JP5718833B2 - 電線保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に接続する電線に過電流が流れて電線温度が上昇した際に、電線への通電を遮断して電線を保護する電線保護装置に関するものである。

従来から、自動車等の車両においては、バッテリ等の電源をライトやモータ等の各負荷に供給するために、電源と各負荷との間が電線で接続されている。これらの電線は、車両走行中の振動により車体の角部に接触することがある。そして、この接触によって電線の絶縁被膜が損傷すると、車体との間にデッドショートやリーク等を生じ、損傷箇所の温度が上昇して、最終的には絶縁被覆が発煙するおそれがある。

このような電線損傷時の発煙を防止するために、例えば特開２００９−２６１０８８号公報（特許文献１）に記載の如き電線保護装置が用いられている。このような電線保護装置は、負荷に接続する電線への通電と遮断を制御するスイッチング手段と、電線に流れる電流値を測定する電線電流測定手段とを備え、電線に流れる電流値に基づいて電線温度を算出すると共に、算出された電線温度が所定の閾値以上となった場合には、スイッチング手段によって電線への通電を遮断するようにされている。

ところで、特許文献１に記載の電線保護装置は、電線温度Ｔｗ（℃）を、発熱時における電線温度を示す下記の一般式を用いて算出している。
Ｔｗ＝Ｔａ＋Ｉ² ×Ｒｗ×Ｒｔｈｗ×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｃ・Ｒｔｈｗ）｝
ここで、Ｔａは電線周辺の環境温度（℃）、Ｉは電線を流れる電流値（Ａ）、Ｒｗは電線の導体抵抗（Ω）、Ｒｔｈｗは熱抵抗（℃／Ｗ）、Ｃは熱容量（Ｊ／℃）、ｔは時間（ｓ）である。

ここで、電線周辺の環境温度Ｔａは、例えば温度センサ等の環境温度検出手段によって検出される。しかし、温度センサが、リレーや抵抗等の熱を生じる電気部品に近接して配設されていると、電気部品の発熱による影響を受けて、実際の環境温度よりも高い値を検出するおそれがある。それ故、電線が発煙温度に到達するよりも前のかなり早い段階で電線への通電を遮断してしまうおそれがあった。その結果、電線の径に必要以上のマージンを与えることとなっており、製造コストの増加を招いているという問題を内在していた。

特開２００９−２６１０８８号公報

本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、電線周囲の環境温度をより正確に検出して、電線の温度異常をより精度良く検出することの出来る、新規な構造の電線保護装置を提供することにある。

本発明の第一の態様は、電源と負荷とを接続する電線の温度が上昇した場合に、該電線への通電を遮断して該電線を保護する電線保護装置において、（ａ）前記電線への通電と遮断を切り換えるスイッチング手段と、（ｂ）前記電線に流れる電流値を測定する電線電流測定手段と、（ｃ）電線周辺の環境温度を検出する環境温度検出手段と、（ｄ）前記電線電流測定手段で得られた前記電線に流れる電流値と前記環境温度検出手段で得られた前記環境温度とを用いて前記電線の温度を算出する電線温度算出手段と、（ｅ）該電線温度算出手段で算出された前記電線の温度が所定値以上の場合には前記スイッチング手段により前記電線への通電を遮断するリミット手段と、（ｆ）前記環境温度検出手段の周辺に配設された電気部品に流れる電流値を測定する周辺部品電流測定手段と、（ｇ）該周辺部品電流測定手段で得られた前記電気部品に流れる電流値から該電気部品が前記環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量を求める熱影響取得手段と、（ｈ）該熱影響取得手段で得られた温度上昇量に基づいて前記環境温度検出手段で得られた前記環境温度を補正する環境温度補正手段とを備えたことを、特徴とする。

