JP2019049929A - 電力検出装置及び加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応答よく電力の変化を検出できる電力検出装置を提供する。【解決手段】オンとオフと切り換えられることで電力源からの入力電力を所定のデューティー比で出力するＰＷＭ制御を行なうＰＷＭスイッチ（１１０）と、抵抗器ＲとコンデンサＣとからなり、ＰＷＭスイッチ（１１０）の出力の変動を平滑化して出力するＲＣ回路（１２０）と、コンデンサＣの電荷を所定のタイミングで放出させるリセットスイッチ（１３０）と、ＲＣ回路（１２０）が出力する電圧と所定の電圧閾値とを比較する比較器（１４０）と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、電力検出装置及び加熱装置に関する。

特許文献１には、ヒータと直列に一対のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が設けられ、ＩＧＢＴの温度が所定温度以上の場合にＩＧＢＴを強制的にオフにする車載暖房用ヒータの制御装置が開示されている。

特開２０１３−０８２３７７号公報

ところで、上記のようなヒータのスイッチングに用いられるＩＧＢＴでは、例えばサージ電圧によって、ＩＧＢＴのオンオフに異常が生じることがある。ＩＧＢＴのオンオフに異常が生じた場合は、ヒータに想定外の電力が入力される可能性がある。これに対して、ヒータの入力電力を平滑化することで電圧を検出する回路を備えることもできるが、コストが上昇する上に、電圧の検出に対する応答性が低く、急激な電圧の変動に対応できなかった。

本発明は、応答よく電力変化を検出できる電力検出装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、オンとオフと切り換えられることで電力源からの入力電力を所定のデューティー比で出力するＰＷＭ制御を行なうＰＷＭスイッチと、抵抗器とコンデンサとからなり、ＰＷＭスイッチのオン時間に応じてコンデンサに蓄積される電荷が変動するＲＣ回路と、コンデンサの電荷を所定の周期で放出させるリセットスイッチと、ＲＣ回路が出力する電圧と所定の電圧閾値とを比較する比較器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の他の態様によれば、電力源からの電力が供給されると発熱するヒータと、ヒータに直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることでヒータへの電力を所定のデューティー比で出力するＰＷＭ制御を行なう一対のスイッチング素子と、スイッチング素子のオンとオフを制御する制御装置と、一対のスイッチング素子の少なくとも一方に備えられ、スイッチング素子の出力が所定の電圧閾値を超えたか否かを判定する電力検出装置と、を備え、電力検出装置は、スイッチング素子におけるＰＷＭ制御と連動して、電力源からの入力電力を所定のデューティー比で出力するＰＷＭスイッチと、抵抗器とコンデンサとからなり、ＰＷＭスイッチのオン時間に応じてコンデンサに蓄積される電荷が変動するＲＣ回路と、コンデンサの電荷を所定の周期で放出させるリセットスイッチと、ＲＣ回路が出力する電圧と所定の電圧閾値とを比較する比較器と、を備え、制御装置は、比較の結果、ＲＣ回路が出力する電圧が所定の電圧閾値を超えた場合に、ヒータへの電力の供給を停止させることを特徴とする。

前述の態様によると、ＲＣ回路は出力電圧が時間に応じて変動する領域を使うため、平滑化に比べてコンデンサの静電容量を大きくする必要がなくなる。また、所定の周期で判定されることで電力の変化に対する応答性をよくすることができる。

図１は、本発明の実施形態の加熱装置の構成図である。 図２は、本発明の実施形態の電力検出装置の構成図である。 図３は、本発明の実施形態の電力検出装置の出力電圧を説明するタイムチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る加熱装置１００について説明する。

図１は、本実施形態の加熱装置１００の全体構成を説明する構成図である。

加熱装置１００は、直流電源１から供給される電力によって駆動されるヒータ３０と、ヒータ３０と直列に接続される一対のスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１０、２０と、を備える。

加熱装置１００は、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：電動車両）やＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ハイブリッド車両）などの車両に搭載される車両用空調装置（図示省略）に適用される。車両用空調装置は、暖房運転を実行するために、冷媒をヒータ３０によって加熱する温水タンク３１を有する。

