JP5876367B2 - 通電回路の保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に電力を供給する通電回路に過電流が流れた際に、即時に回路を遮断して通電回路、及び負荷を保護する通電回路の保護装置に関する。

例えば、車両に搭載される負荷を制御する制御装置は、負荷に過電流が流れた際にいち早く回路を遮断するために保護回路が搭載されている。このような保護回路の従来例として、例えば、特開２００９−１３０９４４号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。該特許文献１では、負荷に流れる電流値に基づいて通電回路（負荷と電源を接続する電線、及びスイッチ）の発熱量、及び放熱量を算出し、更に、周囲温度を測定して通電回路の温度を推定し、推定温度が所定の閾値に達した場合に、通電回路を遮断して、負荷に接続される回路を保護する構成とされている。

特開２００９−１３０９４４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、通電回路の温度を推定し、推定温度が所定の閾値に達した場合に通電回路を遮断することについての記載があるものの、回路が遮断された後に、この遮断を解除する方法についての記載がない。従って、電線や半導体スイッチがどのような状態で再度オンとされたかが不明であり、場合によっては半導体スイッチが再度オンとされることにより、通電回路の温度が異常に上昇してしまうという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、スイッチ手段が遮断された後、該スイッチ手段を安全にオンとすることができる通電回路の保護装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、負荷に接続される通電回路に過電流が流れた際に、前記通電回路を遮断して通電回路を保護する通電回路の保護装置において、前記通電回路の導通、遮断を切り替えるスイッチ手段（例えば、半導体リレー回路１１）と、入力スイッチによる操作信号に応じて前記スイッチ手段に切り替え指令信号を出力する駆動制御手段（例えば、制御回路１２）と、を備え、前記駆動制御手段は、前記入力スイッチがオフとされた際に、オフ後の経過時間を計時し、且つ経過時間の計時中に前記入力スイッチがオンとされた際に、経過時間をリセットする計時手段（例えば、遮断解除制御部２２）と、前記スイッチ手段が異常によりオフとされた際に遮断フラグをオンとし、遮断フラグ解除信号が入力された際に前記遮断フラグをオフとする遮断フラグ切替手段（例えば、遮断フラグ設定部２８）と、前記計時手段が、予め放熱に要する時間として設定した所定時間を計時した際に、前記遮断フラグ切替手段に遮断フラグ解除信号を出力する遮断解除制御手段（例えば、遮断解除制御部２２）と、を含み、前記遮断フラグがオンとされている際には、前記入力スイッチがオンとされても前記スイッチ手段のオフ状態を維持するように制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記通電回路に流れる電流を検出する電流検出手段（例えば、半導体リレー回路１１）を更に備え、前記駆動制御手段は、前記通電回路がオンの場合には、前記電流検出手段にて検出される電流値と通電時間に基づいて前記通電回路の上昇温度を推定し、前記通電回路がオフの場合には、経過時間に基づいて前記通電回路の下降温度を推定し、前記上昇温度と下降温度に基づいて通電回路の温度を推定する温度推定手段（例えば、電線温度推定部２３）と、前記温度推定手段にて、前記通電回路の温度が所定温度を上回るか否かを判定する異常判定手段（例えば、異常判定部２４）と、を含み、前記遮断フラグ切替手段は、前記異常判定手段にて通電回路の温度が所定温度を上回ったと判定された際に、前記遮断フラグをオンとすることを特徴とする。

本発明に係る通電回路の保護装置では、スイッチ手段が異常によりオフとされた際に、遮断フラグがオンとされ、所定時間が経過した後に該遮断フラグがオフとされる。従って、スイッチ手段がオフとされた場合には、所定時間内にスイッチ手段を再度オンとすることが禁止されることになり、オフとされたスイッチ手段が即時にオンとされることを防止でき、スイッチ手段の損傷を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る通電回路の保護装置が搭載された負荷駆動装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る通電回路の保護装置の、処理動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る通電回路の保護装置の、各信号の変化を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［構成説明］
図１は、本発明の一実施形態に係る通電回路の保護装置が搭載された負荷駆動装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この負荷駆動装置１００は、車両に搭載されるモータやランプ等の負荷ＲＬと、該負荷ＲＬと電源ＶＢとの間に設けられ、負荷ＲＬの駆動、停止を切り替える半導体リレー回路（スイッチ手段）１１と、該半導体リレー回路１１を制御する制御回路１２を備えている。

