JP2009232610A - 負荷回路の保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フューズを模擬したスイッチ回路を用いることにより、電線の細経化を可能とする負荷回路の保護装置を提供する。
【解決手段】負荷回路に用いられる電線の許容温度よりも低い温度に閾値温度を設定する。そして、周囲温度、負荷電流、及び負荷電流が流れる時間に基づいて、電線温度を推定し、推定した温度が閾値温度に達した場合に、半導体リレーＳ１を遮断する。その結果、過電流の発生等に起因して電線温度が上昇した場合には、電線温度が許容温度に達する前の時点で確実に回路を保護することができる。このため、従来より使用しているフューズが不要となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、負荷回路に過電流が流れて電線温度が上昇した際に、即時に負荷回路を遮断して回路を保護する負荷回路の保護装置に関する。

車両に搭載されるバルブやモータ等の負荷に電力を供給する負荷回路は、バッテリと、該バッテリと負荷との間に設けられる電子スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ等）とが備えられており、バッテリ、電子スイッチ、及び負荷がそれぞれ電線を含む導体を介して接続されている。更に、電子スイッチをオン、オフ操作する制御回路が設けられており、該制御回路より出力される駆動、停止信号により、電子スイッチがオン、オフ動作して負荷の駆動、停止が切り換えられる。

このような負荷回路においては、負荷に過電流が流れた際に、いち早く回路を遮断して、負荷、電線、電子スイッチ等を保護するために、フューズが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

図１６は、従来における負荷回路を概略的に示す説明図であり、負荷１０１の電源側端子はＥＣＵ（自動車用電子制御ユニット）１０２、及びジャンクションボックス（Ｊ／Ｂ）１０３を介してバッテリＶＢに接続される。

ＥＣＵ１０２は、ＭＯＳＦＥＴ等の電子スイッチＴｒ１が複数設けられ、制御ＩＣ１０４によりオン、オフが制御される。また、各電子スイッチＴｒ１の上流側にはフューズＦ１が設けられており、該フューズＦ１により下流側の電線Ｗ１０１を保護している。換言すれば、フューズＦ１の下流側に設けられる電線Ｗ１０１は、フューズＦ１の遮断電流に耐え得る電線径（断面積）の電線が用いられている。

また、Ｊ／Ｂ１０３には、フューズＦ２が設けられており、該フューズＦ２により下流側の電線Ｗ１０２を保護している。換言すれば、フューズＦ２の下流側に設けられる電線Ｗ１０２は、フューズＦ２の遮断電流に耐え得る径（断面積）の電線が用いられている。

ここで、例えば負荷１０１としてバルブが用いられる場合には、バルブのオン時に発生するラッシュ電流及びバルブのオン、オフの繰り返しによりフューズＦ１，Ｆ２が劣化する。このため、フューズＦ１，Ｆ２の経年使用による劣化に起因してフューズＦ１，Ｆ２に誤遮断が発生する場合がある。このようなトラブルの発生を防止するために負荷電流に対して、マージンを考慮したフューズを選定している。即ち、通常よりも遮断電流を若干高くしたフューズを用いている。その結果、マージンを考慮したヒューズの特性に適合可能な電線を用いる必要があり、負荷回路に用いる電線径を細径化することが難しくなっている。
特開２００３−１００１９６号公報

昨今において、負荷回路に用いる電線をできるだけ小型化、細径化したいという要望が高まっている一方で、上述したように従来の負荷回路の保護装置では、過電流の発生により電線温度が上昇した際に回路を遮断するフューズを設けており、該フューズは経年使用による劣化に起因する誤遮断を防止するために、マージンを考慮しているので電線を小型化、細径化することが難しいという欠点がある。

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、フューズを模擬したスイッチ回路を用いることにより、電線の細経化を可能とする負荷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、電源より出力される電力を負荷に供給して駆動する負荷回路の電線温度が上昇した際に、前記負荷回路を遮断する負荷回路の保護装置において、経過時間を計時するタイマと、下流側の電線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記負荷回路の接続、遮断を切り換えるスイッチ手段と、前記電流検出手段で検出される電流値と、前記タイマで計時される経過時間とに基づいて前記電線の温度を推定する温度推定手段と、前記負荷回路に用いられる電線の許容温度（例えば、１５０℃）よりも低い閾値温度（例えば、５０℃）を設定し、前記電流検出手段で検出される電流が基準電流値（例えば、２０［Ａ］）以上であり、且つ、前記推定した温度が前記閾値温度に達した場合に、前記スイッチ手段を遮断する遮断制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１の発明では、電流検出手段で負荷電流が検出され、且つ電流が流れる時間がタイマで計時され、これらの結果に基づいて電線温度が推定される。そして、推定された温度が閾値温度を超えた場合に、スイッチ手段を遮断して回路を保護する。従って、閾値温度を電線の許容温度よりも低い温度に設定することにより、電線温度が上昇した場合でも、上昇温度が許容温度に達する前に確実に回路を遮断して電線及び負荷を保護することができる。また、電流値が予め設定した基準電流値未満である場合には、温度推定を行うものの、スイッチ手段を遮断せず接続状態を維持する。従って、通常電流で回路が遮断されるというトラブルの発生を回避することができる。

