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

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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。
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