直流電源１は、ＥＶやＨＥＶに搭載される強電バッテリである。直流電源１の出力電圧は、３０［Ｖ］以上の強電であり、ここでは例えば３５０［Ｖ］である。直流電源１は、供給ライン５を通じてヒータ３０に電力を供給する。ヒータ３０の負極側はグラウンド９に接続される。

ヒータ３０は、鞘（シース）の内部に電熱線を備え、電力が供給されると発熱するシースヒータである。ヒータ３０は、温水タンク３１内に収装され、温水タンク３１を流通する冷媒を加熱する。

ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、上位のコントローラ３からの指令に応じてオンとオフとが切り換えられることで、直流電源１からヒータ３０への電力の供給と遮断とを切り換える。ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）制御によってオンとオフとが切り換えられる。

ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、互いに異なる周期でオンとオフとが周期的に切り換えられる。なお、ＩＧＢＴ１０又はＩＧＢＴ２０を周期的に切り換えずに、オンに切り換えられた後に、オンの状態を維持するようにしてもよい。

ＩＧＢＴ１０は、ヒータ３０の上流に設けられ、ＩＧＢＴ２０は、ヒータ３０の下流に設けられる。ＩＧＢＴ１０とＩＧＢＴ２０とは直列に設けられるので、ＩＧＢＴ１０とＩＧＢＴ２０とがともにオンに切り換えられた場合にのみ、直流電源１からヒータ３０へ電力が供給される。

ＩＧＢＴ１０には、制御ライン１２を通じてオンとオフとを切り換えるドライバ回路１１と、ＩＧＢＴ１０を介してヒータ３０へと通電される電力を検出する電力検出装置１３と、が設けられる。

同様に、ＩＧＢＴ２０には、制御ライン２２を通じてオンとオフとを切り換えるドライバ回路２１が設けられる。

コントローラ３は、例えば車両用空調装置を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：電子制御装置）である。コントローラ３は、車両用空調装置の制御を実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）と、ＣＰＵの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、各種センサが検出した情報を一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を備える。コントローラ３には、オンに切り換えられるとヒータ３０への通電が開始されるヒータスイッチ４が接続される。

ヒータスイッチ４は、車両用空調装置がマニュアル式である場合には、運転者の操作に基づいてオンとオフとが切り換えられる。ヒータスイッチ４は、車両用空調装置がオート式である場合には、車両用空調装置の暖房要求に基づいてオンとオフとが切り換えられる。

ドライバ回路１１は、コントローラ３からのＰＷＭ制御による指令に基づいてＩＧＢＴ１０をオンとオフとに切り換える。ドライバ回路１１は、ＩＧＢＴ１０のゲートをオンとオフとに切り換えるゲート駆動回路である。

次に、以上のように構成された加熱装置１００において、ヒータ３０に入力される電力の検出について説明する。

本実施形態の直流電源１は、車載の強電バッテリにより供給される。強電バッテリは車両の運転に応じて充電及び放電が行なわれるため、出力される電圧が変動する。一例として、強電バッテリの定格電圧３５０［Ｖ］に対して、２００［Ｖ］〜４００［Ｖ］程度の変動が発生する。

特にバッテリ電圧が高い場合において、例えばコントローラ３やドライバ回路１１、２１の制御に異常が発生した場合や、ノイズ等によりＩＧＢＴ１０、２０にオン信号が必要以上に入力された場合には、ヒータ３０に過電力が入力される可能性がある。

ヒータ３０に過電力が入力されることを防ぐために、過電力を検出する検出装置を備え、所定の電力を超えた場合に、警告や通電の停止を行なうように構成することもできる。例えば、ＩＧＢＴ１０、２０のＰＷＭ制御の出力を平滑するＲＣ回路を備え、ＲＣ回路の出力によりヒータ３０に入力される電圧値の平均を取得し、取得した電圧値が所定の閾値を超えていないかを検出することで、ヒータ３０への過電力を検出するように構成することができる。

しかし、このようなＲＣ回路では、電圧値の安定性、正確性を考慮すると、ＲＣ回路の時定数を制御周期の５倍以上とすること必要となる。しかしながら、このように構成した場合は、電圧値が安定するまでに時間がかかり、過電力となった場合にも応答が遅れるため、急激に電力が増加するような状況に対応できなかった。さらに、ＲＣ回路のコンデンサは、時定数の５倍となる容量及び耐圧が要求されるため、コンデンサのコストが上昇するという問題があった。

