CN109842094A - 过流保护装置 - Google Patents

Abstract

过流保护装置设置在电源(2)和负载电路(3)之间，该负载电路包括彼此电连接的电负载(3a)和电线(3b)。该过流保护装置包括开关元件(11)、电流检测器(12)、特性估计部(15)和控制器(10)。开关元件切换从电源流向电负载的负载电流的流动和中断。电流检测器检测负载电流。特性估计部基于电流检测器检测到的负载电流估计电线的热特性。控制器基于特性估计部所估计的热特性和电流检测器检测到的负载电流，向开关元件输出用于中断负载电流从而保护所述负载电路免受过电流的过流保护信号。

Description

过流保护装置

技术领域

本公开涉及一种过流保护装置。

背景技术

过流保护装置基于用于连接负载和电源的电线的热特性和流经该电线的电流值来计算该电线的温度，并当确定该电线的温度超过预定阈值温度时通过切断负载电路来保护该电线免受过电流(例如，参见JP 2014-27875A)。例如，可以使用热阻和热容作为热特性(例如，参见JP 2014-27875A)。

发明内容

在传统的过流保护装置中，使用预定的固定值作为电线的热特性。然而，实际上，热特性取决于电线的类型。例如，如果电线类型不同，则即使电线直径相同，热特性也不同。另外，如果电线直径不同，则即使电线类型相同，热特性也不同。

因此，为了在该类型的过流保护装置中实现更适当的过流保护操作，必须考虑由于如上所述的电线类型的不同而导致的热特性的差异。关于这点，可能存在一个产品(例如，车辆)内设置有各种电负载的情况。在这种情况下，可以在一个产品内根据电负载的规格使用不同类型的电线。为此，传统上需要在一个产品内准备多个分别适应各负载电路的过流保护装置。

本公开是鉴于上面例示的情况完成的。本公开的目的是提供一种通用过流保护装置，该通用过流保护装置可适用于各种类型的负载电路。

根据本发明的一个方面，过流保护装置设置在电源和负载电路之间，所述负载电路包括彼此电连接的电负载和电线。所述过流保护装置包括开关元件、电流检测器、特性估计部和控制器。该负载电路包括电负载和电线。开关元件切换从所述电源流向所述电负载的负载电流的流动和中断。所述电流检测器检测负载电流。所述特性估计部基于所述电流检测器所检测到的负载电流来估计所述电线的热特性。所述控制器基于所述特性估计部所估计的热特性和所述电流检测器所检测到的负载电流，向所述开关元件输出用于中断所述负载电流以保护所述负载电路免受过电流的过流保护信号。

在上述配置中，电流检测器检测流经包括电负载和电线的负载电路的负载电流。基于电线的热特性和电流检测器所检测到的负载电流，控制器向开关元件输出用于中断负载电流从而保护负载电路免受过电流的过流保护信号。

顺便提及，通常，确定适当的电线类型和适当的电线直径，从而当负载电流流经电线时不会引起电线的劣化、冒烟或点燃。而且，电线的热特性可根据电线的电线类型和电线直径而不同。在这方面，在上述配置中，电线的热特性由特性估计部基于电流检测器所检测到的负载电流来估计。因此，上述过流保护装置可以设置成可适用于各种负载电路的通用过流保护装置。

附图说明

通过以下详细描述并结合附图，本公开的其他目的和优点将更加明显。在附图中：

图1是根据一实施例的过流保护装置的配置的示意电路图；

图2是示出了存储在图1中示出的数据存储部中的电线容许电流特性的示例的曲线图；

图3是示出了存储在图1中示出的数据存储部中的电线容许电流特性的示例的曲线图；

图4是示出了存储在图1中示出的数据存储部中的电线容许电流特性的示例的曲线图；

图5是示出了图1所示的过流保护装置的操作示例的曲线图；和

图6是示出了图1所示的过流保护装置的操作示例的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述实施例。注意，适用于该实施例的各种变型在对该实施例进行说明后进行了集中描述，这是因为当将这些变型插入到与该实施例有关的一系列说明中时，可能会干扰对该实施例的理解。

