CN103250317A - 用于负载电路的保护装置 - Google Patents

Abstract

一种负载电路保护装置，当半导体继电器（Q1）接通时，利用由用于正常操作的时钟信号所确定的第一预定采样周期（dt1）来计算负载电路的温度上升，从而估算电线的温度。因此以高精确度估算了电线的温度。而且，当半导体继电器（Q1）断开时，负载电路保护装置利用第二预定采样周期（dt2）来计算负载电路的温度降低，从而估算电线的温度。第二预定采样周期（dt2）由用于省电操作的时钟信号确定，并且比第一预定采样周期（dt1）长。因此，能够减少温度的计算次数，并且因此降低了电力消耗。

Description

用于负载电路的保护装置

技术领域

本发明涉及一种保护装置，当过电流流经负载电路而使半导体继电器或电线的温度上升时，该保护装置立即中断负载电路；并且更具体地，涉及一种用于降低电力消耗的技术。

背景技术

用于将电力供给到安装在车辆上的诸如灯或电机等的负载的负载电路包括：蓄电池；和半导体继电器（MOSFET等），其设置在蓄电池和负载之间。蓄电池、半导体继电器和负载经包括电线的导体而相连接。负载电路还包括用于半导体继电器的接通/断开操作的控制电路。根据从控制电路输出的驱动/停止信号，半导体继电器被接通/断开，以在负载的驱动和停止之间转换。

在这样的负载电路中，如果过电流流经负载电路，需要立即中断负载电路以保护负载、电线、半导体继电器等。因此，提出了如下一种方法：在每个预定采样周期测量负载电流；基于负载电流流动的时间段来估算电线的温度；并且当所估算的温度达到预先设定的阈值温度时，断开半导体继电器（见专利文献1）。

图1是图示出通过利用在专利文献1中公开的温度估算方法所估算的电线温度变化的特性图。在图1中，如果在时刻t21接通半导体继电器，电线温度逐渐上升（见曲线q11）。在电线温度到达对于正常电流的饱和温度以后，电线温度在该饱和温度处稳定。此时，在预定的采样周期dt的间隔处进行电线温度上升的估算。

如果在时刻t22断开半导体继电器，则电线在该时间点开始散热，并且该电线的温度逐渐降低以达到环境温度。即使在半导体继电器断开以后，也因此需要计算从电线散出的热，并且估算电线的温度。因此，用于电线温度的计算逻辑执行该计算，直到电线温度达到环境温度。如果在电线散热的同时并未执行用于计算电线温度的逻辑，则当在电线温度降至环境温度之前再次接通了半导体继电器时，判定电线温度等于环境温度。在这种情况下，不能执行随后的温度估算。此时，电线散热的温度估算以预定的采样周期dt的间隔执行。

引用列表

专利文献

专利文献1：WO2009/066564A1

发明内容

如上所述，在传统的用于负载电路的保护装置中，用于估算电线温度的计算逻辑持续操作，直到电线温度在半导体继电器断开之后达到环境温度。因此，传统的保护装置消耗了大量电力。因此，对于降低电力消耗的要求与日俱增。

已经创造了本发明以解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种在半导体继电器断开之后消耗较少的电力的用于负载电路的保护装置。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面的负载电路保护装置是一种负载电路保护装置，该负载电路保护装置用于当负载电路的电线温度上升时断开所述负载电路，所述负载电路将从电源输出的电力供给到负载并且驱动该负载，所述保护装置包括：电流传感器，该电流传感器用于检测流经所述负载电路的所述电线的电流；电子开关，该电子开关用于在所述负载电路的连接和断开之间切换；采样周期设定器，该采样周期设定器用于设定采样周期；温度估算器，该温度估算器用于基于由所述电流传感器所检测到的所述电流、利用由所述采样周期设定器所设定的采样周期来估算所述电线的温度；以及开关控制器，该开关控制器用于当由所述温度估算器估算的所述电线的温度达到预先设定的阈值温度时断开所述电子开关，其中当所述电子开关接通时，所述采样周期设定器将所述采样周期设定成第一预定采样周期；并且当所述电子开关断开时，所述采样周期设定器将所述采样周期设定成比所述第一预定采样周期长的第二预定采样周期。

优选地，根据本发明的第一方面的负载电路保护装置还包括睡眠模式设定器，当所述电子开关断开并且由所述温度估算器估算的所述电线的温度降低至低于睡眠阈值时，该睡眠模式设定器设定睡眠模式，以停止向所述保护装置供应电力的内部电源的输出。

