JP2023147410A - 保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑え、電線の温度上昇から電線を保護する。【解決手段】保護装置は、電源と負荷との間に設けられたスイッチから電線を介して負荷へ流れる電流を遮断する保護回路であって、前記電線に直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を測定する電流測定部と、前記電流測定部で測定された電流に基づいて、前記スイッチをオン又はオフにする判定部と、を備え、前記シャント抵抗は、温度特性が前記電線と略等しく、環境温度が前記電線の環境温度と等しいときに通電時の温度が前記電線と等しく、前記判定部は、前記電流測定部で測定された電流値が、前記電線の環境温度上限、前記電線の電線限界温度、及び前記シャント抵抗の温度特性から予め定めた閾値以上の場合に前記スイッチをオフにする。【選択図】図１

Description

本発明は、保護装置に関する。

電源と負荷とを接続する電線を保護する発明として、例えば特許文献１に開示された装置がある。この装置は、負荷に流れる電流を検出し、検出した電流を用いて電線の発熱及び放熱を演算し、演算結果を用いて電線の温度を推定する。この演算においては、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になるように演算式に用いられる熱抵抗を疑似熱抵抗に設定しており、推定した温度が許容温度よりも低い疑似許容温度に達した場合、過電流であると判断して負荷へ流れる電流を遮断する。

特許第５７６８１７６号公報

特許文献１に開示された装置は、電線の温度を推定するために発熱及び放熱の演算を行う必要があるため、演算回路を必要とし、コストがかかるものとなっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストを抑え、電線の温度上昇から電線を保護することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る保護装置は、電源と負荷との間に設けられたスイッチから電線を介して負荷へ流れる電流を遮断する保護回路であって、前記電線に直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を測定する電流測定部と、前記電流測定部で測定された電流に基づいて、前記スイッチをオン又はオフにする判定部と、を備え、前記シャント抵抗は、温度特性が前記電線と略等しく、環境温度が前記電線の環境温度と等しいときに通電時の温度が前記電線と等しく、前記判定部は、前記電流測定部で測定された電流値が、前記電線の環境温度上限、前記電線の電線限界温度、及び前記シャント抵抗の温度特性から予め定めた閾値以上の場合に前記スイッチをオフにする。

本発明の一態様に係る保護装置においては、前記電線の抵抗値と前記電線の熱抵抗との積が、前記シャント抵抗の抵抗値と前記シャント抵抗の熱抵抗との積と略等しくてもよい。

また、本発明の一態様に係る保護装置においては、前記電線の抵抗値と前記電線の過渡熱抵抗との積が、前記シャント抵抗の抵抗値と前記シャント抵抗の過渡熱抵抗との積と略等しくてもよい。

また、本発明の一態様に係る保護装置においては、前記シャント抵抗は基板上に形成される導体であってもよい。

本発明によれば、コストを抑え、電線の温度上昇から電線を保護することができる、という効果を奏する。

図１は、実施形態に係る保護装置の構成を示すブロック図である。 図２は、電線環境温度と電線限界過電流の関係及び電線を流れる電流と電流検出信号の電圧との関係を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素については適宜同一の符号を付している。

［実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る保護装置の構成を示すブロック図である。電源２は、例えば車両に搭載される蓄電池である。電源２が供給する電力は、半導体スイッチ４、シャント抵抗６及び電線７を介して負荷３へ供給される。半導体スイッチ４は、例えばＦＥＴ（Field effect transistor）を含むスイッチであり、電源２に接続されている。半導体スイッチ４は、駆動回路５から出力される信号によってオン又はオフとなり、電源２から供給される電力の出力と遮断を行なう。

駆動回路５は、半導体スイッチ４が有するＦＥＴを駆動する回路である。駆動回路５は、負荷３への電力供給を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）であるＥＣＵ８から供給される制御信号と、後述する判定部１０から出力される判定信号に基づいて、半導体スイッチ４をオン又はオフにする信号を出力する。駆動回路５は、半導体スイッチ４をオフにする制御信号がＥＣＵ８から入力されると、半導体スイッチ４をオフにする信号を出力する。また、駆動回路５は、半導体スイッチ４をオンにする制御信号がＥＣＵ８から入力されると、判定部１０からローレベルの判定信号が供給されている場合には半導体スイッチ４をオフにする信号を出力し、判定部１０からハイレベルの判定信号が供給されている場合には半導体スイッチ４をオンにする信号を出力する。

