JP5271619B2 - 負荷回路の保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、電線の温度が上昇した際にこれを検出して負荷回路を保護する負荷回路の保護装置に関する。

例えば、車両に搭載されるランプ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（半導体スイッチ等）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、ヒューズ等の過電流保護機能が設けられており、一定の閾値電流を超える過電流が流れた際に、これを検出して電子スイッチをオフとし、回路を遮断する。

ところが、このような負荷回路では、上記した閾値電流を超える程度の過電流が流れた場合、即ち、デッドショート発生時には即時にこれを検出して回路を保護できるが、通常電流よりも大きく且つ閾値電流を超えない程度の電流が流れた場合、即ち、レアショートが発生した場合や、周期的にショートを繰り返すチャタリングショートが発生した場合には、これを検出することができないことがある。

このようなレアショート或いはチャタリングショートの発生時には、電線に発生するジュール熱により電線の温度が上昇し、電線の発熱量が放熱量を上回ると、電線温度が徐々に上昇し、発煙、焼損等のトラブルが発生することがある。

このような問題を解決するため、例えば、特開２００２−８４６５４号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。該特許文献１では、負荷に電流が流れているときには、このときの電流を読み取ってジュール熱を算出し、負荷に電流が流れていないときには、電線からの放熱量を算出し、電源オフの直後には、電源のオフに伴って発生するアーク熱量を算出する。そして、これらの総和熱量を求め、求められた総和熱量が所定の閾値を超えたときに、回路を遮断して回路全体を保護することが開示されている。
特開２００２−８４６５４号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載された負荷回路の保護装置では、発熱量、及び放熱量を積算し、この積算値に応じて回路を遮断するか否かを判定するものであり、実際の電線の温度上昇を考慮しているものではない。即ち、発熱量が大きい場合でも太い電線を使用している場合には、放熱量が発熱量を上回り、大きな温度上昇が発生しない。従って、このような場合には継続した通電が可能であるにも関わらず、回路が遮断されてしまうという問題が発生する。

更に、これとは反対に、細い電線を使用している場合には、発熱量が小さくても大きな温度上昇が発生し、発煙、焼損に至る恐れがあるにも関わらず、円滑な回路の遮断が行われないという問題が発生する。また、閾値以上でしか機能しないため、閾値付近での検出電流のオン、オフ操作の繰り返しにより誤差が大きくなり、信頼性に欠ける。

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、レアショート或いはチャタリングショートの発生時に、電線の温度上昇に基づいて回路を遮断するか否かを判断し得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、スイッチ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、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で電流が検出され、検出された電流が所定の閾値電流未満であり、且つこの電流による前記電線の飽和温度が現在の電線の推定温度以上である場合には、前記電線の上昇温度を、前記電流検出手段で検出された電流と、前記電線の熱特性とに基づき、第１の手法で算出する通常時上昇温度算出手段と、前記電流検出手段で電流が検出され、検出された電流が前記閾値電流未満であり、且つこの電流による前記電線の飽和温度が現在の電線の推定温度未満である場合には、前記電線の下降温度を、前記電流検出手段で検出された検出電流から算出した電流と、前記電線の熱特性とに基づき、第２の手法で算出する通常時下降温度算出手段と、前記電流検出手段で電流が検出され、検出された電流が前記閾値電流以上であり、且つこの電流による前記電線の飽和温度が現在の電線の推定温度以上である場合には、前記電線の上昇温度を、前記電流検出手段で検出された電流と、前記電線の熱特性とに基づき、第３の手法で算出する過電流時上昇温度算出手段と、前記電流検出手段で電流が検出され、検出された電流が前記閾値電流以上であり、且つこの電流による前記電線の飽和温度が現在の電線の推定温度未満である場合には、前記電線の下降温度を、前記電流検出手段で検出された検出電流から算出した電流と、前記電線の熱特性とに基づき、第４の手法で算出する過電流時下降温度算出手段と、前記電流検出手段で検出される電流が、前記閾値電流以上から該閾値未満に低下した直後には、このとき発生するアークによる前記電線の上昇温度を、アーク対応マップを参照して求めるアーク上昇温度算出手段と、前記通常時上昇温度算出手段、前記過電流時上昇温度算出手段、前記通常時下降温度算出手段、前記過電流時下降温度算出手段、及び前記アーク上昇温度算出手段により算出される上昇温度及び下降温度を積算して、前記電線の推定温度を求める推定温度算出手段と、前記推定温度算出手段により算出される前記電線の推定温度が所定の閾値温度を超えたか否かを判定する温度判定手段と、前記温度判定手段により、前記電線の推定温度が前記閾値温度を超えたと判定された際に、前記負荷回路を遮断する遮断制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記電流検出手段で検出される電流が、前記閾値電流未満である場合の、前記電線の熱特性は、該電線の熱の伝わり易さを示す熱抵抗Ｒ１、及び該電線を単位温度上昇させるために必要な熱容量Ｃ１であり、前記電流検出手段で検出される電流が、前記閾値電流以上である場合の、前記電源と負荷とを結ぶ導体の熱特性は、前記負荷と電源間の電線及び短絡時に生じる電流通路の熱の伝わり易さを示す熱抵抗Ｒ２、及び単位温度を上昇させるために必要な熱容量Ｃ２であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記通常時上昇温度算出手段は、前記第１の手法として、前記熱抵抗Ｒ１、熱容量Ｃ１を用いて、次式

