JP2020205728A - 過電流保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レアショートに対する精度が高く、大型化しない過電流保護装置を提供する。【解決手段】 過電流保護装置１０は、過電流の検出を規定電流以上の負荷電流が規定時間以上流れることを負荷電流遮断条件とする過電流遮断条件規定部と、前記過電流遮断条件規定部が過電流を検出したとき、負荷への電流を遮断する過電流遮断部と、を有する過電流保護回路１０と、過電流保護回路１０が電流を遮断した場合に、過電流保護回路１０を制御し電流の復帰制御を行うマイコン１８と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、負荷を過電流から保護する車両用の過電流保護装置に関する。

車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）等を介して電源に接続できる負荷やワイヤーハーネスを短絡等による過電流から保護するために、過電流が生じたときに負荷と電源との接続を機械的に遮断するヒューズを用いた過電流保護装置が従来から用いられている。

特許文献１には、部品を交換することなく過電流を負荷から遮断することができるようにするため、負荷に過電流が流れたか否かをヒューズ特性と同等の過電流遮断特性を基づいて判断する過電流遮断装置が提案されている。

特開２０１４−２３００３９６号公報

ヒューズは電流が大きいと短時間で溶断し、電流が小さいと比較的長時間で溶断する機能を有する。このため、ヒューズを用いた過電流保護装置では、レアショート（部分的短絡）等電流値が小さくヒューズがなかなか切れない場合、ハーネスが発熱し、重大事故に至る懸念があった。

特許文献１では、負荷に過電流が流れたか否かをヒューズ特性と同等の形状の過電流遮断特性を基づいて判断するため、過電流保護装置が複雑になって形状が大型化、高価格化すると考えられる。

本発明の目的は、レアショートに対する精度が高く、大型化しない過電流保護装置を提供することである。

本発明は、負荷を過電流から保護する過電流保護装置であって、規定電流以上の負荷電流が規定時間以上流れることを負荷電流遮断条件とする過電流遮断条件規定部と、前記過電流遮断条件規定部が過電流を検出したとき、負荷への電流を遮断する過電流遮断部と、を有する遮断回路と、前記遮断回路が電流を遮断した場合に、前記遮断回路を制御し電流の復帰制御を行う制御素子と、を備えることを特徴とする。

本発明の過電流保護装置は、過電流を検出する規定電流を、地絡状態のみならず、電流の突入時における過電流状態、部分的短絡（レアショート）が生じたときの電流値以下に設定することができる。このため、部分的短絡が生じたときにも迅速に電流を遮断し、ハーネスが発熱し、重大事故が生じることを防ぐことができる。そして、電流を遮断した場合に、制御素子が遮断回路を制御し電流の復帰制御を行うため、ヒューズの差し込み等で電装品のキャパシタにチャージする際に発生する瞬間的な過電流（電流の突入時における過電流状態）のために電流を遮断した場合、復帰動作を行い電流の復帰を行うことができる。過電流を検出する規定電流を、部分的短絡が生じたときの電流値以下の小電流に設定することができるため、過電流保護装置を小型化し低コストで提供することができる。

本発明の実施形態に係る過電流保護装置の構成図 実施形態の過電流保護装置のマイコンの制御フロー 実施形態の過電流保護装置のタイミングチャート

図１は、実施形態に係る過電流保護装置１０の構成を示すブロック図である。
過電流保護装置１０は、過電流保護回路１２と制御素子を構成するマイコン１８とを有する。過電流保護装置１０はＥＣＵ２０内に配置されている。ＥＣＵ２０は、入力端子２０ｉに加えられた２４Ｖ電圧を、降圧回路２２で１２Ｖに降圧し、出力端子２０ｏから出力する。ＥＣＵ２０の端子２０ｂは１２ＶのＢａｔｔｅｒｙに接続されている。過電流保護装置１０は、ＥＣＵ２０の入力端子２０ｉと出力端子２０ｏとの間に設けられている。過電流保護装置１０は、出力端子２０ｏ側の地絡時に、過電流を検出し、出力端子２０ｏ側を遮断することで負荷を保護する。ただし、地絡のみならず、バッテリの端子が接続された時、ヒューズ挿入時等の突入電流が流れた際にも、一端遮断した後、マイコン１８からの制御により復帰動作を行い、再度復帰する。実施形態の過電流保護回路１２では、負荷電流の遮断素子としてＦＥＴが用いられている。

