JP5827535B2 - 車載暖房用ヒータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されて暖房用の熱媒体を加熱するヒータの制御装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車では、車室内の暖房のため、温水式暖房装置を用いている。すなわち、水の循環路を設けて、その一位置にてヒータ（水加熱ヒータ）により水を加熱して温水を得、他位置（下流側）にて熱交換器により温水と車室内に吹出す空気との間で熱交換を行わせて車室内暖房用の温風を得ている。

上記ヒータの電源は高電圧電源であり、ヒータは高電圧・高電流下で使用される。従って、何らかの原因でヒータの異常過熱を生じることがあり、過熱保護が必要となる。

特許文献１では、ヒータの温度（ヒータにより得た温水の温度を含む）を検出し、ヒータの温度が所定値以上のときに、ヒータへの電圧の供給をオン・オフするスイッチを強制的にオフにし、かつオフ状態を保持するようにしている。

特許文献２では、ヒータの通電回路にヒータと直列に介装され、ヒータの異常過熱時に溶断して通電回路を遮断する温度ヒューズを用いている。但し、高電力下では温度ヒューズの信頼性が不十分なため、ヒータを複数にして並列接続し、各ヒータごとに温度ヒューズを設けて、低電力（低電流）下で温度ヒューズを使用するようにしている。

特許第３３６９８８１号公報 特開２００２−３２４６５３号公報

特許文献１に記載の技術では、ヒータの温度（ヒータにより得た温水の温度を含む）を検出して異常過熱を判断しているため、ヒータへの通電をＩＧＢＴなどのスイッチングデバイスを用いて制御する場合、ヒータの異常過熱を検出する前に、スイッチングデバイスの異常過熱を生じることがあり、更なる対策が必要であった。
また、異常過熱を検出して強制的にオフする制御をマイコンにより行っている場合、何らかの原因でマイコンが制御不能となった場合は、オフする手段がなかった。

特許文献２に記載の技術では、低電力（低電流）条件にして温度ヒューズを使用するため、低電力密度仕様のヒータを選択せざるを得ず、高電力密度仕様のヒータを選択できないので、ヒータが大型化し、これを収納する筐体のサイズも大きくなってしまうという欠点があった。

本発明は、このような実状に鑑み、車載暖房用ヒータの制御装置に関し、更なる過熱保護、マイコン異常対策等を図ることを課題とする。

本発明に係る車載暖房用ヒータの制御装置は、前提として、通電により発熱して暖房用の熱媒体を加熱するヒータと、前記ヒータへの通電回路に前記ヒータと直列に介装されて通電をオン・オフ可能なスイッチングデバイスと、前記スイッチングデバイスをオン・オフ駆動するドライバと、暖房要求に基づいて前記ドライバに対し指令信号を発生するマイコンと、を含んで構成される。

ここにおいて、前記スイッチングデバイスの温度を検出する第１温度センサと、前記第１温度センサからの信号が入力され、前記スイッチングデバイスの温度が所定温度以上のときに信号を発生するコンパレータと、を有し、前記コンパレータの信号で、前記ドライバを介し、前記スイッチングデバイスを強制的にオフするように構成する。
また、前記スイッチングデバイスは、前記ヒータと直列に、前記ヒータの電源側及び接地側に２個設けられ、前記第１温度センサは、前記２個のスイッチングデバイスの温度を検出できる位置に１個設けられ、前記コンパレータは、前記１個の第１温度センサに対応して、１個設けられる。

本発明によれば、スイッチングデバイスの温度を検出して、その過熱時に強制オフするため、より保護が求められるスイッチングデバイスを優先的に（いち早く）保護することができる。スイッチングデバイスの過熱保護により、ヒータの過熱保護を同時に達成できることは言うまでもない。

