漏電保護装置及び給電制御装置

本発明は、回路の漏電を検知して当該回路を保護する漏電保護装置、及び当該漏電保護装置を備え、前記回路への給電を制御する給電制御装置に関する。

従来例として、特許文献1記載の給電制御装置を例示する。特許文献1記載の給電制御装置において、制御部は、充電を許可する状態通知信号が電動車両(電気自動車)から入力されると、主回路に挿入されたリレーを閉極させた状態で自己漏電発生部により擬似的に前記主回路に漏電状態を発生させる。そして、この従来例では、当該擬似的な漏電状態において、漏電検知部の動作チェックが行われる。動作チェックの結果、漏電検知部が正常に動作して前記リレーを開極させると、制御部はリレーを再び閉極させて、電動車両への給電を開始させる。

一方、動作チェックの結果、漏電検知部が正常に動作しなければ、制御部は、所定時間の経過後に自己漏電発生部により自己漏電を再び発生させ、漏電検知部の動作チェックを再度行う。つまり、特許文献1記載の従来例は、漏電検知部の動作チェックを複数回行うことによって、誤検出の可能性を低減するように構成されている。

上記従来例の漏電検知部は、主回路を構成する一対の給電路に流れる不平衡電流を計測するための零相変流器を備える。漏電検知部は、不平衡電流の大きさに対応した零相変流器の2次側出力をしきい値と比較し、2次側出力がしきい値を超えたときに漏電を検知するように構成される。

また、上記従来例の自己漏電発生部は、固定抵抗と半導体スイッチの直列回路を有し、当該直列回路が一対の給電路と電気的に接続されて構成されている。つまり、この自己漏電発生部は、半導体スイッチをオンして一対の給電路同士を固定抵抗を介して短絡することより、一対の給電路に不平衡電流を流して擬似的な漏電状態(以下、自己漏電と呼ぶ。)を発生している。

特開2013−128337号公報

ところで、自己漏電発生部が発生させる自己漏電において、主回路に流れる不平衡電流の大きさは、一対の給電路間の電位差、つまり、主回路に接続される交流電源の電源電圧(実効値)と、自己漏電発生部の固定抵抗の抵抗値とで決定される。

ここで、交流電源の電源電圧は、国や地域(仕向地)によって異なり、100ボルト系と200ボルト系の2つの系統に分けられる。つまり、上記従来例における自己漏電発生部は、100ボルト系の電源電圧に対応した抵抗値の固定抵抗と、200ボルト系の電源電圧に対応した抵抗値の固定抵抗とから、仕向地毎に択一的に選択された固定抵抗で構成される必要があった。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、電源電圧の実効値が異なる2種類以上の交流電源に対して共通して使用可能とすることを目的とする。

本発明の漏電保護装置は、漏電検知部と、漏電保護部と、自己漏電発生部とを備え、前記漏電検知部は、主回路に流れる漏洩電流がしきい値を超えたときに漏電検知信号を出力するように構成され、前記漏電保護部は、前記漏電検知信号を受信したときに、前記主回路に挿入されている接点部を開極するように構成され、前記自己漏電発生部は、第1電気抵抗部と第1スイッチ素子が電気的に直列接続された第1短絡部と、第2電気抵抗部と第2スイッチ素子が電気的に直列接続された第2短絡部とを有し、前記第1短絡部及び前記第2短絡部は、前記主回路を構成する一対の給電路に対して、互いに電気的に並列接続されることを特徴とする。

本発明の給電制御装置は、前記漏電保護装置と、前記漏電保護装置で保護される前記主回路と、前記主回路に設けられる前記接点部を開閉する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明の漏電保護装置及び給電制御装置は、電源電圧の実効値が異なる2種類以上の交流電源に対して共通して使用可能になるという効果がある。

本発明に係る漏電保護装置及び給電制御装置の実施形態を示すブロック図である。

同上の動作説明用のフローチャートである。

同上の動作説明用の一部省略したフローチャートである。

本発明に係る漏電保護装置及び給電制御装置の実施形態について、図1及び図2を参照して詳細に説明する。ただし、本発明に係る漏電保護装置は、給電制御装置以外の装置に設けられても構わない。