半導体リレー回路１１は、電源ＶＢと負荷ＲＬとの間に設けられ、制御回路１２より出力される操作指令信号に応じて、負荷ＲＬのオン、オフを切り替える。また、負荷ＲＬに流れる電流を検出する電流検出機能を備えている。即ち、端子Ｎ１１に操作指令信号が入力された際に、スイッチをオンとして端子Ｎ１３、Ｎ１４間を導通させて負荷ＲＬに電流を供給し、該負荷ＲＬを駆動させる。また、電流検出信号を端子Ｎ１２より出力する。該半導体リレー回路１１は、例えば、ＩＰＳ（インテリジェント・パワー・スイッチ）や、ＭＯＳＦＥＴとシャント抵抗の組み合わせにより構成することができる。

制御回路１２は、入力判定制御部２１と、遮断解除制御部２２と、電線温度推定部２３と、異常判定部２４と、アンド回路２５と、反転回路２６と、遮断フラグ設定部２８と、を備えている。また、外部機器と接続するための端子Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を備えている。

入力判定制御部２１は、端子Ｎ１を介して入力スイッチＳＷ１と接続され、該入力スイッチＳＷ１により、オン指令、或いはオフ指令が入力された際に、これらの指令に基づくスイッチ入力信号を、アンド回路２５、及び遮断解除制御部２２に出力する。

電線温度推定部２３は、端子Ｎ３に接続されており、該端子Ｎ３は抵抗を介して半導体リレー回路１１の端子Ｎ１２に接続されている。従って、端子Ｎ３を介して半導体リレー回路１１に流れる電流検出信号を取得することができる。そして、半導体リレー回路１１に流れる電流値に基づいて、通電回路の電線の発熱量、及び放熱量を算出し、更に、電線の熱抵抗、熱容量等の特性に基づいて、通電回路を構成する電線の温度を推定する。なお、電線温度の推定方法については後述する。

異常判定部２４は、電線温度推定部２３にて推定された電線温度に基づき、該電線温度が予め設定した閾値温度に達した場合に、遮断フラグ設定部２８に遮断フラグのオン指令を出力する。

遮断解除制御部２２は、遮断解除タイマを備えており、入力判定制御部２１よりオフ指令を示すスイッチ入力信号が出力された際に、この遮断解除タイマを作動させてオフ指令信号が入力された後の経過時間を計時する。即ち、計時手段としての機能を備えている。そして、遮断解除タイマにより予め設定した所定時間が計時された場合には、遮断フラグ設定部２８に遮断フラグ解除信号を出力する。また、遮断フラグが設定されているときに、オン指令を示すスイッチ入力信号が入力された場合には、遮断解除タイマをリセットする。即ち、遮断解除タイマによる計時をゼロからやり直す。

遮断フラグ設定部２８は、異常判定部２４より遮断フラグのオン指令が出力された際に遮断フラグをオンとし、遮断解除制御部２２より遮断フラグ解除信号が出力された際には遮断フラグをオフとする。そして、遮断フラグのオン時には反転回路２６に「Ｈ」信号を出力し、遮断フラグのオフ時には反転回路２６に「Ｌ」信号を出力する。反転回路２６は、入力された信号を反転して出力する。

アンド回路２５は、一方の入力端子に入力判定制御部２１の出力端が接続され、他方の入力端子に反転回路２６の出力端が接続されている。そして、入力判定制御部２１の出力信号、及び反転回路２６の出力信号が共に「Ｈ」レベルのときに、端子Ｎ２を介して「Ｈ」レベルの信号を出力する。従って、半導体リレー回路１１は、アンド回路２５の出力信号が「Ｈ」レベルとなったときにオンとなって負荷ＲＬに電力が供給されることとなる。