これに対して、本発明の実施形態では、次のような構成によって、コストを上昇させることなく、電力を応答よく検出することができるように構成した。

図２は、本発明の実施形態の電力検出装置１３の構成図である。

電力検出回路は、ＰＷＭ連動スイッチ１１０、ＲＣ回路１２０、リセットスイッチ１３０及び比較器１４０を備えて構成される。

ＰＷＭ連動スイッチ１１０は、トランジスタ等のスイッチング素子により構成される。ＰＷＭ連動スイッチ１１０は、ドライバ回路１１からの指令に応じてオンとオフとが切り換えられることで、基準電源１から入力された電力を、出力回路１１１を介してＲＣ回路１２０に対する供給及び遮断を切り換える。すなわち、ＰＷＭ連動スイッチ１１０は、ＩＧＢＴ１０と同じ動作を行ない、そのオン時間はＩＧＢＴ１０と同じオン時間となる。

ＲＣ回路１２０は、ＰＷＭ連動スイッチ１１０の出力回路１１１に直列に接続される抵抗器Ｒと、出力回路１１１とグラウンド９との間に並列に接続されるコンデンサＣとから構成される。ＲＣ回路１２０は、抵抗器Ｒの抵抗値とコンデンサＣの静電容量とにより決まる時定数によって所定の応答を出力する。すなわち、ＲＣ回路１２０は、ＰＷＭ連動スイッチ１１０のオン時間に応じてコンデンサＣに蓄積される電荷が変動し、この結果が、出力回路１２１を介して比較器１４０へと出力される。なお、この時定数は、後述するようにＰＷＭ制御の１周期分の時間の電圧変動が判別できればよい。

リセットスイッチ１３０は、トランジスタ等のスイッチング素子により構成され、ＲＣ回路１２０のコンデンサＣと並列に、出力回路１２１とグラウンド９との間に接続される。リセットスイッチ１３０は、コントローラ３からのリセット信号が入力された場合にオンとなり、出力回路１２１とグラウンド９との間を接続する。出力回路１２１とグラウンド９との間が接続されると、コンデンサＣとグラウンド９との間の電位差が略ゼロとなり、コンデンサＣに充電された電荷が放電される。

比較器１４０は、出力回路１２１の出力電圧と、コントローラ３から入力される過電力閾値信号５０とを比較する。比較の結果、出力電圧が過電力閾値信号５０の電圧を超えていた場合には、比較器１４０は、出力端子１４１から過電力信号を出力する。出力された過電力信号は、コントローラ３へと入力される。

比較器１４０に入力される過電力閾値信号５０は、基準電源１を反転増幅させた信号が入力される。ヒータ３０に入力される電力は、直流電源１の平方とオン時間の割合を乗じた値である。直流電源１の電圧により過電力に達するオン時間は変化する。すなわち、基準電源１の電圧が高いと短いオン時間を検知する必要がある。出力回路１２１の出力電圧はオン時間に応じて増大するので、過電力閾値信号５０は低くする必要がある。

コントローラ３は、電力検出装置１３から過電力信号が入力された場合は、加熱装置１００のＩＧＢＴ１０が過電力であると判断して、対応する処理を実行する。例えば、基準電源１から加熱装置１００への電力の通電を停止したり、保安装置（リレー、ヒューズ等）を遮断する制御を実行する。

次に、本実施形態の電力検出装置１３の動作を説明する。

なお、本実施形態においては、ヒータスイッチ４がオンに切り換えられた状態で、ＩＧＢＴ１０がＰＷＭ制御によりヒータ３０を制御し、ＩＧＢＴ２０がヒータ３０への通電を可能とするスイッチとして制御する場合について説明する。

図３は、電力検出装置１３の出力電圧を示す説明図である。

図３は、上段にＰＷＭ連動スイッチ１１０の出力電圧の時間変化を、下段にＲＣ回路１２０の出力電圧の時間変化を、それぞれ時間を横軸として示す。

コントローラ３は、ドライバ回路２１に対してＩＧＢＴ２０を常にオン状態とする指令を送り、ドライバ回路２１がＩＧＢＴ２０にゲート信号を送信してＩＧＢＴ２０を通電状態とする。その上で、コントローラ３は、ドライバ回路１１に対して、ＩＧＢＴ１０のオンオフを制御して、ヒータ３０に対して所望の電力を供給するようにＰＷＭ制御を実行する。

