JP2009261088A

JP2009261088A - 負荷回路の保護装置

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Publication number: JP2009261088A
Application number: JP2008105730A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Nakamura; 吉秀中村; Akinori Maruyama; 晃則丸山; Keisuke Ueda; 圭祐上田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2009-11-05

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】発熱による電線温度を求める演算式、及び放熱による電線温度を求める演算式の、導体抵抗ｒ、及び熱容量Ｃをそれぞれ疑似導体抵抗ｒ*、疑似熱容量Ｃ*として、疑似演算式を作成する。そして、この疑似演算式を用いて電線温度を求め、求められた電線温度が電線の許容温度に達した時点で半導体リレー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１８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、前記負荷回路に用いられる電線の熱容量よりも小さい疑似熱容量、及び前記電線の導体抵抗よりも大きい疑似導体抵抗が設定され、電線の熱容量と導体抵抗を用いて電線温度を算出する演算式に、前記疑似熱容量及び前記疑似導体抵抗を代入した疑似演算式を有し、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き、前記疑似演算式を用いて前記電線の温度を推定する温度推定手段と、前記温度推定手段で推定される電線温度が前記電線の許容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、を備えたことを特徴とする。

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３に記載の発明は、前記疑似演算式に基づく電流・遮断時間特性は、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電流・遮断時間特性よりも低くなるように、前記疑似導体抵抗、及び前記疑似熱容量が設定されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記疑似演算式に基づく電流・遮断時間特性は、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の電流・遮断時間特性と、最高の電流・遮断時間特性との間となるように、前記疑似導体抵抗、及び前記疑似熱容量が設定されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記電線温度を算出する演算式は、発熱時が下記（１）式であり、放熱時が下記（２）式であ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］。

本発明に係る負荷回路の保護装置では、負荷回路に接続する電線温度を推定する演算式の電線の導体抵抗、及び熱容量をそれぞれ疑似導体抵抗ｒ*、及び疑似熱容量Ｃ*として、電線温度を推定し、推定した電線温度が電線の許容温度（例えば、発煙温度）に達した場合には、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、電線の実際の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（温度推定手段、遮断制御手段）１６１により後述する手法（疑似演算式を用いた電線温度の推定手法）を用いて電線Ｗ１の温度を推定し、電線Ｗ１の推定温度が電線Ｗ１の許容温度（例えば、１５０℃）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は電線の導体抵抗［Ω］、Ｒは熱抵抗［℃／Ｗ］、Ｃは熱容量［Ｊ／℃］、ｔは時間［sec］である。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。

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が許容温度に達して、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。

本実施形態では、閾値温度を電線の許容温度に設定し、上記の（１）式、（２）式に示す導体抵抗ｒ、及び熱容量Ｃの値を変更することにより、実質的に許容温度よりも低い温度で回路が遮断されるように設定する。具体的には、上記の導体抵抗ｒを電線の実際の導体抵抗よりも大きい値「ｒ*」（疑似導体抵抗）とし、熱容量Ｃを電線の実際の熱容量よりも小さい値「Ｃ*」（疑似熱容量）とする。

そして、上記（１）式、（２）式に、疑似導体抵抗ｒ*を代入した演算式を用いて電線温度Ｔ２を算出すると、発熱時には実際の温度よりも高い温度が算出される。以下、これを図８、図９に示す特性図を参照して説明する。

図８は、許容温度１５０℃の電線（以下、サンプル電線という）を使用し、このサンプル電線に１５［Ａ］の電流を連続通電したときの、電線温度の変化を示す特性図であり、曲線ｓ１１は、（１）式に示す導体抵抗ｒをこのサンプル電線の導体抵抗ｒ＝３２．７［ｍΩ］とした場合（通常の導体抵抗を用いた場合）の特性曲線であり、曲線ｓ１２は、（１）式に示す導体抵抗ｒを疑似導体抵抗ｒ*＝１１４．４５［ｍΩ］とした場合の特性曲線である。

曲線ｓ１１に示すように、サンプル電線に１５［Ａ］の電流を流すと、電線温度が１０８．７８℃で飽和する。つまり、１５［Ａ］の電流を長時間流し続けても電線温度は、許容温度である１５０℃に達しない。これに対して、曲線ｓ１２に示すように、疑似導体抵抗ｒ*を用いた（１）式（疑似演算式）を用いて電線温度（以下、これを「第１参照電線温度」という）を推定すると、電線温度が３１８．２２℃で飽和することになり、約２０［sec］が経過した時点で許容温度である１５０℃を超えることになる。