但し、各記号は以下の通り。

Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
ｉ ： 電流［Ａ］
ｒ ： 電線の抵抗［Ω］
Ｒ１ ： 電線の熱抵抗［℃／Ｗ］
Ｃ１ ： 電線の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
ｔ ： 経過時間［sec］
にて前記電線の上昇温度を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記過電流時上昇温度算出手段は、前記第２の手法として、前記熱抵抗Ｒ２、熱容量Ｃ２を用いて、次式

但し、各記号は以下の通り。

Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
ｉ ： 電流［Ａ］
ｒ ： 導体の抵抗［Ω］
Ｒ２ ： 導体の熱抵抗［℃／Ｗ］
Ｃ２ ： 導体の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
ｔ ： 経過時間［sec］
にて前記導体の上昇温度を算出することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記通常時下降温度算出手段は、前記第３の手法として、前記熱抵抗Ｒ１、熱容量Ｃ１を用いて、次式

但し、各記号は以下の通り。

Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
ｉ ： 電流が減少した時（電流検出無しを含む）の温度Ｔ1にて発熱が飽和する電流［Ａ］
ｒ ： 電線の抵抗［Ω］
Ｒ１ ： 電線の熱抵抗［℃／Ｗ］
Ｃ１ ： 電線の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
ｔ ： 経過時間［sec］
にて前記電線の下降温度を算出することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記過電流時下降温度算出手段は、前記第４の手法として、前記熱抵抗Ｒ２、熱容量Ｃ２を用いて、次式

但し、各記号は以下の通り。

Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
ｉ ： 電流が減少した時（電流検出無しを含む）の温度Ｔ1にて発熱が飽和する電流［Ａ］
ｒ ： 導体の抵抗［Ω］
Ｒ２ ： 導体の熱抵抗［℃／Ｗ］
Ｃ２ ： 導体の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
ｔ ： 経過時間［sec］
にて前記導体の下降温度を算出することを特徴とする。

本発明に係る負荷回路の保護装置では、電流検出手段にて所定の閾値電流未満となる電流が検出され、この電流による電線の飽和温度（この電流を継続して流した場合に到達する目標温度）が現在の電線の推定温度よりも高い場合には、第１の手法で電線の上昇温度を算出する。また、この電流による電線の飽和温度が現在の電線の推定温度よりも低い場合には、第２の手法で電線の下降温度を算出する。

更に、電流検出手段で検出された電流が閾値電流以上であり、この電流による電線の飽和温度が現在の電線の推定温度よりも高い場合には、第３の手法で電線の上昇温度を算出する。また、この電流による電線の飽和温度が現在の電線の推定温度よりも低い場合には、第４の手法で電線の下降温度を算出する。

更に、電流検出手段で検出される電流が過電流から通常電流に低下した場合には、アーク対応マップを参照して、このとき発生するアークによる前記電線の上昇温度を求める。従って、電線温度を高精度に検出することができる。更に、電線温度が閾値温度Ｔthを超えた場合に、負荷回路を遮断するので、通常電流よりも若干大きい電流が長時間流れ続けるようなレアショート時において、確実に負荷回路を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等の電子スイッチ（スイッチ）３とを備えている。

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、電子スイッチ３のオン、オフを制御する制御回路６を備えている。更に、バッテリ２と電子スイッチ３との間、及び電子スイッチ３と負荷４との間は、電線７にて接続されている。ここで、本実施形態に係る負荷回路の保護装置１０は、電子スイッチ３と、電流計５と、制御回路６により構成される。

図２は、制御回路６の詳細な構成を示す機能ブロック図である。制御回路６は、例えばマイクロコンピュータで構成される。同図に示すように、制御回路６は、上昇温度算出部６１と、下降温度算出部６２と、アーク上昇温度算出部（アーク上昇温度算出手段）６３と、推定温度算出部６４と、温度判定部（温度判定手段）６５と、スイッチ制御部（遮断制御手段）６６と、メモリ６４ａと、タイマ６７と、を備えている。

