JP2010158108A - 負荷回路の保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体リレー及び電線の小型化が可能な負荷回路の保護装置を提供する。
【解決手段】電流計５で測定される負荷電流を電線の発熱式、及び放熱式に当てはめて電線Ｗ１の発熱量、及び放熱量を求め、更に、サンプリング時間に基づいて電線Ｗ１の上昇温度ΔＴを求める。また、サンプリング時間毎に半導体リレー３に発生する熱量を測定し、トータルの熱量を求めて蓄積熱量とする。更に、電流計５で測定される電流がデッドショート判定電流Ｉmaxに達しているか否かを判定する。そして、上昇温度ΔＴが閾値温度に達した場合、及び半導体の蓄積熱量が許容蓄積熱量に達した場合、及びデッドショートに達した場合に、半導体リレー３を遮断する。従って、半導体リレー３、電線Ｗ１を過熱から保護することができ、且つデッドショート発生時の急激な温度上昇から負荷回路を保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷回路に過電流が流れて半導体リレー、或いは電線の温度が上昇した場合に、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半導体リレー（ＭＯＳＦＥＴ等）とが備えられており、バッテリ、半導体リレー、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、半導体リレーをオン、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、半導体リレーがオン、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、半導体リレー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４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等の半導体リレー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、各半導体リレー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径（断面積）の電線が用いられている。更に、フューズＦ１の下流側に設けられる半導体リレーＴｒ１は、フューズＦ１の遮断電流に耐え得る特性を備えている。

同様に、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。

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、及び半導体リレーを用いる必要があり、負荷回路に用いる電線径の細径化、及び半導体リレーを小型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、負荷回路に用いる半導体リレー及び電線をできるだけ小型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半導体リレー及び電線を小型化、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、半導体リレー及び電線の小型化が可能な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、半導体リレー、及び負荷が電線を介して接続された負荷回路の、前記負荷に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいて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計時手段と、前記半導体リレーに流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のサンプリング時間毎に、前記電流検出手段で検出される電流、及び電線の発熱、放熱の演算式に基づき、前記電線の温度を演算する電線温度演算手段と、前記電線温度演算手段により演算された前記電線の温度が電線許容温度に達したか否かを判定する電線温度判定手段と、前記半導体リレーの通電時にて、前記サンプリング時間毎に前記半導体リレーの発熱量を求め、所定時間内のサンプリングで求められた発熱量を累積して蓄積熱量を演算し、前記所定時間の経過毎にこの蓄積熱量をリセットするリレー熱量演算手段と、前記蓄積熱量が許容蓄積熱量に達したか否かを判定するリレー熱量判定手段と、前記電流計で検出される電流が所定のデッドショート判定電流に達したか否かを判定するデッドショート判定手段と、前記電線温度判定手段にて電線の温度が電線許容温度に達したと判定された場合、前記リレー熱量判定手段にて前記蓄積熱量が前記許容蓄積熱量に達したと判定された場合、及び前記デッドショート判定手段でデッドショート判定電流が流れたことが検出された場合の少なくとも一つの場合に、前記半導体リレーを遮断する半導体リレー制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記電線温度演算手段は、前記サンプリング時間毎の前記電線の発熱エネルギー、及び前記電線の放熱エネルギーを算出し、前記発熱エネルギーと前記放熱エネルギーとの差分に基づいて得られる電線の熱量を累積し、この累積値を電線の熱容量（Ｃth）で除することにより、前記サンプリング時間毎の前記電線の上昇温度、または下降温度を求めることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記電線の発熱エネルギー（Ｐｃin）、及び電線の放熱エネルギー（Ｐｃout）は下記（１）、（２）式で算出され、ｎ回目のサンプリング時の電線の熱量Ｑｃ(n)は下記（３）式で算出され、周囲温度に対する電線の上昇温度ΔＴは下記（４）式で算出されることを特徴とする。