図３において、各タイミングｔ０〜ｔ７は、ＩＧＢＴ１０に対するＰＷＭ制御の周期であり、１周期は、例えば０．１〜１［ｓ］程度の間隔が設定される。ＰＷＭ制御によりＩＧＢＴ１０のデューティー比が制御される。

図３において、タイミングｔ０〜ｔ１、ｔ１〜ｔ２、ｔ２〜ｔ３では、１周期間内において、ＩＧＢＴ１０がオンとなる時間がオフとなる時間よりも長く、例えば２／８に設定されている。なお、オンとなる期間は、連続してオンの信号が送られているのではなく、ＰＷＭ制御により、所定のデューティー比でのオンオフが繰り返される。オフとなる期間も同様に、連続してオフの信号が送られているのではなく、ＰＷＭ制御により、所定のデューティー比でのオンオフが繰り返される。

電力検出装置１３において、ＩＧＢＴ１０へのゲート信号と同じ信号がＰＷＭ連動スイッチ１１０に入力される。すなわち、図３の上段に示すＰＷＭ連動スイッチ１１０の出力電圧の変化は、ＩＧＢＴ１０の出力電圧の変化に一致する。

図３の下段を参照して、電力検出装置１３において、ＰＷＭ連動スイッチ１１０の出力は、ＲＣ回路１２０において平滑化されて比較器１４０に出力される。

より具体的には、タイミングｔ０からｔ１の間では、ＰＷＭ制御のデューティー比が２／８に設定されている。ＲＣ回路１２０の出力は、タイミングｔ０においてゼロであった電圧は、ＰＷＭ連動スイッチ１１０の出力によりコンデンサＣが充電され、ＲＣ回路１２０の出力電圧は徐々に上昇する。そして、ある時点でＰＷＭ制御の１周期分の電力が平滑化された電圧として出力回路１２１に出力される。

次に、タイミングｔ１においてＰＷＭ制御の次の周期が訪れると、コントローラ３はリセットスイッチ１３０にリセット信号を送る。リセット信号によりリセットスイッチ１３０がオンとなり、出力回路１２１とグラウンド９との電位差が略ゼロとなり、コンデンサＣに充電された電荷が放電される。コンデンサＣに充電された電荷が放電された後に、リセットスイッチ１３０は再び遮断状態とされる。

この結果、タイミングｔ１では、ＲＣ回路１２０から出力される電圧は再びゼロとなる。

タイミングｔ１から開始するＰＷＭ制御の次の周期において、ＰＷＭ連動スイッチ１１０の出力により再びコンデンサＣが充電され、ＲＣ回路１２０の出力電圧は徐々に上昇し、再び、ＰＷＭ制御の１周期分の電力が平滑化された電圧として出力回路１２１に出力される。

以降、ＰＷＭ制御の１周期毎に、同様の動作を繰り返す。

タイミングｔ３からｔ４の間の制御周期において、例えばＰＷＭ制御のデューティー比が５／８に設定される。これに伴い、コンデンサＣの充電時間も延びるが、ＰＷＭの制御の１周期分の電力が平滑化された電圧として出力回路１２１に出力される。

次に、タイミングｔ５からｔ６の間の制御周期において、例えばＰＷＭ制御のデューティー比が７／８に設定される。これに伴い、コンデンサＣの充電時間も延びるが、ＰＷＭの制御の１周期分の電力が平滑化された電圧として出力回路１２１に出力される。

このとき、比較器１４０において、出力回路１２１の電圧が過電力閾値信号５０を超えた場合は、比較器１４０は、出力端子１４１から過電力信号を出力する。出力された過電力信号は、コントローラ３へと入力される。コントローラ３は、加熱装置１００のＩＧＢＴ１０が過電力であると判断して、対応する処理を実行する。