上昇温度算出部６１は、電流計５で検出される電流が所定の閾値電流（例えば、１０Ａ）未満であるときの電線７の上昇温度を算出する通常時上昇温度算出手段６１ａと、電流計５で検出される電流が所定の閾値電流以上であるときの電線７の上昇温度を算出する過電流時上昇温度算出手段６１ｂとを有している。なお、所定の閾値電流は１０Ａに限定されるものではない。

通常時上昇温度算出手段６１ａは、電流計５で検出される電流（通常電流）による電線７の飽和温度（この電流が電線７に継続して流れた際に到達する目標温度）と、電線７の現在の推定温度（後述する推定温度算出部６４で求められる温度であり初期的には周囲温度）とを対比し、飽和温度の方が推定温度よりも高い場合には、このときの電流及び予め設定されている電線７の熱特性（後述する熱抵抗Ｒ１及び熱容量Ｃ１）に基づいて、所定のサンプリング時間（例えば、５msec）毎の電線７の上昇温度を算出する。

過電流時上昇温度算出手段６１ｂは、電流計５で検出される電流（過電流）による電線７の飽和温度と、電線７の現在の推定温度とを対比し、飽和温度の方が推定温度よりも高い場合には、このときの電流及び予め設定されている電線７の熱特性（後述する熱抵抗Ｒ２及び熱容量Ｃ２）に基づいて、所定のサンプリング時間（例えば、５msec）毎の電線７の上昇温度を算出する。

下降温度算出部６２は、電流計５で検出される電流が所定の閾値電流未満であるときの電線７の下降温度を算出する通常時下降温度算出手段６２ａと、電流計５で検出される電流が所定の閾値電流以上であるときの電線７の下降温度を算出する過電流時下降温度算出手段６２ｂと、を有している。

通常時下降温度算出手段６２ａは、電流計５で検出される電流（通常電流）による電線７の飽和温度と電線７の現在の推定温度とを対比し、飽和温度の方が推定温度よりも低い場合には、現在の推定温度とこのときの電流による飽和温度との差の温度で飽和する電流及び予め設定されている電線７の熱特性（後述する熱抵抗Ｒ１及び熱容量Ｃ１）に基づいて、所定のサンプリング時間（例えば、５msec）毎の電線７の下降温度を算出する。

過電流時下降温度算出手段６２ｂは、電流計５で検出される電流（過電流）による電線７の飽和温度と電線７の現在の推定温度とを対比し、飽和温度の方が推定温度よりも低い場合には、現在の推定温度とこのときの電流による飽和温度との差の温度で飽和する電流及び予め設定されている電線７の熱特性（後述する熱抵抗Ｒ２及び熱容量Ｃ２）に基づいて、所定のサンプリング時間（例えば、５msec）毎の電線７の下降温度を算出する。

アーク上昇温度算出部６３は、電流計５で検出される電流が上述の閾値電流以上から下降して閾値電流未満となった直後（過電流から通常電流となった直後）に発生するアークによる上昇温度を、電流計５により検出される電流に基づきアーク対応マップを参照して決定する。

具体的には、アーク上昇温度算出部６３は、図７に示す如くの、電流ｉと上昇温度Ｑ（ｉ）との関係を示すアーク対応マップを備えており、電線７に流れる電流が閾値電流以上から閾値電流未満に下降した場合に、この直前の電流をアーク対応マップに当てはめることにより上昇温度を求める。

推定温度算出部（推定温度算出手段）６４は、上述した上昇温度算出部６１（通常時上昇温度算出手段６１ａ、及び過電流時上昇温度算出手段６１ｂ）で算出された所定のサンプリング時間毎の上昇温度、及び、下降温度算出部６２（通常時下降温度算出手段６２ａ、過電流時下降温度算出手段６２ｂ）で算出された所定のサンプリング時間毎の下降温度、及びアーク上昇温度算出部６３で算出された所定のサンプリング時間毎の上昇温度を積算して、現在における電線７の推定温度を算出する。算出した推定温度は、メモリ６４ａに記憶される。

温度判定部６５は、上述した推定温度算出部６４で算出された電線７の推定温度Ｔnowと、予め設定した許容温度（所定の閾値温度）Ｔthとを比較し、推定温度Ｔnowが許容温度Ｔth以上である（Ｔnow≧Ｔth）と判定した場合に、スイッチ制御部６６に回路遮断指令信号を出力する。なお、推定温度Ｔnowは、初期的には周囲温度（例えば、２５℃）である。

スイッチ制御部（遮断制御手段）６６は、温度判定部６５より、上記の回路遮断指令信号が出力された際に、電子スイッチ３をオフとして負荷４への電流の供給を停止させ、回路を保護する。

なお、上記した制御回路６の機能の構成は、負荷回路１にレアショート或いはチャタリングショートが発生したときに対応するための回路構成のみを示したものであり、デッドショート発生時の遮断回路については省略している。

