ インバータ一体型電動コンプレッサ
３１ ３相交流モータ
３２ インバータ
３３ インバータ制御回路
３４ フィルタ部
３５ コモンモードコイル
Ｌ 電力ライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁劣化を検知する絶縁劣化検知装置及び車載高電圧系統に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、１５０Ｖ系統、３００Ｖ系統等の高電圧で駆動される車両用電動コンプレッサや車両用インバータは、車両シャーシに対して絶縁されたバッテリや電源回路等により駆動される。また、一般的な車両用電装品は、１２Ｖ系統または２４Ｖ系統のバッテリで駆動され、そのＮ極側は車両シャーシに接続されている。
高電圧のＰ極またはＮ極に何らかの不具合等が発生することにより、車両シャーシとの絶縁劣化が発生した場合、車両乗客員が感電する可能性がある。そのため、高電圧系統に接続されているコンポーネント類や車両全体を取りまとめているシステム系統における絶縁劣化監視が提案されている。
従来の絶縁劣化検出方法や漏電検出方法として、抵抗分圧による検出方法（例えば、特許文献１参照）、コンデンサカップリング方式またはインピーダンス方式（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。しかしながら、このような方法では、絶縁劣化が発生している箇所を特定できないというという問題があった。
また、上記問題を解消する方法として、例えば、車両高電圧システムの上位側で各コンポーネントにリレーまたはコンタクタ等のスイッチング素子を接続し、このスイッチング素子を順番にオン／オフすることで、絶縁劣化が発生しているコンポーネントを特定する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３２０３５２号公報
【特許文献２】特開平１１−１２２７０２号公報
【特許文献３】特開２００７−１５７６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献３の方法では、絶縁劣化の検知およびその発生源の特定が可能となるが、それを実現するための装置構成が煩雑であり、部品点数の増大、重量増加、コストアップ、システムソフトウェアの煩雑化等が懸念される。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成により、絶縁劣化の発生検知及び絶縁劣化箇所の特定を容易に行うことのできる絶縁劣化検知装置及び車載高電圧系統を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、車両に搭載され、該車両の車体アースから絶縁された車載電源システムと、前記車載電源システムから電力ラインを介して電力が供給されるとともに、前記車体アースから絶縁された少なくとも１つの車載コンポーネントとを備える車載高電圧系統に適用される絶縁劣化検知装置であって、前記電力ライン上に設けられ、インピーダンス成分を有する第１素子と、前記電力ライン上において、前記第１素子よりも前記車載コンポーネント側に設けられた接続点と前記車体アースとの間に直列的に接続されたコンデンサおよび電圧検出用抵抗と、前記コンデンサおよび前記電圧検出用抵抗と直列に接続されるとともに、前記コンデンサおよび前記第１素子とで決定される共振周波数よりも高い周波数の電圧を印加する発振源と、前記電圧検出用抵抗の両端電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出された前記電圧検出用抵抗の両端電圧に基づいて、前記車載コンポーネントの絶縁劣化を判定する判定部とを具備する絶縁劣化検知装置を提供する。
【０００７】
このような構成によれば、電力ラインにはインピーダンス成分を有する第１素子が設けられ、更に、電力ラインにおいて第１素子よりも車載コンポーネント側の接続点と車両アースとの間にはコンデンサ、電圧検出用抵抗、及び発振源が直列的に接続されている。このため、発振源から共振周波数よりも高い周波数の電圧が印加されると、第１素子の作用により、車載コンポーネント側と車載電源システム側とが電気的に分離され、車載コンポーネント側における絶縁状態に依存する電流のみが電圧検出用抵抗に流れることとなる。従って、電圧検出用抵抗の両端電圧を検出することにより、車載コンポーネント側の絶縁劣化を車載電源システム側から独立した形で検知することが可能となる。よって、簡易な構成により、車載コンポーネントの絶縁劣化を検知することができるとともに、絶縁劣化箇所の特定を容易に行うことが可能となる。