(配置)

如图1所示，过流保护装置1设置在电源2和负载电路3之间，以保护负载电路3免受过电流。负载电路3包括彼此电连接的电负载3a和电线3b。

在本实施例中，过流保护装置1安装在车辆(未示出)上。具体地，过流保护装置1设置在车辆负载控制电子控制单元(electronic control unit，ECU)中，该车辆负载控制ECU控制作为车载负载的电负载3a的驱动。也就是说，过流保护装置1具有用于控制电负载3a的驱动的负载驱动电路的功能。下文中将控制电负载3a的驱动的车辆负载控制ECU简称为“车辆负载控制ECU”。电线3b是所谓的车辆线束，且电线3b设置成连接过流保护装置1和电负载3a。

过流保护装置1包括控制器10、开关元件11、电流检测器12、电压检测器13、温度检测器14、特性估计部15和数据存储部16。

在本实施例中，过流保护装置1包括安装在车辆负载控制ECU中的智能功率器件、控制集成电路(integrated circuit，IC)和可重写非易失性存储器。对过流保护装置1执行整体操作控制的控制器10被设置作为，控制IC中的、对智能功率器件的运行进行控制的功能配置。

具体地，控制器10基于例如接收自车辆负载控制ECU的外部源的指令信号，向开关元件11输出控制信号。控制信号是用于切换流经电负载3a的负载电流的流动和中断的信号。另外，控制器10向开关元件11输出过流保护信号。过流保护信号是用于即使在控制信号处于允许负载电流流动的状态(即“接通”状态)下也中断该负载电流的信号，以用于保护负载电路3免受过电流。

开关元件11例如是设置在智能功率器件内部的功率半导体元件，并且例如构造成金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor，MOSFET)。也就是说，开关元件11被配置为是根据输入到控制端(即，例如栅极)的控制信号，切换从电源2流向电负载3a的负载电流的流动和中断。另外，开关元件11配置成在过流保护信号输入到控制端时中断负载电流。

设置电流检测器12的目的是检测负载电流。也就是说，电流检测器12配置成输出与负载电流对应的电输出(例如，电压)。具体地，例如，电流检测器12可设置在智能功率器件内部以便生成一输出，该输出与在开关元件11中负载电流的流入侧端和流出侧端之间的电压(即例如，漏源电压)对应。替代地，例如，电流检测器12可配置成生成一输出，该输出与插入在负载电流的电流路径中或以预定比例对负载电流分流的分流路径中的电流检测电阻器的两端的电压对应。

设置电压检测器13的目的是检测作为电源2输出电压的电源电压。也就是说，电压检测器13配置成输出与电源电压相对应的电输出(例如，电压)。具体地，例如，电压检测器13可设置成生成与将电源电压除以预定比例而获得的电压相对应的输出。

温度检测器14设置成生成与过流保护装置1的环境温度或电线3b的环境温度相对应的输出。具体地，温度检测器14可以设置在智能功率器件内部，从而生成与智能功率器件的温度相对应的输出。

在本实施例中，特性估计部15被设置作为控制IC中的功能配置。特性估计部15基于电流检测器12所检测到的负载电流、电压检测器13所检测到的电源电压和温度检测器14所检测到的环境温度，来估计电线3b的热特性。该热特性包括热阻和热容。

具体地，在本实施例中，特性估计部15基于电流检测器12所检测到的负载电流的时间变化、电压检测器13所检测到的电源电压、温度检测器14所检测到的温度环境和存储在数据存储部16中的各种数据，来估计电线3b的热特性。也就是说，控制器10基于特性估计部15所估计的热特性和电流检测器12所检测到的负载电流来估计电线3b的温度，并在所估计的温度超过预定阈值温度时输出过流保护信号。

数据存储部16是嵌入在车辆负载控制ECU的控制IC中的或者与该控制IC分离安装的可重写非易失性存储器，且例如构造成闪存只读存储器(read only memory，ROM)。也就是说，数据存储部16能够在电源接通时重写数据，而且数据存储部16具有在切断电源之后保留数据的功能。