また、コンパレータを用い、マイコンとは別の回路構成としたため、マイコンが何らかの原因で制御不能となった場合でも、過熱保護を図ることができる。
また、スイッチングデバイスは、ヒータと直列に、ヒータの電源側及び接地側に２個設けられるが、第１温度センサは、２個のスイッチングデバイスの温度を検出できる位置に１個設けられる。これにより、２個のスイッチングデバイスに対し、１個の第１温度センサに対応して設けられる１個のコンパレータの追加で済み、コストアップを抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る水加熱ヒータを含む車載暖房装置の概念図 本発明の一実施形態に係る水加熱ヒータの制御装置の回路構成図 ＩＧＢＴドライバの強制停止ポート部分の具体例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本発明に係る車載暖房用ヒータは、通電により発熱して暖房用の熱媒体を加熱するものであり、熱媒体としては、一般的に水（不凍液などを混入させたものを含む）が使用される。従って、以下の実施形態でも熱媒体としては水を使用する。

図１は本発明の一実施形態に係る水加熱ヒータを含む車載暖房装置の概念図である。
熱媒体としての水の循環路１が設けられ、水はポンプ２により循環する。

循環路１の一位置にはヒータ（水加熱ヒータ）３が設けられる。ヒータ３は、循環路１を流れる水を加熱して、温水を得る。また、本実施形態では、ヒータ３として、電気的に並列に接続される２個のヒータ３Ａ、３Ｂを設けている。

循環路１の他位置（ヒータ３の下流側）には、熱交換器４が設けられる。熱交換器４は、車室内に空調用空気を吹出す通風ダクト５内に配置され、温水と空気との熱交換により、空気を暖めて、車室内暖房用の温風を得る。尚、通風ダクト５内には、熱交換器４をバイパス通路６が設けられており、エアミックスダンパ７により空気の流れが制御される。

図２は本発明の一実施形態に係る水加熱ヒータの制御装置の回路構成図である。
ヒータ３（３Ａ、３Ｂ）への通電回路は、並列に接続された２個のヒータ３Ａ、３Ｂに対し、高電圧電源により電圧を印加する。

そして、この通電回路には、ヒータ３（３Ａ、３Ｂ）と直列に、ヒータ３より電源側、及び、ヒータ３より接地側に、スイッチングデバイスとして、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１１、１２が介装される。ＩＧＢＴ１１、１２はそれらのゲートへの信号により通電をオン・オフ可能であり、ＩＧＢＴ１１、１２の各ゲートには、ＩＧＢＴドライバ１３の２つの出力端子がそれぞれ接続される。

ＩＧＢＴドライバ１３は、２つの入力端子と２つの出力端子とを有し、各入力信号に基づく各出力信号により、２つのＩＧＢＴ１１、１２を個別にオン・オフ駆動することができる。ＩＧＢＴドライバ１３の２つの入力端子には、マイコン（ＣＰＵ）１４の２つの出力端子がそれぞれ接続される。

マイコン１４は、暖房要求に基づいてＩＧＢＴドライバ１３に対し指令信号を発生する。すなわち、暖房要求に基づいてヒータ３のオン時間割合を定め、これに対応するＰＷＭ信号を出力することにより、ＩＧＢＴドライバ１３を介しＩＧＢＴトランジスタ１１、１２のオン時間割合を制御して、ヒータ３の温度（これにより得られる温水の温度）を制御する。

上記の暖房要求に基づく暖房制御、及び、過熱保護等のため、マイコン１４には、各種センサ（第１温度センサ、第２温度センサ、電圧センサ及び電流センサ）から信号が入力されている。

第１温度センサ２１は、スイッチングデバイス１１、１２の温度を検出するセンサであり、２個のスイッチングデバイス１１、１２に対し、これらの温度を検出できる位置に１個設けられる。第１温度センサ２１としては、具体的には、第１サーミスタ（２１）が設けられ、定電圧電源（図には「５Ｖ」と表記）と接地との間に、抵抗Ｒ１と第１サーミスタ２１とが直列に配置されている。そして、第１サーミスタ２１の端子電圧Ｖ１が温度相当電圧としてマイコン１４に入力されている。