Ｐｃin＝ｒｃ×Ｉ^２ ・・・（１）
Ｐｃout＝Ｑｃ(n-1)／（Ｃth×Ｒth） ・・・（２）
Ｑｃ(n)＝Ｑｃ(n-1)＋（Ｐｃin−Ｐｃout）×Δｔ ・・・（３）
ΔＴ＝Ｑｃ(n)／Ｃth ・・・（４）
但し、ｒｃは電線の導体抵抗［Ω］、Ｉは通電電流［Ａ］、Ｒthは熱抵抗［℃／Ｗ］、Ｃthは熱容量［Ｊ／℃］、Δｔはサンプリング時間。

請求項４に記載の発明は、前記電線の周囲温度をＴ１とするとき、電線温度（Ｔ２）を下記（５）式で算出することを特徴とする。

Ｔ２＝Ｔ１＋ΔＴ ・・・（５）
請求項５に記載の発明は、前記電線の周囲温度（Ｔ１）を検出する周囲温度検出手段を備え、該周囲温度検出手段で検出される周囲温度（Ｔ１）を用いて前記（５）式により、電線温度（Ｔ２）を算出することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記リレー熱量演算手段は、下記（６）式によりサンプル時間毎の熱量ｅを算出し、下記（７）式によりｎ回目のサンプリング時における前記半導体リレーの蓄積熱量Ｑｒを算出することを特徴とする。

ｅ＝Ｉ^２×ｒon×Δｔ ・・・（６）
Ｑｒ(n)＝Ｑｒ(n-1)＋ｅ ・・・（７）
但し、ｒonは半導体リレーのオン抵抗［Ω］。

本発明に係る半導体リレーの保護装置では、所定のサンプリング時間毎に負荷回路に設けられる電線の上昇温度（または、電線の実際の温度）を測定し、測定した上昇温度が所定の許容上昇温度に達した場合（電線の温度が電線許容温度に達した場合）に、半導体リレーを遮断する。また、前記サンプリング時間毎に半導体リレーに蓄積される熱量を測定し、累積した熱量が所定の熱量に達した場合に、半導体リレーを遮断する。更に、電流検出手段で検出される電流が予め設定したデッドショート判定電流に達した場合に、半導体リレーを遮断する。

従って、負荷回路に設けられる電線、及び半導体リレーを確実に過熱から保護することができ、更に、デッドショート発生時には即時に負荷回路を遮断するので、負荷回路全体を過熱から保護することができる。

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負荷回路の保護装置を含む負荷回路の構成を示す回路図であり、例えば、車両に搭載されるランプやモータ等の負荷に、車両に搭載されたバッテリよりの電力を供給して駆動するための回路である。

同図に示すように、負荷回路１は、車両に搭載されるバッテリ（電源）２と、ランプやモータ等の負荷４と、バッテリ２と負荷４との間に設けられ、負荷４への電力の供給、停止を切り換えるＭＯＳＦＥＴ等の半導体リレー３を備えている。また、半導体リレー３と負荷４は電線Ｗ１により接続されている。

また、負荷４に流れる電流を検出する電流計（電流検出手段）５と、半導体リレー３のオン、オフを制御する駆動回路（半導体リレー制御手段）６と、論理回路ＡＮＤ１と、制御回路７を備えている。

制御回路７は、タイマ（計時手段）１１と、電流計５で検出される電流及びタイマ１１で計時される時間データに基づいて所定のサンプリング時間毎に電線Ｗ１の温度を演算する電線温度演算部１２と、該電線温度演算部１２で演算される電線Ｗ１の上昇温度ΔＴが予め設定された許容上昇温度ΔＴmax（例えば、２５℃）に達したか否かを判定し、電線Ｗ１の上昇温度ΔＴが許容上昇温度ΔＴmaxに達したと判定した場合に、リレー遮断信号を出力する電線温度判定部１４を備えている。また、電線温度判定部１４は、電線の周囲温度Ｔ１を測定し、この周囲温度Ｔ１に上昇温度ΔＴを加算して電線Ｗ１の温度Ｔ２を求め、この温度Ｔ２が一定の温度（Ｔ１＋ΔＴmax）に達した場合に、リレー遮断信号を出力するようにしても良い。