【０００８】
上記絶縁劣化検知装置において、前記発振源は、前記共振周波数よりも高い周波数の電圧と、該共振周波数よりも低い周波数の電圧とを切り替えて印加し、前記判定部は、前記発振源から印加される電圧の周波数が共振周波数よりも高い場合に前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知し、前記共振周波数よりも低い場合に前記車載電源システム側の絶縁劣化を検知することとしてもよい。
【０００９】
上記発振源から共振周波数よりも低い周波数の電圧が印加された場合には、車載コンポーネント側だけでなく、車載電源システム側の絶縁状態にも依存する電流が流れることとなる。ここで、上述したように、車載コンポーネント側における絶縁劣化については、共振周波数よりも高い周波数の電圧を印加すれば検知できるため、車載コンポーネント側における絶縁劣化の判定結果も加味することにより、車載電源システムの絶縁劣化についても判定することが可能となる。
このように、上記構成によれば、発振源から出力する周波数を切り替えるだけで、車載電源システム側と車載コンポーネント側の両方における絶縁劣化を容易に判定することができる。
【００１０】
上記絶縁劣化検知装置において、前記判定部は、前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知するための第１の電圧閾値と、車載電源システム側の絶縁劣化を検知するための第２の電圧閾値とを保有しており、前記発振源から印加される電圧の周波数に応じて上記電圧閾値を切り替え、切り替えた電圧閾値と前記電圧検出部によって検出された両端電圧とを比較することにより、絶縁劣化を検知することとしてもよい。
【００１１】
このように、発振源から印加される電圧の周波数に応じて、電圧閾値を切り替えることにより、車載電源システム側と車載コンポーネント側の両方における絶縁劣化を簡易な処理でかつ正確に判定することができる。
【００１２】
上記絶縁劣化検知装置において、前記第１素子はコイルであることが好ましい。
第１素子としてコイルを採用することにより、第１素子として抵抗を使用する場合と比べて、電力損失を大幅に低減することができる。
【００１３】
上記車載コンポーネントが、三相交流モータと、前記車載電源システムからの直流電力を３相交流電力に変換して前記三相交流モータに供給するインバータと、前記インバータを駆動制御するインバータ制御回路とを備える車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサである場合において、上記絶縁劣化検知装置における前記判定部は、前記インバータ一体型電動コンプレッサ側における絶縁劣化の判定結果を前記インバータ制御回路に出力することとしてもよい。
【００１４】
このように、インバータ制御回路に対してインバータ一体型電動コンプレッサの絶縁劣化を通知することにより、漏電防止のための適切な対処を迅速に実施させることが可能となる。
【００１５】
また、前記インバータ一体型電動コンプレッサが、前記インバータよりも前記車載電源システム側の電力ラインに設けられたコイルを備える場合において、前記コイルを絶縁劣化検知装置の前記第１素子として使用することとしてもよい。
【００１６】
このように、インバータ一体型電動コンプレッサがもともと備える構成を絶縁劣化検知装置にも流用することにより、部品点数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。
【００１７】
本発明は、上記いずれかの絶縁劣化検知装置を備える車載高電圧系統を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡易な構成により絶縁劣化の発生検知及び絶縁劣化箇所の特定を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る車載高電圧系統の概略構成を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る絶縁劣化検知装置の電圧検出部及び判定部の具体的な回路構成の一例を示した図である。
【図３】発振源から共振周波数よりも大きい周波数の電圧が印加された場合に、電流が流れるループを示した図である。