次に、通常時上昇温度算出手段６１ａによる上昇温度の算出アルゴリズム（Ａ−１、第１の手法）、過電流時上昇温度算出手段６１ｂによる上昇温度の算出アルゴリズム（Ａ−２、第３の手法）、通常時下降温度算出手段６２ａによる下降温度の算出アルゴリズム（Ｂ−１、第２の手法）、過電流時下降温度算出手段６２ｂによる下降温度の算出アルゴリズム（Ｂ−２、第４の手法）、及び、アーク上昇温度算出部６３における上昇温度の算出アルゴリズム（Ｃ−１）について説明する。

（Ａ−１）通常時上昇温度算出手段６１ａによる上昇温度の算出
電線７に、通常電流（所定の閾値電流（例えば、１０Ａ）未満の電流）が流れ、且つこの電流による飽和温度が現在の電線の推定温度よりも高い場合の、発熱に伴う電線７の温度Ｔ1は、次の（１）式で示される。

ここで、各記号は以下の通りである。

Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
ｉ ： 電流［Ａ］
ｒ ： 電線の抵抗［Ω］
Ｒ１ ： 電線の熱抵抗［℃／Ｗ］
Ｃ１ ： 電線の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
ｔ ： 経過時間［sec］
（１）式において、周囲温度Ｔ2は、通常の環境下では２５℃、エンジンルーム等の高温環境下では８５℃等に設定される。即ち、周囲温度Ｔ2は固定値である。電流ｉは電流計５により測定される値である。抵抗ｒは電線７の抵抗であり定数である。熱抵抗Ｒ１は、電線７の熱の伝わり易さを示す値であり、電線７の材質、太さ、形状等に基づく固有の値である。熱容量Ｃ１は、電線７の温度を１℃上昇させるために必要な熱量であり、電線の材質、太さ、形状等に基づく固有の値である。従って、電流ｉと時間ｔが決定されると、（１）式を用いることにより、電線７の現在の温度Ｔ1を求めることができる。

図５は、（１）式により電流ｉを継続して流したときの、電線の温度変化を示しており、曲線Ｓ１ａ、Ｓ１ｂに示すように、初期温度Ｔ0にて通電を開始してから徐々に電線温度が上昇し、時刻ｔ１にて飽和温度Ｔ１maxに達する。また、時刻ｔ１にて通電を停止すると、温度上昇時のカーブを上下反対にしたカーブを描いて電線温度が下降し、時刻ｔ２にて初期温度Ｔ0まで低下する。

（Ａ−２）過電流時上昇温度算出手段６１ｂによる上昇温度の算出
電線７に、過電流（所定の閾値電流以上の電流）が流れ、且つこの電流による飽和温度が現在の電線の推定温度よりも高い場合の、発熱に伴う電線７の温度Ｔ1は、次の（２）式で示される。

ここで、各記号は以下の通りである。

Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
ｉ ： 電流［Ａ］
ｒ ： 導体の抵抗［Ω］
Ｒ２ ： 導体の熱抵抗［℃／Ｗ］
Ｃ２ ： 導体の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
ｔ ： 経過時間［sec］
（２）式において、周囲温度Ｔ2は上述と同様であり、例えば、２５℃、８５℃等に設定される固定値である。抵抗ｒは定数である。熱抵抗Ｒ２は、電線７を含む導体の熱の伝わり易さを示す値であり、電線７の材質、太さ、形状等に基づく固有の値を含む導体の値である。熱容量Ｃ２は、電線７を含む導体の温度を１℃上昇させるために必要な熱量であり、電線の材質、太さ、形状等に基づく固有の値を含む導体の値である。ここで、上記の「導体」について説明する。

過電流が発生している場合には、電線７が部分的、或いは、断続的に車両のボディー等の金属に接触するチャタリングショート或いはレアショートが生じているものと想定できる。この場合には、電線７を含む短絡経路全体を経由して電流が流れることになる。従って、（２）式では、電流が流れることに寄与する電流経路を導体として、熱抵抗Ｒ２、熱容量Ｃ２を設定している。この場合、短絡事故の発生位置に応じて、熱抵抗、及び熱容量は異なり、一定値とはならない。しかし、本発明者の鋭意検討により、電線が設置される環境に基づき、熱抵抗、及び熱容量を一定値としても、ほぼ正確な上昇温度の測定が可能であることを見い出した。

従って、本実施形態では、過電流発生時における導体の熱抵抗Ｒ２、及び熱容量Ｃ２を一定値としている。上記の内容から、過電流発生時においても、電流ｉと時間ｔが決定されると、（２）式を用いることにより、電線７の現在の温度Ｔ1を求めることができる。

