JP5146155B2 - 電気ヒータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、暖房の熱源として使用する電気ヒータ装置に関し、特に、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）等の走行用電動モータを備える自動車において、１００Ｖ系から４００Ｖ系の直流高圧電源からの電力によって駆動される電気ヒータ装置に関する。

従来、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）等の走行用電動モータを備える自動車においては、１００Ｖ系から４００Ｖ系の直流高圧電源から走行用電動モータに電力が供給される。このような自動車の空調装置においては、車室内に吹き出す空調風の加熱に電気ヒータ装置が利用され、この電気ヒータ装置には、電気ヒータを駆動するための絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のようなスイッチング素子を介して、上記直流高圧電源から１００〜４００Ｖの高電圧が印加される。

このような電気ヒータ装置を保護するために、電気ヒータの入力側にヒューズ及びリレーを設け、短絡故障時にリレーにより電気ヒータへの電力の供給を遮断することが行われている。この場合、通常動作時にヒューズが頻繁に切れることのないように、ヒューズが溶断する値（ヒューズ容量）は、マージンの値を考慮すると制限電流（最大電流値）より２０〜３０％以上高い値に設定される。

また、電気ヒータ装置を保護するために、電気ヒータの入力側にヒューズを設けるとともに電気ヒータの出力側に温度ヒューズを設け、電気ヒータが過熱のとき（例えば、加熱循環水がないとき、空焚きのとき等）に、温度ヒューズを作動させて電気ヒータへの電力の供給を遮断することも提案されている（例えば、特許文献１〜３）。

特開２００２−３２１５２１号公報 特開２００２−３２４６５３号公報 特開２００４−２８１０６２号公報

電気ヒータの入力側にヒューズ及びリレーを設ける場合、スイッチング素子の短絡故障時には電気ヒータの抵抗によって電流が制限されるので、ヒューズが切れない。したがって、リレーによって電力の供給を遮断しない限り、電気ヒータの抵抗によって制限された電流が流れ続けることとなり、バッテリが上がって車両が停止する。したがって、スイッチング素子の短絡故障時にはリレーによって電力の供給を遮断する。しかしながら、電気ヒータの入力側にヒューズの他にリレーを設ける場合、自動車の空調装置が大型化し、耐振動性に弱くなり、かつ、電力の供給を遮断する際にアークが発生して接点溶着不良が生じうるという不都合がある。

また、温度ヒューズを作動させて電気ヒータへの電力の供給を遮断する場合、電気ヒータが過熱のときを検出することができるが、スイッチング素子の短絡故障を検出することができず、電気ヒータの抵抗によって制限された電流を流し続けたとしても、電気ヒータの発熱が冷却水で冷却されるために電気ヒューズが作動しない。また、スイッチング素子の短絡故障時には電気ヒータの抵抗によって電流が制限されるので、電気ヒータの抵抗によって制限された電流が流れ続けることとなり、バッテリが上がって車両が停止する。したがって、温度ヒューズを作動させて電気ヒータへの電力の供給を遮断する場合には、スイッチング素子の短絡故障時に電力の供給を遮断することができない。すなわち、温度ヒューズはヒータの過熱保護措置であり、バッテリ上がり防止にはならない。

本発明の目的は、自動車の空調装置を大型化する必要なく、耐振動性に優れ、かつ、接点不良が生じることなく短絡故障時にヒューズを溶断して電力の供給を遮断することができる電気ヒータ装置を提供することである。

本発明のうち請求項１に係る発明によれば、電流制御手段（５，６；１５，１６）は、電気ヒータ駆動手段（３；１３）の短絡故障を検出したときに所定の値を超える電流をヒューズ（４；１４）に流すよう電流を制御する。直流電源と電気ヒータ（２；１２）とを電気的に接続したヒューズ（４；１４）は、流れる電流が所定の値を超えたときに溶断して電気ヒータ（２；１２）への電力の供給を遮断する。このように電気ヒータ駆動手段（３；１３）の短絡故障の検出時にヒューズ（４；１４）を溶断するのに十分な電流を発生し、ヒューズ（４；１４）を強制的に溶断することによって、リレーを用いることなく短絡故障時にヒューズを溶断して電力の供給を遮断することができる。その結果、自動車の空調装置を大型化する必要なく、耐振動性に優れ、かつ、接点不良が生じることなく短絡故障時にヒューズを溶断して電力の供給を遮断することができる電気ヒータ装置を提供することができる。