【図４】絶縁劣化検知装置を車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサに適用した場合の車載高電圧系統を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る絶縁劣化検知装置及び車載高電圧系統の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る車載高電圧系統の概略構成を示した図である。図１に示されるように、車両には車体アース（本実施形態では、車両シャーシ）から絶縁された車載電源システム１と、車載電源システム１から電力ラインＬを介して電力が供給されるとともに、車体アースから絶縁された少なくとも１つの車載コンポーネント２とが搭載されている。
【００２１】
車載電源システム１は、例えば、少なくとも５０Ｖ以上の高電圧を車載の所定のコンポーネントに供給する直流電源であり、例えば、１５０Ｖ系統や３００Ｖ系統における電源システムをいう。この車載電源システム１は、例えば、上位側絶縁抵抗２１を介して車体アースに接続されている。
【００２２】
車載コンポーネント２は、車載電源システム１からの高電圧の供給を受けて作動する電子機器である。車載コンポーネント２は、例えば、コンポーネント側絶縁抵抗２０を介して車体アースに接続されている。
また、実際には、車載電源システム１から高電圧の供給を受けて作動する電子機器は複数存在するが、ここでは、絶縁劣化検知の対象となる一の電子機器を車載コンポーネント２として定義し、その他の電子機器については車載コンポーネント２よりも上位側にあるといえることから上位コンポーネントと定義する。
【００２３】
車載電源システム１から車載コンポーネント２への電力供給は、電力ラインＬを通じて行われる。図１では、電力ラインＬは、１本しか図示されていないが、実際はＰ極側電力ラインＬｐとＮ極側電力ラインＬｎ（例えば、図４参照）の２本が存在している。
【００２４】
本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３は、車載コンポーネント２自身の絶縁劣化と車載コンポーネント２よりも電気的に上位に存在する上位システム（ここでは、車載電源システム１および車載電源システム１に接続される他のコンポーネントをいう。）に発生した絶縁劣化とをそれぞれ独立して検知できることを特徴としている。
【００２５】
具体的には、絶縁劣化検知装置３は、電力ラインＬ上に設けられたコイル（第１素子）１１、電力ラインＬ上において、コイル１１よりも車載コンポーネント２側に設けられた接続点Ｐ１と車体アースとの間に直列的に接続されたコンデンサ１２、電圧検出用抵抗１３、及び発振源１４を備えている。
ここで、コイル１１は、Ｐ極側電力ライン及びＮ極側電力ラインのいずれに設けられていてもよいが、ここでは、コイル１１が設けられている方の電力ラインを電力ラインＬとしている。
【００２６】
上記電圧検出用抵抗１３の両端には、電圧検出用抵抗１３の両端電圧を検出するための電圧検出部１５が設けられている。さらに、電圧検出部１５には、電圧検出部１５によって検出された電圧検出用抵抗１３の両端電圧並びに発振源１４から印加される電圧の周波数に基づいて、車載コンポーネント２側の絶縁劣化及び車載電源システム１側、換言すると、コンポーネント上位側の絶縁劣化をそれぞれ独立して判定する判定部１６が接続されている。
【００２７】
このような構成を備える車載高電圧系統において、発振源１４からみた図１の系統全体のインピーダンスＺａｌｌは、以下の（１）式で表わされる。
【００２８】
Ｚａｌｌ＝Ｚｓ＋Ｚ１・（Ｚ２＋Ｚｐｎ）／（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚｐｎ） （１）
Ｚｓ＝Ｒｓ＋１／（２π・ｆｓ・Ｃｓ）
【００２９】
上記（１）式において、Ｚ１はコンポーネント側絶縁抵抗２０のインピーダンス、Ｚ２は上位側絶縁抵抗２１のインピーダンス、Ｚｐｎはコイル１１のインピーダンスである。Ｒｓは、電圧検出用抵抗の抵抗値、ｆｓは発振源１４の電圧周波数、Ｃｓはコンデンサ１２の静電容量である。なお、コイルのインピーダンスは、Ｚｐｎ＝２π・ｆｓ・Ｌｐｎで表わされ、コイル１１のインダクタンスＬｐｎ及び周波数ｆｓを調整することで可変とすることができる。
【００３０】
周波数ｆｓが、コイル１１のインダクタンスＬｐｎとコンデンサ１２の静電容量（キャパシタンス）Ｃｓとで決まる共振周波数ｆよりも高い周波数の場合には、上記（１）式においてＺｐｎの値が非常に大きくなることから、車載高電圧系統に流れる電流のループは、図３に示すように車載コンポーネント２側のみとなり、上記（１）式は、以下の（２）式で表わされる。なお、以降の式において、上記Ｚ１，Ｚ２は抵抗成分が主であるとし、それぞれをＲ１，Ｒ２とおく。