（Ｂ−１）通常時下降温度算出手段６２ａによる下降温度の算出
電線７に、通常電流（所定の閾値電流未満の電流；電流ゼロを含む）が流れ、且つこの電流による飽和温度が現在の電線７の推定温度よりも低い場合の、放熱に伴う電線７の温度Ｔ1は、次の（３）式で示される。

ここで、各記号は以下の通りである。

Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
ｒ ： 電線の抵抗［Ω］
Ｒ１ ： 電線の熱抵抗［℃／Ｗ］
Ｃ１ ： 電線の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
ｔ ： 経過時間［sec］
（３）式において、周囲温度Ｔ2は固定値である。また、電流「ｉ」は、電流計５で検出される電流ではなく、以下に示す手法で求められる数値である。これを、図６を用いて詳細に説明する。

図６の曲線Ｓ２は、電流Ｉ１が流れることにより時刻ｔ１で飽和温度Ｔ１maxに達し、その後、電流がＩ２に減少し、時刻ｔ２で飽和温度Ｔ２maxに達する場合の温度変化を示している。従って、時刻ｔ１以降では、電線７の飽和温度の方が電線７の現在の推定温度よりも低くなっている。この場合において、電流の下降が開始される直前の推定温度（図６の例ではＴ１max）と、電流計５で検出される電流に基づいて求められる飽和温度（Ｔ２max）の差分値（Ｔ１max−Ｔ２max）を求め、この差分値で飽和する電流（これをＩ３とする）を算出し、この電流Ｉ３を（３）式の電流ｉとする。電流Ｉ３が流れたときの電線７の温度特性は、図６の曲線Ｓ３のようにＴ３maxで飽和することになる。そして、時刻ｔ１以降の曲線Ｓ２の変化は、電流Ｉ３による温度特性曲線Ｓ３を上下反対にした特性で下降することになる。そして、上記の手法で算出した電流ｉ、及び時間ｔを（３）式に代入することにより、電線７の現在の温度Ｔ1を求めることができる。

（Ｂ−２）過電流時下降温度算出手段６２ｂによる下降温度の算出
電線７に、過電流（所定の閾値電流以上の電流）が流れ、且つこの電流による飽和温度が現在の電線の推定温度よりも低い場合の、発熱に伴う電線７の温度Ｔ1は、次の（４）式で示される。

ここで、各記号は以下の通りである。

Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
ｒ ： 導体の抵抗［Ω］
Ｒ２ ： 導体の熱抵抗［℃／Ｗ］
Ｃ２ ： 導体の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
ｔ ： 経過時間［sec］
（４）式において、周囲温度Ｔ2は固定値である。また、「ｉ」は、上述した（Ｂ−１）と同様の手法で求められる電流である。従って、電流ｉと時間ｔが決定されると、（４）式を用いることにより、電線７の現在の温度Ｔ1を求めることができる。

（Ｃ−１）アーク上昇温度算出部６３による上昇温度の算出
電線７に流れる電流が閾値電流（例えば、１０［Ａ］）以上から下降し、閾値電流未満まで低下した場合には、その直後に発生するアークに起因して電線７の温度が上昇する。アーク上昇温度算出部６３は、電流が閾値電流を下回る直前の電流ｉと、上昇温度Ｑ（ｉ）との関係を示すアーク対応マップ（図７参照）を予め記憶しており、このアーク対応マップを参照して上昇温度Ｑ（ｉ）を求め、次の（５）式を用いて、電線７の温度Ｔ1を求める。

Ｔ1＝Ｔnow＋Ｑ（ｉ） ・・・（５）
ここで、Ｔnowは、前回のサンプリング時に求められた電線７の温度Ｔ1である。

次に、上述のように構成された本実施形態に係る制御回路６の動作について、図３、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、本フローチャートに示す処理は、例えば、５［msec］のサンプリング時間で周期的に実行される。また、本フローチャートの実行に伴って、タイマ６７による計時が開始される。

まず、電流計５の出力に基づき、負荷回路１に電流が流れているか否かが判定される。即ち、電子スイッチ３がオンとされて、バッテリ２と負荷４が電気的に接続され、電線７に電流が流れているか否かが判定される（ステップＳ３１）。

そして、電流が検出されたと判定された場合には（ステップＳ３１でＹＥＳ）、検出された電流が通常電流（閾値電流未満）であるか、或いは短絡事故等の発生時に流れる過電流（閾値電流以上）であるかが判定される（ステップＳ３２）。本実施形態では、通常電流と過電流を区別する閾値電流を、例えば１０［Ａ］に設定する。即ち、電流計５で検出される検出電流が１０［Ａ］未満である場合には通常電流であると判定し、１０［Ａ］以上である場合には過電流であると判定する。なお、本発明は、閾値電流が１０［Ａ］に限定されるものではない。