此时，优选地，当在所述内部电源处于睡眠模式的同时所述睡眠模式设定器接收到指令以驱动所述电子开关时，所述睡眠模式设定器解除所述睡眠模式，以开始从所述内部电源供应电力。

在根据本发明的第一方面的负载电路保护装置中，当为负载电路设置的电子开关接通时，利用第一预定采样周期估算负载电路的电线温度，并且当为负载电路设置的电子开关断开时，利用比第一预定采样周期长的第二预定采样周期来估算负载电路的电线温度。因此，当电流在负载电路中流动时，能够以高精度估算电线温度；并且当在负载电路中没有电流流动的同时，能够减少电线温度的计算次数，从而降低电力消耗。

而且，在电子开关断开之后继续电线温度的估算，并且当电线温度降低至低于预先设定的睡眠阈值时，内部电源切换到睡眠模式。因此，能够有效地停止内部电源的电力输出，并且能够进一步降低电力消耗。

此外，当接收到用于驱动电子开关的指令时，解除睡眠模式。因此，电子开关能够立即接通以驱动负载电路。

附图说明

图1是示出在传统的用于负载电路的保护装置中，开关输入与电线温度的变化的时序图。

图2是示出根据该实施例的用于负载电路的保护装置的构造的方框图。

图3是示出通过根据该实施例的用于负载电路的保护装置所执行的睡眠模式设定处理的过程的流程图。

图4是示出通过根据该实施例的用于负载电路的保护装置所执行的电线温度估算处理的过程的流程图。

图5是示出在根据该实施例的用于负载电路的保护装置中，开关SW1的运动、电线温度的改变，以及采样周期的改变的时序图。

图6是示出在根据该实施例的用于负载电路的保护装置中，开关SW1的运动、电线温度的改变，以及采样周期的改变的时序图，该图示出了开关SW1再次接通的情况。

具体实施方式

在下文中，将基于附图描述本发明的实施例。

如图2所示，根据实施例的负载电路保护装置100包括如下功能：当过电流在负载电路中流动而使该负载电路的电线W1过热时，断开半导体继电器Q1以保护整个负载电路免于过热；所述负载电路包括安装在车辆上的蓄电池VB、例如MOSFET的半导体继电器Q1以及负载RL。由从开关控制器15输出的驱动指令信号驱动半导体继电器Q1。

如图2所示，负载电路保护装置100包括：输入I/F11、逻辑电路12、内部电源13、时钟电路14（采样周期设定器），以及检测在负载电路中流动的电流的电流传感器16。

当外部设置的开关SW1接通时，输入I/F检测到开关SW1接通，并且向逻辑电路12输出指令信号，并且向内部电源13输出内部电源启动信号。

内部电源13包括从蓄电池VB所供给的电压产生所期望的恒定电压并且将驱动电力供给到保护装置100的各个元件的功能。当从输入I/F提供了内部电源启动信号时，内部电源13将输出电压供给到每个元件。当从逻辑电路12提供睡眠信号以使内部电源停止时，内部电源13停止输出电压。换句话说，当接收到内部电源启动信号时，内部电源13在正常模式下运行，并且当提供有睡眠信号时，内部电源13进入睡眠模式以停止输出电力。

时钟电路14包括：正常操作时钟输出单元14a，用于输出正常操作的时钟信号；省电操作时钟输出单元14b，用于输出省电操作的时钟信号；以及选择器14c，用于以交替的方式选择从正常操作时钟输出单元14a输出和从省电操作时钟输出单元14b输出的其中一个，并且将所选择的那一个输出到逻辑电路12。

电流传感器16检测在负载电路中流动的电流，并且将所检测到的电流信号输出到逻辑电路12。检测电流的方法可以是利用分流电阻的方法，或是利用由如半导体继电器Q1的多源FET所测量的电流的方法等。

逻辑电路12还包括输入判定单元21，当从输入I/F输出了接通指令信号时，输入判定单元21将接通指令信号输出到控制器22，将时钟切换信号输出到时钟电路14的选择器14c，并且将温度测量指令信号输出到温度计算单元（温度估算器）24。

当提供有来自输入判定单元21的温度测量指令信号时，温度计算单元24在每个采样周期计算电线W1的生热温度或放热温度，并且基于由电流传感器16所测量到的电流值和由从时钟电路14输出的正常操作时钟信号或省电操作时钟信号所确定的采样周期来估算电线W1的电流温度。此时，由正常操作时钟信号确定的采样周期（称作为第一预定采样周期dt1）是比通过省电操作时钟信号确定的采样周期（称作为第二预定采样周期dt2）短的周期（或具有更高的频率）。稍后描述估算电线温度的方法。由温度计算单元24计算的电线温度信息被输出到控制器22和异常检测单元23。