また、本発明のうち請求項１に係る発明によれば、電流制御手段（５，６；１５，１６）は、ヒューズ（４；１４）に流れる電流が所定の値を超えるように、オン状態で電気ヒータ（２；１２）の第１の部分（２ａ；１２ａ）に電流を流すとともに第２の部分（２ｂ；１２ｂ）に電流を流さないようにする他のスイッチング素子（５；１５）を有する。このように電気ヒータ（２；１２）の第１の部分（２ａ；１２ａ）のみに電流を流すことによって、流れる電流の値が、第１の部分（２ａ；１２ａ）と第２の部分（２ｂ；１２ｂ）の両方に電流を流す場合に比べて大きくなり、ヒューズ（４；１４）を溶断するのに十分な電流を容易に得ることができる。

本発明のうち請求項２に係る発明のように、電気ヒータ駆動手段（３；１３）が、電気ヒータへの電力の供給のオンオフを行うスイッチング素子（３；１３）を有することができる。

ヒューズ（４；１４）を溶断するのに十分な電流を得るために、好適には、本発明のうち請求項３に係る発明のように、第１の部分（２ａ；１２ａ）の抵抗値を電気ヒータ（２；１２）の全体の抵抗値の１／１０以上４／５以下とし、又は、本発明のうち請求項４に係る発明のように、第１の部分（２ａ；１２ａ）の抵抗値を電気ヒータ（２；１２）の全体の抵抗値の１／１０以上１／２以下とする。

なお、上記各構成要素に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な構成要素との対応関係を示す一例である。

本発明による電気ヒータ装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。以下説明する実施の形態は、車両の走行駆動源として走行用電動モータを備える自動車の空調装置に適用される。

図１は、本発明による電気ヒータ装置の第１の実施の形態のブロック図である。図１の電気ヒータ装置は、１００Ｖ系から４００Ｖ系の直流高圧電源から１００〜４００Ｖの高電圧が入力部１を通じて供給される電気ヒータ２と、電気ヒータ２に直列に接続した電気ヒータ駆動手段としてのスイッチング素子３と、入力部１とスイッチング素子３の一端との間をつなぐヒューズ４と、スイッチング素子３の短絡故障検出時に溶断するのに十分な電流（ヒューズ容量を超える電流）をヒューズ４に流すためのスイッチング素子５と、スイッチング素子３，５を制御する制御回路６とを備える。なお、スイッチング素子５及び制御回路６は、電流制御手段を構成する。

電気ヒータ２は、ニクロム線を利用したシーズヒータによって構成され、一方の側がグランドに接続されるとともに他方の側がスイッチング素子３の一方の側に接続され、第１の部分２ａ及び第２の部分２ｂを構成する。第１の部分２ａと第２の部分２ｂとの接続点は、スイッチング素子５の一方の側に接続されている。なお、第１の部分２ａの抵抗値は、ヒューズ４を溶断するのに十分な電流を容易に得るために電気ヒータ２の抵抗値の１／１０以上４／５以下又は１／１０以上１／２以下に設定される。

スイッチング素子３は、ＩＧＢＴによって構成され、電気ヒータ２を駆動するために、制御回路６の制御に従って電気ヒータ２への電力の供給のオンオフを行う。ヒューズ４は、一方の側を入力部１に接続するとともに他方の側をスイッチング素子３の他方の側に接続することによって直流高圧電源と電気ヒータ２とを電気的に接続し、流れる電流が所定の値を超えたときに溶断して電気ヒータ２への電力の供給を遮断する。なお、ヒューズ４のヒューズ容量を、最大電流値、すなわち、直流高圧電源によって印加される電圧を電気ヒータ２の抵抗値で除算した値より大きくし、例えば、マージンの値を考慮して最大電流値より２０〜３０％以上高い値に設定する。