本実施形態の給電制御装置1は、例えば商用交流電源のような外部電源(図示せず)から、電動車両100が備える蓄電装置102への給電路を形成し、蓄電装置102への給電を制御するために用いられる。

電動車両100は、例えばリチウムイオン電池のような二次電池からなる蓄電装置102を備える。また、電動車両100は、充電インレット101を介して外部電源から電源供給を受けて蓄電装置102を充電する充電回路103を備える。電動車両100は、蓄電装置102に蓄えられた電力でモータを駆動して走行するように構成される。このような電動車両100には、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車や燃料電池車などが含まれる。

給電制御装置1は、図1に示すように、外部電源(商用交流電源)と電動車両100との間で、電圧側極(L相)の導電路である電圧側ラインL1と、接地側極(N相)の導電路である接地側ラインL2と、接地極の導電路であるグランドラインL3を構成する。なお、電圧側ラインL1と接地側ラインL2で一対の給電路(主回路)が構成される。

各ラインL1〜L3の一端に電源側プラグP1が電気的に接続される。この電源側プラグP1は、外部電源と電気的に接続されているアウトレット(コンセントなど)と着脱自在且つ電気的に接続される。また、各ラインL1〜L3の他端に車両側プラグP2が電気的に接続される。この車両側プラグP2は、電動車両100の充電インレット101に着脱自在且つ電気的に接続される。

この給電制御装置1は、漏電保護装置と、漏電保護装置で保護される主回路(電圧側ラインL1及び接地側ラインL2)と、主回路に設けられる接点部(リレーRY1)と、接点部を開閉するリレー駆動部25及び制御部20とを備える。

リレーRY1が備える一対のリレー接点が、電圧側ラインL1と接地側ラインL2とにそれぞれ挿入される。そして、リレーRY1が駆動されてリレー接点を閉じる(リレーRY1がオンする)ことにより、電源側プラグP1から車両側プラグP2への給電が可能となる。

制御部20は、例えば、マイクロコントローラ(以下、マイコンと略す。)で構成されることが好ましい。制御部20は、漏電保護装置並びに給電制御装置1の全体的な制御を行うように構成される。ただし、漏電保護装置の全体的な制御を行う制御部(マイコン)は、給電制御装置1の制御部20と別個独立したハードウェアで構成されても構わない。

また、給電制御装置1は、給電有無検出部21、L側電圧検出部23、N側電圧検出部24、信号受信部26、信号送信部27、通電表示ランプLP1、エラー表示ランプLP2などを備えることが好ましい。

給電有無検出部21は、リレーRY1と電源側プラグP1との間において電圧側ラインL1と接地側ラインL2との間に発生する電圧(電位差)のゼロクロスを検出することによって、外部電源からの給電の有無を検出するように構成される。給電有無検出部21が外部電源からの給電を検出している場合、制御部20が通電表示ランプLP1を点灯させることが好ましい。なお、本実施形態における給電有無検出部21は、前記電圧のピーク値に基づいて、外部電源が100V系と200V系の何れであるかを判定し、その判定結果を制御部20に出力するように構成されることが好ましい。

L側電圧検出部23は、リレーRY1と車両側プラグP2との間(リレーRY1の二次側)において電圧側ラインL1に発生する電圧(グランドラインL3との電位差)が所定のしきい値以上であるか否かを検出するように構成される。N側電圧検出部24は、リレーRY1と車両側プラグP2との間(リレーRY1の二次側)において接地側ラインL2に発生する電圧(グランドラインL3との電位差)が所定のしきい値以上であるか否かを検出するように構成される。

制御部20は、接点部(リレーRY1)が開いている(オフしている)状況において、L側電圧検出部23及びN側電圧検出部の少なくとも何れか一方がしきい値以上の電圧を検出していれば、接点部(リレー接点)が溶着していると判断する。そして、制御部20は、接点部が溶着している判断すれば、エラー表示ランプLP2を点灯することが好ましい。

