電源装置
【課題】車両等に搭載される電源装置の接地状態を正確に監視する。
【解決手段】電源装置１は、高圧バッテリー１１から入力された直流電力を所定電圧の直流電力に変換して補機バッテリー９および電装品１０へ供給するものであり、電圧変換回路２、電圧測定回路３、電流測定回路４およびマイコン５を備える。電圧変換回路２は、高圧バッテリー１１から入力される直流電力の電圧変換を行う。電圧測定回路３は、電源装置１内のグランド電位と、電源装置１内のグランド電位と接地用ケーブル６を介して接続されているシャーシ８の接地点との間の電位差を示す電圧値を測定する。電流測定回路４は、負荷電流の電流値を測定する。マイコン５は、電圧測定回路３により測定された電圧値と、電流測定回路４により測定された電流値とに基づいて、電源装置１の接地状態に応じた抵抗値を算出する。
【解決手段】電源装置１は、高圧バッテリー１１から入力された直流電力を所定電圧の直流電力に変換して補機バッテリー９および電装品１０へ供給するものであり、電圧変換回路２、電圧測定回路３、電流測定回路４およびマイコン５を備える。電圧変換回路２は、高圧バッテリー１１から入力される直流電力の電圧変換を行う。電圧測定回路３は、電源装置１内のグランド電位と、電源装置１内のグランド電位と接地用ケーブル６を介して接続されているシャーシ８の接地点との間の電位差を示す電圧値を測定する。電流測定回路４は、負荷電流の電流値を測定する。マイコン５は、電圧測定回路３により測定された電圧値と、電流測定回路４により測定された電流値とに基づいて、電源装置１の接地状態に応じた抵抗値を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載される電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モータで駆動される電気自動車やハイブリッド自動車などの車両には、高電圧の電池が搭載されている。この高電圧電池から出力される直流電力は、電気モータへ供給される以外にも、電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）によって電圧変換された後、車両の各種電装品や補機バッテリー等の負荷に供給される。こうした電源装置は一般的に、金属などの導電性を有する材料を用いて形成されたケース内に収納されている。このケースが車両のシャーシ（フレーム）に金属製のネジ等で固定されることで、電源装置はケースおよびシャーシを介して他の車載電気機器と共通の車両アースに接地される。また、電源装置とシャーシの間には、負荷への電力供給の際に負荷電流を流すための接地用ケーブルが接続される。
【０００３】
上記のような電源装置において、シャーシに対するケースの固定が不十分であったり、接地用ケーブルの接続が不十分であったりすると、接地が不完全となる場合がある。その場合、負荷への電力供給の際に電源装置と高電圧電池の間を接続している電線に想定外の大電流が流れることで、発熱や破損などの不具合を生じるおそれがある。そこで、こうした不具合を防止して安定した電源を安全に供給するために、電源装置の接地状態を監視することが求められている。
【０００４】
車両に搭載された電気機器の接地状態の監視に関して、たとえば特許文献１には、電源からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池を充電する充電装置において、蓄電池と接続されているチャージ出力用の電線と車体接続用の電線との間の電位差を検出し、これに基づいて蓄電池と車体との間のリークの有無を確認する技術が開示されている。また、特許文献２には、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作中に、装置の外部に接続されている信号グランド線と装置内部のパワーグランドとの接続をスイッチにより切り離し、このときの信号グランドに対するパワーグランドの電位差を測定することで、パワーグランドと装置ケースとの間の接続状態を確認して接地状態を監視する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２７６６７４号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１/０１２１８０７Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術は、蓄電池と車体間のリークの有無を確認するものであるため、電源装置が確実に接地されているかどうかを監視することはできない。一方、特許文献２に開示される技術では、信号グランド線に流れる電流が少ない場合などにおいて、信号グランド線に対するパワーグランドの電位差を正しく測定することができずに、接地状態を正確に監視できないことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による電源装置は、入力された直流電力を所定電圧の直流電力に変換して外部へ供給するものであって、入力された直流電力の電圧変換を行う電圧変換回路と、電源装置内のグランド電位と電源装置外に設けられグランド電位と接地用ケーブルを介して接続されている接地点との間の電位差を示す電圧値を測定する電圧測定回路と、電源装置から直流電力が供給される際に流れる負荷電流の電流値を測定する電流測定回路と、電圧測定回路により測定された電圧値と電流測定回路により測定された電流値とに基づいて電源装置の接地状態に応じた抵抗値を算出する演算回路とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、車両等に搭載される電源装置の接地状態を正確に監視できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による電源装置を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図２】電圧測定回路の一例を示す図である。
【図３】正常時の接続抵抗を示すブロック図である。
【図４】正常時の接続抵抗の合成抵抗値を求める等価回路を示す図である。
【図５】異常発生時の接続抵抗を示すブロック図である。
【図６】異常発生時の接続抵抗の合成抵抗値を求める等価回路を示す図である。
【図７】接続抵抗の抵抗値の設定例を示す表である。
【図８】電位差と負荷電流との間の特性の一例を示すグラフである。
【図９】接地状態を表す抵抗値と負荷電流との間の特性の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による電源装置の一変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の一実施形態による電源装置の他の変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の一実施形態による電源装置の別の変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の一実施形態による電源装置のさらなる変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明による電源装置内部の電圧変換回路の一例を示す回路図である。
【図１５】本発明による電源装置内部の電圧変換回路の部品配置例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態による電源装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態による電源装置１を含む電源システムの構成を示すブロック図である。この電源装置システムは、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車など、電気モータで駆動される車両に搭載されて使用される。
【００１１】
図１に示す電源システムは、電源装置１、補機バッテリー９、電装品１０および高圧バッテリー１１を有する。電源装置１および高圧バッテリー１１は、導電性を有する金属製のケース１１１、１２１でそれぞれ覆われており、シールド線１２ａ、１２ｂを介して互いに接続されている。電源装置１のケース１１１は、金属製のボルト１３ａ、１３ｂにより車両のシャーシ８に固定されている。高圧バッテリー１１のケース１２１も同様に、金属製のボルト１３ｃ、１３ｄによりシャーシ８に固定されている。これにより、電源装置１および高圧バッテリー１１がシャーシ８と電気的に接続され、共通の車両アースに接地される。
【００１２】
電源装置１は、電圧変換回路２、電圧測定回路３、電流測定回路４およびマイコン５を備えている。これらはケース１１１内に収納されており、ケース１１１の電位を共通のグランド（ＧＮＤ）電位として接地されている。ケース１１１には、接地用ケーブル６の一端に接続されている金属製のボルト１３ｅが取り付けられている。接地用ケーブル６の他端は、シャーシ８に取り付けられた金属製のボルト１３ｆと接続されている。このようにしてケース１１１とシャーシ８が接地用ケーブル６を介して電気的に接続されることで、前述のボルト１３ａ、１３ｂによる接地に加えて、ボルト１３ｆが取り付けられているシャーシ８の部分を接地点として、さらに電源装置１の接地が行われている。
【００１３】