請求項２に記載の発明は、前記遮断制御手段は、前記スイッチ手段を遮断した後、前記温度推定手段により推定される温度が周囲温度以下に低下した場合に、前記スイッチ手段を接続可能状態にすることを特徴とする。

請求項２の発明では、電線温度が閾値温度を超えてスイッチ手段を遮断した後においても電線温度の推定を継続し、電線温度が周囲温度（例えば、２５℃）以下に低下した場合に、スイッチ手段を接続可能状態とする。従って、電線温度が高いままの状態で再度負荷回路の通電が開始されることを回避でき、負荷回路を確実に保護することができる。

請求項３に記載の発明は、前記閾値温度は、前記負荷回路に用いられる電線径よりも１ランク細い電線径の許容温度より低い温度に設定することを特徴とする。

請求項３の発明では、許容温度を、負荷回路に通常使用される電線径よりも１ランク細い電線径の許容温度より低くすることにより、従来より細い電線径の電線を使用できるようになり、電線の細径化、小型化を図ることができ、全体として小型化、省スペース化を図ることができる。更には、車両に搭載される負荷回路に適用する場合には、燃費向上を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、前記閾値温度を、前記基準電流値以上の電流値となる領域で、前記負荷回路に用いられる電線を保護するために使用するフューズの最低遮断温度と最高遮断温度との間となる温度に設定することを特徴とする。

請求項４の発明では、負荷回路の電線保護用に通常用いられるフューズの特性を模擬した温度特性とすることができるので、従来のフューズと同等の効果を得ることができる。

請求項５に記載の発明は、前記遮断制御手段は、下記（１）式を用いて前記電線の発熱温度を算出し、下記（２）式を用いて前記電線の放熱温度を算出することを特徴とする。

Ｔ２＝Ｔ１＋Ｉ１^２ｒＲ｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｃ・Ｒ）｝ …（１）
Ｔ２＝Ｔ１＋Ｉ２^２ｒＲ｛ｅｘｐ（−ｔ／Ｃ・Ｒ）｝ …（２）
但し、Ｔ１は周囲温度［℃］、Ｔ２は電線の推定温度［℃］、Ｉ１，Ｉ２は通電電流［Ａ］、ｒは電線導体抵抗［Ω］、Ｒは熱抵抗［℃／Ｗ］、Ｃは熱容量［Ｊ／℃］、ｔは時間［sec］。

請求項５の発明では、（１）式、（２）式を用いて電線の発熱、放熱を計算して電線の推定温度を求めるので、高精度な温度推定が可能となる。

本発明に係る負荷回路の保護装置では、負荷回路を接続する電線温度を推定し、推定した電線温度が閾値温度を超えた場合には、スイッチ手段を遮断して回路を保護する。従って、過電流による発熱により電線温度が上昇した場合には、許容温度に達する前に確実に回路を遮断して電線、負荷を保護することができる。また、従来のフューズのように、ラッシュ電流の繰り返しにより劣化することがなく、遮断温度にマージンをとる必要がないので、電線径を細径化することができる。このため、電線の小型、軽量化を図ることができ、ひいては燃費向上の効果を発揮することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る保護装置が適用される負荷回路の構成を示す回路図である。

図１に示す負荷回路は、例えば、車両に搭載されるバルブ、モータ等の負荷１１に、バッテリＶＢ（電源）より出力される電力を供給して各負荷１１の駆動、停止を制御する回路であり、ＥＣＵ（自動車用電子制御ユニット）１２、及びジャンクションボックス（Ｊ／Ｂ）１３を備えている。

ＥＣＵ１２は、ＭＯＳＦＥＴ等の電子スイッチＴｒ１を複数備えており、各電子スイッチＴｒ１の一方の端子は負荷１１に接続され、他方の端子は電線Ｗ１を介してＪ／Ｂ１３に接続されている。また、ＥＣＵ１２は制御ＩＣ１４を備えており、該制御ＩＣ１４により各電子スイッチＴｒ１のオン、オフが制御され、これに伴って負荷１１の駆動、停止が制御される。