在数据存储部16中，存储有与多种类型电线3b的热特性有关的、对应于每种类型电线的信息。热特性是由电线类型和电线直径确定的数值。具体地，热特性主要由中心导体的材料和横截面积以及覆盖该中心导体周围的绝缘层的材料和横截面积来确定。

电线类型包括例如AVS、AVSS、CIVUS和AEX。AVS是指车辆用低压电线，AVS中的、覆盖中心导体周围的绝缘层由氯乙烯制成，且该绝缘层是薄型。AVSS是指AVS中的绝缘层是极薄的类型。CIVUS是指，在车辆用低压电线中，中心导体是压缩导体，绝缘层是超薄型氯乙烯。AEX是指车辆用低压电线，AEX中的绝缘层由交联聚乙烯制成。

电线直径是基于所计算的中心导体横截面积的数值，电线直径也称为“尺寸”。也就是说，0.3平方的尺寸对应于所计算的0.3817mm²的中心导体横截面积，0.5平方的尺寸对应于所计算的0.5629mm²的中心导体横截面积，0.85平方的尺寸对应于所计算的0.8846mm²的中心导体横截面积。

图2和图3示出了与特定类型的电线3b在特定环境温度下的多个尺寸对应的可允许电流特性，具体地，该特定类型是AVS。图3是图2中的低电流侧部分的放大图。图4示出了与特定类型的电线3b的环境温度变化对应的可允许电流特性的变化，具体地，该特定类型是AVS 0.3平方。

“可允许电流特性”是电流持续流动时流过电线3b的电流值与直到电线3b达到允许温度的时间之间的关系，并且“可允许电流特性”可根据电线3b的热特性计算得出。可根据电线3b的热特性计算得到的信息可以说是与电线3b的热特性有关的信息。“允许温度”是不会使电线3b劣化的温度，或是不会使电线3b冒烟或点燃的温度。可允许电流特性还称为例如目前市场上电线3b目录中的“排烟特性(smoke emission characteristic)”。

在下文中，将参照各个附图描述根据本实施例的过流保护装置1的操作概要和过流保护装置1实现的操作效果。

控制器10基于接收的指令信号向开关元件11输出控制信号。控制信号被输入到开关元件11的控制端。其结果是，开关元件11执行与控制信号对应的开关操作。

以这种方式，控制器10根据接收的指令信号控制开关元件11的接通/断开。由此控制负载电流。

电流检测器12检测负载电流。控制器10基于电线3b的热特性、电流检测器12所检测到的负载电流和温度检测器14所检测到的环境温度来估计电线3b的温度。当所估计的电线3b的温度超过预定阈值温度时，控制器10通过输出过流保护信号来中断负载电流。

电线3b的热特性可以根据电线3b的类型而变化。在这方面，在根据本实施例的配置中，特性估计部15基于电流检测器12所检测到的负载电流来估计电线3b的热特性。也就是说，特性估计部15基于电流检测器12所检测到的负载电流的时间变化和存储在数据存储部16中的热特性来估计电线3b的类型。接着，特性估计部15估计对应于所估计类型电线3b的热特性，作为该电线3b的热特性。

具体地，在本实施例中，特性估计部15从数据存储部16读取多种电线类型和电线直径的热特性。接着，如图5所示，特性估计部15基于读取自数据存储部16的多个热特性中的每个热特性，计算与电线类型和电线直径对应的可允许电流特性。在图5中，为了避免图示和说明的复杂性，仅图示了所计算的大量可允许电流特性中的、与示出了负载电流时间变化的曲线最接近的两个可允许电流特性。示出了负载电流时间变化的曲线在下文中缩写为“负载电流曲线”。

电源电压和环境温度会影响负载电流。因此，在特性估计部15的估计中，需要使用考虑了电源电压和环境温度的影响的电流值。因此，在本实施例中，特性估计部15基于通过利用电源电压和环境温度对电流检测器12所检测到的负载电流进行校正而获得的数值，来获取负载电流曲线。还可以假设特性的变化和老化的影响。因此，电流检测器12所检测到的负载电流可以乘以预定系数。

