JP2009013900A

JP2009013900A - 酸素センサ用ヒータ駆動回路及びエンジンコントロールユニット

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Publication number: JP2009013900A
Application number: JP2007177703A
Authority: JP
Inventors: Junji Okonogi; 淳史小此木; Yasushi Moriya; 康守谷; Mamoru Okuda; 護奥田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】通常の過電流検出機能や過温度検出機能だけでは検出できないバッテリショートを検出することができる酸素センサ用ヒータドライバを提供する。
【解決手段】酸素センサ用ヒータ駆動回路は、酸素センサ用ヒータに直列に接続されたシャント抵抗と、酸素センサ用ヒータからシャント抵抗に流れる電流を切断し又は接続するスイッチング素子と、を有する。シャント抵抗を流れる電流がゼロでなく、且つ、酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧がゼロでないときに、スイッチング素子をオフにし、酸素センサ用ヒータからシャント抵抗に流れる電流を切断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関にて排気中の酸素濃度を測定する酸素センサに備えられているヒータを制御する酸素センサ用ヒータ駆動回路に関する。

内燃機関には、排気中の酸素濃度を測定する酸素センサが設けられている。酸素センサによって検出された排気中の酸素濃度は、燃料噴射システムにフィードバックされる。燃料噴射システムは、排気中の酸素濃度に基づいて、空燃比が理論空燃比に一致するように、燃料噴射量を制御する。

通常、酸素センサには、ヒータが設けられている。ヒータによって、センサ素子の周囲の温度が一定に保持される。センサ素子の温度が所定の温度になると、酸素センサは、検出信号を出力することができる状態になる、即ち、活性化する。

酸素センサ用ヒータを駆動する酸素センサ用ヒータドライバは、エンジンコントロールユニットのドライバＩＣに組み込まれている。酸素センサ用ヒータドライバは、エンジンコントロールユニット内のマイクロコンピュータによって制御される。マイクロコンピュータが、オン信号を酸素センサ用ヒータドライバに供給すると、酸素センサ用ヒータドライバはオンになり、酸素センサ用ヒータが駆動される。

通常、バッテリショート等により酸素センサ用ヒータドライバに過電流が流れることを阻止する過電流検出機能及び過温度検出機能が設けられている。例えば、酸素センサ用ヒータドライバは、酸素センサ用ヒータに直列に接続されたシャント抵抗を有する。シャント抵抗の両端の電位差を検出し、それをシャント抵抗の抵抗値によって除算することによって、酸素センサ用ヒータを流れる電流を検出することができる。酸素センサ用ヒータを流れる電流が所定の閾値を超えたら、酸素センサ用ヒータドライバをオフにする。

特開２００２−６１５３４号公報

酸素センサ用ヒータを流れる電流は、バッテリによって供給される。従って、酸素センサ用ヒータを流れる電流は、バッテリ負荷によって変動する。そのため、過電流検出用の閾値は、酸素センサ用ヒータを流れる電流の変動の範囲より大きな値に設定される。それによって、バッテリ負荷の変動に起因して、酸素センサ用ヒータを流れる電流が変動しても、それがバッテリショートであると誤判定されることを避けることができる。

しかしながら、閾値の値を比較的大きな値に設定すると、閾値に達しない過電流を検出することはできない。

例えば、バッテリ電圧が低いときに、端子−バッテリ間にショートが起きると、それを検出することができない可能性がある。また、ダイレクトショートではなく、ある低抵抗値を持ったショート（レアショート）が起きた場合にも、それを検出することができない可能性がある。このような場合、バッテリからの比較的大きな電流が酸素センサ用ヒータドライバを流れ続けることになる。

本発明の目的は、通常の過電流検出機能や過温度検出機能だけでは検出できないバッテリショートを検出することができる酸素センサ用ヒータドライバを提供することにある。

本発明は、バッテリから電流が供給される酸素センサ用ヒータを駆動するための酸素センサ用ヒータ駆動回路に関する。

酸素センサ用ヒータ駆動回路は、酸素センサ用ヒータに直列に接続されたシャント抵抗と、酸素センサ用ヒータからシャント抵抗に流れる電流を切断し又は接続するスイッチング素子と、を有する。シャント抵抗を流れる電流がゼロでなく、且つ、酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧がゼロでないときに、スイッチング素子をオフにし、酸素センサ用ヒータからシャント抵抗に流れる電流を切断する。

