CN105262049A - 负载电路的保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种负载电路的保护装置，能够通过模拟熔丝来保护负载电路。设定比负载电路中所用的电线的热容小的伪热容(Cth*)，并且利用电线发热量计算式、电线放热量的计算式、由计时器测量的时间和伪热容(Cth*)来计算电线的温度。当算得的电线温度达到允许的电线温度时，切断半导体继电器(S1)来保护负载电路免于发热。

Description

负载电路的保护装置

本申请是名为“负载电路的保护装置”、国际公开号为WO2009/151084、国际公开日为2009年12月17日、进入国家阶段日期为2010年12月13日、国家申请号为“200980122118.9”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种负载电路的保护装置，用于在过电流流经负载电路并且电线温度升高时立即切断该负载电路以保护电路。

背景技术

对安装在车辆上的诸如车灯或电机的负载供电的负载电路包括蓄电池和设置在该蓄电池和负载之间的电子开关(MOSFET等)。该蓄电池、电子开关和负载经由包含电线的导体而彼此连接。在该负载电路中，设置控制电路以接通和断开电子开关。通过从该控制电路输出的驱动信号和停止信号来使电子开关接通和断开，以将负载在驱动状态和停止状态之间切换。

在该负载电路中，将熔丝设置成当过电流流经负载时通过立即切断电路来保护负载、电线、电子开关等。此外，作为具有与熔丝恰好相同的特性而不使用熔丝的电流检测电路，例如，在JP-A-2007-19728(专利文献1)中所描述的构造是已知的。

在专利文献1所采用的构造中，产生了具有与流经用作驱动负载用的电子开关的功率MOSFET的电流成正比的大小的电流，并且当电流超过预定的阈值电流且由电阻器和电容器形成的RC电路中产生的电压达到预定的阈值电压时，该电路被切断。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP-A-2007-19728

发明内容

技术问题

然而，在专利文献1中所描述的传统实例中，采用其中当过电流流经负载时切断电路的构造。由于实际的电线温度不能计算，所以不可能得到模拟在如果发生过电流而保护电路时的现有熔丝的切断特性。在负载电路中设置的熔丝不是通过检测过电流来切断电路，而是通过由于当发生过电流时所发生的发热而引起的熔断来切断负载电路。从而，不能说专利文献1中所描述的装置真实地模拟了熔丝的特性。此外，由于在熔丝中存在劣化的问题，所以针对这种劣化，电线的直径必须是大的。

本发明将解决现有的问题，并且其目的是提供一种负载电路的保护装置，能够通过更真实地模拟熔丝来保护电路。

问题的解决

为了达到上述目的，本发明提供一种负载电路的保护装置，当在向负载提供从电源输出的电力以驱动该负载的所述负载电路中的电线的温度升高的时候，该负载电路的保护装置保护该负载电路，所述保护装置包括：计时单元，适于对经过时间计时；电流检测单元，适于检测流经所述负载电路的电线的电流；开关单元，适于在所述负载电路的连接和切断之间切换；温度计算单元，适于设定小于在所述负载电路中使用的电线的热容的伪热容(pseudoheatcapacity)，并且参考所述电线的发热量的计算表达式、所述电线的放热量的计算表达式、由所述计时单元计时的时间以及所述伪热容来计算该电线的温度；以及切断控制单元，当由所述温度计算单元算出的所述电线的温度达到该电线的允许温度时，该切断控制单元适于切断所述开关单元。

在优选的方面中，如果通过I来表示由所述电流检测单元检测到的电流，那么由下面的表达式来表示发热量的计算表达式：

(发热量)＝I²×Ron×Δt；

这里，Ron表示每单位长度的所述电线的电阻，而Δt表示采样时间。

在优选的方面中，由下面的表达式来表示放热量的计算表达式；

(放热量)＝Q/(Cth*×Rth/Δt)；

这里，Cth*表示每单位长度的所述电线的伪热容，Rth表示每单位长度的所述电线的热阻，Δt表示采样时间，而Q表示每单位长度的所述电线的热量以及通过将所述电线的温度乘以所述伪热容Cth*所得到的值。