基于由温度计算单元24所计算的电线温度，在该电线温度达到预先设定的阈值温度（例如100摄氏度）时，异常检测单元23将异常检测信号输出到控制器22。

当从输入判定单元21提供接通指令信号时，控制器22将驱动指令信号输出到开关控制器15。然后，开关控制器15将驱动信号输出到半导体继电器Q1的控制端子（例如，MOSFET的门），并且接通半导体继电器Q1以驱动负载RL。相比之下，当从输入判定单元21提供的所述接通指令信号停止时，开关控制器15停止输出驱动指令信号。于是，半导体继电器Q1断开以停止负载RL。

此外，当从异常检测单元23供给异常检测信号时，控制器22停止驱动指令信号的输出，从而强行地断开半导体继电器Q1。而且，当通过温度计算单元24计算的电线温度下降至预先设定的睡眠阈值（设定成比环境温度稍高的温度）时，控制器22将睡眠信号输出到内部电源13。当接收到睡眠信号时，内部电源13进入睡眠模式，其中，停止从内部电源13输出电压。换句话说，控制器22包括作为睡眠模式设定器的功能，该睡眠模式设定器构造成设定睡眠模式，在该睡眠模式中，在半导体继电器Q1断开之后停止输出电压，并且通过温度计算单元24估算的电线温度下降至低于睡眠阈值。

接下来，描述通过温度计算单元24计算电线温度的过程。例如，能够利用在日本专利文献2010-158108A中描述的方法来执行电线温度的计算。当接通半导体继电器Q1以使得负载电流能够流经负载电路的电线W1时，能够通过下列等式（1）计算由电线W1所消耗的能量（Pcin）。

Pcin=rc I²...（1）

其中，rc是电线W1的导体阻抗[ohm]，以及I是流动电流[A]。

当半导体继电器Q1断开时，能够利用下列等式（2）计算从电线W1的释放的能量（Pcout）。

Pcout=Qc（n-1）/（Cth Rth）...（2）

在这里，Rth是电线W1的热阻抗[K/W]；Cth是电线W1的热容量[J/K]；以及Qc（n-1）是在上次采样时的电线W1的热量。

此外，基于等式（1）和（2）来计算所消耗的能量Pcin与所释放的能量Pcout之间的差值（Pcin-Pcout），并且将该差值乘以采样周期dt（例如，10[ms]）以计算对于每个采样周期由电线W1所产生或释放的热量。因此，通过等式（3），能够获得电线W1在当前时间所积累的热量Qc（n）。

Qc（n）=Qc（n-1）+（Pcin-Pcout）...（3）

而且，将通过等式（3）计算的热量Qc（n）除以电线W1的热容量Cth，以获得电线W1的温度上升dT。通过下面等式（4）计算温度上升dT。

dT=Qc（n）/Cth

然后，将通过等式（4）计算的温度上升dT与环境温度相加，从而获得电线W1的温度。将如此获得的电线温度信息输出到控制器22和异常检测单元23。

接着，将根据如上述构造的实施例给出在负载电路保护装置100中的睡眠模式设定处理和电线温度计算处理的描述。

图3是示出由控制器22进行的睡眠模式设定处理的过程的流程图。首先，在步骤S11中，控制器22判定开关SW1的输入是否断开。如果开关SW1的输入接通（在步骤S11中为“否”），则保护装置100以正常模式操作，并且不执行睡眠模式设定处理。

如果开关SW1断开（在步骤S11中为“是”），则控制器22在步骤S12中通过异常检测单元23判定电线温度是否异常。具体地，控制器22判定过电流是否在负载电路中流动而使电线温度上升到上限阈值。如果电线温度异常（在步骤S12中为“是”），则保护装置100以正常模式操作，并且该处理终止。

而且，如果电线温度并非异常（在步骤S12中为“否”），则在步骤S13中，控制器22判定负载电路的电线温度是否低于睡眠阈值。如果电线温度不低于睡眠阈值，则维持正常模式，并且终止该处理，具体地，如果电线温度并未降低至低于睡眠阈值，需要继续计算电线W1的放热温度，并且因此保护装置100以正常模式操作。

另一方面，如果电线温度低于睡眠阈值，则在步骤S14中，控制器22向内部电源13输出睡眠信号，以停止从内部电源13提供电力。然后保护装置100进入到睡眠模式，并且能够降低电力消耗。其后，如果开关SW1接通，则输出内部电源启动信号，以从睡眠模式切换到正常模式。