リレー駆動部25は、制御部20から入力される制御信号に応じてリレーRY1を駆動してリレー接点を閉極(オン)及び開極(オフ)するように構成される。

信号受信部26は、導電路L1〜L3とは別に設けられた導電路(以下、「信号ライン」と呼ぶ。)L4を介して電動車両100と電気的に接続される。信号受信部26は、電動車両100から信号ラインL4を介して伝送されるコントロールパイロット信号(CPLT信号)を受信し、受信したCPLT信号を制御部20の入力ポートPI5へ出力するように構成される。

信号送信部27は、制御部20の出力ポートPO2から出力される伝送信号を、CPLT信号に変換して電動車両100へ送信するように構成される。ただし、CPLT信号については、特許文献1にも開示されているように従来周知であるから、詳細な説明を省略する。

なお、制御部20は、後述するように漏電検知部22で漏電が検知されたとき、あるいはリレーRY1の異常(溶着など)が検出されたときに、エラー表示ランプLP2を点灯して報知するように構成される。

漏電保護装置は、漏電検知部22と、漏電保護部と、自己漏電発生部28とを有する。漏電検知部22は、零相変流器220を有し、主回路に流れる漏洩電流の大きさに比例した零相変流器220の出力電圧がしきい値を超えたときに漏電検知信号を出力するように構成される。零相変流器220は、円環状のコア221に電圧側ラインL1及び接地側ラインL2が挿通され、電圧側ラインL1と接地側ラインL2に流れる不平衡電流に比例した電圧を出力線(2次巻線)222から出力するように構成される。なお、漏電検知部22から出力される漏電検知信号は、制御部20の入力ポートPI1、並びにリレー駆動部25に入力される。リレー駆動部25は、漏電検知信号が入力されると、リレーRY1を駆動してリレー接点を開極(オフ)する。つまり、本実施形態においては、リレー駆動部25が漏電保護部に相当する。

自己漏電発生部28は、第1電気抵抗部280と第1スイッチ素子281が電気的に直列接続された第1短絡部と、第2電気抵抗部282と第2スイッチ素子283が電気的に直列接続された第2短絡部とを有することが好ましい。第1電気抵抗部280及び第2電気抵抗部282は、1つの抵抗素子又は2つ以上の抵抗素子の直列回路で構成されることが好ましい。ただし、第1電気抵抗部280の電気抵抗は、第2電気抵抗部282の電気抵抗よりも小さい値に設定されることが好ましい。また、第1スイッチ素子281及び第2スイッチ素子283は、光絶縁型のSSR(ソリッド・ステート・リレー)で構成されることが好ましい。第1スイッチ素子281は、制御部20の出力ポートPO4から出力される制御信号によってオン・オフされる。同様に、第2スイッチ素子283は、制御部20の出力ポートPO5から出力される制御信号によってオン・オフされる。なお、このような光絶縁型のSSRについては、従来周知であるから詳細な構成及び動作の説明は省略する。

第1短絡部及び第2短絡部は、制御部20により、第1スイッチ素子281及び第2スイッチ素子283がオンされたとき、第1電気抵抗部280及び第2電気抵抗部282を介して電圧側ラインL1と接地側ラインL2を短絡するように構成される。そして、第1短絡部及び第2短絡部が電圧側ラインL1と接地側ラインL2を短絡させると、第1短絡部及び第2短絡部に、第1電気抵抗部280及び第2電気抵抗部282の電気抵抗と電源電圧に対応した漏洩電流(以下、自己漏洩電流と呼ぶ。)が流れる。例えば、外部電源の電源電圧(実効値)が120Vである場合、第1電気抵抗部280の抵抗値が16kΩ以上であれば、7.5mA以下の自己漏洩電流が流れる。また、外部電源の電源電圧(実効値)が240Vである場合、第2電気抵抗部282の抵抗値が32kΩ以上であれば、7.5mA以下の自己漏洩電流が流れる。

制御部20は、自己漏電発生部28に自己漏電を発生させている(自己漏洩電流を流している)状況において、入力ポートPI1に漏電検知信号が入力されれば、自己漏電試験を合格と判定する。一方、制御部20は、上記状況において、入力ポートPI1に漏電検知信号が入力されなければ、自己漏電試験を不合格と判定する。さらに、制御部20は、自己漏電試験が不合格と判定した場合、エラー表示ランプLP2を点灯させることが好ましい。