Ｊ／Ｂ１３は、電線Ｗ１とバッテリＶＢを接続するスイッチ回路１６（図中、「ＩＰＳ」で示す）を複数備えており、該スイッチ回路１６は、制御部１５の制御下で動作する。

図２は、スイッチ回路１６の詳細な構成を示すブロック図である。図２に示すように、スイッチ回路１６は、半導体リレーＳ１（スイッチ手段）と、電線Ｗ１に流れる電流を検出する電流計１６３と、電流が流れる経過時間を計時するタイマ１６２と、電流計１６３で検出される電流値、及びタイマ１６２で計時される時間に基づいて半導体リレーＳ１のオン、オフを制御する制御回路１６１を備えている。

そして、本実施形態に係る負荷回路の保護装置では、制御回路１６１により後述する手法を用いて電線Ｗ１の温度を推定し、電線Ｗ１の推定温度が所定の閾値温度（例えば、５０℃）に達した場合に電線Ｗ１の上流側を遮断して、電線Ｗ１、及び該電線Ｗ１の下流側に設けられる各電子スイッチＴｒ１及び各負荷１１を保護する。

以下、電線Ｗ１の温度を推定する手法について詳細に説明する。以下に示す（１）式は、発熱時における電線温度を示す一般式であり、（２）式は、放熱時における電線温度を示す一般式である。

Ｔ２＝Ｔ１＋Ｉ１^２ｒＲ｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｃ・Ｒ）｝ …（１）
Ｔ２＝Ｔ１＋Ｉ２^２ｒＲ｛ｅｘｐ（−ｔ／Ｃ・Ｒ）｝ …（２）
（１）、（２）式において、Ｔ１は周囲温度［℃］、Ｔ２は電線の推定温度［℃］、Ｉ１，Ｉ２は通電電流［Ａ］、ｒは電線導体抵抗［Ω］、Ｒは熱抵抗［℃／Ｗ］、Ｃは熱容量［Ｊ／℃］、ｔは時間［sec］である。

従って、（１）式に、周囲温度Ｔ１、電流Ｉ１、時間ｔを代入することにより発熱時における電線Ｗ１の推定温度Ｔ２を求めることができ、（２）式に、周囲温度Ｔ１、電流Ｉ２、時間ｔを代入することにより放熱時における電線Ｗ１の推定温度Ｔ２を求めることができる。

そして、推定温度Ｔ２が所定の閾値温度に達した時点でスイッチ回路１６を遮断すれば、電線Ｗ１を含む負荷回路全体を保護することができる。例えば、電線Ｗ１の許容温度が１５０℃である場合には、閾値温度をこの１５０℃よりも低い温度である５０℃に設定しておけば、過電流による発熱で電線Ｗ１が許容温度を超え、発煙するに至る前の時点で回路を遮断して、電線Ｗ１を含む負荷回路全体を保護することができる。従って、従来のように、各負荷回路の上流側にフューズを設けることなく、確実に温度上昇を検知して回路を遮断し、回路を保護することができる。なお、上記の周囲温度Ｔ１は、回路が設けられる環境に基づく雰囲気温度を代入する方法、または、温度計（図示省略）を設置し、該温度計で検出される温度を代入する方法等を用いることができる。

ここで、本実施形態では、従来より使用されているフューズの代わりにスイッチ回路１６を設けることにより回路を保護するので、スイッチ回路１６は、フューズを模擬した温度特性を備えていることが望まれる。そこで、本実施形態では、図４〜図９の特性図に示す手順で、スイッチ回路１６の温度特性を設定する。以下、図４〜図９を参照して、スイッチ回路１６の温度特性を設定する手順について説明する。

図４に示す曲線ｓ１は、許容温度を１５０℃としたときの、電流・時間特性を示す特性図である。即ち、曲線ｓ１は、上述した（１）式の左辺のＴ２を１５０℃に固定したときの、右辺の電流Ｉ１と経過時間ｔ［sec］との関係を示している。曲線ｓ１から理解されるように、電線の許容温度（過熱により発煙する温度）が１５０℃である場合には、例えば５０［Ａ］の電流が１０秒間流れた場合には、電線温度は１５０℃に達しないが、９０［Ａ］の電流が１０秒間流れた場合には、電線温度は１５０℃に達することを示している。つまり、曲線ｓ１の内側（図中、左下側）の電流値で動作すれば、電線温度は許容温度である１５０℃に達することはない。

また、曲線ｓ２、ｓ３は、許容温度が１５０℃の電線の上流側に設けられる、一般的な規格のフューズの遮断温度特性曲線であり、曲線ｓ２は最大値（ＭＡＸ）、曲線ｓ３は最小値（ＭＩＮ）を示している。つまり、このフューズは、曲線ｓ２とｓ３との間の領域となる電流が流れたときに遮断して回路を保護する。よって、このフューズを用いることにより、電線の温度が１５０℃に達する前の時点で確実に回路を遮断することができることになる。従って、スイッチ回路１６が、曲線ｓ２とｓ３の間となる温度特性を備える構成とすれば、従来より用いられているフューズの特性を模擬できることになる。