また、電流計５で検出される電流及びタイマ１１で計時される時間データに基づいて、上記サンプリン時間毎に半導体リレー３に発生する熱量を演算するリレー熱量演算部１３と、該リレー熱量演算部１３で演算される半導体リレー３の各サンプリング時間毎の熱量の累積値を求め、この累積値が予め設定された許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達したか否かを判定し、許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達したと判定した場合に、リレー遮断信号を出力するリレー温度判定部１５を備えている。

更に、電流計５で検出された電流と、所定のデッドショート判定値（例えば、４８Ａ）とを対比し、検出された電流がデッドショート判定値を超えた場合に、リレー遮断信号を出力するデッドショート判定部１６を備えている。

また、上述した電線温度判定部１４、リレー温度判定部１５、及びデッドショート判定部１６の３つの出力信号が入力される論理回路ＮＯＲ１を備えており、この論理回路ＮＯＲ１の出力端子は論理回路ＡＮＤ１の一方の入力端子に接続されている。論理回路ＡＮＤ１の他方の入力端子には、半導体リレー３のオン、オフ信号が入力される。そして、論理回路ＡＮＤの出力端子は駆動回路６に接続されている。

従って、電線温度判定部１４、リレー温度判定部１５、及びデッドショート判定部１６のうちの少なくとも一つよりリレー遮断信号が出力された場合には、論理回路ＮＯＲ１の出力信号がＬレベルとなって、オン・オフ信号に関わらず論理回路ＡＮＤ１の出力が強制的にＬレベルとされるので、半導体リレー３がオフとなる。

［電線温度の算出］
次に、電線温度演算部１２による電線温度の算出手順について説明する。半導体リレー３がオンとされ、電線Ｗ１に負荷電流が流れている場合には、下記の（１）式により電線Ｗ１で消費されるエネルギー（Ｐｃin）を求めることができる。

Ｐｃin＝ｒｃ×Ｉ^２ ・・・（１）
但し、ｒｃは電線Ｗ１の導体抵抗［Ω］、Ｉは通電電流［Ａ］である。

また、半導体リレー３がオフとされている場合には、下記の（２）式により電線Ｗ１より放出されるエネルギー（Ｐｃout）を求めることができる。

Ｐｃout＝Ｑｃ(n-1)／（Ｃth×Ｒth） ・・・（２）
ここで、Ｒthは電線の熱抵抗［℃／Ｗ］、Ｃthは電線の熱容量［Ｊ／℃］、Ｑｃ(n-1)は前回のサンプリング時における電線の熱量である。

更に、上記（１）、（２）式に基づいてこれらの差分（Ｐｃin−Ｐｃout）を求め、サンプリング時間Δｔ（例えば、１０［ｍsec］）を乗じることにより、このサンプリング時間における電線の発熱量、または放熱量を求めることができる。従って、下記の（３）式により、現時点での電線Ｗ１に蓄積されている熱量Ｑｃ(n)を求めることができる。

Ｑｃ(n)＝Ｑｃ(n-1)＋（Ｐｃin−Ｐｃout）×Δｔ ・・・（３）
また、（３）式で求められた熱量Ｑｃ(n)を電線Ｗ１の熱容量Ｃthで除することにより、電線Ｗ１の上昇温度ΔＴを求めることができる。即ち、下記の（４）式で上昇温度ΔＴが求められる。

ΔＴ＝Ｑｃ(n)／Ｃth ・・・（４）
そして、各サンプリング時間毎に求められる上昇温度ΔＴ（マイナス値の場合は下降温度）が、予め設定した許容上昇温度ΔＴmax（例えば、２５℃）に達した場合に、リレー遮断信号を出力する。例えば、周囲温度が２５℃である場合には、この周囲温度に許容上昇温度ΔＴmaxを加算して「２５＋２５＝５０℃」となり、電線Ｗ１の温度が５０℃となった時点で、リレー遮断信号を出力する。