此外，特性估计部15通过将基于电流检测器12所检测到的负载电流的负载电流曲线与所计算的多个可允许电流特性进行比较，来估计电线3b的类型。具体地，特性估计部15指定多个可允许电流特性中的一个可允许电流特性，该一个可允许电流特性总是位于比负载电流曲线更高的电流侧且最接近负载电流曲线。接着，特性估计部15估计与指定的可允许电流特性对应的电线类型和电线直径，作为电线3b的类型。

在图5所示的具体示例中，在最接近负载电流曲线的两个可允许电流特性中，AVS0.3平方的可允许电流特性在通电时间位于10秒和100秒之间的部分与负载电流曲线相交，并且AVS 0.3平方的可允许电流特性在比相交点所在时间更长的时间侧位于比负载电流曲线更低的电流侧。但是，AVS 0.5平方的可允许电流特性在所有通电时间与负载电流曲线不相交，并且始终位于比负载电流曲线更高的电流侧。因此，在这种情况下，特性估计部15估计电线3b的类型为AVS 0.5平方。

特性估计部15估计与如上述估计的电线3b的类型对应的热特性，作为电线3b的热特性。在图5所示的具体示例中，特性估计部15估计电线3b的热特性具有与AVS 0.5平方的热特性相同的数值。控制器10基于估计的热特性执行过流保护控制。

图6示出了过流保护装置1中的电线3b的热特性的估计过程的示例。在说明书中的附图和以下描述中，“步骤”简称为“S”。

过流保护装置1在预定时间执行图6所示的特性估计过程。例如，在车辆运输检查时通过外部操作强制执行特性估计过程。此外，特性估计过程可以周期性执行，或者可以在满足特定条件时执行，例如，当车辆的点火开关接通时执行。

从以上描述显而易见，在特性估计过程中，负载电流流经负载电路3达预定的时间。因此，即使在特性估计过程中，也不能否定因过电流而导致电线3b过热的可能性。因此，需要在特性估计过程完成之前临时确定电线3b的热特性，从而在特性估计过程中并行执行过流保护控制。

因此，当开始特性估计过程时，首先在S601，过流保护装置1确定当前特性估计过程的执行是否是第一次。即，在S601，过流保护装置1确定在执行当前特性估计过程之前是否已经执行了特性估计过程。

在当前特性估计过程的执行不是第一次(即，S601＝否)时，意味着在执行当前特性估计过程之前已经执行了特性估计过程。换句话说，过流保护装置1过去估计了电线3b的热特性。因此，在这种情况下，过流保护装置1允许过程行进到S602。在S602，过流保护装置1将在执行先前特性估计过程中估计的热特性设置为临时热特性。

但是，如果当前特性估计过程的执行是第一次(即，S601＝是)，则不存在热特性估计的先前值。具体地，例如，车辆的运输检查对应于这种情况。因此，在这种情况下，过流保护装置1允许过程行进到S603。在S603，过流保护装置1将预定初始值设定为临时热特性。例如，可以使用与存储在数据存储部16的热特性中具有最低热阻的一个热特性相对应的热特性，作为该初始值。

在S602或S603设定临时热特性之后，过流保护装置1允许过程行进到S604。在S604，过流保护装置1获取环境温度Ta和电源电压V。然后，在S605，过流保护装置1开启负载电流的通电。

当开启负载电流的通电时，过流保护装置1在S606检测负载电流值。将检测到的负载电流值顺序存储在存储器中或控制器10的数据存储部16中，同时将所检测到的负载电流值与从负载电流的通电开始所经过的时间相关联，从而获得负载电流曲线。

然后，在S607，过流保护装置1基于在S606检测到的最新负载电流值和在S602或S603设置的临时热特性来计算电线3b的估计温度Te。随后，在S608，过流保护装置1确定在S607计算的估计温度Te是否不大于预定阈值温度Te_th。除了热特性是临时确定的数值之外，在S607对估计温度Te的计算过程和在S608的确定过程类似于传统的过流保护控制。