本発明に従う構造とされた電線保護装置においては、熱影響取得手段を設けて、温度センサ等の環境温度検出手段の周辺に配設された電気部品が環境温度検出手段に与える熱影響を取得すると共に、得られた熱影響に基づいて環境温度検出手段で得られた環境温度を補正するようにした。これにより、周辺に配設された電気部品が環境温度検出手段に与える熱影響を取り除くことが出来て、より正確な環境温度を検出することが出来る。従って、電線温度をより精度良く算出することが出来、より発煙温度に近い適切なタイミングで電流を遮断することが出来る。その結果、電線径に余分なマージンを与えることがなく、電線の小径化を図ることが出来て、製造コストを低減することが出来る。また、電気部品からの熱影響を軽減するために、環境温度検出手段を電気部品から遠ざけて配設するなどの必要もなく、環境温度検出手段が電気部品の付近に位置しても環境温度を精度良く検出出来ることから、環境温度検出手段を電気部品に近づけて配設することが出来、装置の小型化を図ることも出来る。

なお、熱影響取得手段は、後述するように、環境温度検出手段の周辺の電気部品に流れる電流値と該電気部品が環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量との関係を予めデータテーブルとして設けておいて、該テーブルから検索するようにしても良いし、関数を用意して電気部品に流れる電流値から環境温度検出手段の温度上昇量を算出するようにしても良い。

本発明の第二の態様は、前記第一の態様に記載のものにおいて、前記環境温度検出手段の周辺に配設された電気部品としてのリレーによって前記スイッチング手段が構成されているものである。

本態様においては、リレーによってスイッチング手段が構成されている。そして、リレーは熱を生じ易いことから、環境温度検出手段に熱影響を与え易い。そこで、リレーによる環境温度検出手段への熱影響分を環境温度検出手段が検出した環境温度から取り除くことによって、環境温度を精度良く検出することが出来る。

なお、リレーとしては、機械的接点を有するメカニカルリレーでも良いし、半導体リレー等でも良い。特に、電流センシング機能を有するＩＰＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｓｗｉｔｃｈ）等を用いれば、スイッチング手段と、電線電流測定手段と、周辺部品電流測定手段とを単一の部品で構成することが出来る。

本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に記載のものにおいて、前記熱影響取得手段は、前記環境温度検出手段の周辺に配設された電気部品に流れる電流値と該電気部品が前記環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量との関係を記憶する電流値−熱影響関係テーブルを備えるものである。

本態様によれば、電気部品に流れる電流値と、該電気部品が環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量との関係を予めデータテーブルとして設けて、得られた電流値に対応する温度上昇量をテーブルから取得することによって、簡易な構造で熱影響取得手段を構成することが出来る。また、環境温度検出手段の温度上昇量を速やかに取得することが出来て、処理速度の向上を図ることも出来る。

本発明においては、環境温度検出手段の周辺に配設された電気部品に流れる電流値に基づいて、該電気部品が環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量を求める熱影響取得手段を設けると共に、該熱影響取得手段で得られた温度上昇量に基づいて環境温度検出手段の検出結果を補正する環境温度補正手段を設けた。これにより、環境温度検出手段が周囲の電気部品から受ける熱影響を取り除いて、環境温度をより精度良く検出することが出来、電線への通電をより発煙温度に近い適切なタイミングで遮断することが出来る。その結果、電線に余分なマージンを与えることなく小径化を図ることが出来ると共に、環境温度検出手段を電気部品に近づけて配設することが出来、電線保護装置の小型化を図ることも出来る。

本発明の一実施形態としての電線保護装置の概略的な構成を説明するためのブロック図。 電線保護装置が実施する電線保護処理を示すフローチャート。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

先ず、図１に、本発明の一実施形態としての電線保護装置１０の概略的な構成を示す。電線保護装置１０は、例えば図示しない車両に搭載されたパワーディストリビュータ内に設けられるものであり、電源Ｂａから各負荷１２（本実施形態においては、負荷１２ａ〜１２ｃの３つのみ図示）への電力供給制御を行う。なお、電源Ｂａはバッテリである。また、負荷１２は各種の電装品等であり、例えば車両用のランプ、クーリングファン用モータやデフォッガ用ヒータ等が挙げられる。