本発明によると、通常の過電流検出機能や過温度検出機能だけでは検出できないバッテリショートを検出することができる。

図１を参照して本発明によるエンジンコントロールユニットの例を説明する。自動車等の車両１は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２、バッテリ３、上位システム４、を有する。エンジンコントロールユニット２は、電源ＩＣ５、車両−ＥＣＵ間通信ドライバ６、マイクロコンピュータ７、及び、ドライバＩＣ１９を有し、エンジンルーム内、オンエンジン、車室内等、様々な場所に配置される。

上位システム４は、信号出力部２１、信号入力部２２、及び、判断部２３を有する。
マイクロコンピュータ７は、ＥＣＵの外部との通信を行う通信ポート８、ＥＣＵ内部との通信を行う通信ポート９、Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄポート）１０、出力ポート１２、入力ポート１３、及び、判断部２４を有する。

ドライバＩＣ１９は、ドライバＩＣ通信ポート１６、ドライバ入力部１７、及び、ドライバ出力部２０を有する。ドライバＩＣ１９は、外部の車両機器１８を制御及び駆動する駆動回路及びソフトウエアを有する。

マイクロコンピュータ７のＡ／Ｄコンバータ１０は、車両内の温度センサ、圧力センサ等の外部センサ１１からのセンサ信号、イグニッション電圧、レギュレータ出力電圧等のアナログ電圧値を、デジタル信号に変換する。デジタル信号は、通信ポート８及び通信ドライバ６を介して、上位システム４に送信される。マイクロコンピュータ７の入力ポート１３は、外部オン／オフ電圧出力器及びパルス出力器１４からのクランク角センサ等のパルス信号の周波数、デューティー比、ブレーキスイッチ及びギアスイッチ等のオン／オフ信号を入力する。これらの信号は、通信ポート８及び通信ドライバ６を介して上位システム４に送信される。

マイクロコンピュータ７のオン／オフ波形出力ポート１２は、ドライバＩＣ１９に駆動信号を出力する。ドライバＩＣ１９のドライバ出力部２０からの駆動信号によって、外部の車両機器１８の制御が行われる。

マイクロコンピュータの判断部２４は、入力ポート１０及び１３を介して、外部から入力された信号が異常であるか否かを判定する。ドライバＩＣ１９のドライバ出力部２０は、外部端子のショート等のユニット外部の異常を検出し、検出フラグを、マイクロコンピュータ７へ送信する。ドライバＩＣ１９は、更に、酸素センサ用ヒータを駆動する酸素センサ用ヒータドライバを有するが、それについては図２を参照して説明する。

図２を参照して、本発明による酸素センサ用ヒータドライバ３１について詳細に説明する。図２は、ドライバＩＣ１９に設けられた本発明による酸素センサ用ヒータドライバ３１のみが描かれており、それ以外の回路は省略されている。本例の酸素センサ用ヒータドライバ３１は、ドライバ部３２、電流検出部３３、オペアンプ等のバッファ３４、過電流判定部３５、及び、ドライバ温度検出部３６を有する。ドライバ部３２は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２９とシャント抵抗３０を有する。ＦＥＴ２９の代わりに、他のスイッチング素子が用いられてよい。

本発明によると、ＦＥＴ２９は、オン抵抗は十分小さいものが選択される。この理由は後に説明する。一般に、オン抵抗が十分小さいＦＥＴ２９を用いると、寸法上の理由から、酸素センサ用ヒータドライバ３１をドライバＩＣ１９に組み込むことが困難である。従って、本発明によると、酸素センサ用ヒータドライバ３１をドライバＩＣ１９の外部に配置してよい。酸素センサ用ヒータドライバ３１をドライバＩＣ１９の外部に配置することによって、ドライバＩＣ１９の小型化が可能となる。

酸素センサ用ヒータ３７の入力端は、バッテリ３に接続され、出力端は、ドライバ入力端子３８を介して、酸素センサ用ヒータドライバ３１に接続されている。また、ドライバ入力端子３８は、マイクロコンピュータ７のＡ／Ｄ入力ポート１０に接続されている。バッテリ３からの直流電流が、酸素センサ用ヒータ３７を経由して、直接マイクロコンピュータ７のＡ／Ｄ入力ポート１０に供給される。従って、ドライバ入力端子３８と、マイクロコンピュータ７のＡ／Ｄ入力ポート１０の間に、分圧抵抗や保護素子等のバッファ３９を設けてよい。