電圧変換回路２は、シールド線１２ａ、１２ｂを介して高圧バッテリー１１から入力される高電圧の直流電力を低電圧の直流電力に変換し、その電圧変換後の直流電力を補機バッテリー９および電装品１０へと出力する。電圧変換回路２の（＋）側出力は、電流測定回路４とケース１１１に設けられたプラグ６ａとを介して、補機バッテリー９および電装品１０の（＋）端子と接続されている。一方、電圧変換回路２の（−）側出力は、ボルト１３ｅ、接地用ケーブル６およびボルト１３ｆを介して、補機バッテリー９の（−）端子と接続されている。また、ボルト１３ｅ、接地用ケーブル６、ボルト１３ｆおよびシャーシ８を介して、電装品１０の（−）端子と接続されている。これにより、電源装置１を介して、高圧バッテリー１１から補機バッテリー９および電装品１０へ直流電力が供給される。
【００１４】
なお、補機バッテリー９および電装品１０へ直流電力を供給する際には、これらで消費される電流のリターン経路として接地用ケーブル６が作用する。そのため、接地用ケーブル６には、補機バッテリー９および電装品１０において消費される最大電流量に応じた耐電流性能を有するものを使用することが好ましい。
【００１５】
電圧測定回路３は、その一端がケース１１１に設けられたプラグ６ｂおよび検出用ケーブル７を介して、シャーシ８に取り付けられたボルト１３ｆに接続されており、他端がケース１１１に取り付けられたボルト１３ｅに接続されている。この２つの接続点間の電位差を示す電圧値を測定することで、ケース１１１の電位すなわち電源装置１内のＧＮＤ電位と、シャーシ８との間の電位差を測定する。
【００１６】
電流測定回路４は、補機バッテリー９および電装品１０へ直流電力を供給する際に、電圧変換回路２から出力される直流電流（負荷電流）の電流値を測定する。
【００１７】
マイコン５は、電圧測定回路３により測定された電圧値と、電流測定回路４により測定された電流値とを取り込み、これらに基づいて電源装置１の接地状態に応じた抵抗値を計算する。より具体的には、電圧測定回路３により測定された電圧値を電流測定回路４により測定された電流値で除算することで、シャーシ８とケース１１１との間の接続抵抗値を算出する。そして、計算された抵抗値に基づいて、電源装置１の接地状態が正常であるか否かを判断し、電圧変換回路２に対する動作制御を必要に応じて行う。
【００１８】
図２は、電圧測定回路３の一例を示す図である。プラグ６ｂおよび検出用ケーブル７を介したボルト１３ｆの電位（シャーシ８の電位）と、ボルト１３ｅの電位（ケース１１１の電位）、すなわち電源装置１のＧＮＤ電位とは、電圧測定回路３において差動増幅回路３０１にそれぞれ入力される。差動増幅回路３０１は、これらの間の電位差を増幅し、マイコン５へ出力する。このとき、接地用ケーブル６に流れる電流の向きの変化に応じて電位差の正負が反転する。そのため、差動増幅回路３０１の入力側には、電流の向きに関わらず電位差を測定できるようにするためのオフセット回路３０２が設けられている。
【００１９】
なお、電圧測定回路３が有する差動増幅回路３０１への２つの入力線のうち、シャーシ８の接地点とボルト１３ｆにより接続されている側の入力線は、抵抗３０４を介して電圧測定回路３の電源ＶＣＣに接続されている。これにより、プラグ６ｂと検出用ケーブル７とが接続されているときにはプラグ６ｂに電流が流れるようにして、プラグ６ｂの端子接触面が酸化皮膜等で覆われるのを予防する。すなわち、酸化皮膜のような端子接触面の電気的接続を妨げる皮膜による導通不良がプラグ６ｂにおいて生じると、シャーシ８と電源装置１のＧＮＤ電位との間の電位差を電圧測定回路３が正しく測定できなくなるため、これを防いで電位差を正しく測定できるようにする。
【００２０】
次に、電源装置１における接地状態の判断について、以下詳細に説明する。
【００２１】
正常な状態において、電源装置１のケース１１１と高圧バッテリー１１のケース１２１とは、ボルト１３ａ〜１３ｄによってシャーシ８にそれぞれ緩みなく固定されている。また、接地用ケーブル６は、ボルト１３ｅ、１３ｆによってケース１１１とシャーシ８との間に緩みなく接続されている。この状態で電圧変換回路２から出力された電流は、電流測定回路４を通って補機バッテリー９や電装品１０を経由した後、接地用ケーブル６、またはシャーシ８およびケース１１１を介して電圧変換回路２へ戻ってくる。このとき、接地用ケーブル６の抵抗値はほぼ０Ωであり、接地用ケーブル６での電圧降下はほとんど発生しない。そのため、シャーシ８と電源装置１のＧＮＤ電位とはほぼ同電位となり、電圧測定回路３で測定される電位差はほぼ０Ｖとなる。したがって、マイコン５により計算される抵抗値は０Ωに近い値となる。
【００２２】
上述した正常時の接地状態を表す抵抗値の算出方法について、さらに詳しく説明する。図３は、正常時の接地用ケーブル６、ボルト１３ａ〜１３ｄおよびシールド線１２ａ、１２ｂによる接続抵抗を示すブロック図である。図４は、図３に示した接続抵抗の合成抵抗値を求める等価回路を示す図である。
【００２３】
図３において符号１７、１８にそれぞれ示すように、電源装置１のケース１１１とシャーシ８との間における接地用ケーブル６の接続抵抗値をRgと表し、ボルト１３ａ、１３ｂの接続抵抗値をRc1と表す。また、符号１９に示すように、高圧バッテリー１１のケース１２１とシャーシ８との間におけるボルト１３ｃ、１３ｄの接続抵抗値をRc2と表す。符号２０に示すように、高圧バッテリー１１のケース１２１と電源装置１のケース１１１との間におけるシールド線１２ａ、１２ｂの接続抵抗値をRsと表す。これらの接続抵抗値を合成した合成抵抗値をRtotalと表すと、図４に示す等価回路からRtotalは以下の式（１）により表される。
Rtotal=1/{1/Rg+1/Rc1+1/(Rc2+Rs)} ・・・（１）
【００２４】
ここで、前述のように接地用ケーブル６が補機バッテリー９および電装品１０において消費される最大電流量に応じた耐電流性能を有するものである場合、その接続抵抗値Rgはほぼ０Ωであるため、式（１）で表される合成抵抗値Rtotalも０Ωに近い値となる。したがって、マイコン５では０Ωに近い抵抗値が計算される。
【００２５】
続いて異常発生時の例について説明する。電源装置１のケース１１１をシャーシ８に固定するボルト１３ａ、１３ｂは、緩み等の理由により、その接続抵抗値が正常時に比べて著しく増大する場合がある。また、接地用ケーブル６も、未接続、断線、劣化等の理由により、その接続抵抗値が正常時に比べて著しく増大する場合がある。これらの異常発生時における接続抵抗値が、高圧バッテリー１１のケース１２１をシャーシ８に固定するボルト１３ｃ、１３ｄの接続抵抗値や、シールド線１２ａ、１２ｂの接続抵抗値よりも十分に大きいと、補機バッテリー９および電装品１０で消費される電流のリターン経路は、接地用ケーブル６ではなく、ボルト１３ｃ、１３ｄおよびシールド線１２ａ、１２ｂとなる。
【００２６】
シールド線１２ａ、１２ｂは、大電流を流すことを目的とするものではないため、通常は接地用ケーブル６よりも大きな抵抗値を有している。そのため、消費電流に応じた電圧降下がシールド線１２ａ、１２ｂにおいて発生し、その電圧降下による電位差が電圧測定回路３により測定される。その結果、マイコン５により計算される抵抗値は、正常時のように０Ωに近い値とはならない。これにより、電源装置１の接地状態において何らかの異常が発生していると推測できる。
【００２７】
上述した異常発生時の接地状態を表す抵抗値の算出方法について、さらに詳しく説明する。図５は、異常発生時のボルト１３ａ〜１３ｄおよびシールド線１２ａ、１２ｂによる接続抵抗を示すブロック図である。図６は、図５に示した接続抵抗の合成抵抗値を求める等価回路を示す図である。なお、図５、６では、接地用ケーブル６が未接続や断線等の理由により機能せず、そのため回路構成上は存在していないときの例を示している。
【００２８】
図５、６に示した異常発生時の合成抵抗値Rtotalは、前述の式（１）において1/Rg=0とすることで以下の式（２）のように表すことができる。
Rtotal=1/{1/Rc1+1/(Rc2+Rs)} ・・・（２）
【００２９】
ここで、シールド線１２ａ、１２ｂの接続抵抗値Rsは、前述のように０Ωに近い値ではなく、ある程度の抵抗値をもっている。したがって、ボルト１３ａ、１３ｂの接続抵抗値Rc1が緩み等の理由で増大した場合、式（２）で表される合成抵抗値Rtotalは、正常時のように０Ωに近い値とはならない。そのため、マイコン５において計算される抵抗値も０Ωではなく、ある程度の抵抗値となる。
【００３０】
次に、試作品を使用して行ったＧＮＤ電位とシャーシ８間の電位差の実測結果と、その実測結果から求めた電源装置１の接地状態を表す抵抗値とを説明する。図７は、試作品における各接続抵抗の抵抗値の設定例を示した表である。図７の設定例に示すように、接地用ケーブル６の接続抵抗値Rgは、未接続や断線等による異常発生時には無限大、すなわち1/Rg=0とし、正常時には0.7ｍΩに設定する。また、他の各接続抵抗値Rc1、Rc2、Rsは、異常発生時、正常時のいずれにおいても、4.5ｍΩ、0.2ｍΩ、6.3ｍΩにそれぞれ設定する。
【００３１】