過電流保護回路１２とマイコン１８との間には、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４と、状態報告ポート（ステータス）１６とが設けられている。オン−オフ要求ポート１４は、マイコン１８の出力ポートで、過電流保護回路１２へ接続されている。過電流保護回路１２へのオン−オフ動作の要求を意味する。オン−オフ要求ポート１４がハイの時は、過電流保護回路１２へのオン（接続）動作の要求である。オン−オフ要求ポート１４がローの時は、過電流保護回路１２へのオフ（遮断）動作の要求である。

状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６は、マイコン１８の入力ポートで、過電流保護回路１２から接続されている。過電流保護回路１２からの接続状態、遮断状態の報告を意味する。状態報告ポート１６がハイの時は、過電流保護回路１２からの接続状態の報告である。状態報告ポート１８がローの時は、過電流保護回路１２からの遮断状態の報告である。

ＥＣＵ２０の出力端子２０ｏ側に接続された負荷にはＥＣＵの瞬間的な電源喪失対応用のコンデンサ等の容量性負荷が含まれる。バッテリの端子が接続された時、ヒューズ挿入時等に突入電流が流れる。この突入電流は、地絡時に流れる電流と瞬時的には大きく変わらない。一方、部分的短絡（レアショート）が生じたときの電流は、地絡時に流れる電流よりも小さい。実施形態の過電流保護回路１２は、地絡のみならず、バッテリの端子が接続された時、ヒューズ挿入時等の突入電流が流れた際、部分的短絡（レアショート）が生じたときの電流で供給電流の遮断を行う。そして、マイコンの復帰制御により、バッテリの端子が接続された時、ヒューズ挿入時等の突入電流が流れた際には、過電流保護回路１２は接続状態に戻される。

マイコン１８の復帰動作は、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４を１msローに、６９msハイにするＤｕｔｙ制御にて、過電流保護装置１０をオン／オフさせ、出力端子２０ｏ側に接続された負荷側のコンデンサを充電する。７周期後（４９０ms）後に、出力端子２０ｏ側の電圧が５Ｖ以上かを判断し、５Ｖ以上なら突入電流による遮断と判断し、追加で２周期Ｄｕｔｙ制御して、出力端子２０ｏ側の電圧を更に高めた後、オン−オフ要求ポート１４をハイに固定し、過電流保護回路１２を再接続させる。５Vの電圧は、「閾値値」の一例に相当する。

一方、７周期後（４９０ms）後に、出力端子２０ｏ側の電圧が５Ｖ未満であれば、地絡と判断し、オン−オフ要求ポート１４をローに固定し、過電流保護回路１２を遮断させる。

マイコン１８は、省電力の非動作状態（スリープモード）と、動作状態とが切り換えされるように構成されている。マイコン１８はイグニッションオフ中は、通常、非動作状態に維持され、イグニッションオン中は動作状態に維持される。そして、マイコン１８は、動作状態中に過電流保護回路１２が電流を遮断した場合に、直ちに電流の復帰制御を行う。マイコン１８は、非動作状態中に過電流保護回路１２が電流を遮断した場合に、過電流保護回路１２による電流の遮断が継続され、動作状態に切り替わった後、電流の復帰制御を行う。このため、イグニッションオフ中等のマイコン１８の非動作状態中においても、過電流保護回路１２が単独で電流を遮断できる。そして、イグニッションオン等のマイコン１８が動作状態に切り替わってから、過電流保護回路１２を適切に制御することができる。

実施形態の過電流保護装置１０では、遮断素子が故障しないように設定された時間、電流での動作を繰り返すことで、遮断素子（ＦＥＴ）の発熱を抑制し、故障を防ぐことができる。それにより、追加の保護回路の設定が不要になり、通常使用時に近い電流容量の遮断素子を用いることが可能となり、レイアウトをコンパクトに収めることができる。