酸素センサ用ヒータドライバ３１は、酸素センサ用ヒータ３７を駆動すると同時に酸素センサ用ヒータ３７を流れる電流をモニタする機能を有する。マイクロコンピュータ７の出力ポート１２から酸素センサ用ヒータドライバ部３１のＦＥＴ２９にパルス又はオン信号が送信される。それによって、ＦＥＴ２９がオンとなる。ＦＥＴ２９がオンとなると、バッテリ３からの電流が、酸素センサ用ヒータ３７に流れる。酸素センサ用ヒータ３７を流れた電流は、ドライバ部３２を流れる。ＦＥＴ２９がオン又はオフになることを、以下に、酸素センサ用ヒータドライバ３１がオン又はオフになると表現する。電流検出部３３は、シャント抵抗３０の両端に発生する電位差を検出する。検出された電圧は、アンプ等のバッファ３４で増幅し、マイクロコンピュータ７のＡ／Ｄポート１０に送信される。マイクロコンピュータ７のＡ／Ｄポート１０は、電圧値をデジタル値に変換し、それをシャント抵抗３０の抵抗値によって除算し、電流値を得る。こうして、測定された酸素センサ用ヒータの電流値は、通信ドライバ６を介して、上位システム４に送信される。

図３Ａを参照して、酸素センサ用ヒータドライバ３１の保護機能を説明する。酸素センサ用ヒータドライバ３１は、酸素センサ用ヒータドライバ部３１のＦＥＴ２９を保護する機能を有する。図３Ａは、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓの時間変化を示す。酸素センサ用ヒータドライバ３１がオフのとき、ＦＥＴ２９はオフとなり、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓはゼロとなる。時点ｔ１にて、酸素センサ用ヒータドライバ３１がオンになると、ＦＥＴ２９はオンになり、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓは酸素センサ用ヒータ３７に流れる電流と等しくなる。電流検出部３３によって検出したシャント抵抗３０の両端の電位差は、過電流判定部３５によって監視されている。過電流判定部３５は、シャント抵抗３０の両端の電位差Ｖｓをシャント抵抗３０の抵抗値Ｒｓによって除算することによって、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓを検出する。過電流判定部３５は、電流Ｉｓが、所定の閾値Ｉｔｈを超えると、それをマイクロコンピュータ７に通知する。マイクロコンピュータ７は、出力ポート１２から酸素センサ用ヒータドライバ部３１のＦＥＴ２９に供給されている信号を遮断する。それによって、酸素センサ用ヒータドライバ３１はオフとなる。更に、ドライバ温度検出部３６は、酸素センサ用ヒータドライバ部３１内の温度が、所定の閾値を超えると、マイクロコンピュータ７の出力ポート１２から酸素センサ用ヒータドライバ部３１のＦＥＴ２９に供給されている信号を遮断する。それによって、酸素センサ用ヒータドライバ３１はオフとなる。

こうして、ドライバ部３２のＦＥＴ２９に過電流が流れることが防止され、ドライバ部３２のＦＥＴ２９が高温となることが回避される。例えば、ドライバ入力端子３８がバッテリ３とショートしてドライバ入力端子３８に過電流が流れると、酸素センサ用ヒータドライバ３１は自動的にオフとなる。

シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓは、バッテリ３の出力電圧に依存する。バッテリ３の出力電圧は、負荷の変動に従って変動する。即ち、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓは、バッテリ３の負荷の変動に伴って、変動する。過電流判定部３５が有する所定の閾値Ｉｔｈは、電流Ｉｓが変動しても、酸素センサ用ヒータドライバ３１がオフにならないように、十分大きな値に設定されている。即ち、バッテリ３の負荷の変動に伴って、電流Ｉｓが変動しても、酸素センサ用ヒータドライバ３１がオフにならないが、ドライバ入力端子３８がバッテリ３とショートして過電流が流れると、酸素センサ用ヒータドライバ３１はオフになる。

しかしながら、過電流判定部３５は、閾値Ｉｔｈを超えないレベルの過電流を検出することはできない。即ち、バッテリショートが起きても、電流Ｉｓが閾値Ｉｔｈを超えない場合には、それを検出することができない。

そこで、本発明によると、ドライバ入力端子３８の電圧を監視する。図２に示したように、ドライバ入力端子３８は、マイクロコンピュータ７のＡ／Ｄ入力ポート１０に接続されている。マイクロコンピュータ７の判断部２４、又は、上位システム４の判断部２３は、ドライバ入力端子３８の電圧を監視し、それによって、以下に説明するように、過電流判定部３５の閾値に達しないレベルのバッテリショートを検出することができる。