次に、図2のフローチャートを参照しつつ、本実施形態の給電制御装置1の動作を説明する。

電源側プラグP1が外部電源のインレットに接続されると、外部電源から給電制御装置1に交流電源が供給されて、給電制御装置1が動作を開始する(ステップS1)。車両側プラグP2が電動車両100の充電インレットに接続されていない状態では、制御部20は、信号受信部26で受信するCPLT信号に基づいて、車両側プラグP2が電動車両100に接続されていない状態であると判断する。なお、制御部20は、車両側プラグP2が電動車両100に接続されていなければ、リレーRY1をオフに維持している。

制御部20は、給電有無検出部21で検出される電源電圧が100V系か否かを判断し(ステップS2)、100V系であれば(ステップS2でyes)、出力ポートPO4から制御信号を出力して第1スイッチ素子281をオンする(ステップS3)。また、制御部20は、給電有無検出部21で検出される電源電圧が200V系であれば(ステップS2でno)、出力ポートPO5から制御信号を出力して第2スイッチ素子283をオンする(ステップS4)。ただし、制御部20は、電源電圧の判断結果を内蔵メモリ(図示せず)に記憶することが好ましい。

第1スイッチ素子281又は第2スイッチ素子283がオンすれば、主回路に自己漏洩電流が流れて自己漏電が発生する。このとき、制御部20は、外部電源の電源電圧に応じて、主回路を短絡する経路の抵抗値(第1電気抵抗部280及び第2電気抵抗部282の抵抗値)を選択している。つまり、制御部20は、電源電圧が100V系のときは、相対的に抵抗値の小さい第1電気抵抗部280を選択し、電源電圧が200V系のときは、相対的に抵抗値の大きい第2電気抵抗部282を選択する。このように2つの電気抵抗部280、282の一方が電源電圧に応じて選択されれば、電源電圧が100V系と200V系の何れであっても、ほぼ同等の自己漏洩電流を主回路に流すことができる。

漏電検知部22が正常に動作していれば、自己漏電を検知して漏電検知信号を出力する。制御部20は、第1スイッチ素子281又は第2スイッチ素子283をオンしてから所定時間(例えば、数秒〜十数秒)内に入力ポートPI1に漏電検知信号が入力されれば、自己漏電試験が合格と判断し、前記所定時間内に漏電検知信号が入力されなければ、自己漏電試験が不合格と判断する(ステップS5)。そして、自己漏電試験が不合格の場合、制御部20は、エラー表示ランプLP2を点灯してエラー表示を行う(ステップS15)。なお、制御部20は、前記所定時間の経過後に、ステップS3又はステップS4でオンしたスイッチ素子(第1スイッチ素子281又は第2スイッチ素子283)をオフする。

自己漏電試験に合格したら、制御部20は、車両側プラグP2が電動車両100の充電インレットに電気的に接続されるまで待機する(ステップS6)。そして、制御部20は、充電インレットに車両側プラグP2が電気的に接続されたことを通知するCPLT信号を信号受信部26で受信すれば(ステップS6のyes)、再度、自己漏電発生部28に自己漏電を発生させる(ステップS7)。このとき、制御部20は、内蔵メモリに記憶されている電源電圧の判断結果に対応した方のスイッチ素子(第1スイッチ素子281又は第2スイッチ素子283)をオンして自己漏電試験を実施する。

ここで、本実施形態の給電制御装置1は、電源側プラグP1が外部電源のインレットに電気的に接続された状態で放置されることがある。つまり、充電の作業として、電源側プラグP1のインレットへの接続が省略され、車両側プラグP2が電動車両100の充電インレット101に電気的に接続されるところから開始される場合がある。この場合、制御部20は、ステップS6から処理を開始することになる。故に、制御部20は、充電インレットに車両側プラグP2が電気的に接続されたときにも、自己漏電試験を実施することにより、電動車両100の充電前に確実に漏電検知部22が正常に動作することを確認できるようにしている。