図８は、図７に示した接続抵抗の設定値による試作品を用いて実測したＧＮＤ電位とシャーシ８間の電位差と負荷電流との間の特性の一例を示すグラフである。図８において、図中の上側に示すグラフは異常発生時の特性を示しており、下側に示すグラフは正常時の特性を示している。これらのグラフでは、縦軸の値は電圧測定回路３により測定された電位差の大きさ（Ｖ）を表しており、横軸の値は電流測定回路４により測定された負荷電流の大きさ（Ａ）を表している。
【００３２】
図９は、図８のグラフに示した実測結果から求めた電源装置１の接地状態を表す抵抗値と負荷電流との間の特性の一例を示すグラフである。図９においても図８と同様に、図中の上側に示すグラフは異常発生時の特性を示しており、下側に示すグラフは正常時の特性を示している。これらのグラフでは、縦軸の値はマイコン５により算出された抵抗値の大きさ（ｍΩ）を表しており、横軸の値は電流測定回路４により測定された負荷電流の大きさ（Ａ）を表している。
【００３３】
なお、図７のRc1、Rs、Rc2の各接続抵抗値は、実際にとり得る値の範囲内でなるべく小さな値とした。一方、接地用ケーブル６の接続抵抗値Rgは、電装品１０および補機バッテリー９で消費される電流量に応じた範囲内でなるべく大きな値とした。このようにすることで、図８および９に示した各特性における異常時と正常時との差を想定される範囲内でなるべく低く抑えることができる。すなわち、図７に示した接続抵抗の設定値のときに異常発生の有無を確実に判断できれば、どのような状況下においても異常発生の有無を判断できることが分かる。
【００３４】
図８から、異常発生時のグラフは正常時のグラフに比べて電位差が大きく、両グラフは負過電流の増加に比例して電位差も増加していることが分かる。そのため、電圧測定回路３により測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを判別することで異常の有無を判断する場合、電位差に対して設定すべき閾値の大きさは、負荷電流の大きさに応じて変化することになる。
【００３５】
たとえば図８中に示すように、閾値として2.6Vを設定した場合を考える。この場合、負荷電流が30A〜120A程度の範囲では、測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを正しく判別できる。しかし、これ以外の範囲、たとえば200Aのときには、両グラフとも電位差が閾値の2.6Vを超えているので、測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを判別できない。そのため、正常な接地状態であるにも関わらず、異常であると判断してしまう可能性がある。
【００３６】
また、たとえば図８中に示すように、閾値として2.8Vを設定した場合を考える。この場合、負荷電流が上記のように200Aのときであっても、測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを正しく判別できる。しかし、付加電流が比較的小さいとき、たとえば60Aのときには、両グラフとも電位差が閾値の2.8Vを下回っているので、測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを判別できない。そのため、接地状態において異常が発生しているにも関わらず、正常であると判断してしまう可能性がある。
【００３７】
一方、図９からは、異常発生時のグラフは正常時のグラフに比べて抵抗値が大きく、両グラフは負過電流が小さい範囲を除いて、負過電流の大きさに関わらずほぼ一定の抵抗値を示していることが分かる。そのため、マイコン５により算出された抵抗値が図９のグラフのいずれに対応するものであるかを判別することで異常の有無を判断する場合、抵抗値に対して設定すべき閾値の大きさは、負荷電流の大きさに関わらず一定とすればよいことになる。
【００３８】
たとえば図９中に示すように、閾値として2mΩを設定した場合を考える。この場合、負荷電流が60Aまたは200Aいずれの場合であっても、算出された抵抗値が図９のグラフのいずれに対応するものであるかを正しく判別できる。そのため、図８で説明したような誤判断を生じることがなくなり、接地状態が正常であるか否かを確実に判断することができる。
【００３９】
電源装置１では、以上説明したようにして、ＧＮＤ電位とシャーシ８間の電位差の測定結果ではなく、電源装置１の接地状態を表す抵抗値の算出結果を用いて、接地状態の判断を行う。これにより、負荷電流が比較的小さい場合であっても、接地状態における異常の有無を確実に判断することができる。
【００４０】
なお、マイコン５により計算した抵抗値があらかじめ決められた閾値以上になることで電源装置１の接続状態に異常が発生したと判断される場合、マイコン５により電圧変換回路２の動作を制御し、電源装置１から供給する直流電力を制限することが好ましい。このようにすれば、接地用ケーブル６が正しく接続されていないときに、電装品１０および補機バッテリー９で消費される負荷電流がシールド線１２ａ、１２ｂなど他の経路に流れることを未然に防止することができる。その結果、シールド線１２ａ、１２ｂ等に想定外の大電流が流れることで生じる発熱や破損などを回避することできる。
【００４１】
以上説明した実施の形態によれば、電源装置１は、高圧バッテリー１１から入力された直流電力を所定電圧の直流電力に変換して外部の補機バッテリー９および電装品１０へ供給するものであり、電圧変換回路２、電圧測定回路３、電流測定回路４およびマイコン５を備える。電圧変換回路２は、高圧バッテリー１１から入力される直流電力の電圧変換を行う。電圧測定回路３は、電源装置１内のグランド電位と、電源装置１外に設けられ電源装置１内のグランド電位と接地用ケーブル６を介して接続されているシャーシ８の接地点との間の電位差を示す電圧値を測定する。電流測定回路４は、電源装置１から直流電力が供給される際に流れる負荷電流の電流値を測定する。マイコン５は、電圧測定回路３により測定された電圧値と、電流測定回路４により測定された電流値とに基づいて、電源装置１の接地状態に応じた抵抗値を算出する。このようにしたので、算出された抵抗値に基づいて、車両に搭載される電源装置１の接地状態を正確に監視できる。
【００４２】
次に、電源装置１の変形例について説明する。図１０は、本発明の一実施形態による電源装置１の一変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図１０に示す電源装置１は、図１に示した電源装置１の各構成に加えて、外部に接続される各種装置に対して信号を出力するための信号出力回路１４ａをさらに備えている。この信号出力回路１４ａを用いることで、マイコン５により計算した抵抗値が前述のように電源装置１の接続状態に異常が発生したことを示す閾値以上となったときに、所定の信号を電源装置１から外部に接続された不図示の車両制御装置やパソコン等へ出力することができる。そのため、車両の運転中や保守点検時に電源装置１の接地状態に異常が発生した場合、そのことを運転者や作業者に通知することが可能となる。
【００４３】
図１１は、本発明の一実施形態による電源装置１の他の変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図１１に示す電源装置１は、図１０に示した電源装置１の各構成に加えて、たとえばＬＥＤランプや液晶ディスプレイによる表示回路１５をさらに備えている。この表示回路１５は、車両の運転席付近等に設置され、マイコン５により計算した抵抗値が閾値以上となることで信号出力回路１４ａから前述のような信号が出力されると、その信号出力に応じて所定の表示を行う。これにより、車両の運転中に電源装置１の接地状態において異常が発生した場合、そのことを運転者に通知することができる。そのため、運転者は事故が起きる前に修理等の必要な措置を講じることができる。
【００４４】
図１２は、本発明の一実施形態による電源装置１の別の変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図１２に示す電源装置１は、図１に示した電源装置１の各構成に加えて、マイコン５による抵抗値の算出結果を記憶するためのメモリ１６をさらに備えている。マイコン５が一定間隔ごとに算出する抵抗値の履歴をメモリ１６に所定回数分だけ記憶させておくことで、たとえば経年劣化等の原因によって抵抗値が次第に増加するような場合に、メモリ１６に記憶された履歴から以後の抵抗値の変化を推測することができる。そのため、電源装置１の接地状態に異常が発生する可能性を事前に察知し、必要に応じて適切な措置を講じることができる。
【００４５】
図１３は、本発明の一実施形態による電源装置１のさらなる変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図１３に示す電源装置１は、図１に示した電源装置１の各構成に加えて、情報入出力回路１４ｂと、図１２のメモリ１６とをさらに備えている。メモリ１６に記憶された抵抗値の履歴は、情報入出力回路１４ｂを介して外部に接続された不図示の車両制御装置やパソコン等へ出力することで、事故発生時の原因究明等に役立てることができる。また、車両制御装置やパソコン等から情報入出力回路１４ｂを介して、マイコン５の処理に用いるための様々な情報をメモリ１６に書き込めるようにしてもよい。たとえば、前述のように電源装置１の接地状態が異常であるか否かを判断するための比較に用いられる閾値の情報を、外部から情報入出力回路１４ｂを介してメモリ１６に書き込む。マイコン５は、この閾値の情報に基づいて、算出された抵抗値と閾値とを比較し、電源装置１の接地状態における異常の有無を判断する。このようにすれば、閾値の変更などのデータ更新を容易に行うことができる。