【００３１】
ｆｓ＞＞ｆの場合
Ｚａｌｌ＿Ｈ＝Ｒｓ＋Ｒ１ （２）
【００３２】
また、周波数ｆｓが共振周波数ｆよりも低い周波数の場合には、上記（１）式においてＺｐｎの値がほぼゼロになるとともに、また、この場合には、車載電源システム１側および車載コンポーネント２側の両方に絶縁状態に応じた電流が流れることから、上記（１）式は、以下の（３）式で表わされる。
【００３３】
ｆｓ＜＜ｆの場合
Ｚａｌｌ＿Ｌ＝｛Ｒｓ＋１／（２π・ｆｓ・Ｃｓ）｝＋｛Ｒ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝ （３）
【００３４】
ここで、図１に示した系統において、コンポーネント側絶縁抵抗２０または上位側絶縁抵抗２１のいずれかに絶縁劣化が生じていた場合、電力系統内には発振源１４から印加される電圧ＶｓとインピーダンスＺａｌｌに応じた電流が流れることとなるので、電圧検出用抵抗Ｒｓの両端電圧Ｖｒｓを用いて、Ｚａｌｌは以下の（４）式のように表わされる。
【００３５】
Ｖｒｓ＝Ｒｓ・Ｖｓ／Ｚａｌｌ
Ｚａｌｌ＝Ｒｓ・Ｖｓ／Ｖｒｓ （４）
【００３６】
上記（４）式および（２）式からＲ１は、以下の（５）式で表わされる。
【００３７】
Ｒ１＝Ｒｓ（Ｖｓ／Ｖｒｓ−１） （５）
また、上記Ｒ１を上記（３）式に代入すれば、Ｒ２についても容易に求められる。
【００３８】
このように、Ｒ１、Ｒ２の値は、発振源１４から出力される電圧Ｖｓおよび絶縁劣化検知装置３を構成する各素子のパラメータ等から容易に求められる。
ここで、本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３が目的とするところは、コンポーネント側絶縁抵抗２０の抵抗値Ｒ１および上位側絶縁抵抗２１の抵抗値Ｒ２を正確に求めることではなく、これらの抵抗値Ｒ１およびＲ２が規定の抵抗閾値（例えば、１０ＭΩ）よりも低下しているか否か、つまり、絶縁劣化が生じているか否かを判定することである。
【００３９】
従って、本実施形態では、抵抗値Ｒ１，Ｒ２を算出して、この抵抗値Ｒ１、Ｒ２を抵抗閾値と比較するのではなく、これよりも更に簡単に絶縁劣化を検知するために、絶縁劣化が生じていると判定される規定の抵抗閾値（例えば１０ＭΩ）に相当する電圧閾値Ｖｒｅｆを上記演算式を用いて決定し、この電圧閾値Ｖｒｅｆと電圧検出部１５によって検出された電圧Ｖｒｓとを比較することにより、絶縁劣化の判定を行うこととした。
このように、電圧閾値Ｖｒｅｆを用いることで、電圧検出部１５によって検出された電圧Ｖｒｓをそのまま用いて絶縁劣化の判定が行えるので、簡素な回路構成あるいは簡易な演算処理によって絶縁劣化の判定を実現させることができる。
【００４０】
例えば、上記コンポーネント側絶縁抵抗２０が１０ＭΩよりも小さくなった場合に、絶縁劣化が発生したと判定する場合、上記（５）式は以下の（６）式で表わされる。
【００４１】
Ｒ１＝Ｒｓ（Ｖｓ／Ｖｒｓ−１）＜１０ＭΩ （６）
【００４２】
上記（６）式からＶｒｓの閾値は、以下の（７）式で表わされる。
Ｖｒｓ＞Ｖｓ・Ｒｓ／（Ｒｓ＋１０ＭΩ）＝Ｖｒｅｆ＿Ｈ （７）
【００４３】
つまり、電圧検出用抵抗１３の両端電圧Ｖｒｓが上記電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｈよりも大きい場合には、コンポーネント側絶縁抵抗２０の抵抗値Ｒ１が抵抗閾値よりも小さいと判断できることから、判定部１６は絶縁劣化を検知する。なお、上位側絶縁抵抗２１についても同様に、電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｌの算出、比較が行われる。
【００４４】
次に、図２を用いて、電圧検出部１５および判定部１６についてより詳しく説明する。図２は、電圧検出部１５および判定部１６の具体的な回路構成の一例を示した図である。
図２に示すように、電圧検出部１５により電圧検出用抵抗１３を流れる電流が電圧に変換され、更に、増幅およびノイズ低減が施された後に判定部１６に出力される。
【００４５】
判定部１６は、例えば、上記（７）式の方法を用いて算出された車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知するための第１電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｈと、車載電源システム側の絶縁劣化を検知するための第２電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｌとを有しており、発振源１４から出力された電圧周波数ｆｓが共振周波数ｆよりも高い場合に、第１電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｈを選択し、発振源１４から出力された電圧周波数ｆｓが共振周波数ｆよりも低い場合に、第２電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｌを選択する。