自己漏電試験に合格した場合(ステップS8のyes)、制御部20は、電動車両100から充電を許可するCPLT信号を信号受信部26で受信するまで待機する(ステップS8)。また、自己漏電試験が不合格の場合、制御部20は、エラー表示ランプLP2を点灯してエラー表示を行う(ステップS15)。なお、制御部20は、前記所定時間の経過後に、ステップS7でオンしたスイッチ素子(第1スイッチ素子281又は第2スイッチ素子283)をオフする。

前記充電許可のCPLT信号を信号受信部26で受信すると(ステップS9のyes)、制御部20は、出力ポートPO1から制御信号を出力し、リレー駆動部25にリレーRY1をオンさせる(ステップS10)。そして、制御部20は、再度、自己漏電発生部28に自己漏電を発生させて自己漏電試験を実施する。このとき、制御部20は、内蔵メモリに記憶されている電源電圧の判断結果に対応した方のスイッチ素子(第1スイッチ素子281又は第2スイッチ素子283)をオンして自己漏電試験を実施する。自己漏電試験が不合格の場合、制御部20は、エラー表示ランプLP2を点灯してエラー表示を行う(ステップS15)。なお、制御部20は、前記所定時間の経過後に、ステップS10でオンしたスイッチ素子(第1スイッチ素子281又は第2スイッチ素子283)をオフする。

ここで、電動車両100の充電回路103がタイマ動作を行う場合が有る。タイマ動作を行う場合、充電回路103は、指定された開始時刻に充電許可のCPLT信号を送信して充電を開始し、指定された終了時刻に充電停止のCPLT信号を送信して充電を終了する。つまり、制御部20は、電動車両100の充電回路103がタイマ動作を行っている場合、数時間から十数時間の間、電動車両100から充電許可のCPLT信号を受信待ちすることになる。そうすると、前記受信待ちの間に漏電検知部22に異常が生じる可能性がある。故に、制御部20は、充電許可のCPLT信号を信号受信部26で受信したときにも、自己漏電試験を実施することにより、電動車両100の充電前に確実に漏電検知部22が正常に動作することを確認できるようにしている。

漏電検知部22が正常であれば、自己漏電を検知して漏電検知信号を制御部20に出力する。故に、制御部20は、入力ポートPI1に漏電検知信号が入力されることで自己漏電試験に合格したと判断する(ステップS11のyes)。また、漏電検知部22は、自己漏電を検知することでリレー駆動部25にリレーRY1をオフさせる(ステップS12)。リレーRY1のリレー接点が溶着していなければ、リレーRY1の二次側において電圧側ラインL1及び接地側ラインL2の電圧は共にゼロになる。制御部20は、L側電圧検出部23及びN側電圧検出部24の検出結果に基づき、リレー接点の溶着の有無を判断する(S13)。すなわち、リレーRY1の二次側にしきい値以上の電圧が発生していれば、制御部20はリレー接点が溶着したと判断し、エラー表示ランプLP2を点灯させる(ステップS15)。一方、リレーRY1の二次側電圧がしきい値未満であれば、制御部20はリレー接点が溶着していない(開極している)と判断し、リレー駆動部25を制御してリレーRY1をオンさせる(ステップS14)。なお、制御部20は、自己漏電試験の不合格時と、リレー接点の溶着検出時とで、エラー表示ランプLP2を点灯させるパターンを異ならせることが好ましい。

ところで、第1スイッチ素子281と第2スイッチ素子283が双方ともオンされた場合、第1電気抵抗部280と第2電気抵抗部282の並列回路が電圧側ラインL1と接地側ラインL2の間に電気的に接続される。この場合、前記並列回路の合成抵抗の抵抗値は、第1電気抵抗部280の抵抗値及び第2電気抵抗部282の抵抗値よりも小さくなる。したがって、電源電圧が200V系の場合は第1スイッチ素子281と第2スイッチ素子283が両方ともオンされ、電源電圧が100V系の場合は第1スイッチ素子281及び第2スイッチ素子283の何れか一方のみがオンされてもよい。この場合、第1電気抵抗部280の抵抗値と第2電気抵抗部282の抵抗値が同一であっても構わない。

例えば、図3のフローチャートに示すように、電源側プラグP1が外部電源のインレットに接続されると、外部電源から給電制御装置1に交流電源が供給されて、給電制御装置1が動作を開始する(ステップSS1)。制御部20は、第1スイッチ素子281及び第2スイッチ素子283をオンする(ステップSS2)。