スイッチング素子５は、ＩＧＢＴによって構成され、他方の側がグランドに接続される。また、スイッチング素子５は、ヒューズ４を溶断するために、制御回路６の制御に従ってオン状態で第１の部分２ａに電流を流すとともに第２の部分２ｂに電流を流さないようにする。制御回路６は、ポイント７の電圧を監視するとともにスイッチング素子３に信号を送信することによってスイッチング素子３の短絡故障を検出し、スイッチング素子３の短絡故障時にスイッチング素子５をオンして第１の部分２ａのみに電流を流すことによって、ヒューズ４を溶断するのに十分な電流を発生させる。

本実施の形態の動作を、直流電源電圧値が２８０Ｖであり、電気ヒータ２、第１の部分２ａ及び第２の部分２ｂの抵抗がそれぞれ１２Ω，４Ω及び８Ωであり、ヒューズ４のヒューズ容量が３０Ａである場合について説明する。なお、本実施の形態では、電気ヒータ２の最大定格電力を６．５ｋＷとする。

スイッチング素子３が短絡故障した場合、スイッチング素子３が常時オンとなるので、スイッチング素子５がオフであるときには電気ヒータ２に２８０Ｖ÷１２Ω≒２３Ａの最大電流値の電流が流れるが、ヒューズ４のヒューズ容量が最大電流値より高く設定されているので、ヒューズ４は溶断しない。

スイッチング素子３の短絡故障を検出するに際し、制御回路６は、ポイント７の電圧を監視することによってスイッチング素子３のオンオフ状態を判断する。スイッチング素子３がオン状態を維持する場合、制御回路６は、デューティ比５０％のゲート駆動信号のような診断信号パターンを発生させ、スイッチング素子３をオンオフ制御することによってスイッチング素子３を診断する。スイッチング素子３の診断を数回（例えば、５回）行ってもスイッチング素子３がオフ状態にならない場合、制御回路６は、スイッチング素子３が短絡故障したと判断する。

スイッチング素子３が短絡故障したと判断された場合、制御回路６は、スイッチング素子５にオン信号を付与し、スイッチング素子５を、ヒューズ４が溶断するのに必要な時間オンさせる。スイッチング素子５をオンすると、第１の部分２ａのみに電流が流れるので、電気ヒータ２に流れる電流値は、２８０Ｖ÷４Ω＝７０Ａとなる。

図２は、ヒューズの特性を示すグラフである。図２のグラフにおいて、縦軸に時間［秒］をプロットするとともに横軸に電気ヒータ４を流れる電流の値［Ａ］をプロットし、ヒューズ４のヒューズ容量がそれぞれ１Ａ，５Ａ，１０Ａ，１５Ａ，２０Ａ，３０Ａ及び４０Ａであるときの特性曲線を示す。

図２のグラフからわかるように、ヒューズ容量が３０Ａのヒューズ４に７０Ａの電流を流す場合、ヒューズ４を溶断するのに約６秒の時間を要する。なお、ヒューズ容量が３０Ａのヒューズ４に６０Ａ，５０Ａ及び４０Ａの電流をそれぞれ流した場合、ヒューズ４を溶断するのにそれぞれ約２０秒、約７０秒及び約９００秒の時間を要する。なお、第１部分２ａの抵抗を３．５Ωとした場合、電気ヒータ２に流れる電流値は、２８０Ｖ÷３．５Ω＝８０Ａとなり、ヒューズ４を溶断するのに約３秒の時間しか要さない。

本実施の形態によれば、スイッチング素子３の短絡故障の検出時にヒューズ４を溶断するのに十分な電流を発生し、ヒューズ４を強制的に溶断することによって、リレーを用いることなく短絡故障時にヒューズ４を溶断して電力の供給を遮断することができる。その結果、自動車の空調装置を大型化する必要なく、耐振動性に優れ、かつ、接点不良が生じることなく短絡故障時にヒューズ４を溶断して電力の供給を遮断することができる電気ヒータ装置を提供することができる。