在优选的方面中，所述切断控制单元基于在上次采样时间中算得的所述电线的温度Tp、所述发热量、所述放热量以及所述伪热容Cth*，通过下面的表达式来计算当前的温度Tn：

Tn＝Tp+(发热量–放热量)/Cth*。

此外，在根据本发明的负载电路的保护装置中使用的伪热容Cth*的计算方法中，有下面的步骤：

(i)使电流经过具有期望熔断特性的熔丝，以获得表示通电电流与熔断时间之间关系的电流/时间特性数据；

(ii)从所述电流/时间特性数据来计算能够经过所述熔丝连续通电的最大电流Imax；

(iii)通过下面的表达式来计算使最大电流Imax经过保护电路的下游电线而连续通电时的温度阈值ΔTmax：

ΔTmax＝Rth×Ron×Imax²；

这里，Rth表示每单位长度的所述电线的热阻，而Ron表示每单位长度的所述电线的电阻；以及

(iv)通过作为温度阈值ΔTmax的函数的下述表达式来计算伪热容Cth*：

[表达式1]

$Cth*=\frac{-t}{R_{th}ln\left(1-\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\max }}{R_{th}{R}_{on}{I}^2}\right)},$

该计算方法计算出伪热容Cth*。

本发明的效果

根据本发明，利用比电线的实际热容Cth小的伪热容Cth*作为电线的实际热容Cth，计算电线的发热量和放热量并且计算电线的温度。在算得的温度达到电线的允许温度的情况下断开开关单元。由于负载电路能够在电线的实际温度达到允许温度之前停止，所以能够保护负载电路的电线和组成元件免于发热。

此外，根据本发明，能够计算伪热容Cth*以得到与用于保护连接于负载电路的电线所常用熔丝的特性恰好等同的熔断特性。从而，能够进行模拟熔丝的过电流保护。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施例的负载电路的保护装置的构造的方框图。

图2是示出了根据本发明实施例的负载电路的保护装置的初始化处理的流程图。

图3是示出了根据本发明实施例的负载电路的保护装置的电线温度的异常判定处理的流程图。

图4是示出了通电时间和电线温度之间关系的特性图。

图5是示出了在根据本发明实施例的负载电路的保护装置中，负载电路中所用的电线的发烟特性以及熔丝的熔断特性的实际测量值的特性图。

图6是示出了在根据本发明实施例的负载电路的保护装置中，使与熔丝的连续可通电电流相等的电流能够连续通电的电线的生烟特性的特性图。

图7是示出了在根据本发明实施例的负载电路的保护装置中模拟熔丝的熔断特性的生烟特性的特性图。

参考标记列表

11：负载电路的保护装置，12：控制电路(温度计算单元，切断控制单元)，13：计时器，14：电流计(电流检测单元)，S1：半导体继电器，VB：蓄电池(电源)，W1：电线

具体实施方式

参考附图来对本发明的实施例进行描述。图1是示出了根据本发明实施例的负载电路的保护装置11的构造的方框图。如图中所示，负载电路的保护装置11包括连接于蓄电池VB的半导体继电器S1(开关单元)，检测流经电线W1的电流的电流计14，对电流流动的经过时间计时的计时器(计时单元)13，以及基于由电流计14检测到的电流值和由计时器13计时的时间来控制半导体继电器S1接通和断开的控制电路12。

在根据本实施例的负载电路的保护装置11中，利用下述方法(利用“伪热容Cth*”来计算电线温度的方法)，通过控制电路(温度计算单元、切断控制单元)12来计算电线W1的温度。当电线W1的温度达到通常对该电线W1设置的熔丝的熔断温度的时候，设置在电线W1的上游的半导体继电器S1被切断，以保护电线W1以及诸如设置在该电线W1下游的负载那样的电路组件。注意，负载电路的保护装置11例如由微机构成。

下面，参考图2和图3中所示的流程图来描述负载电路的保护装置11的操作。图2是示出了控制电路12中的初始化处理的步骤的流程图。当电线温度的异常判定处理开始时，进行初始化处理。即，在图3中示出的电线温度的异常判定处理中所使用的发热/放热温度数据、停止信号标记F1以及发热量数据全部都被重置为零(步骤S11)。