図２は、マイコンの制御フローである。
バッテリが接続された場合（Ｓ１１）、マイコン１８は無条件で上述した過電流保護回路復帰制御を実行する（Ｓ１２）。即ち、マイコン１８の復帰動作は、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４を１msローに、６９msハイにするＤｕｔｙ制御にて、過電流保護回路１２をオン／オフさせる。７周期後（４９０ms）後に、出力端の電圧に基づき、過電流保護回路１２の遮断、接続を継続させる。

そして、マイコン１８はイグニッションがオンされたかを判断する（Ｓ１４）。イグニッションがオンされているときは（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６がロー、即ち、過電流保護回路１２が遮断状態かが判断される（Ｓ１６）。状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６がハイ、即ち、過電流保護回路１２が接続状態の間は（Ｓ１６：Ｎｏ）、“１”に移行し、Ｓ１４での判断に戻る。

他方、状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６がロー、即ち、過電流保護回路１２が遮断状態の場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、上述した過電流保護回路復帰制御が実行される（Ｓ１８）。即ち、マイコン１８の復帰動作は、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４を１msローに、６９msハイにするＤｕｔｙ制御にて、過電流保護回路１２をオン／オフさせる。復帰制御が完了する７周期（４９０ms）前は（Ｓ２０：Ｎｏ）、Ｓ１８に戻り復帰制御を継続する。そして、復帰制御が完了する７周期後（４９０ms）後に（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、出力端子２０ｏ側の電圧が５Ｖ以上かを判断し（Ｓ２２）、５Ｖ以上なら突入電流による遮断と判断し（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４をハイにし（Ｓ２４）、過電流保護回路１２を接続状態にして、“１”に移行し、Ｓ１４での判断に戻る。

一方、出力端子２０ｏ側の電圧が５Ｖ以未満の場合（Ｓ２２：Ｎｏ）、地絡判断し、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４をローにし（Ｓ２６）、過電流保護回路１２を遮断状態にして、地絡故障を記録し（Ｓ２８）、処理を終了する。これは、リセットが成されるまで継続する。

上述されたイグニッションがオンされたかの判断で（Ｓ１４）、バッテリが接続された状態から５ｓ経過してイグニッションがオフにされているときは（Ｓ１４：Ｎｏ）、“２”に移行し、スリープ処理が実行される（Ｓ３０）。ＥＣＵ２０がスリープモードにされる（Ｓ３２）。これに伴い、マイコン１８が省電力の非動作状態（スリープモード）に切り換えられる。そして、バスに繋がっているユニットからＣＡＮ（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）間での通信に用いられる通信プロトコル）が受信されたかが判断される（Ｓ３４）。ＣＡＮが受信されない限り（Ｓ３４：Ｎｏ）、“２”に移行し、Ｓ３０でのスリープ処理が継続される。

一方、ＣＡＮが受信されると（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２０が起動し（Ｓ３６）、ＰＣＭから特定信号が受信されたか判断される（Ｓ３８）。ＰＣＭから特定信号が受信されたときには（Ｓ３８：Ｙｅｓ）、“１”に移行し、Ｓ１４での判断に戻る。ＰＣＭから特定信号が受信されなかったときには（Ｓ３８：Ｎｏ）、状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６が立ち下がり、即ち、過電流保護回路１２が遮断状態に移行したか判断される（Ｓ４０）。状態報告ポート１６が立ち下がらない間は（Ｓ４０：Ｎｏ）、Ｓ３０でのスリープ処理に戻る。