上記のことから、（１）、（２）式に用いられる導体抵抗ｒとして、疑似導体抵抗ｒ*を用いることにより、第１参照電線温度は、実際の電線温度よりも高い温度として求められることになる。即ち、（１）、（２）式に疑似導体抵抗ｒ*を代入した疑似演算式を用いれば、実際には許容温度である１５０℃に達していない場合でも、第１参照電線温度が許容温度に達することになる。従って、この第１参照電線温度が許容温度に達したときに負荷回路を遮断すれば、実際の電線温度が許容温度に達する前の時点で負荷回路を遮断して、電線、及び回路構成要素を保護することができる。

図９は、許容温度１５０℃のサンプル電線を使用し、このサンプル電線に大電流である５０［Ａ］の電流を連続通電したときの、電線温度の変化を示す特性図であり、曲線ｓ１３は、（１）式に示す導体抵抗ｒをこのサンプル電線の導体抵抗ｒ＝３２．７［ｍΩ］とした場合の特性曲線であり、曲線ｓ１４は、（１）式に示す導体抵抗ｒを疑似導体抵抗ｒ*＝１１４．４５［ｍΩ］とした場合の特性曲線である。

曲線ｓ１３に示すように、サンプル電線に５０［Ａ］の電流を流すと、電線温度が９５５．８６℃で飽和する。また、曲線ｓ１４に示すように、疑似導体抵抗ｒ*を用いて求められる第１参照電線温度は３２８３．０℃で飽和する。ここで、曲線ｓ１３，ｓ１４を対比すると、曲線ｓ１３は、通電開始から約５．２５［sec］が経過した時点で飽和温度１５０℃に達し、曲線ｓ１４は、通電開始から約１．４［sec］が経過した時点で飽和温度１５０℃に達している。

上記のことから、サンプル電線の許容温度を超えるような大電流が継続して流れる場合には、第１参照電線温度の方が実際の電線温度よりも早い時点で飽和温度である１５０℃に達することが判る。

従って、図８，図９に示した特性図から、疑似導体抵抗ｒ*を用いることにより、電線の許容温度を超えるような大電流が流れた場合には、即時に回路を遮断することができ、且つ、電線の許容温度に近づく電流が流れる場合には、許容温度に達する前の早い時点で回路を遮断することができるといえる。

次に、上記（１）式、（２）式に、疑似導体抵抗ｒ*、及び疑似熱容量Ｃ*の双方を代入した演算式（疑似演算式）を用いて電線温度Ｔ２を算出すると、発熱時には、電線温度が飽和温度に達するまでの時間（飽和時間）が実際の飽和時間よりも短くなる。以下、これを図１０、図１１に示す特性図を参照して説明する。

図１０は、許容温度１５０℃の電線（以下、サンプル電線という）を使用し、このサンプル電線に１５［Ａ］の電流を連続して流したときの、電線温度の変化を示す特性図であり、曲線ｓ２１は、（１）式に示す熱容量Ｃをこのサンプル電線の熱容量Ｃ＝４．７０４７［Ｊ／℃］とした場合の特性曲線であり、曲線ｓ２２は、（１）式に示す熱容量Ｃを疑似熱容量Ｃ*＝０．１２［Ｊ／℃］とした場合の特性曲線である。なお、導体抵抗は上述した疑似導体抵抗ｒ*を用いている。

曲線ｓ２１に示すように、サンプル電線に１５［Ａ］の電流を流すと、電線温度が３１８．２２℃で飽和する。これは、図８に示した曲線ｓ１２と同一である。これに対して、曲線ｓ２２に示すように、疑似熱容量Ｃ*を用いて電線温度（以下、これを「第２参照電線温度」という）を算出すると、飽和温度は、３１８．２２℃で曲線ｓ２１と同一であるが、飽和温度に達するまでの時間（飽和時間）が短縮されている。つまり、曲線ｓ２１では、通電開始から約４００［sec］が経過して飽和温度３１８．２２℃に達しており、曲線ｓ２２では、通電開始後ほぼ瞬時に飽和温度３１８．２２℃に達している。その結果、曲線ｓ２１では、通電開始から約７０［sec］が経過した時点で許容温度である１５０℃に達しているが、曲線ｓ２２では、通電開始後ほぼ瞬時に許容温度である１５０℃に達している。

上記のことから、（１）、（２）式に用いられる導体抵抗ｒ及び熱容量Ｃに、疑似導体抵抗ｒ*、及び疑似熱容量Ｃ*を用いることにより、第２参照電線温度が通電電流の飽和温度に達するまでに要する時間が早まることになる。