以这样的方式，在开关SW1的输入断开之后，保护装置100计算电线W1的放热温度。当估算的电线温度降低至睡眠阈值（比环境温度略高的温度）时，保护装置100进入睡眠模式。因此能够在每个时间点知道电线温度，直到保护装置100进入睡眠模式为止。当在保护装置100进入到睡眠模式之前开关SW1再次接通时，可以继续地估算电线温度。

接着，将参考图4所示出的流程图描述由温度计算单元24进行的电线温度估算处理的过程。首先，在步骤S13中，温度计算单元24判定开关SW1的输入是否断开。如果开关SW1的输入未断开（在步骤S31中为“否”），则该处理进行到步骤S32。如果开关SW1的输入断开（在步骤S31中为“是”），则该处理进行到步骤S33。

在步骤S32中，温度计算单元24将用于计算电线温度的采样周期dt设定成在正常时间时使用的第一预定采样周期dt1。具体地，基于从正常操作时钟输出单元14a输出的时钟，温度计算单元24将采样周期设定成第一预定采样周期dt1。其后，该处理进行到步骤S34。

在步骤S33中，温度计算单元24将用于计算电线温度的采样周期dt设定成在省电操作时使用的第二预定采样周期dt2。具体地，基于从省电操作时钟输出单元14b输出的时钟，温度计算单元24将采样周期设定成第二预定采样周期dt2。在这里，第二预定采样周期dt2比第一预定采样周期dt1长。因此，与省电操作相比，在正常操作中利用更高的频率来进行采样。其后，处理进行到步骤S34。

在步骤S34中，温度计算单元24计算温度上升dT，并且基于等式（1）至（4）的计算逻辑来估算当前的电线温度。因此，能够在每个采样周期获得当前的电线温度。在该处理中，当开关SW1接通时，利用设定成第一预定采样周期dt1的采样周期dt来计算电线温度。当开关SW1断开时，利用设定成第二预定采样周期dt2的采样周期来计算电线温度。换句话说，当开关SW1接通时，利用高频率计算电线温度，并且当开关SW1断开时，利用低频率计算电线温度。然后所述处理进行到步骤S35。

在步骤S35中，温度计算单元24将由前述处理计算的电线温度信息输出到异常检测单元23和控制器22。因此，进行电线温度估算处理。

其后，基于所计算的电线温度，当该电线温度降低至低于睡眠阈值时，控制器22将睡眠信号发送到内部电源13，以使整个保护装置100进入睡眠模式。而且，当异常检测单元23判定由温度计算单元24所计算的电线温度超过上限阈值时，异常检测单元23将异常检测信号输出到控制器22。然后控制器22停止半导体继电器Q1的驱动信号，以中断负载电路，从而保护负载电路避免过电流。

接着，将参考图5所示的时序图给出开关SW1的切换和电线温度的变化的描述。如由图5的波形（a）所示，如果开关SW1在时刻t1时接通，则开关控制器15输出指令信号以驱动半导体继电器Q1，并且半导体继电器Q1接通。于是电流在负载电路中流动。此时，如图5的波形（b）所示，睡眠模式断开。

当电流在负载电路中流动时，如图5的曲线q1所示，电线温度随着时间开始上升，并且然后达到饱和温度。此时，温度计算单元24利用第一预定采样周期dt1计算电线温度（见图4的步骤S32），从而实现电线温度的非常精确的估算。

随后，当开关SW1在时刻t2断开时，从开关控制器15输出的驱动指令停止。因此，半导体继电器Q1断开，并且负载电路的电线W1开始释放热量，因此，电线温度开始随着时间逐渐降低。此时，温度计算单元24利用第二预定采样周期dt2计算电线温度（见图4的步骤S33）。利用较长的周期估算电线温度。

其后，当电线温度在时刻t3降低至低于睡眠阈值时，从内部电源13输出的电力切断，并且保护装置100切换到睡眠模式。通过这样的操作，在开关SW1在时刻t2断开之后，利用比第一预定采样周期dt1长的第二预定采样周期dt2来估算电线温度。因此，计算次数能够比利用第一预定采样周期dt1的计算次数要少。因此，能够在开关SW1断开之后在保护装置100切换至睡眠模式之前的时间段内降低电力消耗。

在这种情况下，通过增大采样周期，使每单位时间的温度计算次数减少。然而，由于在负载电路中无电流流动，所以温度计算不需要对应于温度的快速变化。因此，计算的次数的减少将不会使温度计算的精确度降低太多。