【００４６】
判定部１６は、電圧検出部１５から出力された端子間電圧Ｖｒｓと選択した電圧閾値とを比較することで絶縁劣化を検知し、検知結果に応じた信号、例えば、絶縁劣化の場合にはＨ信号、絶縁劣化が生じてない場合にはＬ信号を出力する。判定部１６から出力された信号は、例えば、アイソレータを介して車載コンポーネント２の制御回路や車載電源システム１の制御回路等へ送られ、絶縁劣化の有無が通知される。
【００４７】
次に、本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３の作用について説明する。
まず、発振源１４により共振周波数ｆよりも大きい周波数の電圧が印加される。コンポーネント側絶縁抵抗２０による絶縁が十分でない場合、コンポーネント側絶縁抵抗２０の抵抗値Ｒ１に応じた電流が図３に示すようなループで流れ、電圧検出用抵抗１３の両端電圧Ｖｒｓが電圧検出部１５によって検出される。電圧検出部１５により検出された両端電圧Ｖｒｓは、判定部１６において電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｈと比較され、比較結果に応じた信号がアイソレータを介して車載コンポーネント２側の制御回路（図示略）に通知される。
【００４８】
このようにして、車載コンポーネント側の絶縁劣化検知が終了すると、続いて、発振源１４により共振周波数ｆよりも小さい周波数の電圧が印加される。いずれかの絶縁抵抗２０，２１による絶縁が十分でない場合等には系統内に電流が発生し、電圧検出用抵抗１３の両端に電圧が発生する。電圧検出用抵抗１３の両端電圧Ｖｒｓは電圧検出部１５によって検出されて、判定部１６に出力され、電圧閾値Ｖｒｅｆ＿Ｌと比較され、比較結果に応じた信号がアイソレータを介して車載電源システム１側へ通知される。
【００４９】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３によれば、簡易な構成により、車載コンポーネント２側と車載電源システム１側とで発生した絶縁劣化をそれぞれ独立に検知することが可能となる。これにより、絶縁劣化の発生箇所を簡易な構成により容易に特定することができる。
【００５０】
なお、上記実施形態において、コイル１１に代えて抵抗を用いることとしてもよい。ただし、コイル１１をインピーダンス成分として用いることで、以下のようなメリットがある。例えば、コイル１１に代えて抵抗を電源ラインＬに接続した場合、電源ラインＬには直流成分の電流Ｉｐｎが流れているため、電圧降下と電力損失が発生する。流れる電流Ｉｐｎの値が大きいほど、これらの損失は顕著となる。これに対し、コイル１１は、内部抵抗成分が抵抗に比べて非常に低いため、コイルをインピーダンス成分として用いることで、車載コンポーネント２の通常運転時における電圧低下、電力損失を抑制することが可能となる。また、発振源１４の周波数ｆｓ、コイル１１のインダクタンスＬｐｎを大きくすることにより、コイル１１におけるインピーダンス成分Ｚｐｎを大きくすることができるので、車載コンポーネント２側と車載電源システム１側とをより明確に電気的に分離することが可能となる。
Ｚｐｎ＝２π・ｆｓ・Ｌｐｎ
【００５１】
また、上述したように、本実施形態に係る絶縁劣化検知装置３は、あくまでも絶縁劣化が生じているか否かを判定することを目的としているため、それぞれの絶縁抵抗２０、２１の抵抗値Ｒ１，Ｒ２を正確に算出することを必要としないが、例えば、上述した電圧検出用抵抗１３の端子間電圧Ｖｒｓと電圧閾値との比較による絶縁劣化の検知に代えて、車載電源システム１側における絶縁抵抗２１の抵抗値Ｒ２および車載コンポーネント２側における絶縁抵抗２０の抵抗値Ｒ１を算出するための演算式を判定部１６が有しており、これら演算式を用いて抵抗値Ｒ１、Ｒ２をそれぞれ算出し、これらの算出結果と規定の抵抗閾値（例えば、１０ＭΩ）とを比較することにより、絶縁劣化を検知することとしてもよい。
【００５２】