図１１は、許容温度１５０℃のサンプル電線に５０［Ａ］の電流を連続して流したときの、電線温度の変化を示す特性図であり、曲線ｓ２３は、（１）式に示す熱容量Ｃをこのサンプル電線の熱容量Ｃ＝４．７０４７［Ｊ／℃］とした場合の特性曲線であり、曲線ｓ２４は、（１）式に示す熱容量Ｃを疑似熱容量Ｃ*＝０．１２［Ｊ／℃］とした場合の特性曲線である。なお、導体抵抗は上述した疑似導体抵抗ｒ*を用いている。

曲線ｓ２３に示すように、サンプル電線に５０［Ａ］の電流を流すと、電線温度が３２８３．０℃で飽和する。これに対して、曲線ｓ２４に示すように、疑似熱容量Ｃ*を用いて電線温度（第２参照電線温度）を推定すると、飽和温度は３２８３．０℃で曲線ｓ２３と同一であるが、飽和温度に達するまでの時間が短縮されている。つまり、曲線ｓ２３では、通電開始から約２００［sec］が経過して飽和温度３２８３．０℃に達しており、曲線ｓ２４では、通電開始後ほぼ瞬時に飽和温度３２８３．０℃に達している。

更に、曲線ｓ２３，ｓ２４共に、許容温度である１５０℃に達するまでの時間はほぼ同一である。従って、大電流が流れた場合には、熱容量に関係なく電線温度はほぼ瞬時に許容温度に達することになる。

上記のことから、（１）、（２）式の導体抵抗ｒを実際の導体抵抗ｒよりも大きい疑似導体抵抗ｒ*とし、熱容量Ｃを実際の熱容量Ｃよりも小さい疑似熱容量Ｃ*とすることにより、（１）、（２）式（疑似演算式）で推定される第２参照電線温度は、実際の電線温度よりも低い温度で許容温度に達し、且つ、実際の電線温度よりも早く許容温度に達することが判る。換言すれば、疑似導体抵抗ｒ*、及び疑似熱容量Ｃ*を用いた疑似演算式（１）、（２）式を作成し、この疑似演算式（１）、（２）式を用いて電線温度を推定し、この温度が電線の許容温度（例えば、１５０℃）となった場合に負荷回路を遮断すれば、電線を遮断する際の閾値温度は、電線の許容温度よりも低い温度となる。

従って、本実施形態では、（１）式、（２）式に、疑似導体抵抗ｒ*、及び疑似熱容量Ｃ*の双方を代入した演算式（疑似演算式）を作成し、この疑似演算式を用いて、発熱による電線温度、及び放熱による電線温度を求める。そして、疑似演算式を用いた演算により電線温度Ｔ２が電線の許容温度（例えば、１５０℃）に達した場合に、半導体リレーＳ１を遮断して回路を保護する。即ち、疑似演算式を用いた演算により電線温度Ｔ２が許容温度に達した場合には、実際の電線温度はこの温度Ｔ２よりも低い温度となっているので、電線温度が許容温度（例えば、１５０℃）に達する前の時点で確実に回路を遮断することができることになる。

以下、疑似演算式を用いて電線温度を推定することにより、回路保護が可能であることを図４〜図７を参照して詳細に説明する。

図４に示す曲線ｓ１は、許容温度を１５０℃としたときの、電流・遮断時間特性を示す図である。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２０［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℃とされた電線の上流側に設けられる、一般的な規格のフューズの電流・遮断時間特性曲線であり、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、図１，図２に示したスイッチ回路１６が、曲線ｓ２とｓ３の間となる電流・遮断時間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。

また、曲線ｓ４は負荷特性を示している。曲線ｓ４は、フューズの電流・遮断時間特性を示す曲線ｓ２，ｓ３よりも内側（左下側）で動作するので、通常動作時に負荷に流れる電流によりフューズが遮断されることはない。

図５は、上述した電線の導体抵抗ｒを、疑似導体抵抗ｒ*に変更した場合で、許容温度を１５０℃としたときの電流・遮断時間特性を示す曲線ｓ５を記入した特性図である。具体的には、曲線ｓ５は、電線の実際の導体抵抗ｒ＝３２．７［ｍΩ］に対し、疑似導体抵抗ｒ*＝１１４．４５［ｍΩ］とした場合の電流・遮断時間特性を示している。図示のように、曲線ｓ５は、低電流領域でフューズの電流・遮断時間特性の最大値と最小値の間の領域となる電流・遮断時間特性を有している。つまり、曲線ｓ５は低電流領域では、曲線ｓ２とｓ３の間の領域を通る曲線となっており、フューズを模擬した特性を備えているといえる。