電流計５で検出された電流が通常電流であると判定された場合には（ステップＳ３２でＹＥＳ）、ショートフラグが「１」であるか否かが判定される（ステップＳ３３）。ここで、「ショートフラグ」は、通常電流から過電流に変化した場合に「１」に設定されるフラグである。

ショートフラグ＝１でない場合には（ステップＳ３３でＮＯ）、このときの電流の飽和温度と現在の推定温度を対比する（ステップＳ３４）。そして、飽和温度が現在の推定温度以上である場合には（ステップＳ３４でＹＥＳ）、前述の（Ａ−１）のアルゴリズムに示した（１）式を用いて電線７の推定温度Ｔ1を算出する。この際、周囲温度Ｔ2として、例えば２５℃等の値を設定する。そして、算出した推定温度Ｔ1をＴnowとしてメモリ６４ａに記憶保存する（ステップＳ３７）。この処理が終了した後に図４に示すステップＳ４４に処理を進める。

また、飽和温度が現在の推定温度未満である場合には（ステップＳ３４でＮＯ）、前述した（Ｂ−１）のアルゴリズムに示した（３）式に基づいて電線７の下降温度を算出する（ステップＳ３８）。ここで、（３）式に用いる電流ｉは前述した通りである。そして、（３）式で求められた推定温度Ｔ1をＴnowとしてメモリ６４ａに記憶保存する（ステップＳ３８）。この処理が終了した後に図４に示すステップＳ４４に処理を進める。

ショートフラグ＝１である場合には（ステップＳ３３でＹＥＳ）、前述したアルゴリズム（Ｃ−１）で電線の温度上昇を推定する（ステップＳ３９）。この場合には、前回のサンプリング時に検出された電流に基づき、この電流を図７に示すアーク対応マップを参照して上昇温度Ｑ（ｉ）を求める。この処理が終了した場合には、ショートフラグ＝０とし（ステップＳ４３）、図４に示すステップＳ４４に処理を進める。

他方、電流計５で検出される電流が過電流であると判定された場合には（ステップＳ３２でＮＯ）、ショートフラグを「１」に設定する（ステップＳ３５）。

その後、電流計５で検出された電流による飽和温度と現在の推定温度を対比する（ステップＳ３６）。そして、飽和温度が現在の推定温度以上である場合には（ステップＳ３６でＹＥＳ）、前述した（Ａ−２）のアルゴリズムに示した（２）式に基づいて電線７の上昇温度を算出する。（２）式については、前述した（１）式と、熱抵抗Ｒ２、熱容量Ｃ２が相違するのみであり、電線温度の推定処理は前述したステップＳ３７の（Ａ−１）のアルゴリズムと同様である。そして、（２）式で求められた推定温度Ｔ1をＴnowとしてメモリ６４ａに記憶保存する（ステップＳ４０）。この処理が終了した後に図４に示すステップＳ４４に処理を進める。

また、飽和温度が現在の推定温度未満である場合には（ステップＳ３６でＮＯ）、前述した（Ｂ−２）のアルゴリズムに示した（４）式に基づいて電線７の下降温度を算出する。（４）式については、前述した（３）式と、熱抵抗Ｒ２、熱容量Ｃ２が相違するのみであり、電線温度の推定処理は前述したステップＳ３８の（Ｂ−１）のアルゴリズムと同様である。そして、（４）式で求められた推定温度Ｔ1をＴnowとしてメモリ６４ａに記憶保存する（ステップＳ４１）。この処理が終了した後に図４に示すステップＳ４４に処理を進める。

更に、電流計５にて電流が検出されない場合には（ステップＳ３１でＮＯ）、前述した（Ｂ−１）のアルゴリズムに示した（３）式に基づいて、周囲温度（雰囲気温度）まで電線７の下降温度を推定する。この処理では、図５の曲線Ｓ１ｂに示すように、時刻ｔ１で電流が遮断された場合には、このときの電線温度が飽和温度となる電流が求められ、この電流をｉとして、（３）式に代入して電線温度を算出する（ステップＳ４２）。

上述したように、ステップＳ４４の処理により、メモリ６４ａには、通常電流時、過電流発生時、アーク発生時の上昇温度、下降温度を全て考慮して求められる電線７の推定温度Ｔnowが記憶保存されることになる。

ステップＳ４５では、温度判定部６５により、上記のメモリ６４ａに記憶されている電線７の推定温度Ｔnowと、電線７が発煙しない程度に設定された許容温度（所定の閾値温度）Ｔthとが比較され、推定温度Ｔnowが許容温度Ｔth未満である場合（推定温度Ｔnow＜許容温度Ｔth）には（ステップＳ４５でＮＯ）、図３のステップＳ３１に処理を戻す。