なお、本実施形態においては、絶縁劣化検知装置３のコンデンサ１２、電圧検出用抵抗１３、及び発信源１４の配置順序は、図４に示されるように接続点Ｐ１側から順に、コンデンサ１２、電圧検出用抵抗１３、発信源１４として説明していたが、これに限定されない。例えば、接続点Ｐ１側から順に電圧検出用抵抗１３、コンデンサ１２、発信源１４のように配置して構成する場合には、電圧検出用抵抗１３は、コンデンサ１２により車両シャーシに対して電気的に分離されていることとなるので、判定部１６からは絶縁せずに、直接車載コンポーネント２に電気信号を送ることが可能となる。または、例えば、接続点Ｐ１側から順に電圧検出用抵抗１３、発信源１４、コンデンサ１２のように配置して構成する場合には、発信源１４も車両シャーシに対して電気的に分離されるので、発信源１４及び判定部１６を車載コンポーネント２と電気的に分離せずに回路を構成することができる。
【００５３】
〔適用例〕
次に、上述した絶縁劣化検知装置３を車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサに適用した場合について説明する。
図４は、絶縁劣化検知装置３を車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサ３０に適用した場合の車載高電圧系統を示した図である。
【００５４】
図４に示すように、車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサ３０は、３相交流モータ３１、インバータ３２、インバータ制御回路３３、フィルタ部３４、コモンモードコイル３５等を備えている。このような構成において、車載電源システム１からの出力は、Ｐ極側電力ラインＬｐまたはＮ極側電力ラインＬｎを介して最終的に三相交流モータ３に供給される。具体的には、車載電源システム１からの出力は、コモンモードコイル３５、フィルタ部３４を介してインバータ３２に供給される。インバータ３２において直流電力は三相交流電力に変換され、三相交流モータ３１に供給される。
【００５５】
このようなシステムにおいて、絶縁劣化検知装置３は、Ｎ極側電力ラインＬｎに接続されている。ここで、コイル１１として、インバータ一体型電動コンプレッサ３０が備えるコモンモードコイル３５を流用し、コモンモードコイル３５よりも下流側、換言すると、三相交流モータ３１側に接続点Ｐ１を設けて、この接続点Ｐ１と車両シャーシとの間にコンデンサ１２、電圧検出用抵抗１３、及び発振源１４を直列的に接続する。このように、コイル１１として、インバータ一体型電動コンプレッサ３０がもともと備えている構成を流用することにより、部品点数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。
【００５６】
このような構成において、絶縁劣化検知装置３の作動時には、発振源１４から所定の周波数の電圧が印加され、電圧検出部１５により電圧検出用抵抗１３の両端電圧Ｖｒｓが検出され、これに基づいて絶縁劣化の判定が判定部１６によって行われる。
車載コンポーネント２（図１参照）である一体型電動コンプレッサ３０側に絶縁劣化が発生していた場合、判定部１６からの絶縁劣化検知信号は、インバータ３２を駆動制御するインバータ制御回路３３に出力される。インバータ制御回路３３は、絶縁劣化が通知されると、インバータ３２の運転モードを漏電保護モードに切り替える。漏電保護モードは、絶縁劣化が検知された場合に実行される運転モードであり、例えば、電動コンプレッサの停止、或いは漏電電流が規定値以下になるまで三相交流モータ３１の回転数を下げる等の動作が実施される。
【００５７】
絶縁劣化が検知された場合に、このような電動コンプレッサで実現可能な保護動作を実施することにより、絶縁劣化による被害を効果的に抑えることができる。
また、車載電源システム１側に絶縁劣化が生じていた場合には、判定部１６から車載電源システム１側の制御装置（図示略）に絶縁劣化を通知する信号が出力される。これにより、車載電源システム１側の制御装置は、車載電源システム１から電力供給を受けている車載コンポーネント（上位コンポーネント）に対して運転停止信号を出力したり、安全確保運転の実施を指示する信号を出力したりする。また、車両全体の高電圧系統を遮断する制御を実施するとともに、車両乗務員に対して絶縁劣化を通知する。このような制御を行うことにより、漏電による被害を効果的に抑制することができる。
【００５８】
また、車載コンポーネント２側における絶縁劣化が検知された場合に、判定部１６が車載電源システム１側にもその絶縁劣化を通知してもよいし、逆に、車載電源システム１側における絶縁劣化が検知された場合に、判定部１６がその絶縁劣化を車載コンポーネント２側に通知することとしてもよい。これにより、車載高電圧系統のどこかで絶縁劣化が生じた場合に、該車載高圧系統に接続されている各機器がその絶縁劣化に適切に対処することが可能となり、漏電による被害をさらに低減させることが可能となる。