图3是示出了电线温度的异常判定处理的步骤的流程图。当图1中示出的半导体继电器S1接通以通过电线W1施加电流时，由电流计14检测出通电电流，并且控制电路12获得所检测到的电流I(步骤S31)。

然后，当电流流动时，控制电路12基于由电流计14检测出的电流I，利用下面的表达式(1)来计算每单位长度的电线的发热量X1。

X1＝I²×Ron×Δt…(1)

在表达式(1)中，“Ron”表示每单位长度的电线的电阻，而Δt表示采样时间(例如，5[msec])。

控制电路12还利用下面的表达式(2)计算出电线的放热量Y1。

Y1＝Q/(Cth*×Rth/Δt)…(2)

在表达式(2)中，“Cth*”表示每单位长度的电线的伪热容(在后详细描述)，“Rth”表示每单位长度的电线的热阻，Δt表示采样时间(例如，5[msec])，而Q表示每单位长度的电线的热量以及通过将电线的温度乘以伪热容Cth*所得到的值。

然后，控制电路12基于前次测量时的电线温度Tp，利用下面的表达式(3)来计算本次测量时的电线温度Tn。

Tn＝Tp+(X1–Y1)/Cth*…(3)

因此，每当采样时间Δt经过时，就相继将发热温度加到前次测量时的电线温度或从前次测量时的电线温度中减去放热温度(起初，Tp是周围温度)，以计算本次测量时的电线温度。

接下来，控制电路12将通过步骤S34的处理所计算得的电线温度Tn与预设的切断阈值温度Tth1(例如，150℃)相比较(步骤S35)。如果满足Tn>Tth1(步骤S35为YES)，那么指定停止信号标记F1＝1(步骤S36)。如果指定停止信号标记F1＝1，那么控制电路12断开图1所示的半导体继电器S1而切断负载电路。此外，如果指定停止信号标记F1＝1，那么即使通过外部操作等输入了对半导体继电器S1的接通操作，也会互锁使得不接通半导体继电器S1。

另一方面，若电线温度Tn和切断阈值温度Tth1之间的关系没有变成Tn>Tth1(步骤S35为NO)，则控制电路12将电线温度Tn与预设的切断解除阈值温度Tth2(Tth2<Tth1；例如，Tth2是50℃)相比较(步骤S37)。如果满足Tn≤Tth2(步骤S37为YES)，那么指定停止信号标记F1＝0(步骤S38)。因此，解除互锁，并且如果下次输入了半导体继电器S1的接通操作，那么便可以接通该半导体继电器S1。

以这种方式，由于发热或放热引起的电线温度的改变在每个预定采样时间Δt累积。如果在本次测量时的电线温度Tn超过了切断阈值温度Tth1，那么指定停止信号标记F1＝1。从而，断开半导体继电器S1来切断电路，并且还维持半导体继电器S1的断开状态直到电线温度Tn降至切断解除阈值温度Tth2或更低为止。

下面，描述计算伪热容Cth*的方法。图4是示出了自预定的电流连续地流经电线起，经过时间和电线温度的变化的特性图。通常已知的是由下面的表达式(4)来表示当电流连续流经电线时的电线温度T2。

T2＝T1+I²×Ron×Rth{1–exp(-t/Cth·Rth)}…(4)

在表达式(4)中，T1表示周围温度，“I”表示通电电流，“Ron”表示每单位长度的电线的电阻，“Rth”表示每单位长度的电线的热阻，“Cth”表示每单位长度的电线的热容，而“t”表示经过时间。

因此，基于表达式(4)，电线的温度如图4中的曲线S1所示的那样变化。这里，如果将电线的热容Cth变更为具有该Cth的值的四分之一的热容Cth*(伪热容)(即，热容减小)，那么电线的温度如图4中的曲线S2所示的那样变化。由曲线S1、S2显而易见的是，如果将热容Cth变更为更小的值，那么电线温度相对于时间更早地升高，并且达到饱和温度。换言之，当通过将电线的实际热容Cth变更为比该热容Cth小的伪热容Cth*来计算电线的温度时，计算出比实际温度更高的温度，直到该温度达到饱和温度为止。这意味着，如果将发烟温度设定为切断电路的阈值温度，那么可以在温度实际达到电线的发烟温度之前切断该电路。