図３Ｂは、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍの時間変化を示す。時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ｔ１までは、酸素センサ用ヒータドライバ３１がオフである。このとき、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍは、略バッテリ３の出力電圧Ｖｂに等しい。Ｖｍ＝Ｖｂである。但し、上述のように、バッテリ３の出力電圧Ｖｂは負荷の変動に従って変動する。時刻ｔ＝ｔ１にて、酸素センサ用ヒータドライバ３１をオンにする。バッテリ３からの電流は、酸素センサ用ヒータ３７、及び、ドライバ部３２を経由し、シャーシアースに流れる。上述のように、本発明によると、ドライバ部３２のＦＥＴ２９のオン抵抗は十分小さい。ＦＥＴ２９のオン抵抗は、酸素センサ用ヒータ３７の抵抗と比較して十分小さい。そのため、酸素センサ用ヒータドライバ３１がオンのとき、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍは、略０となる。図３Ａに示すように、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓは、酸素センサ用ヒータ３７に流れる電流に等しい。従って、マイクロコンピュータ７は、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓを検出することにより、酸素センサ用ヒータ３７に流れる電流を検出することができる。

時刻ｔ＝ｔ２にて、バッテリショートした場合は、図３Ａの破線にて示すように、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓは、増加する。しかしながら、電流Ｉｓが閾値Ｉｔｈを超えない場合には、過電流判定部３５は、バッテリショートを検出しない。しかしながら、図３Ｂの破線にて示すように、バッテリショートした場合は、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍは、増加する。例えば、電圧Ｖｍは、バッテリ３の出力電圧Ｖｂより、酸素センサ用ヒータ３７の抵抗による電圧分だけ大きくなる。即ち、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓがゼロでなく、且つ、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍが、バッテリ３の出力電圧Ｖｂより僅かに大きい場合には、バッテリショートが起きたと判断する。

バッテリ３の出力電圧Ｖｂは、マイクロコンピュータ７のＡ／Ｄポート１０に供給され、デジタル信号に変換される。このデジタル信号は、マイクロコンピュータ７の判断部２４、又は、上位システム４の判断部２３が監視する。判断部２３、２４は、次のような判断を行う。

（１）時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ｔ１の間のように、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓがゼロであり、且つ、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍがゼロでない。この場合には、酸素センサ用ヒータドライバ３１はオフであると判定する。この場合、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍは、バッテリ３の出力電圧Ｖｂに等しいはずである。

（２）時刻ｔ＝ｔ１から時刻ｔ＝ｔ２の間のように、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓがゼロでない、且つ、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍがゼロである。この場合には、酸素センサ用ヒータドライバ３１はオンであると判定する。この場合、即ち、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓは、バッテリ３の出力電流Ｉｂに等しいはずである。

（３）時刻ｔ＝ｔ２より後のように、シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓがゼロでない、且つ、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍがゼロでない。この場合には、酸素センサ用ヒータ３７がバッテリにショートしていると判定し、直ちに、酸素センサ用ヒータドライバ３１をオフにする。この場合、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍは、バッテリ３の出力電流Ｉｂより僅かに大きいレベルとなるはずである。

（４）シャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓがゼロであり、且つ、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍがゼロである。この場合には、グランドショート、断線等の故障であると判定する。

マイクロコンピュータ７の判断部２４又は上位システム４の判断部２３は、判定結果に基づいて、酸素センサ用ヒータドライバ３１をオフしたり、過電流フラグを立てたりすることが可能である。

こうして、本発明によるとシャント抵抗３０を流れる電流Ｉｓばかりでなく、ドライバ入力端子３８の電圧Ｖｍを監視するから、過電流判定部３５がバッテリショートを検出しない場合でも、バッテリショートを検出することができる。勿論、過電流判定部３５がバッテリショートを検出した場合でも、マイクロコンピュータ７又は上位システム４は、同時に、バッテリショートを検出する。

以上、本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

発明によるエンジンコントロールユニットの例を説明する図である。本発明による酸素センサ用ヒータドライバの例を説明する図である。本発明による酸素センサ用ヒータドライバによって測定されるシャント抵抗を流れる電流Ｉｓの時間変化、及び、ドライバ入力端子の電圧Ｖｍの時間変化を説明する図である。