図５は、電線に流れる電流が２０［Ａ］（基準電流値）未満の場合には正常電流とし、２０［Ａ］以上の場合には異常電流であるものとすることを示している。そして、電線に流れる電流が正常電流（２０［Ａ］未満）である場合には、電線温度に関わらずスイッチ回路１６を遮断しないように設定する。

図６は、図４，図５に示した曲線ｓ３とｓ４の間となる温度特性の一例として、許容温度を５０℃とした場合の温度特性曲線ｓ４を示している。即ち、曲線ｓ４は上述した（１）式の左辺のＴ２を５０℃に固定したときの、右辺の電流Ｉ１と経過時間ｔ［sec］との関係を示している。そして、図６から理解されるように、曲線ｓ４は、電流が２０［Ａ］以上の領域では、フューズの温度特性の最大値、及び最小値を示す曲線ｓ２，ｓ３の間を通る曲線となっている。つまり、電流が２０［Ａ］以上の領域では、（１）式、及び（２）式を用いて発熱による電線温度、及び放熱による電線温度を算出し、電線温度（即ち、Ｔ２）が５０℃となった時点でスイッチ回路１６を遮断すれば、ヒューズと同等の効果を得ることができることが判る。

図７は、図６に示す各種の特性曲線に、更に、負荷特性を示す曲線ｓ５を記入している。そして、図７から理解されるように、低電流領域では曲線ｓ４とｓ５が交差しているので、５０℃の温度特性曲線ｓ４を用いると、低電流領域では通常電流でスイッチ回路１６が遮断されることになる。

図８は、電流が２０［Ａ］未満の領域ではスイッチ回路１６を遮断しないように設定したときの、許容温度５０℃の温度特性曲線ｓ６を示している。このように設定することにより、曲線ｓ６と曲線ｓ５は交錯せず、また、曲線ｓ６は曲線ｓ２とｓ３の間の領域に納まることになる。つまり、電流が２０［Ａ］（基準電流値）未満の領域ではスイッチ回路１６を遮断せず、電流が２０［Ａ］以上の領域では５０℃の温度特性曲線を用いることにより、フューズと同等の特性を得ることができる。

図９は、スイッチ回路１６が曲線ｓ６に示す温度特性で回路を遮断可能であることにより、電線径を従来よりも細径化できることを示している。即ち、曲線ｓ６に示す如くの温度特性を備えるスイッチ回路１６を用いることにより、曲線ｓ１に示す許容温度の電線を、例えば、この電線よりも許容温度の低い曲線ｓ７の許容温度の電線に変更しても、問題なく使用することができる。つまり、本実施形態に係る負荷回路の保護装置では、従来のフューズと同等の温度特性を備えるスイッチ回路１６を用いることにより、電線径を細径化できることになる。

次に、上述した（１）式による発熱時の電線温度の算出、及び（２）式による放熱時の電線温度の算出手順について、図１０〜図１５に示すパターン１〜６を説明する。

［パターン１］
図１０（ａ）は一定電流（４０［Ａ］）で電線温度が飽和し、その後電流が遮断されて放熱する場合の、電線の温度変化を示す特性図、図１０（ｂ）は状態変化を示す説明図である。いま、初期温度が周囲温度のＴ０で（状態Ｐ１）、電線に４０［Ａ］の電流が流れると、電線温度は、温度Ｔ０から徐々に上昇し（状態Ｐ２）、時刻ｔｘ＝ｔ１で電流４０［Ａ］の飽和温度Ｔ40maxに達する。即ち、上述した（１）式の右辺の周囲温度Ｔ１にＴ０を代入し、電流Ｉ１に４０［Ａ］を代入し、時間ｔにｔ１を代入すると、発熱による電線の推定温度Ｔ２は、図１０（ａ）に示す曲線で上昇して時刻ｔ１で飽和温度Ｔ40maxに達することになる。

その後、電流が遮断されると、このときの電線温度がＴ40maxであるから、電線温度Ｔ40maxで飽和する電流値Ｉ２を逆算出する（状態Ｐ３）。その結果、電流値Ｉ２は４０［Ａ］として求められる。そして、（２）式に示すＴ１に周囲温度を代入し、更に求めた電流値Ｉ２及び経過時間ｔを代入して、放熱による電線の推定温度Ｔ２が求められる（状態Ｐ４）。