当估计温度Te超过阈值温度Te_th(即，S608＝否)时，过流保护装置1允许过程行进到S609，然后结束特性估计过程。在S609，过流保护装置1中断负载电流的通电。也就是说，控制器10输出过流保护信号。

当估计温度Te不大于阈值温度Te_th(即，S608＝是)时，过流保护装置1允许过程行进到S610。在S610，过流保护装置1确定负载电流是否变得稳定。

具体地，在S610，过流保护装置1确定从负载电流在每单位时间(例如，1秒)的变化量变得小于预定值的时间开始是否经过了预定时间。该预定时间设置成，足以通过如图5所示将负载电流曲线与多个可允许电流特性进行比较而估计电线3b类型的足够时间。例如，预定时间可以设置成大约1到2秒。

当负载电流不稳定(即，S610＝否)时，过流保护装置1将过程返回到S606。其结果是，重复检测和存储负载电流值，直到负载电流变得稳定。另一方面，当负载电流变得稳定(即，S610＝是)时，过流保护装置1执行S611至S614的过程，然后结束特性估计过程。

在S611，过流保护装置1基于所存储的且与从负载电流的通电开始起经过的时间相关联的负载电流值获取负载电流曲线。在本实施例中，在获取负载电流曲线时，将所存储的负载电流值根据在S604获取的电源电压V和环境温度Ta校正为假设的最大电流值。如果需要，还可以乘以考虑了特性变化和老化的影响的预定系数。在S612，过流保护装置1从数据存储部16读取多个热特性。

在S613，过流保护装置1基于所获取的负载电流曲线和所读取的多个热特性来指定电线3b的类型。在S614，过流保护装置1估计对应于特定类型的热特性，作为电线3b的热特性，并将电线3b的热特性设定为过流保护控制的热特性。也就是说，过流保护控制的热特性从临时确定的数值更新。

如上所述，在根据本实施例的配置中，特性估计部15基于电流检测器12所检测到的负载电流来估计电线3b的热特性。换句话说，通过在过流保护装置1电连接到电源2和负载电路3的车载状态下使负载电流实际流过，特性估计部15自动确定电线3b的热特性。

根据这样的配置，过流保护装置1可通过仅启动成车载状态来自动执行适当的过流保护操作，而无需在安装到车辆之前提前设定热特性。因此，过流保护装置1可设置成适用于各种负载电路3的通用过流保护装置。

(变型)

本公开不限于上述实施例中描述的具体示例。也就是说，可以适当地改变上述实施例。下面将描述代表性的变型。在以下变型的描述中，将仅描述与上述实施例不同的部分。另外，在上述实施例和这些变型中，相同的附图标记表示相同或等同的部件。因此，在以下变型的描述中，关于与上述实施例的组件具有相同附图标记的组件，除非存在技术上的不一致或具体的附加说明，否则可以适当地引用上述实施例中的描述。

本公开不限于上述实施例中描述的具体示例。例如，过流保护装置1的全部或一部分可配置成车载微型计算机，该车载微型计算机例如包括CPU、ROM、随机存取存储器(random access memory，RAM)和可重写非易失性存储器。替代地，过流保护装置1的全部或一部分可配置成诸如门阵列的专用集成电路(application specification integratedcircuit，ASIC)。

电压检测器13可被移除。在这种情况下，特性估计部15基于电流检测器12所检测到的负载电流的时间变化和环境温度Ta来估计电线3b的类型，即，电线3b的热特性。具体地，例如，特性估计部15在假设电源电压是最差条件(例如，大约是电源2标称电压的1.2倍)的情况下估计电线3b的类型，即电线3b的热特性。

温度检测器14可设置在智能功率器件的外部。具体地，例如，温度检测器14可安装在车辆负载控制ECU中的板(board)上，位于与智能功率器件位置不同的位置。替代地，温度检测器14可设置在车辆负载控制ECU的外部。即，例如，外部空气温度传感器的输出和进入空气温度传感器的输出可用作温度检测器14的输出。