図３は、本発明による電気ヒータ装置の第２の実施の形態のブロック図である。図３の電気ヒータ装置は、１００Ｖ系から４００Ｖ系の直流高圧電源から１００〜４００Ｖの高電圧が入力部１１を通じて供給される電気ヒータ１２と、電気ヒータ２に直列に接続した電気ヒータ駆動手段としてのスイッチング素子１３と、入力部１１と電気ヒータ１２の一端との間をつなぐヒューズ１４と、スイッチング素子１３の短絡故障検出時に溶断するのに十分な電流をヒューズ１４に流すスイッチング素子１５と、スイッチング素子１３，１５を制御する制御回路１６とを備える。なお、スイッチング素子１５及び制御回路１６は、電流制御手段を構成する。

電気ヒータ１２は、ニクロム線を利用したシーズヒータによって構成され、一方の側がスイッチング素子１３の一方の側に接続されるとともに他方の側がヒューズ１４の一方の側に接続され、第１の部分１２ａ及び第２の部分１２ｂを構成する。第１の部分１２ａと第２の部分１２ｂとの接続点は、スイッチング素子１５の一方の側に接続されている。なお、第１の部分２ａの抵抗値は、既に説明したようにスイッチング素子１３の短絡故障時にヒューズ１４を確実に溶断するために電気ヒータ１２の抵抗値の１／１０以上４／５以下又は１／１０以上１／２以下に設定される。

スイッチング素子１３は、ＩＧＢＴによって構成され、電気ヒータ１２を駆動するために、制御回路１６の制御に従って電気ヒータ１２への電力の供給のオンオフを行う。ヒューズ１４は、一方の側を電気ヒータ１２の他方の側に接続するとともに他方の側を入力部１１に接続することによって直流高圧電源と電気ヒータ１２とを電気的に接続し、流れる電流が所定の値を超えたときに溶断して電気ヒータ１２への電力の供給を遮断する。本実施の形態においても、ヒューズ１４のヒューズ容量を、直流高圧電源によって印加される電圧を電気ヒータ１２の抵抗値で除算した値より大きくし、例えば、マージンの値を考慮して最大電流値より２０〜３０％以上高い値に設定する。

スイッチング素子１５は、ＩＧＢＴによって構成され、他方の側がグランドに接続される。また、スイッチング素子１５は、ヒューズ１４を溶断するために、制御回路１６の制御に従ってオン状態で第１の部分１２ａに電流を流すとともに第２の部分１２ｂに電流を流さないようにする。制御回路１６は、ポイント１７の電圧を監視するとともにスイッチング素子１３に信号を送信することによってスイッチング素子１３の短絡故障を検出し、スイッチング素子１３の短絡故障時にスイッチング素子１５をオンして第１の部分１２ａのみに電流を流すことによって、ヒューズ１４を溶断するのに十分な電流を発生させる。

本実施の形態の動作を、直流電源電圧値が１２０Ｖであり、電気ヒータ１２、第１の部分１２ａ及び第２の部分１２ｂの抵抗がそれぞれ２４Ω，４Ω及び２０Ωであり、ヒューズ１４のヒューズ容量が１０Ａである場合について説明する。なお、本実施の形態では、電気ヒータ１２の最大定格電力を６００Ｗとする。

スイッチング素子１３が短絡故障した場合、スイッチング素子１３が常時オンとなるので、スイッチング素子１５がオフであるときには電気ヒータ１２に１２０Ｖ÷２４Ω＝５Ａの最大電流値の電流が流れるが、ヒューズ１４のヒューズ容量が最大電流値より高く設定されているので、ヒューズ１４は溶断しない。