つまり、電線に４０［Ａ］の電流が流れて電線の温度がこの電流４０［Ａ］の飽和温度Ｔ40maxに達した後、電流を遮断した場合には、（２）式右辺に示される電流Ｉ２に４０［Ａ］を代入して放熱時の電線温度を求める。

［パターン２］
図１１（ａ）は一定電流（４０［Ａ］）で電線温度が上昇し、電線温度が飽和温度Ｔ40maxに達する前の過渡状態で電流が遮断されて放熱する場合の、電線の温度変化を示す特性図、図１１（ｂ）は状態変化を示す説明図である。いま、初期温度が周囲温度のＴ０で（状態Ｐ１１）、電線に４０［Ａ］の電流が流れると、電線温度は、温度Ｔ０から徐々に上昇する（状態Ｐ１２）。そして、時刻ｔｘで電流４０［Ａ］の通電を遮断した場合、即ち、４０［Ａ］の通電による飽和温度Ｔ40maxに達する前の過渡温度で電流が遮断された場合には、このときの発熱による温度Ｔｘを求め、この温度Ｔｘが飽和温度となる電流値Ｉ２を逆算出する（状態Ｐ１３）。例えば、時刻ｔｘでの電線温度Ｔｘが電流３０［Ａ］が流れたときの飽和温度Ｔ30maxであった場合には、（２）式の右辺の電流Ｉ２に３０［Ａ］を代入し、更に、Ｔ１に周囲温度を代入し、経過時間ｔを代入することにより、放熱による電線の推定温度Ｔ２が求められる（状態Ｐ１４）。

つまり、４０［Ａ］の電流が流れて電線温度が４０［Ａ］の飽和温度Ｔ40maxに達する前に電流を遮断した場合には、電流を遮断したときの温度で飽和する電流を求め、この電流を（２）式右辺に代入して放熱した場合の電線温度を求める。

［パターン３］
図１２（ａ）は第１電流（例えば３０［Ａ］）により電線温度が飽和温度に達し、更に、第１電流よりも大きい第２電流（例えば４０［Ａ］）により電線温度が飽和温度に達する場合の、電線の温度変化を示す特性図、図１２（ｂ）は状態変化を示す説明図である。いま、初期温度が周囲温度のＴ０で（状態Ｐ２１）、電線に３０［Ａ］の電流が流れると、電線温度Ｔｘは、温度Ｔ０から徐々に上昇し（状態Ｐ２２）、時刻ｔ１で飽和温度Ｔ30maxに達する（状態Ｐ２３）。

この状態で、電流が４０［Ａ］に変化した場合には、当初から４０［Ａ］の電流が流れて電線温度がＴ30maxとなったものと仮定した場合の経過時間ｔ３を逆算する（状態Ｐ２４）。そして、（１）式の右辺の電流Ｉ１に４０［Ａ］を代入し、且つ、時間ｔに前記ｔ３を代入して、時刻ｔ２となるまでの推定温度Ｔ２を求める（再度、状態Ｐ２２）。そして、時刻ｔ２となると電線温度は４０［Ａ］の飽和温度Ｔ40maxに達する（状態Ｐ２５）。

つまり、３０［Ａ］の電流が流れて電線温度が３０［Ａ］の飽和温度Ｔ30maxに達し、その後、電流が４０［Ａ］に変化した場合には、当初から４０［Ａ］の電流が流れたものと仮定したときの経過時間、即ち、図１２（ａ）に示す時間ｔ３を算出し、この時間ｔ３を（１）式に代入して電線温度を求める。

［パターン４］
図１３（ａ）は第１電流（例えば３０［Ａ］）により電線温度が上昇し、この第１電流による飽和温度Ｔ30maxに達する前に、第１電流よりも大きい第２電流（例えば４０［Ａ］）に変更されて、この第２電流の飽和温度Ｔ40maxに達する場合の、電線の温度変化を示す特性図、図１３（ｂ）は状態変化を示す説明図である。いま、初期温度が周囲温度のＴ０で（状態Ｐ３１）、電線に３０［Ａ］の電流が流れると、電線温度Ｔｘは温度Ｔ０から徐々に上昇する（状態Ｐ３２）。そして、時刻ｔｘで電線温度がＴｘとなったときに電流が４０［Ａ］に変更されると、当初から４０［Ａ］の電流が流れて電線温度がＴｘとなったものと仮定した場合の経過時間ｔ３を逆算する（状態Ｐ３３）。そして、（１）式の右辺の電流Ｉ１に４０［Ａ］を代入し、且つ、時間ｔに前記ｔ３を代入して、時刻ｔ２となるまでの推定温度Ｔ２を求める（再度、状態Ｐ３２）。そして、時刻ｔ２となると電線温度は４０［Ａ］の飽和温度Ｔ40maxに達する（状態Ｐ３４）。