【００４６】
ここで、電圧変換回路２について詳細に説明する。図１４は、本発明による電源装置１内部の電圧変換回路２の一例を示す回路図である。電圧変換回路２は、双方向に電圧変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータであり、降圧回路（ＨＶ回路）および昇圧回路（ＬＶ回路）を有している。これらの回路では、ダイオード整流ではなく同期整流を行う構成としている。また、ＨＶ／ＬＶ変換で高出力とするために、スイッチング素子への大電流部品の採用や、平滑コイルの大型化を図っている。
【００４７】
具体的には、ＨＶ／ＬＶ側共に、リカバリーダイオードを持つＭＯＳＦＥＴを利用したＨブリッジ型・同期整流スイッチング回路構成（Ｈ１〜Ｈ４）とした。これらのスイッチング回路のスイッチング制御にあっては、ＬＣ直列共振回路（Ｃｒ，Ｌｒ）を用いて高スイッチング周波数（100ｋＨｚ）でゼロクロススイッチングさせ、変換効率を向上させて熱損失を低減するようにした。加えて、アクティブクランプ回路を設けて、降圧動作時の循環電流による損失を低減させると共に、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させることで、回路部品の低耐圧化を図っている。これらにより装置の小型化を実現している。
【００４８】
さらに、ＬＶ側の高出力を確保するために、全波整流型の倍電流（カレントダブラー）方式とした。なお、高出力化にあたり、複数のスイッチング素子を並列同時作動させることで高出力を確保している。図１４の例では、ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４、ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４のように４素子並列とした。また、スイッチング回路および平滑リアクトルの小型リアクトル（Ｌ１，Ｌ２）を、対称性を持たせるように２回路並列配置とすることで高出力化している。このように、小型リアクトルを２回路配置とすることで、大型リアクトル１台を配置させる場合に比べて、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置全体の小型化を可能としている。
【００４９】
図１５は、本発明による電源装置１内部の電圧変換回路２の部品配置例を示す分解斜視図である。図１５に示すように、電圧変換回路２の各構成部品は、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のケース１１１内に収納されている。ケース１１１の開口部にはケースカバー１１２がボルト固定される。ケース１１１内の底面部分には、主トランス３３、インダクタ素子３４、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４が搭載されたパワー半導体モジュール３５、スイッチング素子３６が搭載されている昇圧回路基板３２、およびコンデンサ３８等が載置されている。これらの各構成部品のうち主な発熱部品は、主トランス３３、インダクタ素子３４、パワー半導体モジュール３５およびスイッチング素子３６である。
【００５０】
なお、図１５に示した各構成部品と図１４の回路図との対応を記載すると、図１５の主トランス３３は図１４のトランスＴｒに、インダクタ素子３４はカレントダブラーのリアクトルＬ１，Ｌ２に、スイッチング素子３６はスイッチング素子ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４，ＳＡＷＢ１〜ＳＷＢ４にそれぞれ対応している。昇圧回路基板３２には、図１４のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２等も搭載されている。
【００５１】
スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４の端子３９はケース１１１の上方へと延在しており、パワー半導体モジュール３５の上方に配置された降圧回路基板３１と接続されている。降圧回路基板３１は、ケース１１１の底面から上方に突出した複数の支持部材上に固定される。パワー半導体モジュール３５においては、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４は、パターンが形成された金属基板上に実装されており、金属基板の裏面側はケース１１１の底面に密着するように固定されている。スイッチング素子３６が実装される昇圧回路基板３２も同様の金属基板で構成されている。なお図１５では、昇圧回路基板３２はコンデンサ３８等の陰に隠れて見えないので、その位置を破線で示している。
【００５２】
制御回路基板３０には、昇圧回路や降圧回路に設けられたスイッチング素子を制御する制御回路が実装されている。制御回路基板３０は金属製のベース板３７上に固定されている。ベース板３７はケース１１１の底面部から上方に突出した複数の支持部１１１ａに固定されている。これにより、制御回路基板３０は、ケース底面部に配置された発熱部品（主トランス３３、インダクタ素子３４やパワー半導体モジュール３５など）の上方に、ベース板３７を介して配置されることになる。
【００５３】
以上のとおり、上記実施形態によれば、大電流が流れていない時でも電源装置１の接地状態の異常を検出できるようになる。また、異常発生時に電圧変換回路２の出力を制限することで発熱や破損を回避することできる。さらに、異常発生をユーザーが知ることで事故が起こる前に必要な措置を講じることができるようになる。加えて、万が一事故が起きた際には、原因究明に役立てることが可能となる。また、異常が発生する可能性を事前に察知することもできるようになる。
【００５４】
以上、本発明の一実施形態を詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、技術思想の範囲内で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では電源装置１を電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される電源装置として説明したが、これ以外の用途に用いる電源装置であってもよい。たとえば、通常の自動車や電車などの他の種類の車両に搭載される電源装置としてもよいし、車両以外のものに搭載される電源装置としてもよい。
【００５５】
以上説明した実施形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１ 電源装置
２ 電圧変換回路
３ 電圧測定回路
４ 電流測定回路
５ マイコン
６ 接地用ケーブル
６ａ、６ｂ プラグ
７ 検出用ケーブル
８ シャーシ
９ 補機バッテリー
１０ 電装品
１１ 高圧バッテリー
１２ａ、１２ｂ シールド線
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ ボルト
１４ａ 信号出力回路
１４ｂ 情報入出力回路
１５ 表示回路
１６ メモリ
１１１ ケース
１２１ ケース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載される電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モータで駆動される電気自動車やハイブリッド自動車などの車両には、高電圧の電池が搭載されている。この高電圧電池から出力される直流電力は、電気モータへ供給される以外にも、電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）によって電圧変換された後、車両の各種電装品や補機バッテリー等の負荷に供給される。こうした電源装置は一般的に、金属などの導電性を有する材料を用いて形成されたケース内に収納されている。このケースが車両のシャーシ（フレーム）に金属製のネジ等で固定されることで、電源装置はケースおよびシャーシを介して他の車載電気機器と共通の車両アースに接地される。また、電源装置とシャーシの間には、負荷への電力供給の際に負荷電流を流すための接地用ケーブルが接続される。
【０００３】
上記のような電源装置において、シャーシに対するケースの固定が不十分であったり、接地用ケーブルの接続が不十分であったりすると、接地が不完全となる場合がある。その場合、負荷への電力供給の際に電源装置と高電圧電池の間を接続している電線に想定外の大電流が流れることで、発熱や破損などの不具合を生じるおそれがある。そこで、こうした不具合を防止して安定した電源を安全に供給するために、電源装置の接地状態を監視することが求められている。
【０００４】