図３に示す曲線ｓ２は、電線Ｗ１の許容温度を５０℃とした場合の、電流・遮断時間特性を示している。この曲線ｓ２は、例えば電線Ｗ１に２０［Ａ］の電流を０．７秒間流した場合に電線Ｗ１の温度が５０℃以上となることを示している。また、この曲線ｓ２の左端の電流である７［Ａ］未満の電流を電線Ｗ１に流す場合には、この電流を連続通電しても電線Ｗ１の温度は５０℃に達しないことを示している。即ち、曲線ｓ２の右上側の領域となる電流が流れた場合に、電線Ｗ１の温度が５０℃に達することになり、反対に、曲線ｓ２の左下側の領域となる電流が流れた場合には電線Ｗ１は５０℃に達しない。

同様に、曲線ｓ１は、電線Ｗ１の許容温度を１５０℃とした場合の、電流・遮断時間特性を示している。従って、この曲線ｓ１の左下側の領域となる電流が流れた場合には、電線Ｗ１の温度が１５０℃に達することはない。いま、電線Ｗ１の発煙温度が１５０℃である場合に、許容温度を５０℃（許容上昇温度ΔＴmaxを２５℃）に設定すれば、電線Ｗ１が発煙する前の時点で確実に半導体リレー３を遮断することができることになる。本実施形態では、この内容を考慮して、許容上昇温度ΔＴmaxを２５℃に設定する場合を例に挙げている。勿論、曲線ｓ１の左下側の領域となる電流・遮断時間特性となる電線温度であれば、ΔＴmaxを２５℃以外の温度に設定することも可能である。

［半導体リレー温度の算出］
次に、リレー熱量演算部１３による半導体リレー３に生じる熱量の算出手順について説明する。半導体リレー３がオンとされ、電線Ｗ１に負荷電流が流れている場合には、下記の（６）式により半導体リレー３のサンプル時間毎の発熱量「ｅ」を求めることができる。

ｅ＝Ｉ^２×ｒon×Δｔ ・・・（６）
但し、ｒonは半導体リレーのオン抵抗［Ω］である。

また、半導体リレー３の、今回サンプリング時での蓄積熱量Ｑｒ(n)は、前回サンプリング時での蓄積熱量Ｑｒ(n-1)に基づいて、下記の（７）式で求めることができる。

Ｑｒ(n)＝Ｑｒ(n-1)＋ｅ ・・・（７）
（７）式では、所定のサンプリング時間（例えば、１０［ｍsec］）毎に発熱する熱量ｅを累積して半導体リレー３のトータルの発熱量を求めており、放熱量は考慮していない。その代わりに、本実施形態では、リレー熱量演算部１３は、所定の閾値時間ｔmax毎に（所定回数のサンプリングが実行される毎に）蓄積熱量Ｑｒ(n)をリセットする。即ち、Ｑｒ(n)＝０とする。そして、リレー温度判定部１５は、（７）式で求められる蓄積熱量Ｑｒ(n)が予め設定した許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達したと判定した場合に、半導体リレー遮断信号を出力する。

このため、半導体リレー３に正常な電流が継続して流れた場合に蓄積される熱量は所定時間毎にリセットされることになり、半導体リレー３が誤遮断することを防止できる。また、半導体リレー３がオンとされた直後に突入電流が発生した場合でも、この突入電流は、予め設定した閾値時間ｔmax（＝Δｔ×ｎ）よりも短い時間内に正常な電流に戻るので、閾値時間ｔmaxでのトータルの蓄積熱量Ｑｒ(n)は許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達することはない。即ち、突入電流による半導体リレー３の誤遮断を防止できる。

他方、閾値時間ｔmaxに亘って継続して過電流が流れた場合には、トータルの蓄積熱量Ｑｒ(n)が許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達するので、半導体リレー３を遮断して負荷回路を過熱から保護することができる。ここで、許容蓄積熱量Ｑｒmaxは、半導体リレー３の温度が該半導体リレー３の許容温度に達する際の蓄積熱量よりも低い値に設定されている。また、上記（７）式を用いることにより、後述する図３の曲線ｓ４に示す如くの特性を得ることができる。