他方、状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６が立ち下がり、即ち、過電流保護回路１２が遮断状態に移行した場合（Ｓ４０：Ｙｅｓ）、上述した過電流保護回路復帰制御が実行される（Ｓ４２）。即ち、マイコン１８の復帰動作は、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４を１msローに、６９msハイにするＤｕｔｙ制御にて、過電流保護回路１２をオン／オフさせる。復帰制御が完了する７周期後（４９０ms）までは（Ｓ４４：Ｎｏ）、イグニッションがオンされたかを判断し（Ｓ４６）、イグニッションがオンされた場合には、“１”に移行し、Ｓ１４での判断に戻る。復帰制御が完了する７周期後（４９０ms）後に（Ｓ４４：Ｙｅｓ）、マイコン１８は、出力端子２０ｏ側の電圧が５Ｖ以上かを判断し（Ｓ４８）、５Ｖ以上なら突入電流による遮断と判断し（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４をハイにし（Ｓ５０）、過電流保護回路１２を接続状態にして、“２”に移行し、Ｓ３０でのスリープ処理に戻る。

一方、出力端子２０ｏ側の電圧が５Ｖ以未満の場合（Ｓ４８：Ｎｏ）、マイコン１８は、オン−オフ要求ポート（Ｅｎａｂｌｅ）１４をローにし（Ｓ６０）、過電流保護回路１２を遮断状態にして、“２”に移行し、Ｓ３０でのスリープ処理に戻る。ただし、イグニッションのオフ中は復帰処理は再実施されない。

図３は、実施形態の過電流保護装置のタイミングチャートである。
図中（Ａ）はバッテリのオン／オフを示している。（Ｂ）はイグニッションのオン／オフを示している。（Ｃ）はＥＣＵ（Electronic Control Unit）間での通信に用いられるＣＡＮの受信／未受信を示している。（Ｄ）はＥＣＵのＷａｋｅＵＰ（起動）／Ｓｌｅｅｐ（休眠）／ＳｈｕｔＤｏｗｎ（停止）を示している。（Ｅ）は過電流保護回路の地絡／突入／正常を示している。（Ｆ）は復帰制御の動作／未動作を示している。（Ｇ）は状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）のハイ／ローを示している。（Ｈ）はマイコン内で使用する地絡/正常フラグを示している。

タイミングチャート中で、[１]〜[８]は以下の状態を示している。
[１]では、イグニッションがオンの間（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、過電流保護回路１２の状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６がタイミングｔ１で立ち下がった場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、復帰制御が実行される（Ｓ１８）。
[２]では、バッテリがタイミングｔ２でリセットされた場合（Ｓ１１）、地絡している、地絡していないに関わらず、復帰制御が実行される（Ｓ１２）。
[３]では、イグニッションのオフ中に、過電流保護回路１２の状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６がタイミングｔ３で立ち下がった場合（Ｓ４０：Ｙｅｓ）、復帰制御が実行される（Ｓ４２）。
[４]では、スリープ中に、過電流保護回路１２の状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６がタイミングｔ４で立ち下がった場合（Ｓ４０：Ｙｅｓ）、次回の起動時（タイミングｔ４Ｂ）に復帰制御が実行される（Ｓ４２）。また、復帰処理が完了するまではスリープしない（Ｓ４６：Ｎｏ）。

[５]では、ＣＡＮでのＷａｋｅＵＰ（起動）のとき、過電流保護回路１２の状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６がタイミングｔ５で立ち下がった場合（Ｓ４０：Ｙｅｓ）、即時復帰制御が実行される（Ｓ４２）。復帰処理が完了するまではスリープしない（Ｓ４６：Ｎｏ）。
[６]では、スリープ中の地絡にて、復帰制御が実行されたとき、再度、イグニッションがオンされるまでは復帰制御が行われない（Ｓ４８−Ｓ３０）。
[７]では、タイミングｔ７のイグニッションオン時に過電流保護装置１０の状態報告ポート（Ｓｔａｔｕｓ）１６がロー場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、復帰制御が実行される（Ｓ１８）。
[８]では、復帰動作中にタイミングｔ８でイグニッションがオンされた場合、再度復帰制御が実行される（Ｓ４４、Ｓ４６）