他方、推定温度Ｔnowが許容温度Ｔth以上である場合（推定温度Ｔnow≧許容温度Ｔth）には（ステップＳ４５でＹＥＳ）には、温度判定部６５は、スイッチ制御部６６に回路遮断指令信号を出力する。そして、スイッチ制御部６６は、電子スイッチ３を遮断し、負荷４への電流の供給を遮断する（ステップＳ４６）。即ち、電線７の温度が許容温度に達する前の時点で、電子スイッチ３を遮断し、負荷回路１全体を保護する。

その後、前述した（Ｂ−１）または（Ｂ−２）のアルゴリズムに基づいて放熱による電線７の温度を推定する（ステップＳ４７）。更に、推定温度が周囲温度以下まで下降したか否かが判定される（ステップＳ４８）。電線の推定温度が周囲温度まで下降した場合には（ステップＳ４８でＹＥＳ）、電子スイッチ３の強制オフを解除する（ステップＳ４９）。その結果、再度電子スイッチ３をオンとして、負荷４を駆動することができるようになる。

こうして、電流計５による検出電流の大きさ、通常電流と過電流の区別、アークの発生に基づいた電線７の推定温度Ｔnowの測定が可能となり、この推定温度Ｔnowを用いることにより、負荷回路を確実に保護することができるのである。

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、電線７に流れる電流が通常電流であり、且つこの電流による電線の飽和温度よりも電線の推定温度の方が低い場合には、上記した（１）式を用いて電線７の上昇温度を求め、電線７の飽和温度よりも電線７の推定温度の方が高い場合には、上記した（３）式を用いて電線７の下降温度を求める。

また、電線７に流れる電流が過電流であり、且つこの電流による電線７の飽和温度よりも電線７の推定温度の方が低い場合には、上記した（２）式を用いて電線７の上昇温度を求め、電線７の飽和温度よりも電線７の推定温度の方が高い場合には、上記した（４）式を用いて電線７の下降温度を求める。

更に、電線７に流れる電流が過電流から通常電流となった場合には、このときに生じるアークによる温度上昇がアーク対応マップに基づいて求められる。また、電子スイッチ３がオフとされた場合には、上述した（３）式を用いて電線７の下降温度を求める。

従って、電線７の現状の推定温度Ｔnowを高精度に求めることができ、更に、推定温度Ｔnowが許容温度Ｔthに達した時点で電子スイッチ３をオフとして回路を保護する。

つまり、電線７の熱抵抗Ｒ１及び熱容量Ｃ１の電線７の固有の特性、及び、ショートが発生した場合には、短絡経路となる導体の熱抵抗Ｒ２、熱容量Ｃ２を用いて電線７の実際の温度を推定し、回路を遮断するか否かを判定しているので、電線７が発煙する前の時点で確実に回路を遮断して、負荷回路及び電線７を保護することができる。また、少ない発熱量でむやみに負荷回路１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。

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。

チャタリングショート或いはレアショートが発生した際に、これを確実に検出して回路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回路図である。 図１に示した制御回路の具体的な構成を示す機能ブロック図である。 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の、第１の分図である。 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の、第２の分図である。 時間経過に伴う電線温度の変化を示す特性図である。 時間経過に伴う電線温度の変化を示す特性図である。 アーク上昇温度算出部に設定されているアーク対応マップを示す説明図である。

符号の説明

１ 負荷回路
２ バッテリ
３ 電子スイッチ
４ 負荷
５ 電流計（電流検出手段）
６ 制御回路
７ 電線
１０ 負荷回路の保護装置
６１ 上昇温度算出部
６１ａ 通常時上昇温度算出手段
６１ｂ 過電流時上昇温度算出手段
６２ 下降温度算出部
６２ａ 通常時下降温度算出手段
６２ｂ 過電流時下降温度算出手段
６３ アーク上昇温度算出部（アーク上昇温度算出手段）
６４ 推定温度算出部（推定温度算出手段）
６４ａ メモリ
６５ 温度判定部（温度判定手段）
６６ スイッチ制御部（遮断制御手段）
６７ タイマ

Claims (6)