【００５９】
なお、絶縁劣化検知装置３による絶縁劣化検知は、例えば、周期的に所定の時間間隔で行われてもよいし、車載コンポーネント２の運転停止時に行われてもよい。また、車両のエンジンを停止する直前に行われてもよい。
特に、上述したインバータ一体型電動コンプレッサ３０の絶縁劣化を検知する場合には、電動コンプレッサの停止時に絶縁劣化検知を行うことが好ましい。これにより、三相交流モータ３１からの交流による誤動作を低減することができる。
また、絶縁劣化の有無の情報は、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）、ＭＯＳＴ（Media Oriented Systems Transport）、ＦｌｅｘＲａｙ等の通信プロトコルが使用され、上位システムに通知される。
【符号の説明】
【００６０】
１ 車載電源システム
２ 車載コンポーネント
３ 絶縁劣化検知装置
１１ コイル
１２ コンデンサ
１３ 電圧検出用抵抗
１４ 発振源
１５ 電圧検出部
１６ 判定部
２０ コンポーネント側絶縁抵抗
２１ 上位側絶縁抵抗
３０ インバータ一体型電動コンプレッサ
３１ ３相交流モータ
３２ インバータ
３３ インバータ制御回路
３４ フィルタ部
３５ コモンモードコイル
Ｌ 電力ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載され、該車両の車体アースから絶縁された車載電源システムと、前記車載電源システムから電力ラインを介して電力が供給されるとともに、前記車体アースから絶縁された少なくとも１つの車載コンポーネントとを備える車載高電圧系統に適用される絶縁劣化検知装置であって、
前記電力ライン上に設けられ、インピーダンス成分を有する第１素子と、
前記電力ライン上において、前記第１素子よりも前記車載コンポーネント側に設けられた接続点と前記車体アースとの間に直列的に接続されたコンデンサおよび電圧検出用抵抗と、
前記コンデンサおよび前記電圧検出用抵抗と直列に接続されるとともに、前記コンデンサおよび前記第１素子とで決定される共振周波数よりも高い周波数の電圧を印加する発振源と、
前記電圧検出用抵抗の両端電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出された前記電圧検出用抵抗の両端電圧に基づいて、前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を判定する判定部と、
を具備する絶縁劣化検知装置。
【請求項２】
前記発振源は、前記共振周波数よりも高い周波数の電圧と、該共振周波数よりも低い周波数の電圧とを切り替えて印加し、
前記判定部は、前記発振源から印加される電圧の周波数が共振周波数よりも高い場合に前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知し、前記共振周波数よりも低い場合に前記車載電源システム側の絶縁劣化を検知する請求項１に記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項３】
前記判定部は、前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知するための第１の電圧閾値と、車載電源システム側の絶縁劣化を検知するための第２の電圧閾値とを保有しており、前記発振源から印加される電圧の周波数に応じて上記電圧閾値を切り替え、切り替えた電圧閾値と前記電圧検出部によって検出された両端電圧とを比較することにより、絶縁劣化を検知する請求項２に記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項４】
前記第１素子はコイルである請求項１から請求項３のいずれかに記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項５】
前記車載コンポーネントが、三相交流モータと、前記車載電源システムからの直流電力を３相交流電力に変換して前記三相交流モータに供給するインバータと、前記インバータを駆動制御するインバータ制御回路とを備える車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサである場合において、前記判定部は、前記インバータ一体型電動コンプレッサ側における絶縁劣化の判定結果を前記インバータ制御回路に出力する請求項１から請求項４のいずれかに記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項６】