電線保護装置１０は、電源Ｂａと各負荷１２ａ〜１２ｃとを接続する電線１４ａ〜１４ｃに接続されるスイッチング手段としての半導体リレー１６（図１においては電線１４ａに接続する半導体スイッチ１６のみ図示）を有し、半導体リレー１６をオンオフすることにより電線１４ａ〜１４ｃへの通電と遮断を切り換えて、電源Ｂａから各負荷１２ａ〜１２ｃへの電力供給制御を行う。電線保護装置１０はプリント基板１８上に形成されており、半導体リレー１６は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ等である。また、電線１４ａ〜１４ｃは例えば導電性の芯線が絶縁被膜で覆われたワイヤハーネスであり、プリント基板１８上に設けられたコネクタ２０ａ〜２０ｃによって半導体スイッチ１６と電気的に接続されている。なお、電線保護装置１０において、電源Ｂａと各負荷１２ａ〜１２ｃとの接続経路は何れも略同様の構造とされていることから、以下、特に区別する必要の無い場合には、負荷１２、電線１４として説明する。

電線保護装置１０には、制御装置２２、環境温度検出手段としての温度センサ２４、および半導体リレー１６等を備えた複数のＩＰＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
Ｐｏｗｅｒ Ｓｗｉｔｃｈ）２６ａ〜２６ｃ等が設けられている。

制御装置２２はマイクロコンピュータであり、後述する電線保護処理に必要な演算を行うＣＰＵ２８と、ＣＰＵ２８の作動を制御するプログラムや後述する電流値−熱影響関係テーブル等が記憶されたＲＯＭ３０と、ＣＰＵ２８の演算結果等の一時的な記憶領域として用いるＲＡＭ３２を含んで構成されている。なお、本実施形態においては、制御装置２２が、ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃ等と共にプリント基板１８上に実装されているが、例えば制御装置２２をプリント基板１８とは別構成としても良い。

温度センサ２４は、プリント基板１８上に設けられた例えばサーミスタ等である。温度センサ２４は、電線１４周辺の環境温度Ｔａを検出して制御装置２２に送信する。

ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃは、各電線１４ａ〜１４ｃのそれぞれについて設けられている。これらＩＰＳ２６は半導体リレーであり、半導体リレー１６（例えば、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ）およびセンスＭＯＳＦＥＴ３４を含んで構成されている。センスＭＯＳＦＥＴ３４は、電源Ｂａから負荷１２への通電電流である電流値Ｉと所定の比率関係を有するセンス電流を生成する。

センス電流は、電流電圧変換回路３６によって、センス電流と比例関係を有するセンス電圧信号（変換信号）Ｖｓｅｎｓに変換される。電流電圧変換回路３６は、例えばセンス電流検出抵抗によって構成される。センス電圧信号ＶｓｅｎｓはＣＲローパスフィルタ３８に送信される。ＣＲローパスフィルタ３８はセンス電圧信号Ｖｓｅｎｓから所定の高周波成分を除去し、高周波成分が除去されたセンス電圧信号Ｖｓｅｎｓを制御装置２２に送信する。なお、図示は省略しているが、電流電圧変換回路３６およびＣＲローパスフィルタ３８は、各ＩＰＳ２６毎にプリント基板１８上に設けられており、ＩＰＳ２６ｂ，ＩＰＳ２６ｃにも同様に接続されている。

制御装置２２は、受信したセンス電圧信号Ｖｓｅｎｓに基づいて、負荷１２の通電電流である電流値Ｉを得る。例えば、センス電圧信号Ｖｓｅｎｓと電流値Ｉとの対応をデータテーブルとしてＲＯＭ３０に記憶して、該データテーブルから受信したセンス電圧信号Ｖｓｅｎｓに対応する電流値Ｉを得る。

これらＩＰＳ２６ａ〜２６ｃは、温度センサ２４と共にプリント基板１８に設けられており、温度センサ２４の周辺に配設されている。従って、本実施形態においては、ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃが環境温度検出手段としての温度センサ２４の周辺に配設された電気部品であり、電線１４に流れる電流値を測定する電線電流測定手段と、電気部品としてのＩＰＳ２６に流れる電流値を測定する周辺部品電流測定手段の両方が、センスＭＯＳＦＥＴ３４を含んで構成されている。