第２温度センサ２２は、ヒータ３の温度（ヒータ３により得た温水の温度を含む）を検出するセンサであり、２個のヒータ３Ａ、３Ｂに対し、これらの温度を検出できる位置（２個のヒータ３Ａ、３Ｂの間、これらのヒータ３Ａ、３Ｂが収納される筐体の温水出口部など）に１個設けられる。第２温度センサ２２としては、具体的には、第２サーミスタ（２２）が設けられ、定電圧電源と接地との間に、抵抗Ｒ２と第２サーミスタ２２とが直列に配置されている。そして、第２サーミスタ２２の端子電圧Ｖ２が温度相当電圧としてマイコン１４に入力されている。

電圧センサ２３は、ヒータ３（３Ａ、３Ｂ）に印加される電圧（電源電圧）を検出するセンサであり、高電圧電源の電源・接地間に直列に介装した分圧抵抗Ｒ３、Ｒ４により構成され、接地側の抵抗Ｒ４の端子電圧Ｖ３が電源電圧相当値としてマイコン１４に入力されている。尚、分圧抵抗Ｒ３、Ｒ４は、Ｒ３＞＞Ｒ４とすることは言うまでもない。

電流センサ２４は、ヒータ３（ＩＧＢＴ１１、１２）に流れる電流を検出するセンサであり、ヒータ３の通電回路におけるＩＧＢＴ１２より接地側に直列に介装した抵抗Ｒ５と、この抵抗Ｒ５の両端の電位差を検出するオペアンプＯＰとから構成され、オペアンプＯＰの出力（電位差ΔＶ）がマイコン１４に入力されている。マイコン１４では、電位差ΔＶと抵抗Ｒ５の抵抗値とから、電流ｉ＝ΔＶ／Ｒ５を検出できる。

マイコン１４は、ＩＧＢＴ１１、１２の温度、ヒータ３の温度、ヒータ３への電圧及び電流のいずれかが、それぞれに対応させて予め定めた所定値を超えたときに、ＩＧＢＴドライバ１３に対して、強制的なオフ指令を発する機能（強制オフ指令手段）をソフトウエア的に有している。

すなわち、マイコン１４では、第１温度センサ（第１サーミスタ）２１、第２温度センサ（第２サーミスタ）２２、電圧センサ２３及び電流センサ２４から入力される信号に基づいて、ＩＧＢＴ１１、１２の温度、ヒータ３の温度、ヒータ３への電圧及び電流を検出する。

そして、ＩＧＢＴ１１、１２の温度が所定値を超えたとき、ヒータ３の温度が所定値を超えたとき、ヒータ３に印加される電圧が所定値を超えたとき、又は、ヒータ３に流れる電流が所定値を超えたときに、ＩＧＢＴドライバ１３に対して、強制的なオフ指令を発する。すなわちＰＷＭ信号の出力を停止する。これにより、ＩＧＢＴ１１、１２が強制的にオフとなり、ヒータ３（３Ａ、３Ｂ）への通電が停止される。よって、ＩＧＢＴ１１、１２及びヒータの過熱保護を図ることができる。

しかし、上記の過熱保護は、マイコン１４によって行うため、マイコン１４が制御不能となった場合には、所期の目的を達成できない。そこで、次のような対策が講じられている。

図２を参照し、スイッチングデバイスとしてのＩＧＢＴ１１、１２の温度を検出する第１温度センサ（第１サーミスタ）２１を用い、この第１温度センサ（第１サーミスタ）２１からの信号が入力され、ＩＧＢＴ１１、１２の温度が所定温度以上のときに信号を発生するコンパレータ（比較回路）２５を設けている。

コンパレータ２５は、２つの入力端子を有し、一方の＋側入力端子に、第１サーミスタ２１の端子電圧（抵抗Ｒ１とサーミスタ２１との分圧電圧）Ｖ１を入力し、他方の−側入力端子に抵抗Ｒ６、Ｒ７により分圧して得た所定電圧Ｖ４を入力してある。

コンパレータ２５の出力端子は、ＩＧＢＴドライバ１３の強制停止ポートに接続し、コンパレータ２５の信号で、ＩＧＢＴドライバ１３を介し、ＩＧＢＴ１１、１２を強制的にオフするように構成してある。