図３に示す曲線ｓ３は、半導体リレー３の通電限界となる電流・遮断時間特性を示している。従って、曲線ｓ３の左下側の領域の電流が流れている場合には、過熱による半導体リレー３の損傷は発生しないことになり、曲線ｓ３よりも左下側の領域となる電流で半導体リレー３が遮断されるように、許容蓄積熱量Ｑｒmaxが設定される。この場合、例えば曲線ｓ４に示すように、曲線ｓ３の左下側となる電流・遮断時間特性を設定すれば、所定の電流（例えば、２５［Ａ］）以上となる領域において、曲線ｓ３よりも左下側の領域となる電流・遮断時間特性で半導体リレー３が遮断されることになる。

また、曲線ｓ２とｓ３は約３０［Ａ］の電流で交差しており、電線Ｗ１に流れる電流が３０［Ａ］を超えた場合には、半導体リレー３の通電限界となる電流・遮断時間特性（ｓ３）が、許容温度５０℃とした電線の電流・遮断時間特性（ｓ２）を下回ることになる。つまり、曲線ｓ２に示す特性（電線の温度に基づく負荷回路の保護）のみを用いる場合では、電流が３０［Ａ］を超えた場合には、半導体リレー３が遮断される前に、該半導体リレー３の蓄積熱量Ｑｒ(n)が許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達してしまい、該半導体リレー３が過熱により損傷する恐れがある。

本実施形態では、上述した（７）式により半導体リレー３の蓄積熱量Ｑｒ(n)を各サンプリング時間毎に算出し、この蓄積熱量Ｑｒ(n)が許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達した場合に半導体リレー３を遮断することにより、図３の曲線ｓ３に示す如くの温度特性を得ることができるので、通電電流が上昇した場合でも確実に半導体リレー３を過熱から保護することができる。

［デッドショートの判定］
次に、デッドショート判定部１６による処理について説明する。該デッドショート判定部１６では、デッドショート判定電流Ｉmax（例えば、４８［Ａ］）が設定されており、電流計５で検出される電流がこのデッドショート判定電流Ｉmaxに達した場合には、半導体リレー遮断信号を出力する。

そして、上記したように、電線温度判定部１４、リレー温度判定部１５、及びデッドショート判定部１６のうちの少なくとも一つにおいて、半導体リレー遮断信号が出力された場合には、論理回路ＮＯＲ１の出力信号がＬレベルとなって、半導体リレー３を強制的にオフとする。これにより、負荷回路１に設けられる電線Ｗ１、半導体リレー３を過熱から保護することができ、また、デッドショート発生時には、即時に負荷回路１を遮断することができることになる。従って、図３に示す曲線ｓ５の特性で半導体リレー３を遮断することができる。つまり、電流２５［Ａ］未満の電流値では曲線ｓ２を用いて過電流を判定し、電流２５［Ａ］以上の電流値では曲線ｓ４を用いて過電流を判定し、更に、電流がデッドショート判定電流である４８［Ａ］に達した場合には、半導体リレー３を遮断する。

次に、図２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２に示す処理は、所定のサンプリング時間（例えば、１０［ｍsec］）毎に実行される。

ステップＳ１１において、蓄積熱量、変数を初期化する。即ち、電線温度演算部１２で用いられる変数Ｑｃ(n)＝０とし、リレー熱量演算部１３で用いられる変数Ｑｒ(n)＝０とする。また、サンプリングの回数を示す変数ｎを「ｎ＝１」とする。

ステップＳ１２において、制御回路７は、電流計５で検出される電流Ｉを取得し、ＲＡＭ（図示省略）等の記憶手段に記憶する。

ステップＳ１３において、デッドショート判定部１６は、取得した負荷電流とデッドショート判定値（例えば、４８［Ａ］）を対比し、デッドショート判定値を超える負荷電流が流れていると判定した場合には（ステップＳ１３でＹＥＳ）、半導体リレー遮断信号を出力する。その後、ステップＳ２１の処理において、駆動回路６は半導体リレー３を遮断する。即ち、デッドショート発生時には図１に示す論理回路ＮＯＲ１の出力信号がＬレベルとなって、論理回路ＡＮＤ１の出力信号がＬレベルとなり、駆動回路６は半導体リレー３を遮断する。