ヒューズの代わりに、電子回路で過電流保護装置を形成する場合、電装品の容量にチャージするための突入電流が流れると、短時間に大電流を流す必要があり、ＦＥＴのような遮断素子を使用すると、大きな容量を確保する必要があるため、素子数を増やし、レイアウトを確保する必要がある。これに対して、実施形態の過電流保護装置１０では、電装品の容量性負荷へのチャージをマイコン１８が過電流保護回路１２を遮断−接続-遮断を繰り返すことで、発熱を抑制しつつ分割的に行う。また、電流がハーネスを加熱させない値に設定できる。実施形態の過電流保護装置１０は、電流を適切に設定できるため、ハーネスの発熱を抑制でき、ハーネスを保護することが可能である。

実施形態の過電流保護装置１０は、過電流を検出する規定電流を、地絡状態のみならず、電流の突入時における過電流状態、部分的短絡（レアショート）が生じたときの電流値以下に設定することができる。このため、部分的短絡が生じたときにも迅速に電流を遮断し、ハーネスを保護することができ、ハーネスが発熱し、重大事故が生じることを防ぐことができる。そして、電流を遮断した場合に、制御素子が遮断回路を制御し電流の復帰制御を行うため、ヒューズの差し込み等で電装品のキャパシタにチャージする際に発生する瞬間的な過電流のため（電流の突入時における過電流状態）に電流を遮断した場合、復帰動作を行い電流の復帰を行うことができる。過電流を検出する規定電流を、部分的短絡が生じたときの電流値以下の小電流に設定することができるため、過電流保護装置を小型化し低コストで提供することができる。また、修理や故障調査のためにヒューズを抜き差ししても、過電流保護装置１０が誤判断せず、ノイズに強い特性を実現できる。例えば、ヒューズ特性と同等の形状の過電流遮断特性を過電流保護装置が備えるためには、大電流を流し得るように、大容量のＦＥＴ等のスイッチング素子が必要になるが、本実施形態の過電流保護装置では小容量のＦＥＴで電流を遮断できる。

１０ 過電流保護装置
１２ 過電流保護回路
１４ オン−オフ要求ポート
１６ 状態報告ポート
１８ マイコン

Claims (5)

1. 負荷を過電流から保護する過電流保護装置であって、
   規定電流以上の負荷電流が規定時間以上流れることを負荷電流遮断条件とする過電流遮断条件規定部と、
   前記過電流遮断条件規定部が過電流を検出したとき、負荷への電流を遮断する過電流遮断部と、を有する遮断回路と、
   前記遮断回路が電流を遮断した場合に、前記遮断回路を制御し電流の復帰制御を行う制御素子と、を備えることを特徴とする過電流保護装置。
2. 請求項１の過電流保護装置であって、
   前記制御素子による前記復帰制御は、前記遮断回路による前記負荷側への電流の遮断、接続を繰り返した後、前記負荷側の電圧値が敷居値以上の場合に、電流の供給を復帰し、前記敷居値を下回る場合に、電流の遮断を継続することを特徴とする。
3. 請求項２の過電流保護装置であって、
   前記遮断回路は、地絡状態のみならず、電流の突入時における過電流状態においても負荷への電流を遮断し、
   前記制御素子による前記復帰制御は、前記遮断回路による前記負荷側への電流の遮断、接続を繰り返した後、前記負荷側の電圧値が敷居値を超える場合に、電流の突入時における過電流状態と判定して電流の供給を復帰し、前記敷居値を下回る場合に、地絡状態と判定して電流の遮断を継続することを特徴とする。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１の過電流保護装置であって、
   前記過電流の検出する規定電流を、部分的短絡が生じたときの電流値以下に設定したことを特徴とする。
5. 請求項１〜４のいずれか１の過電流保護装置であって、
   前記制御素子は、動作状態と非動作状態とが切り換えられ、
   前記制御素子は、動作状態中に前記遮断回路が電流を遮断した場合に、直ちに電流の復帰制御を行い、
   前記制御素子は、非動作状態中に前記遮断回路が電流を遮断した場合に、前記遮断回路による電流の遮断が継続され、動作状態に切り替わった後、電流の復帰制御を行う。

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