従って、ＩＧＢＴ１１、１２の温度が異常上昇すると、第１サーミスタ２１の抵抗値が減少する結果、コンパレータ２５の＋側入力端子に入力される第１サーミスタ２１の端子電圧Ｖ１が減少し、−側入力端子に入力されている所定電圧を下回る。これにより、コンパレータ２５の出力がＬレベルとなる。
コンパレータ２５の出力端子はＩＧＢＴドライバ１３の強制停止ポートに接続されており、Ｌレベルの信号により、ＩＧＢＴドライバ１３は、ＩＧＢＴ１１、１２の駆動を停止する。

図３はＩＧＢＴドライバ１３の強制停止ポート部分の具体例を示し、マイコン１４側からのＰＷＭ信号をアンド回路ＡＮＤ１、ＡＮＤ２（その一方の入力端子側）を介してＩＧＢＴ１１、１２側へ送出するようになっており、アンド回路ＡＮＤ１、ＡＮＤ２の他方の入力端子にコンパレータ２５の出力端子を接続してある。従って、コンパレータ２５の出力がＬレベルとなると、アンド回路ＡＮＤ１、ＡＮＤ２の出力がＬレベルになり、ＰＷＭ信号のＩＧＢＴ１１、１２側への送出が停止され、ＩＧＢＴ１１、１２の駆動が停止される。

これにより、ＩＧＢＴ１１、１２が強制的にオフとなり、ヒータ３（３Ａ、３Ｂ）への通電が停止される。よって、ＩＧＢＴ１１、１２及びヒータ３の過熱保護を図ることができる。従って、マイコン１４が制御不能に陥っていたとしても、過熱保護を確実に実行することができる。

本実施形態によれば、高電圧・高電流下でヒータ３を駆動するスイッチングデバイスとしてのＩＧＢＴ１１、１２の温度を検出して、その過熱時に強制オフするため、より保護が求められるＩＧＢＴ１１、１２を優先的に（いち早く）保護することができる。ＩＧＢＴ１１、１２の過熱保護により、ヒータ３の過熱保護を同時に達成できることは言うまでもない。

また、コンパレータ２５を用い、マイコン１４とは別の回路構成としたため、マイコン１４が何らかの原因で制御不能となった場合でも、過熱保護を図ることができる。すなわち、マイコン１４による場合は、マイコン１４から誤った信号が出力されたり、マイコン１４自体が故障・暴走等で制御不能となった場合は、オフできなくなることが考えられるが、このような場合でも、確実にオフすることができる。しかも、コンパレータ２５を用い、汎用的なデバイスで構成するため、比較的安価に実現することができる。

また、温度ヒューズを用いる場合と比較すると、次のような効果が得られる。温度ヒューズのように物理的に遮断するものではなく、電子回路を用いるため、故障確率が低く、正確性が高い。温度ヒューズは一度遮断すると復帰が困難となるが、電子回路を用いることで繰り返しの遮断が可能となる。高電圧・高電流下でヒータを使用できるので、高電力密度仕様のヒータを選択でき、ヒータの小型化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、マイコン１４が正常である場合は、スイッチングデバイスとしてのＩＧＢＴ１１、１２の温度が所定温度を超えたとき、ヒータ３の温度が所定温度を超えたとき、ヒータ３に印加される電圧（電源電圧）が所定電圧を超えたとき、又は、ヒータ３（若しくはＩＧＢＴ１１、１２）に流れる電流が所定値を超えたときに、ＩＧＢＴドライバ１３に対し、強制的なオフ指令を発して、過熱保護を図ることができる。

また、本実施形態では、スイッチングデバイスとしてのＩＧＢＴ１１、１２は、ヒータ３と直列に、ヒータ３の電源側及び接地側に２個設けられ、第１温度センサ（第１サーミスタ）２１は、２個のＩＧＢＴ１１、１２の温度を検出できる位置に１個設けられ、コンパレータ２５は１個の第１温度センサ２１に対応して、１個設けられる。これにより、２個のＩＧＢＴ１１、１２に対し、１個のコンパレータ２５の追加で済み、コストアップを抑えることができる。