車両に搭載された電気機器の接地状態の監視に関して、たとえば特許文献１には、電源からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池を充電する充電装置において、蓄電池と接続されているチャージ出力用の電線と車体接続用の電線との間の電位差を検出し、これに基づいて蓄電池と車体との間のリークの有無を確認する技術が開示されている。また、特許文献２には、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作中に、装置の外部に接続されている信号グランド線と装置内部のパワーグランドとの接続をスイッチにより切り離し、このときの信号グランドに対するパワーグランドの電位差を測定することで、パワーグランドと装置ケースとの間の接続状態を確認して接地状態を監視する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２７６６７４号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１/０１２１８０７Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術は、蓄電池と車体間のリークの有無を確認するものであるため、電源装置が確実に接地されているかどうかを監視することはできない。一方、特許文献２に開示される技術では、信号グランド線に流れる電流が少ない場合などにおいて、信号グランド線に対するパワーグランドの電位差を正しく測定することができずに、接地状態を正確に監視できないことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による電源装置は、入力された直流電力を所定電圧の直流電力に変換して外部へ供給するものであって、入力された直流電力の電圧変換を行う電圧変換回路と、電源装置内のグランド電位と電源装置外に設けられグランド電位と接地用ケーブルを介して接続されている接地点との間の電位差を示す電圧値を測定する電圧測定回路と、電源装置から直流電力が供給される際に流れる負荷電流の電流値を測定する電流測定回路と、電圧測定回路により測定された電圧値と電流測定回路により測定された電流値とに基づいて電源装置の接地状態に応じた抵抗値を算出する演算回路とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、車両等に搭載される電源装置の接地状態を正確に監視できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による電源装置を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図２】電圧測定回路の一例を示す図である。
【図３】正常時の接続抵抗を示すブロック図である。
【図４】正常時の接続抵抗の合成抵抗値を求める等価回路を示す図である。
【図５】異常発生時の接続抵抗を示すブロック図である。
【図６】異常発生時の接続抵抗の合成抵抗値を求める等価回路を示す図である。
【図７】接続抵抗の抵抗値の設定例を示す表である。
【図８】電位差と負荷電流との間の特性の一例を示すグラフである。
【図９】接地状態を表す抵抗値と負荷電流との間の特性の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による電源装置の一変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の一実施形態による電源装置の他の変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の一実施形態による電源装置の別の変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の一実施形態による電源装置のさらなる変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明による電源装置内部の電圧変換回路の一例を示す回路図である。
【図１５】本発明による電源装置内部の電圧変換回路の部品配置例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態による電源装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態による電源装置１を含む電源システムの構成を示すブロック図である。この電源装置システムは、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車など、電気モータで駆動される車両に搭載されて使用される。
【００１１】
図１に示す電源システムは、電源装置１、補機バッテリー９、電装品１０および高圧バッテリー１１を有する。電源装置１および高圧バッテリー１１は、導電性を有する金属製のケース１１１、１２１でそれぞれ覆われており、シールド線１２ａ、１２ｂを介して互いに接続されている。電源装置１のケース１１１は、金属製のボルト１３ａ、１３ｂにより車両のシャーシ８に固定されている。高圧バッテリー１１のケース１２１も同様に、金属製のボルト１３ｃ、１３ｄによりシャーシ８に固定されている。これにより、電源装置１および高圧バッテリー１１がシャーシ８と電気的に接続され、共通の車両アースに接地される。
【００１２】
電源装置１は、電圧変換回路２、電圧測定回路３、電流測定回路４およびマイコン５を備えている。これらはケース１１１内に収納されており、ケース１１１の電位を共通のグランド（ＧＮＤ）電位として接地されている。ケース１１１には、接地用ケーブル６の一端に接続されている金属製のボルト１３ｅが取り付けられている。接地用ケーブル６の他端は、シャーシ８に取り付けられた金属製のボルト１３ｆと接続されている。このようにしてケース１１１とシャーシ８が接地用ケーブル６を介して電気的に接続されることで、前述のボルト１３ａ、１３ｂによる接地に加えて、ボルト１３ｆが取り付けられているシャーシ８の部分を接地点として、さらに電源装置１の接地が行われている。
【００１３】
電圧変換回路２は、シールド線１２ａ、１２ｂを介して高圧バッテリー１１から入力される高電圧の直流電力を低電圧の直流電力に変換し、その電圧変換後の直流電力を補機バッテリー９および電装品１０へと出力する。電圧変換回路２の（＋）側出力は、電流測定回路４とケース１１１に設けられたプラグ６ａとを介して、補機バッテリー９および電装品１０の（＋）端子と接続されている。一方、電圧変換回路２の（−）側出力は、ボルト１３ｅ、接地用ケーブル６およびボルト１３ｆを介して、補機バッテリー９の（−）端子と接続されている。また、ボルト１３ｅ、接地用ケーブル６、ボルト１３ｆおよびシャーシ８を介して、電装品１０の（−）端子と接続されている。これにより、電源装置１を介して、高圧バッテリー１１から補機バッテリー９および電装品１０へ直流電力が供給される。
【００１４】
なお、補機バッテリー９および電装品１０へ直流電力を供給する際には、これらで消費される電流のリターン経路として接地用ケーブル６が作用する。そのため、接地用ケーブル６には、補機バッテリー９および電装品１０において消費される最大電流量に応じた耐電流性能を有するものを使用することが好ましい。
【００１５】
電圧測定回路３は、その一端がケース１１１に設けられたプラグ６ｂおよび検出用ケーブル７を介して、シャーシ８に取り付けられたボルト１３ｆに接続されており、他端がケース１１１に取り付けられたボルト１３ｅに接続されている。この２つの接続点間の電位差を示す電圧値を測定することで、ケース１１１の電位すなわち電源装置１内のＧＮＤ電位と、シャーシ８との間の電位差を測定する。
【００１６】
電流測定回路４は、補機バッテリー９および電装品１０へ直流電力を供給する際に、電圧変換回路２から出力される直流電流（負荷電流）の電流値を測定する。
【００１７】
マイコン５は、電圧測定回路３により測定された電圧値と、電流測定回路４により測定された電流値とを取り込み、これらに基づいて電源装置１の接地状態に応じた抵抗値を計算する。より具体的には、電圧測定回路３により測定された電圧値を電流測定回路４により測定された電流値で除算することで、シャーシ８とケース１１１との間の接続抵抗値を算出する。そして、計算された抵抗値に基づいて、電源装置１の接地状態が正常であるか否かを判断し、電圧変換回路２に対する動作制御を必要に応じて行う。
【００１８】
図２は、電圧測定回路３の一例を示す図である。プラグ６ｂおよび検出用ケーブル７を介したボルト１３ｆの電位（シャーシ８の電位）と、ボルト１３ｅの電位（ケース１１１の電位）、すなわち電源装置１のＧＮＤ電位とは、電圧測定回路３において差動増幅回路３０１にそれぞれ入力される。差動増幅回路３０１は、これらの間の電位差を増幅し、マイコン５へ出力する。このとき、接地用ケーブル６に流れる電流の向きの変化に応じて電位差の正負が反転する。そのため、差動増幅回路３０１の入力側には、電流の向きに関わらず電位差を測定できるようにするためのオフセット回路３０２が設けられている。
【００１９】
なお、電圧測定回路３が有する差動増幅回路３０１への２つの入力線のうち、シャーシ８の接地点とボルト１３ｆにより接続されている側の入力線は、抵抗３０４を介して電圧測定回路３の電源ＶＣＣに接続されている。これにより、プラグ６ｂと検出用ケーブル７とが接続されているときにはプラグ６ｂに電流が流れるようにして、プラグ６ｂの端子接触面が酸化皮膜等で覆われるのを予防する。すなわち、酸化皮膜のような端子接触面の電気的接続を妨げる皮膜による導通不良がプラグ６ｂにおいて生じると、シャーシ８と電源装置１のＧＮＤ電位との間の電位差を電圧測定回路３が正しく測定できなくなるため、これを防いで電位差を正しく測定できるようにする。