符号の説明

１・・・車両全体、２・・・エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、３・・・電源供給部（バッテリ）、４・・・上位システム部、５・・・電源ＩＣ、６・・・通信ドライバ、７・・・マイクロコンピュータ、８・・・通信ポート、９・・・通信ポート、１０・・・Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄポート）、１１・・・外部センサ（アナログ電圧出力）、１２・・・出力ポート、１３・・・入力ポート、１４・・・外部オン／オフ電圧出力器及びパルス出力器、１５・・・電源ＩＣ通信ポート、１６・・・ドライバＩＣ通信ポート、１７・・・ドライバ入力部、１８・・・車両機器、１９・・・ドライバＩＣ、２０・・・ドライバ出力部、２１・・・信号出力部、２２・・・信号入力部、２３・・・判断部、２４・・・判断部、２９・・・ＦＥＴ、３０・・・シャント抵抗、３１・・・酸素センサ用ヒータドライバ、３２・・・ドライバ部、３３・・・電流検出部、３４・・・オペアンプ等のバッファ、３５・・・過電流判定部、３６・・・ドライバ温度検出部、３７・・・酸素センサ用ヒータ、３８・・・酸素センサ用ヒータドライバ端子、３９・・・バッファ

Claims

バッテリから電流が供給される酸素センサ用ヒータを駆動するための酸素センサ用ヒータ駆動回路において、
酸素センサ用ヒータに直列に接続されたシャント抵抗と、前記酸素センサ用ヒータから前記シャント抵抗に流れる電流を切断し又は接続するスイッチング素子と、を有し、前記シャント抵抗を流れる電流がゼロでなく、且つ、前記酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧がゼロでないときに、前記スイッチング素子によって前記酸素センサ用ヒータから前記シャント抵抗に流れる電流を切断するように構成されていることを特徴とする酸素センサ用ヒータ駆動回路。
請求項１記載の酸素センサ用ヒータ駆動回路において、前記スイッチング素子は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を含むことを特徴とする酸素センサ用ヒータ駆動回路。
バッテリから電流が供給される酸素センサ用ヒータを駆動するための酸素センサ用ヒータ駆動回路と、該酸素センサ用ヒータ駆動回路を制御するマイクロコンピュータと、を有するエンジンコントロールユニットにおいて、
前記酸素センサ用ヒータ駆動回路は、前記酸素センサ用ヒータに直列に接続されたシャント抵抗と、前記酸素センサ用ヒータから前記シャント抵抗に流れる電流を切断し又は接続するスイッチング素子と、を有し、前記マイクロコンピュータは、前記シャント抵抗を流れる電流がゼロでなく、且つ、前記酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧がゼロでないときに、前記スイッチング素子を駆動し、前記酸素センサ用ヒータから前記シャント抵抗に流れる電流を切断するように構成されていることを特徴とするエンジンコントロールユニット。
請求項３記載のエンジンコントロールユニットにおいて、前記マイクロコンピュータは、外部の車両機器を制御及び駆動する駆動回路及びソフトウエアを有するドライバ集積回路を有し、前記酸素センサ用ヒータ駆動回路は、前記ドライバ集積回路の外部に設けられていることを特徴とするエンジンコントロールユニット。
請求項３記載のエンジンコントロールユニットにおいて、前記マイクロコンピュータは、アナログ電圧を入力し、それをデジタル信号に変換するＡ／Ｄポートを有し、該Ａ／Ｄポートは、前記酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧を入力することを特徴とするエンジンコントロールユニット。
請求項５記載のエンジンコントロールユニットにおいて、前記Ａ／Ｄポートは、バッファ回路を経由して、前記酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧を入力することを特徴とするエンジンコントロールユニット。
請求項３記載のエンジンコントロールユニットにおいて、前記マイクロコンピュータは前記シャント抵抗を流れる電流と前記酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧を該エンジンコントロールユニットに接続された上部システムに送信し、該上位システムから、前記スイッチング素子を切断する命令を受信することを特徴とするエンジンコントロールユニット。
バッテリから電流が供給される酸素センサ用ヒータを制御する酸素センサ用ヒータの制御方法において、
酸素センサ用ヒータに直列に接続されたシャント抵抗の両端の電位差から、前記シャント抵抗を流れる電流を検出することと、
前記酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧を検出することと、
前記シャント抵抗を流れる電流がゼロでなく、且つ、前記酸素センサ用ヒータの出力端子の電圧がゼロでないときに、前記酸素センサ用ヒータと前記シャント抵抗の間に接続されたスイッチング素子を切断し、前記酸素センサ用ヒータから前記シャント抵抗に流れる電流を切断することを特徴とする酸素センサ用ヒータの制御方法。