デッドショート判定値を超える負荷電流が流れていると判定しない場合には（ステップＳ１３でＮＯ）、ステップＳ１４において電線温度演算部１２は、上述した（１）〜（４）式に基づいて、電線Ｗ１の上昇温度ΔＴを求める。即ち、電流計５で検出された電流Ｉを上述の（１）〜（４）式に当てはめることにより、電線Ｗ１の上昇温度ΔＴ（マイナス値の場合は下降温度）を求める。この上昇温度ΔＴは、サンプリング時間毎に更新され、更新されたデータがＲＡＭ（図示省略）等の記憶手段に記憶される。

ステップＳ１５において、電線温度判定部１４は、上昇温度ΔＴが所定の許容上昇温度ΔＴmax（例えば、２５℃）に達した否かを判定する。そして、許容上昇温度ΔＴmaxに達したと判定した場合には（ステップＳ１５でＹＥＳ）、ステップＳ２１において、電線温度判定部１４は半導体リレー遮断信号を出力する。その結果、駆動回路６は半導体リレー３を遮断する。

他方、ステップＳ１５の処理で上昇温度ΔＴが許容上昇温度ΔＴmaxに達していると判定しない場合には（ステップＳ１５でＮＯ）、ステップＳ１６に処理を移す。

ステップＳ１６において、リレー熱量演算部１３は、半導体リレー３の熱量蓄積時間が所定の閾値時間ｔmaxに達したか否かを判定する。この処理では、サンプリング時間Δｔ（例えば、１０［ｍsec］）にサンプル回数ｎを乗じて得られる熱量蓄積時間（ｎ×Δｔ）と閾値時間ｔmaxを対比し、（ｎ×Δｔ）＜ｔmaxである場合には、ステップＳ１７に処理を移し、（ｎ×Δｔ）＜ｔmaxでない場合には、ステップＳ１８に処理を移す。

ステップＳ１７において、リレー熱量演算部１３は、上述した（６）式により半導体リレー３のサンプル時間毎の発熱量「ｅ」を求める。更に、ステップＳ１９において、リレー熱量演算部１３は、上述した（７）式により、半導体リレー３の現時点での蓄積熱量Ｑｒ(n)を求める。

そして、ステップＳ２０において、リレー温度判定部１５は、上記（７）式で求められた半導体リレー３の蓄積熱量Ｑｒ(n)が所定の許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達したか否かを判定し、許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達したと判定した場合には（ステップＳ２０でＹＥＳ）、ステップＳ２１の処理で半導体リレー３を遮断する。

他方、ステップＳ１８において、リレー熱量演算部１３は、蓄積熱量Ｑｒ(n)をリセットし、更に、ｎ＝１とする。その後、ステップＳ１９に処理を移す。従って、ステップＳ１９で演算される上記（７）式では、蓄積熱量Ｑｒ(n)＝０となるので、ステップＳ２０の判定処理はＮＯとなり、半導体リレー３は遮断されない。つまり、閾値時間ｔmaxが経過する毎に蓄積熱量Ｑｒ(n)がリセットされるので、半導体リレー３に蓄積される熱量が急激に上昇しない限りは半導体リレー３のオン状態を継続する。

上記の処理により、デッドショート判定部１６、電線温度判定部１４、及びリレー温度判定部１５のうちの少なくとも一つにて半導体リレー遮断信号が出力された場合に、半導体リレー３が遮断されることになる。

また、上述した実施形態では、リレー熱量演算部１３は、上記（６）式で熱量ｅを算出する例について述べたが、半導体リレー３のオン抵抗ｒonに大きな変化がないことを前提とすれば、オン抵抗ｒonをほぼ「１」と見なすことができ、ｒonを省略した下記（６′）式で熱量ｅを求めることが可能となる。