【００２０】
次に、電源装置１における接地状態の判断について、以下詳細に説明する。
【００２１】
正常な状態において、電源装置１のケース１１１と高圧バッテリー１１のケース１２１とは、ボルト１３ａ〜１３ｄによってシャーシ８にそれぞれ緩みなく固定されている。また、接地用ケーブル６は、ボルト１３ｅ、１３ｆによってケース１１１とシャーシ８との間に緩みなく接続されている。この状態で電圧変換回路２から出力された電流は、電流測定回路４を通って補機バッテリー９や電装品１０を経由した後、接地用ケーブル６、またはシャーシ８およびケース１１１を介して電圧変換回路２へ戻ってくる。このとき、接地用ケーブル６の抵抗値はほぼ０Ωであり、接地用ケーブル６での電圧降下はほとんど発生しない。そのため、シャーシ８と電源装置１のＧＮＤ電位とはほぼ同電位となり、電圧測定回路３で測定される電位差はほぼ０Ｖとなる。したがって、マイコン５により計算される抵抗値は０Ωに近い値となる。
【００２２】
上述した正常時の接地状態を表す抵抗値の算出方法について、さらに詳しく説明する。図３は、正常時の接地用ケーブル６、ボルト１３ａ〜１３ｄおよびシールド線１２ａ、１２ｂによる接続抵抗を示すブロック図である。図４は、図３に示した接続抵抗の合成抵抗値を求める等価回路を示す図である。
【００２３】
図３において符号１７、１８にそれぞれ示すように、電源装置１のケース１１１とシャーシ８との間における接地用ケーブル６の接続抵抗値をRgと表し、ボルト１３ａ、１３ｂの接続抵抗値をRc1と表す。また、符号１９に示すように、高圧バッテリー１１のケース１２１とシャーシ８との間におけるボルト１３ｃ、１３ｄの接続抵抗値をRc2と表す。符号２０に示すように、高圧バッテリー１１のケース１２１と電源装置１のケース１１１との間におけるシールド線１２ａ、１２ｂの接続抵抗値をRsと表す。これらの接続抵抗値を合成した合成抵抗値をRtotalと表すと、図４に示す等価回路からRtotalは以下の式（１）により表される。
Rtotal=1/{1/Rg+1/Rc1+1/(Rc2+Rs)} ・・・（１）
【００２４】
ここで、前述のように接地用ケーブル６が補機バッテリー９および電装品１０において消費される最大電流量に応じた耐電流性能を有するものである場合、その接続抵抗値Rgはほぼ０Ωであるため、式（１）で表される合成抵抗値Rtotalも０Ωに近い値となる。したがって、マイコン５では０Ωに近い抵抗値が計算される。
【００２５】
続いて異常発生時の例について説明する。電源装置１のケース１１１をシャーシ８に固定するボルト１３ａ、１３ｂは、緩み等の理由により、その接続抵抗値が正常時に比べて著しく増大する場合がある。また、接地用ケーブル６も、未接続、断線、劣化等の理由により、その接続抵抗値が正常時に比べて著しく増大する場合がある。これらの異常発生時における接続抵抗値が、高圧バッテリー１１のケース１２１をシャーシ８に固定するボルト１３ｃ、１３ｄの接続抵抗値や、シールド線１２ａ、１２ｂの接続抵抗値よりも十分に大きいと、補機バッテリー９および電装品１０で消費される電流のリターン経路は、接地用ケーブル６ではなく、ボルト１３ｃ、１３ｄおよびシールド線１２ａ、１２ｂとなる。
【００２６】
シールド線１２ａ、１２ｂは、大電流を流すことを目的とするものではないため、通常は接地用ケーブル６よりも大きな抵抗値を有している。そのため、消費電流に応じた電圧降下がシールド線１２ａ、１２ｂにおいて発生し、その電圧降下による電位差が電圧測定回路３により測定される。その結果、マイコン５により計算される抵抗値は、正常時のように０Ωに近い値とはならない。これにより、電源装置１の接地状態において何らかの異常が発生していると推測できる。
【００２７】
上述した異常発生時の接地状態を表す抵抗値の算出方法について、さらに詳しく説明する。図５は、異常発生時のボルト１３ａ〜１３ｄおよびシールド線１２ａ、１２ｂによる接続抵抗を示すブロック図である。図６は、図５に示した接続抵抗の合成抵抗値を求める等価回路を示す図である。なお、図５、６では、接地用ケーブル６が未接続や断線等の理由により機能せず、そのため回路構成上は存在していないときの例を示している。
【００２８】
図５、６に示した異常発生時の合成抵抗値Rtotalは、前述の式（１）において1/Rg=0とすることで以下の式（２）のように表すことができる。
Rtotal=1/{1/Rc1+1/(Rc2+Rs)} ・・・（２）
【００２９】
ここで、シールド線１２ａ、１２ｂの接続抵抗値Rsは、前述のように０Ωに近い値ではなく、ある程度の抵抗値をもっている。したがって、ボルト１３ａ、１３ｂの接続抵抗値Rc1が緩み等の理由で増大した場合、式（２）で表される合成抵抗値Rtotalは、正常時のように０Ωに近い値とはならない。そのため、マイコン５において計算される抵抗値も０Ωではなく、ある程度の抵抗値となる。
【００３０】
次に、試作品を使用して行ったＧＮＤ電位とシャーシ８間の電位差の実測結果と、その実測結果から求めた電源装置１の接地状態を表す抵抗値とを説明する。図７は、試作品における各接続抵抗の抵抗値の設定例を示した表である。図７の設定例に示すように、接地用ケーブル６の接続抵抗値Rgは、未接続や断線等による異常発生時には無限大、すなわち1/Rg=0とし、正常時には0.7ｍΩに設定する。また、他の各接続抵抗値Rc1、Rc2、Rsは、異常発生時、正常時のいずれにおいても、4.5ｍΩ、0.2ｍΩ、6.3ｍΩにそれぞれ設定する。
【００３１】
図８は、図７に示した接続抵抗の設定値による試作品を用いて実測したＧＮＤ電位とシャーシ８間の電位差と負荷電流との間の特性の一例を示すグラフである。図８において、図中の上側に示すグラフは異常発生時の特性を示しており、下側に示すグラフは正常時の特性を示している。これらのグラフでは、縦軸の値は電圧測定回路３により測定された電位差の大きさ（Ｖ）を表しており、横軸の値は電流測定回路４により測定された負荷電流の大きさ（Ａ）を表している。
【００３２】
図９は、図８のグラフに示した実測結果から求めた電源装置１の接地状態を表す抵抗値と負荷電流との間の特性の一例を示すグラフである。図９においても図８と同様に、図中の上側に示すグラフは異常発生時の特性を示しており、下側に示すグラフは正常時の特性を示している。これらのグラフでは、縦軸の値はマイコン５により算出された抵抗値の大きさ（ｍΩ）を表しており、横軸の値は電流測定回路４により測定された負荷電流の大きさ（Ａ）を表している。
【００３３】
なお、図７のRc1、Rs、Rc2の各接続抵抗値は、実際にとり得る値の範囲内でなるべく小さな値とした。一方、接地用ケーブル６の接続抵抗値Rgは、電装品１０および補機バッテリー９で消費される電流量に応じた範囲内でなるべく大きな値とした。このようにすることで、図８および９に示した各特性における異常時と正常時との差を想定される範囲内でなるべく低く抑えることができる。すなわち、図７に示した接続抵抗の設定値のときに異常発生の有無を確実に判断できれば、どのような状況下においても異常発生の有無を判断できることが分かる。
【００３４】
図８から、異常発生時のグラフは正常時のグラフに比べて電位差が大きく、両グラフは負過電流の増加に比例して電位差も増加していることが分かる。そのため、電圧測定回路３により測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを判別することで異常の有無を判断する場合、電位差に対して設定すべき閾値の大きさは、負荷電流の大きさに応じて変化することになる。
【００３５】
たとえば図８中に示すように、閾値として2.6Vを設定した場合を考える。この場合、負荷電流が30A〜120A程度の範囲では、測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを正しく判別できる。しかし、これ以外の範囲、たとえば200Aのときには、両グラフとも電位差が閾値の2.6Vを超えているので、測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを判別できない。そのため、正常な接地状態であるにも関わらず、異常であると判断してしまう可能性がある。
【００３６】
また、たとえば図８中に示すように、閾値として2.8Vを設定した場合を考える。この場合、負荷電流が上記のように200Aのときであっても、測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを正しく判別できる。しかし、付加電流が比較的小さいとき、たとえば60Aのときには、両グラフとも電位差が閾値の2.8Vを下回っているので、測定された電位差が図８のグラフのいずれに対応するものであるかを判別できない。そのため、接地状態において異常が発生しているにも関わらず、正常であると判断してしまう可能性がある。
【００３７】
一方、図９からは、異常発生時のグラフは正常時のグラフに比べて抵抗値が大きく、両グラフは負過電流が小さい範囲を除いて、負過電流の大きさに関わらずほぼ一定の抵抗値を示していることが分かる。そのため、マイコン５により算出された抵抗値が図９のグラフのいずれに対応するものであるかを判別することで異常の有無を判断する場合、抵抗値に対して設定すべき閾値の大きさは、負荷電流の大きさに関わらず一定とすればよいことになる。