图5至7是示出了通电电流和通电时间之间的关系的特性图，用于描述直到确定了伪热容Cth*为止的步骤。图5中所示的曲线S11是示出了当横轴表示电流而纵轴表示时间(对数标度)时的电线的发烟特性的特性图。通过针对表达式(4)的电流I计算直到温度T2变为电线的发烟温度(例如，150℃)的时间t来求得该特性图。从曲线S11发现，当通电电流变大时，温度在较短的时间内达到发烟温度，并且如果导电电流小于Ia，那么即使电流连续流动，电线也不达到发烟温度。在本实施例中，将电流实际施加到针对电线所通常使用的规格的熔丝，以研究该熔丝的特性。结果，例如，能够获得图5中的圆点所示的熔丝的熔断特性(电流/时间特性数据)的测量值。然后，从图5中所示的熔断特性的测量值能够求得熔丝的连续可通电电流Imax。

接下来，基于由上述处理所求得的连续可通电电流Imax，通过下面的表达式(5)来计算温度阈值ΔTmax。

ΔTmax＝Rth×Ron×Imax²…(5)

这里，温度阈值ΔTmax表示相对于周围温度的上升温度ΔT的上限。如果当上升温度ΔT超过ΔTmax时切断负载电路，那么可以利用与所述熔丝的特性恰好相当的特性来切断负载电路。将T2–T1＝ΔT代入上述表达式(4)的表达式认作为如下的表达式(4’)。

ΔT＝I²×Ron×Rth{1–exp(-t/Cth·Rth)}…(4’)

然后，任意改变表达式(4’)中的电流“I”，对于每个电流“I”增加经过时间“t”，并且标绘上升温度ΔT达到温度阈值ΔTmax所在的时间。然后，得到图6中由S12表示的特性曲线。

此外，通过将由表达式(5)计算出的温度阈值ΔTmax的值代入到表达式(4’)中的ΔT中、通过将该表达式变形使得左手侧变成热容Cth，并且通过将热容Cth更新为伪热容Cth*，获得了下面的表达式(6)。

[表达式2]

$Cth*=\frac{-t}{R_{th}ln\left(1-\frac{{\mathrm{\&Delta;T}}_{\max }}{R_{th}{R}_{on}{I}^2}\right)}\mathrm{...}\left(6\right)$

然后，当将对应于图5和图6中所示的熔丝的熔断特性测量值(电流/时间特性数据)的电流“I”和时间“t”(由圆表示的点)代入表达式(6)中的时候，得到近似恒定的伪热容Cth*。在图7中，通过由S13所示的曲线来表示利用伪热容Cth*的电线的发烟特性，并且可以说几乎真实地模拟了熔丝的熔断特性。

在该实施例中，利用由表达式(6)算得的伪热容Cth*来进行表达式(1)至(3)的计算。从而，可以通过在熔丝和电线通电能力之间模拟熔丝的温度特性来保护负载电路。

以这种方式，在根据本实施例的负载电路保护装置中，当基于在采样时间Δt时的电线的发热温度和放热温度来计算电线温度Tn的时候，使用设定为比电线的实际热容小的值的伪热容Cth*。因此，可以通过模拟了熔丝的熔断特性的温度特性来切断负载电路。

因此，无需像往常那样使用熔丝。因此，由于涌入电流和负载的反复接通/断开而通常在熔丝中发生的劣化不会发生，并且无需选择具有余裕(margin)的熔丝。从而，能够使电线的直径缩小，并且实现电线的小型化和轻量化。并且最终，能够实现燃烧效率提升的良好效果。

此外，在通常所使用的熔丝中，已经将预定电流值设定为诸如5[A]、7.5[A]、10[A]、15[A]或20[A]……，但是在根据本实施例的负载电路保护装置中，能够通过任意设定伪热容Cth*来设定任意的电流值，诸如6[A]或12.5[A]。从而，有助于电线直径的细小化。