［電線温度の推定処理の説明］
次に、電線温度推定部２４における電線温度の推定処理について説明する。初めに、上昇温度の算出について説明する。負荷ＲＬに接続される電線に電流が流れることによる発熱に伴う電線の発熱量Ｘ１は、次の（１）式で示すことができる。

Ｘ１＝ｉ^２×Ｒon×Δｔ …（１）
ここで、（１）式に示すｉは電流［Ａ］、Ｒonは導体の抵抗［Ω］、Δｔはサンプリング時間［sec］である。

従って、前回検出時の温度（初期的には周囲温度）に、発熱量Ｘ１を熱容量で除して得られる温度（上昇温度）を加算することにより、現在の電線の推定温度Ｔ１を求めることができる。

次に、下降温度の算出について説明する。電流センサにて電流が検出されないときの、放熱に伴う電線の放熱量Ｙ１は、次の（２）式で示すことができる。

Ｙ１＝Ｑ／（Ｃth×Ｒth／Δｔ） …（２）
ここで、Ｑは電線の単位長さ当たりの熱量、Ｃthは電線の熱容量、Ｒthは電線の熱抵抗、Δｔはサンプリング時間である。そして、放熱量Ｙ１を熱容量で除して得られる温度（下降温度）を減算することにより、現在の電線の推定温度Ｔ１を求めることができる。

［作用の説明］
次に、上述のように構成された本実施形態に係る通電回路の保護装置の作用を、図２に示すフローチャート、及び図３に示すタイミングチャートを参照して説明する。

ここでは、半導体リレー回路１１が遮断されている場合における処理について説明する。この場合、前述したように、遮断フラグがオンとされた時点で半導体リレー回路１１が遮断される。また、入力スイッチＳＷ１がオフとされたと判断すると遮断解除タイマが作動し、遮断後の経過時間を計時している。

図２に示すステップＳ１１において、遮断解除制御部２２は、入力スイッチＳＷ１がオンとされたか否かを判断する。即ち、リレーが遮断された後に、操作者が入力スイッチＳＷ１にて再度オンとする操作が行われているか否かを判断する。そして、入力スイッチがオンとされた場合には、ステップＳ１２において、遮断解除タイマをクリアする。

次いで、ステップＳ１３において、異常判定部２４は、電線温度推定部２３にて推定される電線温度が予め設定した閾値温度以下であるか否かを判断する。そして、閾値温度以下でない場合と判断した場合には（ステップＳ１３でＮＯ）、温度が低下しておらず、半導体リレー回路１１をオンとすることはできないので、ステップＳ１４において、遮断フラグのオン指令を出力する。その結果、遮断フラグ設定部２８により遮断フラグがオンとされる。その後、ステップＳ１５に処理を進める。

一方、電線温度が閾値温度以下である場合（ステップＳ１３でＹＥＳ）、及びステップＳ１４の処理が終了した場合には、ステップＳ１５において、遮断フラグがオフであるか否かを判断する。そして、遮断フラグがオフである場合には、ステップＳ１６において、半導体リレー回路１１をオンとして、負荷ＲＬを駆動させる。ここで、前述したように、半導体リレー回路１１をオフとした後に遮断解除タイマが作動し、この遮断解除タイマにより所定時間が計時された際に遮断フラグがオフとされるので、ステップＳ１５の処理でＹＥＳ判定となる場合は、電線の推定温度が所定の閾値温度を下回り、且つ、前回半導体リレー回路１１がオフとされてから所定時間が経過したことを意味する。即ち、これらの条件が成立した場合に、半導体リレー回路１１をオンとできることになる。

また、遮断フラグがオンである場合には（ステップＳ１５でＮＯ）、半導体リレー回路１１をオフとする。即ち、遮断フラグがオフの場合には、入力スイッチＳＷ１がオンとされた場合でも、半導体リレー回路１１のオフ状態が維持される。