ｅ＝Ｉ^２×Δｔ ・・・（６′）
この場合には、リレー熱量演算部１３での演算量が削減されるので、演算負荷を低減することができることになる。

更に、上述した実施形態では、電線温度演算部１２は、上記（４）式を用いてサンプリング時間毎の電線Ｗ１の上昇温度ΔＴを求め、この上昇温度ΔＴが所定の許容上昇温度ΔＴmax（例えば、２５℃）に達した場合に、半導体リレー３を遮断する例について説明したが、電線Ｗ１の周囲温度が決められる場合や、温度センサ（周囲温度検出手段）等により周囲温度の測定が可能である場合には、この周囲温度（これをＴ１とする）に上昇温度ΔＴを加算して電線Ｗ１の現在の温度Ｔ２を求め、この電線温度Ｔ２が所定の閾値温度（例えば、５０℃）に達した場合に、半導体リレー３を遮断するようにすることも可能である。即ち、下記の（５）式により電線温度Ｔ２を求めることができる。

Ｔ２＝Ｔ１＋ΔＴ ・・・（５）
この場合には、電線Ｗ１の実際の温度が閾値温度となった場合に負荷回路１が遮断されることになるので、電線Ｗ１をより確実に保護することができるようになる。

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、負荷４に流れる電流がデッドショート判定電流に達した場合には、半導体リレー３を即時に遮断して回路を保護する。また、負荷４に流れる電流がデッドショート判定電流に達していない場合には、所定のサンプリング時間毎に電線Ｗ１の上昇温度ΔＴを算出し、この上昇温度ΔＴが許容上昇温度ΔＴmaxに達した場合に半導体リレー３を遮断して、電線Ｗ１の発熱による損傷を防止する。

更に、所定のサンプリング時間毎に半導体リレー３に生じる熱量を積算し、蓄積熱量Ｑｒ(n)が許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達した場合に半導体リレー３を遮断して、半導体リレー３の発熱による損傷を防止する。

従って、負荷回路１に設けられる電線Ｗ１、及び半導体リレー３の双方の発熱による損傷を防止することができ、更に、デッドショート発生時には即時に負荷回路を遮断するので、過電流による温度上昇が発生した場合でも負荷回路１全体を確実保護することができる。

また、半導体リレー３の蓄積熱量Ｑｒ(n)が許容蓄積熱量Ｑｒmaxに達する前に該半導体リレー３を遮断することができるので、過電流発生時におけるマージンを小さく設定することができ、半導体リレー３の小型化を図ることができ、半導体パッケージを小型化することができる。

更に、電線Ｗ１の許容温度を、該電線Ｗ１の発煙温度の手前となるぎりぎりの数値に設定することができるので、電線Ｗ１の細径化を図ることができる。

また、電線Ｗ１の上昇温度、及び半導体リレー３の蓄積熱量に基づいて、該半導体リレー３をオフとすることにより負荷回路１を保護するので、従来のフューズが不要となり、全体として小型軽量化を図ることができ、且つ車両に搭載する場合には燃費の向上に寄与することができる。

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、上述した実施形態では、負荷回路の保護装置が、車両に搭載されるランプ、モータ等の負荷を駆動する負荷回路１に用いられる場合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ついても適用することができる。

フューズを使用することなく負荷回路に用いられる電線、及び半導体リレー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が用いられた負荷回路の構成を示すブロック図である。 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。 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

１ 負荷回路
２ バッテリ
３ 半導体リレー
４ 負荷
５ 電流計（電流検出手段）
６ 駆動回路
７ 制御回路
１１ タイマ
１２ 電線温度演算部
１３ リレー熱量演算部
１４ 電線温度判定部
１５ リレー温度判定部
１６ デッドショート判定部
ＡＮＤ１ 論理回路
ＮＯＲ１ 論理回路
Ｗ１ 電線

Claims (6)