【００３８】
たとえば図９中に示すように、閾値として2mΩを設定した場合を考える。この場合、負荷電流が60Aまたは200Aいずれの場合であっても、算出された抵抗値が図９のグラフのいずれに対応するものであるかを正しく判別できる。そのため、図８で説明したような誤判断を生じることがなくなり、接地状態が正常であるか否かを確実に判断することができる。
【００３９】
電源装置１では、以上説明したようにして、ＧＮＤ電位とシャーシ８間の電位差の測定結果ではなく、電源装置１の接地状態を表す抵抗値の算出結果を用いて、接地状態の判断を行う。これにより、負荷電流が比較的小さい場合であっても、接地状態における異常の有無を確実に判断することができる。
【００４０】
なお、マイコン５により計算した抵抗値があらかじめ決められた閾値以上になることで電源装置１の接続状態に異常が発生したと判断される場合、マイコン５により電圧変換回路２の動作を制御し、電源装置１から供給する直流電力を制限することが好ましい。このようにすれば、接地用ケーブル６が正しく接続されていないときに、電装品１０および補機バッテリー９で消費される負荷電流がシールド線１２ａ、１２ｂなど他の経路に流れることを未然に防止することができる。その結果、シールド線１２ａ、１２ｂ等に想定外の大電流が流れることで生じる発熱や破損などを回避することできる。
【００４１】
以上説明した実施の形態によれば、電源装置１は、高圧バッテリー１１から入力された直流電力を所定電圧の直流電力に変換して外部の補機バッテリー９および電装品１０へ供給するものであり、電圧変換回路２、電圧測定回路３、電流測定回路４およびマイコン５を備える。電圧変換回路２は、高圧バッテリー１１から入力される直流電力の電圧変換を行う。電圧測定回路３は、電源装置１内のグランド電位と、電源装置１外に設けられ電源装置１内のグランド電位と接地用ケーブル６を介して接続されているシャーシ８の接地点との間の電位差を示す電圧値を測定する。電流測定回路４は、電源装置１から直流電力が供給される際に流れる負荷電流の電流値を測定する。マイコン５は、電圧測定回路３により測定された電圧値と、電流測定回路４により測定された電流値とに基づいて、電源装置１の接地状態に応じた抵抗値を算出する。このようにしたので、算出された抵抗値に基づいて、車両に搭載される電源装置１の接地状態を正確に監視できる。
【００４２】
次に、電源装置１の変形例について説明する。図１０は、本発明の一実施形態による電源装置１の一変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図１０に示す電源装置１は、図１に示した電源装置１の各構成に加えて、外部に接続される各種装置に対して信号を出力するための信号出力回路１４ａをさらに備えている。この信号出力回路１４ａを用いることで、マイコン５により計算した抵抗値が前述のように電源装置１の接続状態に異常が発生したことを示す閾値以上となったときに、所定の信号を電源装置１から外部に接続された不図示の車両制御装置やパソコン等へ出力することができる。そのため、車両の運転中や保守点検時に電源装置１の接地状態に異常が発生した場合、そのことを運転者や作業者に通知することが可能となる。
【００４３】
図１１は、本発明の一実施形態による電源装置１の他の変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図１１に示す電源装置１は、図１０に示した電源装置１の各構成に加えて、たとえばＬＥＤランプや液晶ディスプレイによる表示回路１５をさらに備えている。この表示回路１５は、車両の運転席付近等に設置され、マイコン５により計算した抵抗値が閾値以上となることで信号出力回路１４ａから前述のような信号が出力されると、その信号出力に応じて所定の表示を行う。これにより、車両の運転中に電源装置１の接地状態において異常が発生した場合、そのことを運転者に通知することができる。そのため、運転者は事故が起きる前に修理等の必要な措置を講じることができる。
【００４４】
図１２は、本発明の一実施形態による電源装置１の別の変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図１２に示す電源装置１は、図１に示した電源装置１の各構成に加えて、マイコン５による抵抗値の算出結果を記憶するためのメモリ１６をさらに備えている。マイコン５が一定間隔ごとに算出する抵抗値の履歴をメモリ１６に所定回数分だけ記憶させておくことで、たとえば経年劣化等の原因によって抵抗値が次第に増加するような場合に、メモリ１６に記憶された履歴から以後の抵抗値の変化を推測することができる。そのため、電源装置１の接地状態に異常が発生する可能性を事前に察知し、必要に応じて適切な措置を講じることができる。
【００４５】
図１３は、本発明の一実施形態による電源装置１のさらなる変形例を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図１３に示す電源装置１は、図１に示した電源装置１の各構成に加えて、情報入出力回路１４ｂと、図１２のメモリ１６とをさらに備えている。メモリ１６に記憶された抵抗値の履歴は、情報入出力回路１４ｂを介して外部に接続された不図示の車両制御装置やパソコン等へ出力することで、事故発生時の原因究明等に役立てることができる。また、車両制御装置やパソコン等から情報入出力回路１４ｂを介して、マイコン５の処理に用いるための様々な情報をメモリ１６に書き込めるようにしてもよい。たとえば、前述のように電源装置１の接地状態が異常であるか否かを判断するための比較に用いられる閾値の情報を、外部から情報入出力回路１４ｂを介してメモリ１６に書き込む。マイコン５は、この閾値の情報に基づいて、算出された抵抗値と閾値とを比較し、電源装置１の接地状態における異常の有無を判断する。このようにすれば、閾値の変更などのデータ更新を容易に行うことができる。
【００４６】
ここで、電圧変換回路２について詳細に説明する。図１４は、本発明による電源装置１内部の電圧変換回路２の一例を示す回路図である。電圧変換回路２は、双方向に電圧変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータであり、降圧回路（ＨＶ回路）および昇圧回路（ＬＶ回路）を有している。これらの回路では、ダイオード整流ではなく同期整流を行う構成としている。また、ＨＶ／ＬＶ変換で高出力とするために、スイッチング素子への大電流部品の採用や、平滑コイルの大型化を図っている。
【００４７】
具体的には、ＨＶ／ＬＶ側共に、リカバリーダイオードを持つＭＯＳＦＥＴを利用したＨブリッジ型・同期整流スイッチング回路構成（Ｈ１〜Ｈ４）とした。これらのスイッチング回路のスイッチング制御にあっては、ＬＣ直列共振回路（Ｃｒ，Ｌｒ）を用いて高スイッチング周波数（100ｋＨｚ）でゼロクロススイッチングさせ、変換効率を向上させて熱損失を低減するようにした。加えて、アクティブクランプ回路を設けて、降圧動作時の循環電流による損失を低減させると共に、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させることで、回路部品の低耐圧化を図っている。これらにより装置の小型化を実現している。
【００４８】
さらに、ＬＶ側の高出力を確保するために、全波整流型の倍電流（カレントダブラー）方式とした。なお、高出力化にあたり、複数のスイッチング素子を並列同時作動させることで高出力を確保している。図１４の例では、ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４、ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４のように４素子並列とした。また、スイッチング回路および平滑リアクトルの小型リアクトル（Ｌ１，Ｌ２）を、対称性を持たせるように２回路並列配置とすることで高出力化している。このように、小型リアクトルを２回路配置とすることで、大型リアクトル１台を配置させる場合に比べて、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置全体の小型化を可能としている。
【００４９】
図１５は、本発明による電源装置１内部の電圧変換回路２の部品配置例を示す分解斜視図である。図１５に示すように、電圧変換回路２の各構成部品は、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のケース１１１内に収納されている。ケース１１１の開口部にはケースカバー１１２がボルト固定される。ケース１１１内の底面部分には、主トランス３３、インダクタ素子３４、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４が搭載されたパワー半導体モジュール３５、スイッチング素子３６が搭載されている昇圧回路基板３２、およびコンデンサ３８等が載置されている。これらの各構成部品のうち主な発熱部品は、主トランス３３、インダクタ素子３４、パワー半導体モジュール３５およびスイッチング素子３６である。
【００５０】