つまり、３０［Ａ］の電流が流れて電線温度が３０［Ａ］の飽和温度に達する前の温度Ｔｘとなった時点で、電流が４０［Ａ］に変化した場合には、当初から４０［Ａ］の電流が流れたものと仮定したときの経過時間、即ち、図１３（ａ）に示す時間ｔ３を算出し、この時間ｔ３を（１）式に代入して電線温度を求める。

［パターン５］
図１４（ａ）は第１電流（例えば４０［Ａ］）により電線温度が第１電流の飽和温度Ｔ40maxに達し、更に、第１電流よりも小さい第２電流（例えば３０［Ａ］）により電線温度が第２電流の飽和温度Ｔ30maxまで低下する場合の、電線の温度変化を示す特性図、図１４（ｂ）は状態変化を示す説明図である。いま、初期温度が周囲温度のＴ０で（状態Ｐ４１）、電線に４０［Ａ］の電流が流れると、電線温度Ｔｘは温度Ｔ０から徐々に上昇し（状態Ｐ４２）、時刻ｔ１で飽和温度Ｔ40maxに達する（状態Ｐ４３）。

この状態で、電流が３０［Ａ］に変化した場合には、４０［Ａ］での飽和温度Ｔ40maxと３０［Ａ］での飽和温度Ｔ30maxとの差分ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ40max−Ｔ30max）を求め、この温度ΔＴで飽和する電流値Ｉ２を算出する（状態Ｐ４４）。その結果、例えば、Ｉ２＝７．５［Ａ］となった場合には、（２）式の右辺のＩ２に電流７．５［Ａ］を代入して放熱による電線の推定温度Ｔ２を求める（状態Ｐ４５）。その後、時間ｔ２が経過すると、電線温度は３０［Ａ］の電流が流れたときの飽和温度Ｔ30maxに達する（状態Ｐ４６）。

つまり、４０［Ａ］の電流が流れて電線温度が４０［Ａ］の飽和温度Ｔ40maxに達し、その後、電流が３０［Ａ］に変化した場合には、各飽和温度の差分ΔＴを求め、この差分温度ΔＴで飽和する電流値Ｉ２を算出し、この電流値Ｉ２を（２）式に代入することにより、電線温度を求める。

［パターン６］
図１５（ａ）は第１電流（例えば４０［Ａ］）により電線温度が上昇し、第１電流の飽和温度Ｔ40maxに達する前の温度Ｔｘとなったときに、第１電流よりも小さい第２電流（例えば３０［Ａ］）に変更されて、電線温度が低下して第２電流の飽和温度Ｔ30maxに達する場合の、電線の温度変化を示す特性図、図１５（ｂ）は状態変化を示す説明図である。いま、初期温度が周囲温度のＴ０で（状態Ｐ５１）、電線に４０［Ａ］の電流が流れると、電線温度Ｔｘは温度Ｔ０から徐々に上昇する（状態Ｐ５２）。そして、時刻ｔｘで電線温度がＴｘとなったときに電流が３０［Ａ］に変更されると、温度Ｔｘと３０［Ａ］の電流が流れたときの飽和温度Ｔ30maxとの差分ΔＴ（ΔＴ＝Ｔｘ−Ｔ30max）を求め、この温度ΔＴで飽和する電流値Ｉ２を算出する（状態Ｐ５３）。その結果、例えば、Ｉ２＝５［Ａ］となった場合には、（２）式の右辺のＩ２に電流５［Ａ］を代入して放熱による電線の推定温度Ｔ２を求める（状態Ｐ５４）。その後、時間ｔ２が経過すると、電線温度は３０［Ａ］通電時の飽和温度Ｔ30maxに達する（状態Ｐ５５）。

つまり、４０［Ａ］の電流が流れて電線温度が４０［Ａ］の飽和温度Ｔ40maxに達する前の温度Ｔｘとなった時点で、電流が３０［Ａ］に変化した場合には、温度Ｔｘと３０［Ａ］通電時の飽和温度Ｔ30maxの差分ΔＴを算出し、この差分温度ΔＴで飽和する電流値Ｉ２を算出し、この電流値Ｉ２を（２）式に代入することにより、電線温度を求める。

次に、図３に示すフローチャートを参照して、本実施形態に係る負荷回路の保護装置の処理動作について説明する。なお、図３に示す一連の処理は、所定のサンプリング周期で繰り返して実行される。

まず、図２に示すスイッチ回路１６の制御回路１６１は、ステップＳ１１の処理にて、電流計１６３により電流が検出されたか否かを判定する。即ち、図１に示す負荷１１に電流が流れているか否かを判定する。そして、電流が流れていると判定した場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ステップＳ１２に処理を移し、電流が流れていると判定しない場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、ステップＳ１７に処理を移す。