そして、制御装置２２のＲＯＭ３０には、表１に示す電流値−熱影響関係テーブルが記憶されている。電流値−熱影響関係テーブルは、ＩＰＳ２６ａ〜ＩＰＳ２６ｃのそれぞれについて、所定の電流値が流れた場合に、ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃの発熱が温度センサ２４に与える熱影響としての温度上昇量が記憶されたデータテーブルである。なお、電流値−熱影響関係テーブルは、例えば温度センサ２４とＩＰＳ２６ａ〜２６ｃをプリント基板１８に実装した状態で、各ＩＰＳ２６ａ〜２６ｂ毎に実際に通電して温度センサ２４が検出する温度上昇量を測定する等して得ることが出来る。

このような電線保護装置１０は、電線１４において絶縁被覆が劣化する等してショートが生じ、電線温度Ｔｗが予め設定された遮断閾値Ｔｔｈまで上昇した場合には、電線１４と接続する半導体リレー１６をオフにして、電線１４への通電を遮断することにより、電線１４を保護する。遮断閾値Ｔｔｈは、電線１４の発煙特性に基づく発煙温度よりもやや低い値に設定されている。

次に、図２に基づいて、制御装置２２に設けられたＣＰＵ２８が実行する電線保護処理を示す。図２においては、１つの電線１４について行われる処理を示しているが、この電線保護処理は、例えば５ｍｓ等の所定周期で、各負荷１２に接続する全ての電線１４について実行される。先ず、ＣＰＵ２８は、Ｓ１において、温度センサ２４から、環境温度Ｔａを取得して、ＲＡＭ３２に記憶する。

続いて、ＣＰＵ２８は、Ｓ２〜Ｓ４において、温度センサ２４の周囲に配設された全てのＩＰＳ２６ａ〜ＩＰＳ２６ｃについて、ＲＯＭ３０に記憶された電流値−熱影響関係テーブル（表１参照）に基づいて、各ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃが温度センサ２４に与える影響温度としての温度上昇量Ｔ１〜Ｔ３を取得する。具体的には、ＣＰＵ２８は、先ず、ＩＰＳ２６ａについて、Ｓ２において、ＩＰＳ２６ａに流れる電流値を前記センスＭＯＳＦＥＴ３４等を通じて取得する。次に、ＣＰＵ２８は、Ｓ３において、電流値−熱影響関係テーブル（表１参照）から、ＩＰＳ２６ａについて、得られた電流値に対応する温度センサ２４の温度上昇量Ｔ１を取得して、ＲＡＭ３２に記憶する。例えば、ＩＰＳ２６ａについて得られた電流値が５Ａの場合には、Ｔ１として１．５（℃）がＲＡＭ３２に記憶される。そして、ＩＰＳ２６ｂ、ＩＰＳ２６ｃについても同様にＳ２、Ｓ３を実行して、温度上昇量Ｔ２、Ｔ３をＲＡＭ３２に記憶する。このように、本実施形態においては、電流値−熱影響関係テーブル、Ｓ２〜Ｓ４を含んで、熱影響取得手段が構成されている。

全ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃについて温度センサ２４への影響温度Ｔ１〜Ｔ３の取得が完了した場合（Ｓ４＝ＹＥＳ）の場合には、ＣＰＵ２８は、Ｓ５において、Ｓ１で得られた環境温度Ｔａと、Ｓ２〜Ｓ３で得られた各ＩＰＳ２６ａ〜ＩＰＳ２６ｃの温度上昇量Ｔ１〜Ｔ３を用いて、下記式１に基づいて、環境温度Ｔａを影響温度Ｔ１〜Ｔ３で補正した補正環境温度Ｔａ’を得て、ＲＡＭ３２に記憶する。
Ｔａ’＝Ｔａ−Ｔ１−Ｔ２−Ｔ３・・・（式１）
例えば、環境温度Ｔａ＝３０（℃）、ＩＰＳ２６ａに流れる電流値が５Ａ、ＩＰＳ２６ｂに流れる電流値が３Ａ、ＩＰＳ２６ｃに流れる電流値が７Ａの場合には、Ｔ１＝１．５（℃）、Ｔ２＝０．６（℃）、Ｔ３＝３．５（℃）となり、補正環境温度Ｔａ’＝３０−１．５−０．６−３．５＝２４．４（℃）となる。このように、本実施形態においては、Ｓ５を含んで環境温度補正手段が構成されている。