シャント抵抗６は、一端が半導体スイッチ４に接続され、他端が電線７に接続されており、半導体スイッチ４と電線７に直列に接続されている。シャント抵抗６は、半導体スイッチ４から電線７を介して負荷３へ流れる電流の測定に用いられる所謂シャント抵抗である。シャント抵抗６の温度特性は、電線７の温度特性に合わせたものとなっており、温度係数が同じとなっている。シャント抵抗６は、電線７と温度特性を合わせるため、例えば材質を電線７の材質と同じ材質としてもよい。また、シャント抵抗６は、基板上に形成される導体であってもよい。

電線７は、車両に配索される電線であり、負荷３に接続されている。負荷３は、車両において電源２から供給される電力で駆動する電装品である。負荷３は、グランドＧＮＤに接続されている。保護装置１は、電線７が発煙や発火するのを防ぐための装置であり、車両に搭載されている。

保護装置１は、判定部１０と、電流測定部１１を有する。電流測定部１１は、オペアンプを備える周知の電流測定回路を有している。電流測定部１１は、シャント抵抗６に流れる電流の電流値に比例した電圧の電流検出信号を出力する。この電流検出信号は、電線７の環境温度と、電線７の温度特性を反映したものとなっている。

判定部１０は、コンパレーター回路を有しており、電流測定部１１から供給される電流検出信号の電圧が定められた閾値以上である場合、ローレベルの判定信号を駆動回路５へ出力し、電流測定部１１から供給される信号の電圧が定められた閾値未満である場合、ハイレベルの判定信号を駆動回路５へ出力する。これにより、電流検出信号の電圧の電圧値が閾値以上である場合には、半導体スイッチ４がオフとなり、半導体スイッチ４から負荷３への電力供給が遮断される。

ここで、電線７の環境温度と温度特性を反映する電流検出信号と、判定部１０が判定に用いる閾値について説明する。まず、自動車規格のＪＡＳＯ Ｄ ６０９「自動車部品－低電圧線の電流容量」によれば、自動車用電線の限界過電流の計算は、式（１）で示されている。

式（１）において、Ｉ_ｏは電線の限界過電流、Ｔ_３は電線限界温度、ｒ_Ｔ３は電線限界温度における電線の導体抵抗、Ｔ_２は電線の環境温度、Ｒは電線の熱抵抗、α_２は電線の熱時定数τの逆数、ｔは時間である。式（１）から、電線７について環境温度Ｔａのときの限界過電流Ｉｗｍは、時定数の項を無視できるため、式（２）により示される。

式（２）において、Ｔｗｍは電線７の電線限界温度、Ｒｗｏは基準温度のときの電線７の抵抗値、Ｃｔｗは電線７の抵抗温度係数、Ｔｏは基準温度、Ｒｈｗは電線７の熱抵抗である。また、電線７の環境温度Ｔａが環境温度上限Ｔａｍａｘであるときの限界過電流Ｉｗｍは、式（３）により示される。

図２に、電線７の環境温度Ｔａと、電線７の限界過電流Ｉｗｍとの関係を線Ｌ１で示す。なお、限界過電流Ｉｗｍの算出にあたり、基準温度Ｔｏを２５℃とし、電線限界温度Ｔｗｍを１６５℃としている。線Ｌ１で示されるように、電線７の環境温度Ｔａが下がるにつれて、電線７の限界過電流Ｉｗｍは増加する。例えば、電線７の環境温度Ｔａを、環境温度上限Ｔａｍａｘの８０℃とした場合、限界過電流Ｉｗｍは２３．４２Ａとなる。

次にシャント抵抗６の温度Ｔｓは、式（４）により示され、電線７の温度Ｔｗは、式（５）により示される。

式（４）において、Ｔｂはシャント抵抗６が設けられている基板の温度であり、Ｒｓはシャント抵抗６の抵抗値であり、Ｒｔｈｓはシャント抵抗６の熱抵抗である。式（５）において、Ｔａは電線７の環境温度Ｔａであり、Ｒｗは電線７の抵抗値であり、Ｒｔｈｗは電線７の熱抵抗である。また、式（４）及び式（５）において、Ｉｗはシャント抵抗６及び電線７に流れる電流の電流値である。