已经基于附图中所示的实施例对根据本发明的负载电路的保护装置进行了描述。然而，本发明并不局限于此，而是各个部件的构造都能由任意具有同样功能的构造来替代。例如，虽然已经如实施例的实例那样描述了安装在车辆上的负载电路，但是本发明并不局限于此，而是替换地，可以应用于其他类型的负载电路。

工业实用性

对于在负载电路中不使用熔丝的情况下来保护电线是极为有用的。

Claims (8)

1.一种负载电路的保护装置，当在向负载提供从电源输出的电力以驱动该负载的所述负载电路中的电线的温度升高时，该负载电路的保护装置保护该负载电路，所述保护装置包括：

计时单元，该计时单元适于对经过时间计时；

电流检测单元，该电流检测单元适于检测流经所述负载电路的所述电线的电流；

开关单元，该开关单元适于在所述负载电路的连接和切断之间切换；

温度计算单元，该温度计算单元适于设定小于在所述负载电路中使用的所述电线的热容的伪热容Cth*，并且参考所述电线的发热量的计算表达式、所述电线的放热量的计算表达式、由所述计时单元计时的时间以及所述伪热容Cth*，从而相对于时间更早地升高电线温度来计算高于实际的电线温度的、该电线的温度；以及

切断控制单元，当由所述温度计算单元算出的所述电线的温度达到所述电线的允许温度时，该切断控制单元适于切断所述开关单元。

2.根据权利要求1所述的负载电路的保护装置，其中

如果通过I来表示由所述电流检测单元检测到的电流，那么由下面的表达式来表示发热量的计算表达式：

(发热量)＝I²×Ron×Δt；

这里，Ron表示每单位长度的所述电线的电阻，而Δt表示采样时间。

3.根据权利要求1所述的负载电路的保护装置，其中

由下面的表达式来表示放热量的计算表达式；

(放热量)＝Q/(Cth*×Rth/Δt)；

这里，Cth*表示每单位长度的所述电线的伪热容，Rth表示每单位长度的所述电线的热阻，Δt表示采样时间，而Q表示每单位长度的所述电线的热量，该热量是通过将所述电线的温度乘以所述伪热容Cth*而得到的。

4.根据权利要求2所述的负载电路的保护装置，其中

由下面的表达式来表示放热量的计算表达式；

(放热量)＝Q/(Cth*×Rth/Δt)；

这里，Cth*表示每单位长度的所述电线的伪热容，Rth表示每单位长度的所述电线的热阻，Δt表示采样时间，而Q表示每单位长度的所述电线的热量，该热量是通过将所述电线的温度乘以所述伪热容Cth*而得到的。

5.根据权利要求1所述的负载电路的保护装置，其中

所述切断控制单元基于在上次采样时间中算得的所述电线的温度Tp、所述发热量、所述放热量以及所述伪热容Cth*，通过下面的表达式来计算本次的温度Tn：

Tn＝Tp+(发热量–放热量)/Cth*。

6.根据权利要求2所述的负载电路的保护装置，其中

所述切断控制单元基于在上次采样时间中算得的所述电线的温度Tp、所述发热量、所述放热量以及所述伪热容Cth*，通过下面的表达式来计算本次的温度Tn：

Tn＝Tp+(发热量–放热量)/Cth*。

7.根据权利要求3所述的负载电路的保护装置，其中

所述切断控制单元基于在上次采样时间中算得的所述电线的温度Tp、所述发热量、所述放热量以及所述伪热容Cth*，通过下面的表达式来计算本次的温度Tn：

Tn＝Tp+(发热量–放热量)/Cth*。

8.根据权利要求4所述的负载电路的保护装置，其中

所述切断控制单元基于在上次采样时间中算得的所述电线的温度Tp、所述发热量、所述放热量以及所述伪热容Cth*，通过下面的表达式来计算本次的温度Tn：

Tn＝Tp+(发热量–放热量)/Cth*。