次に、ＣＰＵ２８は、Ｓ６において、Ｓ５で得られた補正環境温度Ｔａ’と、電線１４ａに流れる電流値Ｉを用いて、下記式２に基づいて、電線１４ａの電線温度Ｔｗ（℃）を算出する。このように、本実施形態においては、Ｓ６を含んで、電線温度算出手段が構成されている。なお、電線１４ａに流れる電流値Ｉは、ＩＰＳ２６ａのセンスＭＯＳＦＥＴ３４を通じて取得される。
Ｔｗ＝Ｔａ’＋Ｉ² ×Ｒｗ×Ｒｔｈｗ×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／τｗ）｝・・・（式２）
ここで、Ｔａ’はＳ５で得られた補正環境温度（℃）、Ｉは電線を流れる電流値（Ａ）、Ｒｗは電線の導体抵抗（Ω）、Ｒｔｈｗは熱抵抗（℃／Ｗ），τｗは電線の放熱時定数（ｓ）、ｔは時間（ｓ）である。

そして、ＣＰＵ２８は、Ｓ７において、Ｓ６で得られた電線１４ａの電線温度Ｔｗ（℃）と、電線１４ａの発煙温度よりも低い所定の遮断閾値Ｔｔｈ（℃）とを比較して、電線温度Ｔｗが遮断閾値Ｔｔｈよりも小さい場合（Ｓ７＝ＮＯ）には、次の周期で再度Ｓ１からの処理を実行する。一方、電線温度Ｔｗが遮断閾値Ｔｔｈ以上であった場合（Ｓ７＝ＹＥＳ）には、Ｓ８において、電線１４ａが接続する半導体リレー１６をオフにして、電線１４ａへの通電を遮断して、電線保護処理を終了する。このように、本実施形態においては、Ｓ７、Ｓ８を含んで、リミット手段が構成されている。

なお、上述のように、このような電線保護処理は、所定周期毎に、負荷１２に接続する全ての電線１４について実行される。従って、全ての電線１４ａ〜１４ｃについて、上記Ｓ１〜Ｓ８を繰り返して実行しても良いし、各電線１４ａ〜１４ｃについての電線保護処理が略同じタイミングで実行される場合には、例えばＳ１〜Ｓ５を一度だけ実行して補正環境温度Ｔａ’を取得した後に、得られた補正環境温度Ｔａ’を共通して用いてＳ６以降の処理のみを各電線１４ａ〜１４ｃについて繰り返して実行する等しても良い。

本実施形態に従う構造とされた電線保護装置１０においては、各ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃに流れる電流の大きさと、各ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃが温度センサ２４に与える温度上昇量との関係を記憶した電流値−熱影響関係テーブル（表１）を、制御装置２２のＲＯＭ３０内に設けた。そして、電線１４の電線温度Ｔｗを算出する際には、電流値−熱影響関係テーブルから、各ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃが温度センサ２４に与える温度上昇量Ｔ１〜Ｔ３を取得して、温度センサ２４が検出した環境温度Ｔａから、それら各ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃの温度センサ２４への影響分Ｔ１〜Ｔ３を差し引いた補正環境温度Ｔａ’を用いるようにした。これにより、環境温度をより精度良く検出することが出来て、電線温度Ｔｗをより精度良く算出することが出来る。その結果、より適切なタイミングで電流を遮断することが出来、電線１４に余分なマージンを与えることが不要とされて、電線１４の小径化を図ることが出来る。また、ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃから熱影響を受ける場合でも環境温度を精度良く検出できることから、温度センサ２４をＩＰＳ２６ａ〜２６ｃに近い位置に配設することが可能となり、電線保護装置１０の小型化を図ることが出来る。