ステップＳ１２では、制御回路１６１は、ステップＳ１１の処理で検出された電流が、予め設定した閾値電流（例えば、２０［Ａ］）以下であるか否かを判定する。そして、閾値電流以下である場合には（ステップＳ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１３に処理を移し、閾値電流以下でない場合には（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１４に処理を移す。 ステップＳ１３では、制御回路１６１は、現在の電流値の目標温度（現在の電流値が流れ続けた場合の飽和温度）が、現状推定温度（前回サンプリング時の目標温度）以上であるか否かを判定する。そして、目標温度が現状推定温度以上であると判定した場合には（ステップＳ１３でＹＥＳ）、ステップＳ１５に処理を移し、目標温度が現状推定温度以上であると判定しない場合には（ステップＳ１３でＮＯ）、ステップＳ１７に処理を移す。

ステップＳ１４では、制御回路１６１は、現在の電流値の目標温度（現在の電流値が流れ続けた場合の飽和温度）が、現状推定温度（前回サンプリング時の目標温度）以上であるか否かを判定する。そして、目標温度が現状推定温度以上であると判定した場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、ステップＳ１６に処理を移し、目標温度が現状推定温度以上であると判定しない場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、ステップＳ１７に処理を移す。

ステップＳ１５では、制御回路１６１は、（１）式により目標温度に向けて発熱処理を実行する。この際、前述のパターン３及びパターン４に示した温度推定方法を用いる。この処理が終了した場合には、ステップＳ１８に処理を移す。

ステップＳ１６では、制御回路１６１は、（１）式により目標温度に向けて発熱処理（Ｔ２＝５０℃）を実行する。この際、前述のパターン３及びパターン４に示した温度推定方法を用いる。この処理が終了した場合には、ステップＳ１８に処理を移す。

ステップＳ１７では、制御回路１６１は、（２）式により目標温度に向けて放熱処理を実行する。この際、前述のパターン１，２，５，６に示した温度推定方法を用いる。また、電流が検出されない場合の目標温度は周囲温度とする。この処理が終了した場合には、ステップＳ１８に処理を移す。

ステップＳ１８では、制御回路１６１は、ステップＳ１５，Ｓ１６，Ｓ１７の処理で求められた温度に基づいて、電線Ｗ１の現在の推定温度を算出する。更に、算出した推定温度をメモリ（図示省略）等に記憶保存する。この処理が終了した場合には、ステップＳ１９に処理を移す。

ステップＳ１９では、ステップＳ１８の処理で算出された推定温度が、設定保護温度以下であるか否かを判定する。設定保護温度は、例えば５０℃に設定されている。そして、推定温度が設定保護温度以下である場合には（ステップＳ１９でＹＥＳ）、ステップＳ１１の処理に戻る。また、推定温度が設定保護温度以下でない場合には（ステップＳ１９でＮＯ）、ステップＳ２０に処理を移す。

ステップＳ２０では、図２に示す半導体リレーＳ１を強制的にオフとする。この処理が終了した場合には、ステップＳ２１に処理を移す。つまり、電線の推定温度が閾値温度以上である場合には、半導体リレーＳ１を遮断して回路を保護する。

ステップＳ２１では、制御回路１６１は、（２）式を用いて、目標温度を周囲温度として放熱処理を実行する。即ち、半導体リレーＳ１がオフとされている場合でも、電線Ｗ１は放熱しているので、この放熱温度を求める。この処理が終了した場合には、ステップＳ２２に処理を移す。

ステップＳ２２では、制御回路１６１は、推定温度が周囲温度以下となったか否かを判定する。そして、推定温度が周囲温度以下となった場合には（ステップＳ２２でＹＥＳ）、ステップＳ２３に処理を移し、推定温度が周囲温度以下とならない場合には（ステップＳ２２でＮＯ）、ステップＳ２１の処理に戻す。

ステップＳ２３では、制御回路１６１は、半導体リレーＳ１の強制オフを解除する。即ち、電線Ｗ１の推定温度が周囲温度以下に低下した場合には、電線Ｗ１に再度電流を流しても問題はないので、半導体リレーＳ１の強制オフを解除する。この処理が終了した場合には、ステップＳ１１の処理に戻す。

このようにして、本実施形態に係る負荷回路の保護装置では、（１）式、（２）式を用いて電線Ｗ１の温度を推定し、この推定温度が閾値温度（例えば、５０℃）に達した場合には、半導体リレーＳ１を遮断することにより、負荷回路を保護する。従って、負荷１１に過電流が流れ、電線Ｗ１の許容温度（例えば、１５０℃）に達する前の時点で、確実に回路を遮断して電線Ｗ１及びその下流側に設けられる負荷１１を保護することができ、従来のフューズを使用する必要がない。