図６は、上述した疑似導体抵抗ｒ*に加え、更に、熱容量Ｃを疑似熱容量Ｃ*に変更した場合で、許容温度を１５０℃としたときの、電流・遮断時間特性を示す特性曲線ｓ６を記入した特性図である。具体的には、曲線ｓ６は、上記の疑似導体抵抗ｒ*の使用に加えて、電線の実際の熱容量Ｃ＝４．７０４７［Ｊ／℃］に対し、疑似熱容量Ｃ*＝０．１２［Ｊ／℃］とした場合の電流・遮断時間特性を示している。図６の曲線ｓ６から理解されるように、疑似導体抵抗ｒ*、及び疑似熱容量Ｃ*の双方を用いた場合には、電流・遮断時間特性はフューズの電流・遮断時間特性の最大値と最小値との間の領域となる電流・遮断時間特性を有している。つまり、曲線ｓ６は全ての電流領域で、曲線ｓ２とｓ３の間の領域を通る曲線となっており、この電流・遮断時間特性を使用することにより、従来のフューズを模擬した特性を得ることができる。

従って、本実施形態に係る負荷回路の保護装置では、（１）、（２）式の導体抵抗ｒ、熱容量Ｃを、それぞれ疑似導体抵抗ｒ*、疑似熱容量Ｃ*とした疑似演算式を用いて電線温度を推定することにより、フューズを模擬した電流・遮断時間特性で回路を遮断することが可能となる。

図７は、スイッチ回路１６が、上記の曲線ｓ６に示す電流・遮断時間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に示す如くの電流・遮断時間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電流・遮断時間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１２〜図１７に示すパターン１〜６を説明する。

［パターン１］
図１２（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１２（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１３（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１４（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１４（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１５（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１５（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１６（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１６（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１７（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１７（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Ｓ１４に処理を移す。

ステップＳ１２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Ｓ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１３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、（１）式（疑似導体抵抗ｒ*、疑似熱容量Ｃ*を用いた式）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Ｓ１５に処理を移す。

ステップＳ１４では、制御回路１６１は、（２）式（疑似導体抵抗ｒ*、疑似熱容量Ｃ*を用いた式）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Ｓ１５に処理を移す。

ステップＳ１５では、制御回路１６１は、ステップＳ１３，Ｓ１４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Ｓ１６に処理を移す。

ステップＳ１６では、ステップＳ１５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、図６の曲線ｓ６より得られる温度である。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Ｓ１６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Ｓ１６でＮＯ）、ステップＳ１７に処理を移す。

ステップＳ１７では、図２に示す半導体リレーＳ１を強制的にオフとする。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。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、（２）式を用いて目標温度を周囲温度とした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Ｓ１９に処理を移す。

ステップＳ１９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Ｓ１９でＹＥＳ）、ステップＳ２０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Ｓ１９でＮＯ）、ステップＳ１８の処理に戻す。

ステップＳ２０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）式に疑似導体抵抗ｒ*、及び疑似熱容量Ｃ*を用いた演算式（疑似演算式）を用いて電線Ｗ１の温度を推定し、この推定温度が電線の許容温度（例えば、１５０℃）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の実際の温度が許容温度（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、疑似導体抵抗ｒ*、及び疑似熱容量Ｃ*を適宜設定することにより、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、電流・遮断時間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、電流・遮断時間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、電流・遮断時間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、電流・遮断時間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、導体抵抗を変更したときの電流・遮断時間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、導体抵抗を変更したときの電流・遮断時間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、熱容量を変更したときの電流・遮断時間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、熱容量を変更したときの電流・遮断時間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
１２ＥＣＵ
１３Ｊ／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（温度推定手段、遮断制御手段）
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

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、
前記負荷回路に用いられる電線の熱容量よりも小さい疑似熱容量、及び前記電線の導体抵抗よりも大きい疑似導体抵抗が設定され、電線の熱容量と導体抵抗を用いて電線温度を算出する演算式に、前記疑似熱容量及び前記疑似導体抵抗を代入した疑似演算式を有し、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き、前記疑似演算式を用いて前記電線の温度を推定する温度推定手段と、
前記温度推定手段で推定される電線温度が前記電線の許容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、
を備えたことを特徴とする負荷回路の保護装置。
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。
前記疑似演算式に基づく電流・遮断時間特性は、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電流・遮断時間特性よりも低くなるように、前記疑似導体抵抗、及び前記疑似熱容量が設定され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。
前記疑似演算式に基づく電流・遮断時間特性は、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の電流・遮断時間特性と、最高の電流・遮断時間特性との間となるように、前記疑似導体抵抗、及び前記疑似熱容量が設定され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。
前記電線温度を算出する演算式は、発熱時が下記（１）式であり、放熱時が下記（２）式であ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］。