一方、ステップＳ１１の処理にて、入力スイッチＳＷ１がオフであると判断された場合には、ステップＳ１８において、半導体リレー回路１１をオフとする。次いで、ステップＳ１９において、遮断解除制御部２２は、遮断解除タイマを作動させて半導体リレー回路１１を遮断した後の経過時間を計時する。

ステップＳ２０において、遮断解除制御部２２は、遮断解除タイマにより所定時間が計時されたか否かを判断する。そして、所定時間が経過した場合には、ステップＳ２１において遮断フラグをオフとし、所定時間が経過していない場合には、ステップＳ２２において遮断フラグをオンとする。つまり、所定時間が経過している場合にのみ、半導体リレー回路１１をオンとすることが許可される。その後、本処理を終了する。

次に、図３に示すタイミングチャートを参照して、具体的な信号の変化を説明する。図３において、（ａ）は入力スイッチＳＷ１の操作を示し、（ｂ）は電流の供給、停止を示し、（ｃ）は遮断フラグのオン、オフを示し、（ｄ）は電線の推定温度を示し、（ｅ）は半導体リレー回路１１に設けられるリレーの推定温度を示している。

図３に示す時刻ｔ１にて入力スイッチＳＷ１がオンとされると、図１に示す端子Ｎ１よりオン指令信号が入力され、このオン指令信号は入力判定制御部２１にて、オン指令を示すスイッチ入力信号としてアンド回路２５の一方の入力端子に供給される。また、通常動作時には、遮断フラグ設定部２８では遮断フラグがオフとされているので、その出力信号は「Ｌ」となり、これが反転してアンド回路２５の他方の入力端子に供給される。従って、アンド回路２５の出力信号は「Ｈ」レベルとなり、端子Ｎ２より「Ｈ」レベルの信号が出力される。そして、この信号は半導体リレー回路１１の端子Ｎ１１に供給される。

これにより、半導体リレー回路１１は、スイッチをオンとして負荷ＲＬに電源ＶＢより出力される電力を供給する。その結果、図３（ｂ）に示すように負荷ＲＬに電流が流れ、負荷ＲＬを駆動させることができる。この際、図３（ｃ）に示すように、遮断フラグはオフ状態とされている。

また、電線温度推定部２３では、前述した（１），（２）式に基づいて通電回路を構成する電線の推定温度Ｔ１を算出しており、該電線の推定温度Ｔ１は、図３（ｄ）に示すように徐々に温度が上昇するように変化する。また、半導体リレーの温度も同様に、図３（ｅ）に示すように電流が供給された後に徐々に温度が上昇する。

そして、時刻ｔ２にて電線推定温度Ｔ１が予め設定した閾値温度に達した場合には、異常判定部２４は温度異常を検知して、遮断フラグのオン指令信号を出力する。そして、遮断フラグ設定部２８では、遮断フラグをオンとする。その結果、アンド回路２５の出力信号は「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変更されるので、半導体リレー回路１１がオフとなって負荷ＲＬへの電力供給を停止する。

そして、遮断解除制御部２２は、入力スイッチＳＷ１のオフが判断されると、遮断解除タイマによる計時を開始する。その後、時刻ｔ３にて入力スイッチＳＷ１がオンとされると、この時点では遮断解除タイマが所定時間を計時していないので、遮断フラグがオンとされており、従って、半導体リレー回路１１のリレーはオンとならない。つまり、時刻ｔ２で半導体リレー回路１１が遮断され、その後、操作者が時刻ｔ３で入力スイッチＳＷ１をオンとした場合には、遮断フラグがオンとされていることにより、半導体リレー回路１１はオンとならず、負荷ＲＬは駆動しない（図２のステップＳ１７参照）。

その後、時刻ｔ４で入力スイッチＳＷ１がオフとされると、この時刻ｔ４にて、遮断解除タイマが作動してスイッチオフ後の経過時間を計時する。そして、時刻ｔ４から所定時間Ｑ１が経過した時刻ｔ５において、遮断解除フラグがオフとなる（図２のステップＳ２１参照）。