スイッチング素子１３が短絡故障したと判断された場合、制御回路１６は、スイッチング素子１５にオン信号を付与し、スイッチング素子１５を、ヒューズ１４が溶断するのに必要な時間オンさせる。スイッチング素子１５をオンすると、第１の部分１２ａのみに電流が流れるので、電気ヒータ１２に流れる電流値は、１２０Ｖ÷４Ω＝３０Ａとなる。図２のグラフからわかるように、ヒューズ容量が１０Ａのヒューズ１４に３０Ａの電流を流す場合、ヒューズ４を溶断するのに約３．５秒しか要さない。

本実施の形態によれば、スイッチング素子１３の短絡故障の検出時にヒューズ１４を溶断するのに十分な電流を発生し、ヒューズ１４を強制的に溶断することによって、リレーを用いることなく短絡故障時にヒューズ１４を溶断して電力の供給を遮断することができる。その結果、自動車の空調装置を大型化する必要なく、耐振動性に優れ、かつ、接点不良が生じることなく短絡故障時にヒューズ１４を溶断して電力の供給を遮断することができる電気ヒータ装置を提供することができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、上記実施の形態において、直流電源電圧値が２８０Ｖ及び１２０Ｖである場合についてそれぞれ説明したが、直流電源電圧値を１００〜４００Ｖの範囲内の任意の値に設定することができる。

また、電気ヒータの抵抗値が１２Ω及び２４Ωの場合についてそれぞれ説明したが、電気ヒータの抵抗値を任意の値に設定することができる。また、電気ヒータとしてシーズヒータを用いた場合について説明したが、自己温度制御（ＰＴＣ）ヒータ素子を利用したＰＴＣヒータのような電気によって発熱するあらゆるヒータを用いることができる。さらに、スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる場合について説明したが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような他の半導体素子を用いることもできる。さらに、ヒューズを図２に示す特性グラフを用いて説明したが、図２の特性グラフに示す特性とは異なる特性のヒューズを選定した場合にも、ヒューズの特性に適した電気ヒータの抵抗値及び遮断電流値を同様に設定することができる。

本発明による電気ヒータ装置の第１の実施の形態のブロック図である。 ヒューズの特性を示すグラフである。 本発明による電気ヒータ装置の第２の実施の形態のブロック図である。

符号の説明

１，１１ 入力部
２，１２ 電気ヒータ
２ａ，１２ａ 第１の部分
２ｂ，１２ｂ 第２の部分
３，５，１３，１５ スイッチング素子
４，１４ ヒューズ
６，１６ 制御回路
７，１７ ポイント

Claims (4)

1. 直流電源から電力が供給される電気ヒータ（２；１２）と、
   前記電気ヒータ（２；１２）を駆動するための電気ヒータ駆動手段（３；１３）と、
   前記直流電源と前記電気ヒータ（２；１２）とを電気的に接続し、流れる電流が所定の値を超えたときに溶断して前記電気ヒータ（２；１２）への前記電力の供給を遮断するヒューズ（４；１４）と、
   前記電気ヒータ駆動手段（３；１３）の短絡故障を検出したときに前記所定の値を超える電流を前記ヒューズ（４；１４）に流すよう電流を制御する電流制御手段（５，６；１５，１６）と、を備え、
   前記電流制御手段（５，６；１５，１６）が、前記ヒューズ（４；１４）に流れる電流が前記所定の値を超えるように、オン状態で前記電気ヒータ（２；１２）の第１の部分（２ａ；１２ａ）に電流を流すとともに第２の部分（２ｂ；１２ｂ）に電流を流さないようにする他のスイッチング素子（５；１５）を有する電気ヒータ装置。
2. 前記電気ヒータ駆動手段（３；１３）が、前記電気ヒータへの前記電力の供給のオンオフを行うスイッチング素子（３；１３）を有する請求項１記載の電気ヒータ装置。
3. 前記第１の部分（２ａ；１２ａ）の抵抗値を前記電気ヒータ（２；１２）の全体の抵抗値の１／１０以上４／５以下とした請求項１又は２記載の電気ヒータ装置。
4. 前記第１の部分（２ａ；１２ａ）の抵抗値を前記電気ヒータ（２；１２）の全体の抵抗の１／１０以上１／２以下とした請求項３記載の電気ヒータ装置。

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