接着，参考图6所示的时序图，将给出电线开始释放热量并且开关SW1在温度达到睡眠阈值之前再次接通的情况下的电线温度的变化的描述。如图6的波形（a）所示，如果开关SW1在时刻t11接通，则开关控制器15输出用于半导体继电器Q1的驱动指令信号，并且半导体继电器Q1接通。于是电流在负载电路中流动。此时，如图6的波形（b）所示，睡眠模式断开。

如图6的曲线q2所示，电线温度随着时间开始升高而后达到饱和温度。此时，温度计算单元24利用第一预定采样周期dt1计算电线温度，从而实现电线温度的非常精确的估算。

随后，如果开关SW1在时刻t12断开，则从开关控制器15输出的驱动指令信号停止，并且半导体继电器Q1断开。于是负载电路的电线W1开始释放热量。因此，电线温度开始随着时间逐渐降低。此时，温度计算单元24利用第二预定采样周期dt2计算电线温度。

其后，如果开关SW1在时刻t13再次接通，温度计算单元24基于在时刻t13获得的电线温度再次从第二预定采样周期dt2切换到第一预定采样周期dt1。然后温度计算单元24利用第一预定采样周期dt1计算电线W1生热温度，并且估算电线温度。

如果开关SW1在时刻t14断开，则采样周期变为第二预定采样周期dt1，并且计算电线W1的温度降低。然后当电线温度在时刻t15降低至低于睡眠阈值时，来自内部电源13的电力输出切断，并且保护装置100切换至睡眠模式。

如上所述，即使在开关SW1频繁地接通和断开的情况下，当开关SW1接通以使得电流在负载电路中流动时，利用第一预定采样周期dt1计算电线W1的温度。当开关SW1断开时，利用第二预定采样周期dt2计算电线W1的温度。因此，在电流流经电线W1从而升高电线W1的温度时，能够以高精度测量电线温度。当电流切断时，采样周期增大以减少电力消耗。

以这样的方式，在根据该实施例的负载电路保护装置100中，如下来进行控制：在半导体继电器Q1接通且电流在负载电路中流动时，利用第一预定采样周期dt1计算电线温度，并且在半导体继电器Q2断开且在负载电路中无电流流动时，利用第二预定采样周期dt2（dt2>dt1）计算电线温度。因此，当电流在负载电路中流动时，频繁计算电线W1的上升温度，以实现电线温度的高精度估算。而且，在负载电路中无电流流动时，减小计算次数，从而降低电力消耗，直到保护装置100切换到睡眠模式。

在上文中，基于在附图中所示的实施例描述了本发明的负载电路保护装置。本发明不限于此，并且每个单元的构造能够利用包括任意构造和相等功能的单元来代替。

例如，在该实施例的上述描述中，电子开关是诸如MOSFET的半导体继电器。然而，本发明不限于此，并且该电子开关可以是接触型继电器。

工业实用性

在构造成估算电线W1的温度并且检测电线W1的过热的保护装置中，本发明对于在开关SW1断开之后降低电力消耗是有用的。

Claims (3)

1.一种用于在负载电路的电线温度上升时断开该负载电路的负载电路保护装置，该负载电路将从电源输出的电力供给到负载并且驱动该负载，所述保护装置包括：

电流传感器，该电流传感器用于检测流经所述负载电路的所述电线的电流；

电子开关，该电子开关用于在所述负载电路的连接和断开之间切换；

采样周期设定器，该采样周期设定器用于设定采样周期；

温度估算器，该温度估算器用于基于由所述电流传感器所检测到的所述电流、利用由所述采样周期设定器所设定的采样周期来估算所述电线的温度；以及

开关控制器，该开关控制器用于当由所述温度估算器估算的所述电线的温度达到预先设定的阈值温度时断开所述电子开关，其中

当所述电子开关接通时，所述采样周期设定器将所述采样周期设定成第一预定采样周期；并且当所述电子开关断开时，所述采样周期设定器将所述采样周期设定成比所述第一预定采样周期长的第二预定采样周期。

2.根据权利要求1所述的负载电路保护装置，还包括睡眠模式设定器，当所述电子开关断开且由所述温度估算器估算的所述电线的温度降低至低于睡眠阈值时，该睡眠模式设定器设定睡眠模式，以停止向所述保护装置供应电力的内部电源的输出。

3.根据权利要求2所述的负载电路保护装置，其中，当在所述内部电源处于睡眠模式的同时所述睡眠模式设定器接收到指令以驱动所述电子开关时，所述睡眠模式设定器解除所述睡眠模式，以开始从所述内部电源供应电力。

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