1. 電源、スイッチ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、
   前記負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で電流が検出され、検出された電流が所定の閾値電流未満であり、且つこの電流による前記電線の飽和温度が現在の電線の推定温度以上である場合には、前記電線の上昇温度を、前記電流検出手段で検出された電流と、前記電線の熱特性とに基づき、第１の手法で算出する通常時上昇温度算出手段と、
   前記電流検出手段で電流が検出され、検出された電流が前記閾値電流未満であり、且つこの電流による前記電線の飽和温度が現在の電線の推定温度未満である場合には、前記電線の下降温度を、前記電流検出手段で検出された検出電流から算出した電流と、前記電線の熱特性とに基づき、第２の手法で算出する通常時下降温度算出手段と、
   前記電流検出手段で電流が検出され、検出された電流が前記閾値電流以上であり、且つこの電流による前記電線の飽和温度が現在の電線の推定温度以上である場合には、前記電線の上昇温度を、前記電流検出手段で検出された電流と、前記電線の熱特性とに基づき、第３の手法で算出する過電流時上昇温度算出手段と、
   前記電流検出手段で電流が検出され、検出された電流が前記閾値電流以上であり、且つこの電流による前記電線の飽和温度が現在の電線の推定温度未満である場合には、前記電線の下降温度を、前記電流検出手段で検出された検出電流から算出した電流と、前記電線の熱特性とに基づき、第４の手法で算出する過電流時下降温度算出手段と、
   前記電流検出手段で検出される電流が、前記閾値電流以上から該閾値未満に低下した直後には、このとき発生するアークによる前記電線の上昇温度を、アーク対応マップを参照して求めるアーク上昇温度算出手段と、
   前記通常時上昇温度算出手段、前記過電流時上昇温度算出手段、前記通常時下降温度算出手段、前記過電流時下降温度算出手段、及び前記アーク上昇温度算出手段により算出される上昇温度及び下降温度を積算して、前記電線の推定温度を求める推定温度算出手段と、
   前記推定温度算出手段により算出される前記電線の推定温度が所定の閾値温度を超えたか否かを判定する温度判定手段と、
   前記温度判定手段により、前記電線の推定温度が前記閾値温度を超えたと判定された際に、前記負荷回路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。
2. 前記電流検出手段で検出される電流が、前記閾値電流未満である場合の、前記電線の熱特性は、該電線の熱の伝わり易さを示す熱抵抗Ｒ１、及び該電線を単位温度上昇させるために必要な熱容量Ｃ１であり、
   前記電流検出手段で検出される電流が、前記閾値電流以上である場合の、前記電源と負荷とを結ぶ導体の熱特性は、前記負荷と電源間の電線及び短絡時に生じる電流通路の熱の伝わり易さを示す熱抵抗Ｒ２、及び単位温度を上昇させるために必要な熱容量Ｃ２であ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. 前記通常時上昇温度算出手段は、前記第１の手法として、前記熱抵抗Ｒ１、熱容量Ｃ１を用いて、次式
   

   

   但し、各記号は以下の通り。
   Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
   Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
   ｉ ： 電流［Ａ］
   ｒ ： 電線の抵抗［Ω］
   Ｒ１ ： 電線の熱抵抗［℃／Ｗ］
   Ｃ１ ： 電線の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
   ｔ ： 経過時間［sec］
   にて前記電線の上昇温度を算出す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。
4. 前記過電流時上昇温度算出手段は、前記第２の手法として、前記熱抵抗Ｒ２、熱容量Ｃ２を用いて、次式
   

   

   但し、各記号は以下の通り。
   Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
   Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
   ｉ ： 電流［Ａ］
   ｒ ： 導体の抵抗［Ω］
   Ｒ２ ： 導体の熱抵抗［℃／Ｗ］
   Ｃ２ ： 導体の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
   ｔ ： 経過時間［sec］
   にて前記導体の上昇温度を算出することを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の負荷回路の保護装置。
5. 前記通常時下降温度算出手段は、前記第３の手法として、前記熱抵抗Ｒ１、熱容量Ｃ１を用いて、次式
   

   

   但し、各記号は以下の通り。
   Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
   Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
   ｉ ： 電流が減少した時（電流検出無しを含む）の温度Ｔ1にて発熱が飽和する電流［Ａ］
   ｒ ： 電線の抵抗［Ω］
   Ｒ１ ： 電線の熱抵抗［℃／Ｗ］
   Ｃ１ ： 電線の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
   ｔ ： 経過時間［sec］
   にて前記電線の下降温度を算出することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の負荷回路の保護装置。
6. 前記過電流時下降温度算出手段は、前記第４の手法として、前記熱抵抗Ｒ２、熱容量Ｃ２を用いて、次式
   

   

   但し、各記号は以下の通り。
   Ｔ1 ： 電線の温度［℃］
   Ｔ2 ： 周囲温度［℃］
   ｉ ： 電流が減少した時（電流検出無しを含む）の温度Ｔ1にて発熱が飽和する電流［Ａ］
   ｒ ： 導体の抵抗［Ω］
   Ｒ２ ： 導体の熱抵抗［℃／Ｗ］
   Ｃ２ ： 導体の熱容量［Ｊ／℃］或いは［Ｗ・sec／℃］
   ｔ ： 経過時間［sec］
   にて前記導体の下降温度を算出することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載の負荷回路の保護装置。

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