また、本実施形態においては、各ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃに流れる電流値から温度センサ２４に与える温度上昇量を求める熱影響取得手段が、各ＩＰＳ２６ａ〜２６ｃに流れる電流値と、温度センサ２４の温度上昇量との関係を記憶する、ＲＯＭ３０に記憶されたデータテーブルとしての電流値−熱影響関係テーブル（表１）で構成されている。これにより、簡易な構造で熱影響取得手段を構成することが出来ると共に、温度センサ２４の温度上昇量を速やかに取得することが出来る。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、環境温度検出手段の検出結果から熱影響分が差し引かれる対象となる電気部品は、環境温度検出手段に熱影響を及ぼすものであれば何等限定されるものではなく、前記実施形態におけるＩＰＳ２６の如き半導体リレーに限らず、機械的接点を有するメカニカルリレーや、抵抗等でも良い。従って、熱影響分が差し引かれる対象となる電気部品としては、例えば保護すべき電線と電気的に接続することなく、単に環境温度検出手段に近接して配設されている抵抗等でも良い。

さらに、前記実施形態においては、電気部品に流れる電流値を測定する周辺部品電流測定手段として、センスＭＯＳＦＥＴ３４が採用されていたが、例えばシャント抵抗を用いる等しても良い。

更にまた、電気部品に流れる電流値から該電気部品が環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量を求める熱影響取得手段は、前記実施形態における電流値−熱影響関係テーブル（表１）の如きデータテーブルに限定されない。例えば、電気部品に流れる電流値と、該電気部品が環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量との関係を関数で保持して、環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量を都度計算によって求める等しても良い。このような関数は、例えば、所定の電流値における環境温度検出手段の温度上昇量の実測値を幾つかプロットして、それらの点を通る近似曲線から得ることが出来る。

１０：電線保護装置、Ｂａ：電源、１２ａ〜ｃ：負荷、１４ａ〜ｃ：電線、１６：半導体リレー（スイッチング手段）、２４：温度センサ（環境温度検出手段）、２６ａ〜ｃ：ＩＰＳ（周辺に配設された電気部品）、３４：センスＭＯＳＦＥＴ（電線電流測定手段、周辺部品電流測定手段）

Claims (3)

1. 電源と負荷とを接続する電線の温度が上昇した場合に、該電線への通電を遮断して該電線を保護する電線保護装置において、
   前記電線への通電と遮断を切り換えるスイッチング手段と、
   前記電線に流れる電流値を測定する電線電流測定手段と、
   電線周辺の環境温度を検出する環境温度検出手段と、
   前記電線電流測定手段で得られた前記電線に流れる電流値と前記環境温度検出手段で得られた前記環境温度とを用いて前記電線の温度を算出する電線温度算出手段と、
   該電線温度算出手段で算出された前記電線の温度が所定値以上の場合には前記スイッチング手段により前記電線への通電を遮断するリミット手段と、
   前記環境温度検出手段の周辺に配設された電気部品に流れる電流値を測定する周辺部品電流測定手段と、
   該周辺部品電流測定手段で得られた前記電気部品に流れる電流値から該電気部品が前記環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量を求める熱影響取得手段と、
   該熱影響取得手段で得られた温度上昇量に基づいて前記環境温度検出手段で得られた前記環境温度を補正する環境温度補正手段と
   を備えたことを特徴とする電線保護装置。
2. 前記環境温度検出手段の周辺に配設された電気部品としてのリレーによって前記スイッチング手段が構成されている
   請求項１に記載の電線保護装置。
3. 前記熱影響取得手段は、前記環境温度検出手段の周辺に配設された電気部品に流れる電流値と該電気部品が前記環境温度検出手段に及ぼす温度上昇量との関係を記憶する電流値−熱影響関係テーブルを備える
   請求項１又は２に記載の電線保護装置。

Images