式（４）及び式（５）に対し、シャント抵抗６及び電線７について、電線７の抵抗値Ｒｗ×電線７の熱抵抗Ｒｔｈｗ＝シャント抵抗６の抵抗値Ｒｓ×シャント抵抗６の熱抵抗Ｒｔｈｓ、となるようにシャント抵抗６を選定し、且つ、電線７の環境温度Ｔａ＝シャント抵抗６が設けられている基板の基板温度Ｔｂとなる環境にすると、電線７の温度Ｔｗ＝シャント抵抗６の温度Ｔｓとなる。例えば、電線７について、基準温度Ｔｏのときの抵抗値Ｒｗｏ＝０．０１Ωで熱抵抗Ｒｈｗ＝１０℃／Ｗの場合、シャント抵抗６は、基準温度Ｔｏのときの抵抗値Ｒｓｏ＝０．００３Ωで熱抵抗Ｒｔｈｓ＝３３．３３３３３℃／Ｗの抵抗器となる。なお、電線７の抵抗値Ｒｗ×電線７の熱抵抗Ｒｔｈｗが、シャント抵抗６の抵抗値Ｒｓ×シャント抵抗６の熱抵抗Ｒｔｈｓとほぼ等しくなるようにしてもよい。そして、電線７が電線限界温度Ｔｗｍである場合、電線７の温度Ｔｗ＝シャント抵抗６の温度Ｔｓ＝電線７の電線限界温度Ｔｗｍとなり、シャント抵抗６も電線限界温度Ｔｗｍと等しい温度となる。即ち、シャント抵抗６は、電線７の温度変化を反映しているものとなる。

次に電流測定部１１から出力される電流検出信号の電圧値をＶｉｗとすると、電圧値Ｖｉｗは、式（６）により示される。式（６）において、Ｇａは電流測定部１１のオペアンプのゲインであり、Ｖｓｏｆｓｔは電流測定部１１のオペアンプのオフセット電圧である。

式（６）に含まれるシャント抵抗６の抵抗値Ｒｓは、温度により変化し、その抵抗値は式（７）により示される。式（７）において、Ｒｓｏは基準温度のときのシャント抵抗６の抵抗値であり、Ｃｔｓはシャント抵抗６の抵抗温度係数である。

電線７の温度Ｔｗ＝シャント抵抗６の温度Ｔｓ＝電線７の電線限界温度Ｔｗｍのときには、シャント抵抗６の抵抗値Ｒｓは、式（８）により示される。

電線限界温度Ｔｗｍでのシャント抵抗６の抵抗値Ｒｓを抵抗値Ｒｓｍとし、電線限界温度Ｔｗｍでの電流検出信号の電圧値Ｖｉｗを電圧値Ｖｉｗｍとすると、電圧値Ｖｉｗｍは、式（９）により示される。判定部１０では、式（９）から得られるＶｉｗｍを閾値としている。

なお、限界過電流Ｉｗｍを得るための式（３）における電線限界温度Ｔｗｍ、環境温度上限Ｔａｍａｘ、基準温度のときの電線７の抵抗値Ｒｗｏ、シャント抵抗６の抵抗温度係数Ｃｔｓ、基準温度Ｔｏ、電線７の熱抵抗Ｒｈｗは既知である。また、電圧値Ｖｉｗｍを得るための抵抗値Ｒｓｍ、電流測定部１１のゲインＧａ、及び電流測定部１１のオフセット電圧Ｖｓｏｆｓｔも既知であるため、電圧値Ｖｉｗｍは、予め既知のパラメータから算出し、判定部１０の閾値として設定しておくことができる。