以上のように、本発明の実施形態では、オンとオフと切り換えられることで電力源からの入力電力を所定のデューティー比で出力するＰＷＭ制御を行なうＰＷＭ連動スイッチ１１０と、抵抗器ＲとコンデンサＣとからなり、ＰＷＭ連動スイッチ１１０のオン時間に応じてコンデンサＣに蓄積される電荷が変動するＲＣ回路１２０と、コンデンサＣの電荷を所定のタイミングで放出させるリセットスイッチ１３０と、ＲＣ回路１２０が出力する電圧と所定の電圧閾値（過電力閾値信号５０）とを比較する比較器１４０と、を備えた。

本発明の実施形態は、このような構成により、ＲＣ回路１２０により平滑化された電圧は、リセットスイッチ１３０により所定のタイミング毎にコンデンサＣの電荷を放出させるので、簡易な回路構成であり、平滑化のためのコンデンサＣの静電容量を大きくする必要がなくなり、コンデンサＣの小型化によりコストを抑えながら、電力の変化に対する応答性のよい電力検出装置１３を構成することができる。

また、本発明の実施形態では、リセットスイッチ１３０における所定のタイミングは、ＰＷＭ制御の１周期としたので、コンデンサＣの静電容量及び耐圧を大きくする必要がなくなり、コンデンサＣの小型化によりコストを抑えながら、電力の変化に対する応答性のよい電力検出装置１３を構成することができる。

また、本発明の実施形態では、比較器１４０における所定の電圧閾値（過電力閾値信号５０）は、入力電力としての基準電源１の電圧（より詳しくは、直流電源１と同じ電圧で正負を反転させた信号）を用いるので、ヒータ３０に直流電源１が連続的に入力さる状態を過電力であると判定することができ、簡易な回路構成により、コストを上昇させることなく、電力の変化に対する応答性のよい電力検出装置１３を構成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１ ：直流電源
３ ：コントローラ
４ ：ヒータスイッチ
１１ ：ドライバ回路
１３ ：電力検出装置
２１ ：ドライバ回路
３０ ：ヒータ
１００ ：加熱装置
１１０ ：ＰＷＭ連動スイッチ（ＰＷＭスイッチ）
１１１ ：出力回路
１２０ ：ＲＣ回路
１２１ ：出力回路
１３０ ：リセットスイッチ
１４０ ：比較器
１４１ ：出力端子
Ｃ ：コンデンサ
Ｒ ：抵抗器

Claims (4)

1. オンとオフと切り換えられることで電力源からの入力電力を所定のデューティー比で出力するＰＷＭ制御を行なうＰＷＭスイッチと、
   抵抗器とコンデンサとからなり、前記ＰＷＭスイッチのオン時間に応じて前記コンデンサに蓄積される電荷が変動するＲＣ回路と、
   前記コンデンサの電荷を所定のタイミングで放出させるリセットスイッチと、
   前記ＲＣ回路が出力する電圧と所定の電圧閾値とを比較する比較器と、
   を備えることを特徴とする電力検出装置。
2. 請求項１に記載の電力検出装置であって、
   前記リセットスイッチにおける前記所定のタイミングは、前記ＰＷＭ制御の１周期であることを特徴とする電力検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力検出装置であって、
   前記所定の電圧閾値は、前記入力電力の電圧であることを特徴とする電力検出装置。
4. 電力源からの電力が供給されると発熱するヒータと、
   前記ヒータに直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることで前記ヒータへの電力を所定のデューティー比で出力するＰＷＭ制御を行なう一対のスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のオンとオフを制御する制御装置と、
   前記一対のスイッチング素子の少なくとも一方に備えられ、前記スイッチング素子の出力が所定の電圧閾値を超えたか否かを判定する電力検出装置と、
   を備え、
   前記電力検出装置は、
   前記スイッチング素子におけるＰＷＭ制御と連動して、前記電力源からの入力電力を前記所定のデューティー比で出力するＰＷＭスイッチと、
   抵抗器とコンデンサとからなり、前記ＰＷＭスイッチのオン時間に応じて前記コンデンサに蓄積される電荷が変動するＲＣ回路と、
   前記コンデンサの電荷を所定のタイミングで放出させるリセットスイッチと、
   前記ＲＣ回路が出力する電圧と所定の電圧閾値とを比較する比較器と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記比較の結果、前記ＲＣ回路が出力する電圧が前記所定の電圧閾値を超えた場合に、前記ヒータへの電力の供給を停止させる
   ことを特徴とする加熱装置。

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