温度检测器14可被移除。具体地，例如，特性估计部15在假设环境温度是最差条件(例如，100℃)的情况下估计电线3b的类型，即，电线3b的热特性。

在上述实施例中，在估计电线3b的类型之后，基于估计结果来估计电线3b的热特性。然而，为了容易解释本公开的内容，已经做出了这些表达。相应地，本公开不限于这些方面。

也就是说，表示电线3b类型的数据(例如，AVS 0.3平方)不是必要的。换句话说，对电线3b类型的估计不是必要的。简言之，只要将与多个电线3b的热特性有关的信息存储在数据存储部16中就足够了。

与存储在数据存储部16中的多种电线3b的热特性有关的信息不限于热特性的数值。具体地，例如，数据存储部16中也可以存储有多种电线3b的可允许电流特性。换句话说，数据存储部16可存储有与多种类型的电线3b的可允许电流值和可允许流动时间有关的信息。在这种情况下，数据存储部16可存储有例如多种类型的电线3b的热特性和可允许电流特性。

控制器10和特性估计部15可实现为设置在智能功率器件内部的控制逻辑。

数据存储部16可以是设置在车辆负载控制ECU外部的数据库。

除非特别说明上述实施例的一个或多个组成元素在上述实施例中是必要的，或者除非该一个或多个组成元素原则上显然是必要的，否则该一个或多个组成元素不一定是必要的。另外，在一个或多个组成元素的数目、数值、量、范围等被指定的情况下，本公开不必限于该实施例中所指定的一个或多个组成元素的数目、数值、量等，除非该一个或多个组成元素的数目、数值、量等被表明是必要的，或考虑到原则显然是必要的。类似地，在一个或多个组成元素的形状、方向、位置关系等被指定的情况下，本公开不必限于该形状、该方向、该位置关系等，除非该形状、方向、位置关系等被表明是必要的或原则上显然是必要的。

变型不限于上述示例。可以将多个变型彼此组合。此外，上述实施例中的全部或部分与变型中的全部或部分可以彼此组合。

Claims (7)

1.一种过流保护装置，其特征在于，所述过流保护装置设置在电源(2)和负载电路(3)之间，所述负载电路包括彼此电连接的电负载(3a)和电线(3b)，所述过流保护装置包括：

开关元件(11)，所述开关元件切换从所述电源流向所述电负载的负载电流的流动和中断；

电流检测器(12)，所述电流检测器检测所述负载电流；

特性估计部(15)，所述特性估计部基于所述电流检测器检测到的负载电流估计所述电线的热特性；和

控制器(10)，所述控制部基于所述特性估计部所估计的热特性和所述电流检测器检测到的负载电流，向所述开关元件输出用于中断所述负载电流的过流保护信号，从而保护所述负载电路免受过电流。

2.根据权利要求1所述的过流保护装置，其特征在于，所述过流保护装置还包括：

数据存储部(16)，所述数据存储部存储有与多种类型电线的热特性有关的、对应于每种类型电线的信息，其中，

所述特性估计部基于所述电流检测器检测到的负载电流的时间变化来估计所述电线的类型，并且将与所估计的类型对应的热特性估计作为所述电线的热特性。

3.根据权利要求2所述的过流保护装置，其特征在于，所述过流保护装置还包括：

温度检测器(14)，所述温度检测器检测所述电线的环境温度，其中，

所述特性估计部基于所述电流检测器检测到的负载电流的时间变化和所述温度检测器检测到的环境温度来估计所述电线的类型。

4.根据权利要求2所述的过流保护装置，其特征在于，所述过流保护装置还包括：

电压检测器(13)，所述电压检测器检测作为电源输出电压的电源电压，其中

所述特性估计部基于所述电流检测器检测到的负载电流的时间变化和所述电压检测器检测到的电源电压来估计所述电线的类型。

5.根据权利要求2所述的过流保护装置，其特征在于，

所述数据存储部存储有所述多种类型电线的热特性。

6.根据权利要求2所述的过流保护装置，其特征在于，

所述数据存储部存储有与所述多种类型电线的可允许电流值和可允许流动时间有关的信息。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的过流保护装置，其特征在于，

所述电负载是车载负载，以及

所述电线是车辆线束。