図２に、シャント抵抗６及び電線７に流れる電流の電流値Ｉｗと、電流検出信号の電圧値Ｖｉｗとの関係を、線Ｌ２と線Ｌ３で示す。図２に示す線Ｌ２は、シャント抵抗６の抵抗温度係数Ｃｔｓ＝０．００３９３／Ω、シャント抵抗６の温度Ｔｓ＝電線７の温度Ｔｗ＝基準温度Ｔｏのときにシャント抵抗６及び電線７に流れる電流の電流値Ｉｗと、電流検出信号の電圧の電圧値Ｖｉｗとの関係を示す線である。本実施形態では、環境温度上限Ｔａｍａｘを８０℃とし、電線７の電線限界温度Ｔｗｍを１６５℃とした場合、限界過電流Ｉｗｍは、線Ｌ１から２３．４２Ａとなる。温度Ｔｓ及び温度Ｔｗが基準温度Ｔｏの場合、この２３．４２Ａが流れると、線Ｌ２から電圧値Ｖｉｗは、２．６Ｖとなる。

図２に示す線Ｌ３は、シャント抵抗６の温度Ｔｓ及び電線７の温度Ｔｗ＝電線７の電線限界温度Ｔｗｍのときの電線７の限界過電流Ｉｗｍと、電圧値Ｖｉｗとの関係を示す線である。環境温度上限Ｔａｍａｘ＝８０℃で温度Ｔｓ及び温度Ｔｗが電線限界温度Ｔｗｍのときに限界過電流Ｉｗｍ＝２３．４２Ａが流れた場合、電圧値Ｖｉｗｍは、線Ｌ３から３．７７Ｖとなる。よって判定部１０では、環境温度上限Ｔａｍａｘ＝８０℃、電線限界温度Ｔｗｍ＝１６５℃とした場合、限界過電流Ｉｗｍ＝２３．４２Ａに対応した電圧値である３．７７Ｖを閾値として設定する。

Ｖｉｗｍ＝３．７７Ｖは、電線７の環境温度Ｔａが環境温度上限Ｔａｍａｘ＝８０℃、電線７の温度Ｔｗが電線限界温度Ｔｗｍ＝１６５℃のときの限界過電流Ｉｗｍに対応した電圧値であるため、電線７の環境温度Ｔａが環境温度上限Ｔａｍａｘより低い場合は、限界過電流Ｉｗｍより大きな電流を許容して電線７へ電流を流すことができる。

本実施形態によれば、シャント抵抗６と電線７で環境温度と温度特性を合わせることにより、シャント抵抗６が電線７の温度変化を反映して電圧値Ｖｉｗが変化するため、温度変化を反映した電圧値を判定することにより、電線の温度を推定する演算を行わなくとも、通電を遮断して電線７を保護することができる。

なお、本発明においては、電線７の抵抗値×電線７の過渡熱抵抗＝シャント抵抗６の抵抗値×シャント抵抗６の過渡熱抵抗、となるようにシャント抵抗６を選定してもよい。

１ 保護装置
２ 電源
３ 負荷
４ 半導体スイッチ
５ 駆動回路
６ シャント抵抗
７ 電線
８ ＥＣＵ
１０ 判定部
１１ 電流測定部

Claims (4)

1. 電源と負荷との間に設けられたスイッチから電線を介して負荷へ流れる電流を遮断する保護回路であって、
   前記電線に直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を測定する電流測定部と、
   前記電流測定部で測定された電流に基づいて、前記スイッチをオン又はオフにする判定部と、
   を備え、
   前記シャント抵抗は、温度特性が前記電線と略等しく、環境温度が前記電線の環境温度と等しいときに通電時の温度が前記電線と等しく、
   前記判定部は、前記電流測定部で測定された電流値が、前記電線の環境温度上限、前記電線の電線限界温度、及び前記シャント抵抗の温度特性から予め定めた閾値以上の場合に前記スイッチをオフにする
   保護装置。
2. 前記電線の抵抗値と前記電線の熱抵抗との積が、前記シャント抵抗の抵抗値と前記シャント抵抗の熱抵抗との積と略等しい
   請求項１に記載の保護装置。
3. 前記電線の抵抗値と前記電線の過渡熱抵抗との積が、前記シャント抵抗の抵抗値と前記シャント抵抗の過渡熱抵抗との積と略等しい
   請求項１に記載の保護装置。
4. 前記シャント抵抗は基板上に形成される導体である
   請求項１～３のいずれか一項に記載の保護装置。

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