なお、図１５に示した各構成部品と図１４の回路図との対応を記載すると、図１５の主トランス３３は図１４のトランスＴｒに、インダクタ素子３４はカレントダブラーのリアクトルＬ１，Ｌ２に、スイッチング素子３６はスイッチング素子ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４，ＳＡＷＢ１〜ＳＷＢ４にそれぞれ対応している。昇圧回路基板３２には、図１４のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２等も搭載されている。
【００５１】
スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４の端子３９はケース１１１の上方へと延在しており、パワー半導体モジュール３５の上方に配置された降圧回路基板３１と接続されている。降圧回路基板３１は、ケース１１１の底面から上方に突出した複数の支持部材上に固定される。パワー半導体モジュール３５においては、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４は、パターンが形成された金属基板上に実装されており、金属基板の裏面側はケース１１１の底面に密着するように固定されている。スイッチング素子３６が実装される昇圧回路基板３２も同様の金属基板で構成されている。なお図１５では、昇圧回路基板３２はコンデンサ３８等の陰に隠れて見えないので、その位置を破線で示している。
【００５２】
制御回路基板３０には、昇圧回路や降圧回路に設けられたスイッチング素子を制御する制御回路が実装されている。制御回路基板３０は金属製のベース板３７上に固定されている。ベース板３７はケース１１１の底面部から上方に突出した複数の支持部１１１ａに固定されている。これにより、制御回路基板３０は、ケース底面部に配置された発熱部品（主トランス３３、インダクタ素子３４やパワー半導体モジュール３５など）の上方に、ベース板３７を介して配置されることになる。
【００５３】
以上のとおり、上記実施形態によれば、大電流が流れていない時でも電源装置１の接地状態の異常を検出できるようになる。また、異常発生時に電圧変換回路２の出力を制限することで発熱や破損を回避することできる。さらに、異常発生をユーザーが知ることで事故が起こる前に必要な措置を講じることができるようになる。加えて、万が一事故が起きた際には、原因究明に役立てることが可能となる。また、異常が発生する可能性を事前に察知することもできるようになる。
【００５４】
以上、本発明の一実施形態を詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、技術思想の範囲内で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では電源装置１を電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される電源装置として説明したが、これ以外の用途に用いる電源装置であってもよい。たとえば、通常の自動車や電車などの他の種類の車両に搭載される電源装置としてもよいし、車両以外のものに搭載される電源装置としてもよい。
【００５５】
以上説明した実施形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１ 電源装置
２ 電圧変換回路
３ 電圧測定回路
４ 電流測定回路
５ マイコン
６ 接地用ケーブル
６ａ、６ｂ プラグ
７ 検出用ケーブル
８ シャーシ
９ 補機バッテリー
１０ 電装品
１１ 高圧バッテリー
１２ａ、１２ｂ シールド線
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ ボルト
１４ａ 信号出力回路
１４ｂ 情報入出力回路
１５ 表示回路
１６ メモリ
１１１ ケース
１２１ ケース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された直流電力を所定電圧の直流電力に変換して外部へ供給する電源装置であって、
前記入力された直流電力の電圧変換を行う電圧変換回路と、
前記電源装置内のグランド電位と、前記電源装置外に設けられ前記グランド電位と接地用ケーブルを介して接続されている接地点との間の電位差を示す電圧値を測定する電圧測定回路と、
前記電源装置から前記直流電力が供給される際に流れる負荷電流の電流値を測定する電流測定回路と、
前記電圧測定回路により測定された電圧値と、前記電流測定回路により測定された電流値とに基づいて、前記電源装置の接地状態に応じた抵抗値を算出する演算回路とを備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値が所定の閾値以上である場合、外部へ供給する直流電力を制限することを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値が所定の閾値以上である場合、所定の信号を外部へ出力する信号出力回路をさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項３に記載された電源装置において、
前記信号出力回路により出力された前記信号に応じて所定の表示を行う表示回路をさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値を記憶するメモリをさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電源装置において、
前記メモリに記憶された抵抗値の情報を外部へ出力する情報出力回路をさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値と比較するための閾値の情報を外部から入力する情報入力回路と、
前記情報入力回路により入力された閾値の情報を記憶するメモリとをさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値と、前記メモリに記憶された閾値とを比較することを特徴とする電源装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記電圧測定回路は、前記接地点と接続されている入力線が抵抗を介して所定の電源電圧に接続されていることを特徴とする電源装置。
【請求項１】
入力された直流電力を所定電圧の直流電力に変換して外部へ供給する電源装置であって、
前記入力された直流電力の電圧変換を行う電圧変換回路と、
前記電源装置内のグランド電位と、前記電源装置外に設けられ前記グランド電位と接地用ケーブルを介して接続されている接地点との間の電位差を示す電圧値を測定する電圧測定回路と、
前記電源装置から前記直流電力が供給される際に流れる負荷電流の電流値を測定する電流測定回路と、
前記電圧測定回路により測定された電圧値と、前記電流測定回路により測定された電流値とに基づいて、前記電源装置の接地状態に応じた抵抗値を算出する演算回路とを備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値が所定の閾値以上である場合、外部へ供給する直流電力を制限することを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値が所定の閾値以上である場合、所定の信号を外部へ出力する信号出力回路をさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項３に記載された電源装置において、
前記信号出力回路により出力された前記信号に応じて所定の表示を行う表示回路をさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値を記憶するメモリをさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電源装置において、
前記メモリに記憶された抵抗値の情報を外部へ出力する情報出力回路をさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値と比較するための閾値の情報を外部から入力する情報入力回路と、
前記情報入力回路により入力された閾値の情報を記憶するメモリとをさらに備えることを特徴とする電源装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電源装置において、
前記演算回路により算出された抵抗値と、前記メモリに記憶された閾値とを比較することを特徴とする電源装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記電圧測定回路は、前記接地点と接続されている入力線が抵抗を介して所定の電源電圧に接続されていることを特徴とする電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−９９０８７（Ｐ２０１３−９９０８７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３９１９０（Ｐ２０１１−２３９１９０）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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