尚、通電回路に２個のスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ１１、１２）を使用することで、次のような制御が可能となる。１つは、一方のスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ１１）をＰＷＭ制御用、他方のスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ１２）を遮断用に使用することができる。逆に、両方のスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ１１、１２）をＰＷＭ制御用及び遮断用に使用することで、２重系にすることができる。また、後者の場合に、本来はＰＷＭ制御のオフのタイミングで、いずれか一方をオンにすることで、故障診断を行うこともできる。

次に変形態様について説明する。
上記の実施形態では、ヒータ３を並列接続される２個のヒータ３Ａ、３Ｂで構成したが、１個のヒータで構成してもよい。また、並列接続される２個のヒータ３Ａ、３Ｂで構成する場合に、各ヒータ３Ａ、３Ｂごとに、スイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）を設け、各スイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）ごとに、第１温度センサ（第１サーミスタ）及びコンパレータを設けてもよい。

また、第１温度センサ（第１サーミスタ）２１、第２温度センサ（第２サーミスタ）２２、電圧センサ２３、電流センサ２４等はそれぞれ２個設けて２重系にし、センサ値を比較して各センサの故障判断を行うようにしてもよい。第１温度センサ（第１サーミスタ）２１を２個設けて２重系にする場合は、それぞれに対応させてコンパレータを設け、いずれか一方のコンパレータの信号で強制オフを可能とする。

また、コンパレータ２５の出力側にラッチ回路を設け、コンパレータ２５の出力がオフ側となった後は、マイコン１４によりリセットされるまで、オフ状態を保持するようにしてもよい。その場合、マイコン１４が制御不能の場合は、リセットされずに、オフ状態に保持されるので、安全側の制御となる。

以上のように、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 水の循環路
２ ポンプ
３（３Ａ、３Ｂ） ヒータ
４ 熱交換器
５ 通風ダクト
６ バイパス通路
７ エアミックスダンパ
１１、１２ スイッチングデバイスとしてのＩＧＢＴ
１３ ＩＧＢＴドライバ
１４ マイコン
２１ 第１温度センサ（第１サーミスタ）
２２ 第２温度センサ（第２サーミスタ）
２３ 電圧センサ
２４ 電流センサ
２５ コンパレータ

Claims (2)

1. 通電により発熱して暖房用の熱媒体を加熱するヒータと、
   前記ヒータへの通電回路に前記ヒータと直列に介装されて通電をオン・オフ可能なスイッチングデバイスと、
   前記スイッチングデバイスをオン・オフ駆動するドライバと、
   暖房要求に基づいて前記ドライバに対し指令信号を発生するマイコンと、
   を含んで構成される、車載暖房用ヒータの制御装置であって、
   前記スイッチングデバイスの温度を検出する第１温度センサと、
   前記第１温度センサからの信号が入力され、前記スイッチングデバイスの温度が所定温度以上のときに信号を発生するコンパレータと、を有し、
   前記コンパレータの信号で、前記ドライバを介し、前記スイッチングデバイスを強制的にオフするように構成し、
   前記スイッチングデバイスは、前記ヒータと直列に、前記ヒータの電源側及び接地側に２個設けられ、
   前記第１温度センサは、前記２個のスイッチングデバイスの温度を検出できる位置に１個設けられ、
   前記コンパレータは、前記１個の第１温度センサに対応して、１個設けられることを特徴とする、車載暖房用ヒータの制御装置。
2. 前記ヒータの温度を検出する第２温度センサと、
   前記ヒータに印加される電圧を検出する電圧センサと、
   前記ヒータに流れる電流を検出する電流センサと、を更に有し、
   前記マイコンには、前記第１温度センサ、前記第２温度センサ、前記電圧センサ及び前記電流センサからの信号が入力され、
   前記マイコンは、前記スイッチングデバイスの温度、前記ヒータの温度、前記ヒータへの電圧及び電流のいずれかが、それぞれに対応させて予め定めた所定値を超えたときに、前記ドライバに対して、強制的なオフ指令を発する機能を有していることを特徴とする、請求項１記載の車載暖房用ヒータの制御装置。