前記インバータ一体型電動コンプレッサが、前記インバータよりも前記車載電源システム側の電力ラインに設けられたコイルを備える場合において、前記コイルを前記第１素子として使用する請求項１から請求項５のいずれかに記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の絶縁劣化検知装置を備える車載高電圧系統。
【請求項１】
車両に搭載され、該車両の車体アースから絶縁された車載電源システムと、前記車載電源システムから電力ラインを介して電力が供給されるとともに、前記車体アースから絶縁された少なくとも１つの車載コンポーネントとを備える車載高電圧系統に適用される絶縁劣化検知装置であって、
前記電力ライン上に設けられ、インピーダンス成分を有する第１素子と、
前記電力ライン上において、前記第１素子よりも前記車載コンポーネント側に設けられた接続点と前記車体アースとの間に直列的に接続されたコンデンサおよび電圧検出用抵抗と、
前記コンデンサおよび前記電圧検出用抵抗と直列に接続されるとともに、前記コンデンサおよび前記第１素子とで決定される共振周波数よりも高い周波数の電圧を印加する発振源と、
前記電圧検出用抵抗の両端電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出された前記電圧検出用抵抗の両端電圧に基づいて、前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を判定する判定部と、
を具備する絶縁劣化検知装置。
【請求項２】
前記発振源は、前記共振周波数よりも高い周波数の電圧と、該共振周波数よりも低い周波数の電圧とを切り替えて印加し、
前記判定部は、前記発振源から印加される電圧の周波数が共振周波数よりも高い場合に前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知し、前記共振周波数よりも低い場合に前記車載電源システム側の絶縁劣化を検知する請求項１に記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項３】
前記判定部は、前記車載コンポーネント側の絶縁劣化を検知するための第１の電圧閾値と、車載電源システム側の絶縁劣化を検知するための第２の電圧閾値とを保有しており、前記発振源から印加される電圧の周波数に応じて上記電圧閾値を切り替え、切り替えた電圧閾値と前記電圧検出部によって検出された両端電圧とを比較することにより、絶縁劣化を検知する請求項２に記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項４】
前記第１素子はコイルである請求項１から請求項３のいずれかに記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項５】
前記車載コンポーネントが、三相交流モータと、前記車載電源システムからの直流電力を３相交流電力に変換して前記三相交流モータに供給するインバータと、前記インバータを駆動制御するインバータ制御回路とを備える車載空調装置のインバータ一体型電動コンプレッサである場合において、前記判定部は、前記インバータ一体型電動コンプレッサ側における絶縁劣化の判定結果を前記インバータ制御回路に出力する請求項１から請求項４のいずれかに記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項６】
前記インバータ一体型電動コンプレッサが、前記インバータよりも前記車載電源システム側の電力ラインに設けられたコイルを備える場合において、前記コイルを前記第１素子として使用する請求項１から請求項５のいずれかに記載の絶縁劣化検知装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の絶縁劣化検知装置を備える車載高電圧系統。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１４５２５４（Ｐ２０１１−１４５２５４Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８１７６（Ｐ２０１０−８１７６）
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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