1. 電源、半導体リレー、及び負荷が電線を介して接続された負荷回路の、前記負荷に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいて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計時手段と、
   前記半導体リレーに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   所定のサンプリング時間毎に、前記電流検出手段で検出される電流、及び電線の発熱、放熱の演算式に基づき、前記電線の温度を演算する電線温度演算手段と、
   前記電線温度演算手段により演算された前記電線の温度が電線許容温度に達したか否かを判定する電線温度判定手段と、
   前記半導体リレーの通電時にて、前記サンプリング時間毎に前記半導体リレーの発熱量を求め、所定時間内のサンプリングで求められた発熱量を累積して蓄積熱量を演算し、前記所定時間の経過毎にこの蓄積熱量をリセットするリレー熱量演算手段と、
   前記蓄積熱量が許容蓄積熱量に達したか否かを判定するリレー熱量判定手段と、
   前記電流計で検出される電流が所定のデッドショート判定電流に達したか否かを判定するデッドショート判定手段と、
   前記電線温度判定手段にて電線の温度が電線許容温度に達したと判定された場合、前記リレー熱量判定手段にて前記蓄積熱量が前記許容蓄積熱量に達したと判定された場合、及び前記デッドショート判定手段でデッドショート判定電流が流れたことが検出された場合の少なくとも一つの場合に、前記半導体リレーを遮断する半導体リレー制御手段と、
   を備えることを特徴とする負荷回路の保護装置。
2. 前記電線温度演算手段は、前記サンプリング時間毎の前記電線の発熱エネルギー、及び前記電線の放熱エネルギーを算出し、前記発熱エネルギーと前記放熱エネルギーとの差分に基づいて得られる電線の熱量を累積し、この累積値を電線の熱容量（Ｃth）で除することにより、前記サンプリング時間毎の前記電線の上昇温度、または下降温度を求め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. 前記電線の発熱エネルギー（Ｐｃin）、及び電線の放熱エネルギー（Ｐｃout）は下記（１）、（２）式で算出され、ｎ回目のサンプリング時の電線の熱量Ｑｃ(n)は下記（３）式で算出され、周囲温度に対する電線の上昇温度ΔＴは下記（４）式で算出されることを特徴とする請求項２に記載の負荷回路の保護装置。
   Ｐｃin＝ｒｃ×Ｉ^２ ・・・（１）
   Ｐｃout＝Ｑｃ(n-1)／（Ｃth×Ｒth） ・・・（２）
   Ｑｃ(n)＝Ｑｃ(n-1)＋（Ｐｃin−Ｐｃout）×Δｔ ・・・（３）
   ΔＴ＝Ｑｃ(n)／Ｃth ・・・（４）
   但し、ｒｃは電線の導体抵抗［Ω］、Ｉは通電電流［Ａ］、Ｒthは熱抵抗［℃／Ｗ］、Ｃthは熱容量［Ｊ／℃］、Δｔはサンプリング時間。
4. 前記電線の周囲温度をＴ１とするとき、電線温度（Ｔ２）を下記（５）式で算出することを特徴とする請求項３に記載の負荷回路の保護装置。
   Ｔ２＝Ｔ１＋ΔＴ ・・・（５）
5. 前記電線の周囲温度（Ｔ１）を検出する周囲温度検出手段を備え、該周囲温度検出手段で検出される周囲温度（Ｔ１）を用いて前記（５）式により、電線温度（Ｔ２）を算出することを特徴とする請求項４に記載の負荷回路の保護装置。
6. 前記リレー熱量演算手段は、下記（６）式によりサンプル時間毎の熱量ｅを算出し、下記（７）式によりｎ回目のサンプリング時における前記半導体リレーの蓄積熱量Ｑｒを算出することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の負荷回路の保護装置。
   ｅ＝Ｉ^２×ｒon×Δｔ ・・・（６）
   Ｑｒ(n)＝Ｑｒ(n-1)＋ｅ ・・・（７）
   但し、ｒonは半導体リレーのオン抵抗［Ω］。

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