更に、従来のフューズのように、ラッシュ電流及び負荷のオン、オフの繰り返しにより劣化することがなく、遮断温度にマージンをとる必要がないので、電線径を細径化することができ、電線の小型、軽量化を図ることができ、ひいては燃費向上の効果を発揮することができる。

また、従来のフューズは５［Ａ］、７．５［Ａ］、１０［Ａ］、１５［Ａ］、２０［Ａ］・・のように決められた電流値が設定されていたが、本実施形態に係る負荷回路の保護装置では、任意の電流値（例えば、６［Ａ］、１２．５［Ａ］等）を設定できるので、電線径の細径化に役立てることができる。

また、温度推定方式を利用しているため、１つの負荷に対して１つのフューズの構成を備える負荷回路のみならず、下流側に分岐した複数の負荷が接続されるシステムや、ランダムなタイミングで負荷のオン、オフが行われる負荷回路にも適用することができる。

以上、本発明の負荷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、本実施形態は、車両に搭載される負荷回路を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の負荷回路にも適用することができる。

負荷回路に用いられるフューズを使用することなく電線を保護する上で極めて有用である。

本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、スイッチ回路の詳細な構成を示すブロックである。 本発明の一実施形態に係る負荷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負荷回路の保護装置の、温度特性を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、温度特性を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、温度特性を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、温度特性を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、温度特性を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、温度特性を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、発熱による電線温度の算出、及び放熱による電線温度の算出手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、発熱による電線温度の算出、及び放熱による電線温度の算出手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、発熱による電線温度の算出、及び放熱による電線温度の算出手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、発熱による電線温度の算出、及び放熱による電線温度の算出手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、発熱による電線温度の算出、及び放熱による電線温度の算出手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、発熱による電線温度の算出、及び放熱による電線温度の算出手順を示す説明図である。 従来における負荷回路の保護装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１１ 負荷
１２ ＥＣＵ
１３ Ｊ／Ｂ（ジャンクションボックス）
１４ 制御ＩＣ
１５ 制御部
１６ スイッチ回路
１６１ 制御回路
１６２ タイマ
１６３ 電流計（電流検出手段）
ＶＢ バッテリ
Ｓ１ 半導体リレー（スイッチ手段）

Claims (5)

1. 電源より出力される電力を負荷に供給して駆動する負荷回路の電線温度が上昇した際に、前記負荷回路を遮断する負荷回路の保護装置において、
   経過時間を計時するタイマと、
   下流側の電線に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記負荷回路の接続、遮断を切り換えるスイッチ手段と、
   前記電流検出手段で検出される電流値と、前記タイマで計時される経過時間とに基づいて前記電線の温度を推定する温度推定手段と、
   前記負荷回路に用いられる電線の許容温度よりも低い閾値温度を設定し、前記電流検出手段で検出される電流が基準電流値以上であり、且つ、前記推定した温度が前記閾値温度に達した場合に、前記スイッチ手段を遮断する遮断制御手段と、
   を備えることを特徴とする負荷回路の保護装置。
2. 前記遮断制御手段は、前記スイッチ手段を遮断した後、前記温度推定手段により推定される温度が周囲温度以下に低下した場合に、前記スイッチ手段を接続可能状態にすることを特徴とする請求項１に記載の負荷回路の保護装置。
3. 前記閾値温度は、前記負荷回路に用いられる電線径よりも１ランク細い電線径の許容温度より低い温度に設定することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の負荷回路の保護装置。
4. 前記閾値温度を、前記基準電流値以上の電流値となる領域で、前記負荷回路に用いられる電線を保護するために使用するフューズの最低遮断温度と最高遮断温度との間となる温度に設定することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の負荷回路の保護装置。
5. 前記遮断制御手段は、下記（１）式を用いて発熱時の電線温度を算出し、下記（２）式を用いて放熱時の電線温度を算出することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の負荷回路の保護装置。
   Ｔ２＝Ｔ１＋Ｉ１^２ｒＲ｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｃ・Ｒ）｝ …（１）
   Ｔ２＝Ｔ１＋Ｉ２^２ｒＲ｛ｅｘｐ（−ｔ／Ｃ・Ｒ）｝ …（２）
   但し、Ｔ１は周囲温度［℃］、Ｔ２は電線の推定温度［℃］、Ｉ１，Ｉ２は通電電流［Ａ］、ｒは電線導体抵抗［Ω］、Ｒは熱抵抗［℃／Ｗ］、Ｃは熱容量［Ｊ／℃］、ｔは時間［sec］。

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