その後、時刻ｔ６にて入力スイッチＳＷ１をオンとすると、遮断フラグはオフとされているので、半導体リレー回路１１をオンとして、負荷ＲＬを駆動させることができる（図２のステップＳ１６参照）。こうして、半導体リレー回路１１がオフとされた場合に遮断フラグをオンとし、且つ、遮断フラグ解除タイマを作動させ、該遮断フラグ解除タイマにより所定時間が計時された際に、遮断フラグをオフとして、負荷ＲＬを駆動させることが可能なように制御することができる。

［効果の説明］
このようにして、本実施形態に係る通電回路の保護装置では、半導体リレー回路１１がオンからオフに切り替えられた場合には、オフとなった後に、所定時間が経過するまでは遮断フラグがオンとなっているので、半導体リレー回路１１を再度オンすることができない。従って、半導体リレー回路１１が遮断された後には推定温度に拘わらず、所定時間だけ遮断フラグをオンとすることにより、操作者が入力スイッチＳＷ１をオンとした場合でも半導体リレー回路１１の再オンを禁止するので、半導体リレー回路１１が温度上昇により損傷する等の問題を回避することができる。

また、半導体リレー回路１１がオフとされた後に、ノイズ等の影響で該半導体リレー回路１１が再オンすることを防止でき、ノイズ等による誤動作を防止することができる。

また、遮断解除タイマが作動しているときに、オン指令信号が入力された場合には、遮断解除タイマの計時をリセットするので、半導体リレー回路１１の遮断後に、確実に所定時間を計時して遮断フラグを解除することができる。

以上、本発明の通電回路の保護装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した実施形態では、車両に搭載される負荷の駆動、停止を制御する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の負荷についても適用することが可能である。

本発明は、半導体リレー回路を用いて負荷の駆動、停止を安定的に制御することに利用することができる。

１１ 半導体リレー回路
１２ 制御回路
２１ 入力判定制御部
２２ 遮断解除制御部
２３ 電線温度推定部
２４ 異常判定部
２５ アンド回路
２６ 反転回路
２８ 遮断フラグ設定部
１００ 負荷駆動装置

Claims (2)

1. 負荷に接続される通電回路に過電流が流れた際に、前記通電回路を遮断して通電回路を保護する通電回路の保護装置において、
   前記通電回路の導通、遮断を切り替えるスイッチ手段と、
   入力スイッチによる操作信号に応じて前記スイッチ手段に切り替え指令信号を出力する駆動制御手段と、を備え、
   前記駆動制御手段は、
   前記入力スイッチがオフとされた際に、オフ後の経過時間を計時し、且つ経過時間の計時中に前記入力スイッチがオンとされた際に、経過時間をリセットする計時手段と、
   前記スイッチ手段が異常によりオフとされた際に遮断フラグをオンとし、遮断フラグ解除信号が入力された際に前記遮断フラグをオフとする遮断フラグ切替手段と、
   前記計時手段が、予め放熱に要する時間として設定した所定時間を計時した際に、前記遮断フラグ切替手段に遮断フラグ解除信号を出力する遮断解除制御手段と、を含み、
   前記遮断フラグがオンとされている際には、前記入力スイッチがオンとされても前記スイッチ手段のオフ状態を維持するように制御すること
   を特徴とする通電回路の保護装置。
2. 前記通電回路に流れる電流を検出する電流検出手段を更に備え、
   前記駆動制御手段は、
   前記通電回路がオンの場合には、前記電流検出手段にて検出される電流値と通電時間に基づいて前記通電回路の上昇温度を推定し、前記通電回路がオフの場合には、経過時間に基づいて前記通電回路の下降温度を推定し、前記上昇温度と下降温度に基づいて通電回路の温度を推定する温度推定手段と、
   前記温度推定手段にて、前記通電回路の温度が所定温度を上回るか否かを判定する異常判定手段と、を含み、
   前記遮断フラグ切替手段は、前記異常判定手段にて通電回路の温度が所定温度を上回ったと判定された際に、前記遮断フラグをオンとすることを特徴とする請求項１に記載の通電回路の保護装置。
   
   

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