第1スイッチ素子281及び第2スイッチ素子283がオンすれば、主回路に自己漏洩電流が流れて自己漏電が発生する。漏電検知部22が正常に動作していれば、自己漏電を検知して漏電検知信号を出力する。制御部20は、所定時間内に入力ポートPI1に漏電検知信号が入力されれば、自己漏電試験が合格と判断し、前記所定時間内に漏電検知信号が入力されなければ、自己漏電試験が不合格と判断する(ステップSS3)。そして、自己漏電試験が不合格の場合、制御部20は、エラー表示ランプLP2を点灯してエラー表示を行う(ステップSS8)。

自己漏電試験が合格の場合、制御部20は、第1スイッチ素子281をオフし且つ第2スイッチ素子283をオンする(ステップSS4)。漏電検知部22は正常に動作しているので、電源電圧が200V系であれば、第2短絡部を介して流れる自己漏洩電流により、自己漏電を検知して漏電検知信号を出力する。制御部20は、前記所定時間内に漏電検知信号が入力されれば、電源電圧が200V系であると判断する(ステップSS6)。一方、電源電圧が100V系であると、第2短絡部を介して流れる自己漏洩電流が相対的に小さくなるため、漏電検知部22が自己漏電を検知できず、漏電検知信号を出力しない。故に、制御部20は、前記所定時間内に漏電検知信号が入力されなければ、電源電圧が100V系であると判断する(ステップSS7)。そして、制御部20は、電源電圧の判定結果を内蔵メモリに記憶し、図2のステップS6以降の処理を実行する。ただし、図2のステップS6以降の処理において、制御部20は、電源電圧が100V系の場合は第1スイッチ素子281及び第2スイッチ素子283をオンすることで自己漏電を発生させることが好ましい。また、図2のステップS6以降の処理において、制御部20は、電源電圧が200V系の場合は第2スイッチ素子283のみをオンすることで自己漏電を発生させることが好ましい。なお、図2のステップS6以降の処理については、説明を省略する。

上述のように本実施形態の漏電保護装置は、漏電検知部22と、漏電保護部(リレー駆動部25)と、自己漏電発生部28とを備える。漏電検知部22は、主回路に流れる漏洩電流がしきい値を超えたときに漏電検知信号を出力するように構成される。漏電保護部(リレー駆動部25)は、前記漏電検知信号を受信したときに、前記主回路に挿入されている接点部(リレーRY1)を開極するように構成される。自己漏電発生部28は、第1電気抵抗部280と第1スイッチ素子281が電気的に直列接続された第1短絡部と、第2電気抵抗部282と第2スイッチ素子283が電気的に直列接続された第2短絡部とを有する。前記第1短絡部及び前記第2短絡部は、前記主回路を構成する一対の給電路(電圧側ラインL1と接地側ラインL2)に対して、互いに電気的に並列接続される。

また、本実施形態の給電制御装置1は、前記漏電保護装置と、前記漏電保護装置で保護される前記主回路と、前記主回路に設けられる前記接点部を開閉する制御部20とを備える。

本実施形態の漏電保護装置(給電制御装置1)は上述のように構成されるので、従来例とは異なり、電源電圧の実効値が異なる2種類以上の交流電源に対して共通して使用することが可能になる。

また、本実施形態の漏電保護装置(給電制御装置1)において、第1電気抵抗部280の抵抗値と第2電気抵抗部282の抵抗値は、互いに異なる値に設定されることが好ましい。

さらに、本実施形態の漏電保護装置(給電制御装置1)において、前記主回路に印加される電圧を計測する電圧計測部(給電有無検出部21)を備えることが好ましい。さらに、自己漏電発生部28は、電圧計測部(給電有無検出部21)で計測される前記電圧に対応して、第1スイッチ素子280及び第2スイッチ素子282を択一的にオンするように構成されることが好ましい。

1 給電制御装置 20 制御部 22 漏電検知部 25 リレー駆動部(漏電保護部) 28 自己漏電発生部 280 第1電気抵抗部 281 第1スイッチ素子 282 第2電気抵抗部 283 第2スイッチ素子