JP5955502B2

JP5955502B2 - 負荷回路の断線検出装置

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Publication number: JP5955502B2
Application number: JP2010274328A
Authority: JP
Inventors: 宜範生田; 晃則丸山; 中村　吉秀; 吉秀中村; 圭祐上田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: EP2649693A1; JP2012122869A; CN103262374B; WO2012077297A1; US20130249696A1; US9083179B2; CN103262374A; EP2649693B1

Description

本発明は、負荷回路に設けられる電線が断線或いはオープン故障した場合に、即時にこれを検知する断線検出装置に関する。

車両に搭載される各種の負荷は、電線、コネクタ、Ｊ／Ｂ（ジャンクションブロック）やＲ／Ｂ（リレーブロック）、及び、半導体スイッチ等の電子スイッチを介してバッテリに接続されている。このような負荷回路においては、電子スイッチから負荷までが正常に接続されているか否かを確認する必要がある。即ち、電線が断線することやコネクタが結合不良を引き起こす場合があり（以下、断線、結合不良、及びオープン故障を含めて「断線」と称する）、このような場合には負荷回路を正常に作動させることができないので、従来より、負荷回路の断線を検出する断線検出装置が提案され、実用に供されている。

従来における断線検出装置として、例えば、負荷回路に断線検出用の電流検出回路を設けて断線を検出する方法や（特許文献１参照）、負荷回路にシャント抵抗を設置し、該シャント抵抗に生じる電圧を測定することにより断線を検出する方法が採用されている。

国際公開２００７−１３９１０８号公報

しかしながら、上述した従来における断線検出装置では、負荷回路の断線を検出するために、多くの部品、検出回路等を設ける必要があり、回路構成が大規模化しコスト高を招くという問題が発生していた。

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、回路構成を大規模化することなく負荷回路の断線を検出することが可能な負荷回路の断線検出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、電源より出力される電力を負荷に供給して駆動する負荷回路の電線温度が上昇した際に、前記負荷回路を遮断する負荷回路の、断線を検出する断線検出装置において、前記負荷回路の電線に流れる電流を検出する電流検出手段（例えば、電流センサ１６）と、前記負荷回路のオン、オフを切り替える電子スイッチ（例えば、半導体スイッチＱ１）と、前記電子スイッチがオンとされたとき、前記電流検出手段で検出される電流に基づき、所定のサンプリング周期で前記電線の上昇温度を求め、前記電子スイッチがオンとされてから任意の時間経過後の電線温度を推定する温度推定手段（例えば、電線温度演算部２４）と、駆動指令に基づいて前記電子スイッチのオン、オフを制御し、且つ、前記温度推定手段により推定される電線温度が予め設定した閾値温度に達した場合に、前記電子スイッチ強制的にオフとするスイッチ制御手段（例えば、制御部２２）と、を有し、前記スイッチ制御手段は、前記電子スイッチをオンとして前記負荷の通常動作時での電流供給を開始してから、所定時間（Ｐ１）が経過した後に、前記温度推定手段にて演算される上昇温度がゼロである場合には、この負荷回路に断線故障が発生していると判定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、負荷回路の診断モードを設定する操作スイッチ（例えば、スイッチＳＷ２）を更に備え、前記電子スイッチ制御手段は、前記操作スイッチが操作された際に、予め設定した導通時間だけ前記電子スイッチをオンとし、前記導通時間の経過後の前記推定温度がゼロである場合に、この負荷回路に接続された負荷に断線故障が発生しているものと診断することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記スイッチ制御手段にて、前記断線故障が発生していると判定された場合に警報信号を出力する警報手段（例えば、警報器３１）を更に備えたことを特徴とする。

本発明に係る負荷回路の断線検出装置では、負荷回路に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいて電線温度を推定し、推定した電線温度が閾値温度に達した場合に電子スイッチを強制的にオフとする保護装置が設けられる場合に、電子スイッチをオンとして所定時間（Ｐ１）が経過しても上昇温度がゼロである場合に、この負荷回路に断線故障が発生しているものと判断する。従って、断線検出のために多くの部品を設ける必要がなく、装置の小規模化を図ることができ、且つコストダウンを図ることができる。

本発明の一実施形態に係る断線検出装置、及び該断線検出装置が設置される負荷回路の構成を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る断線検出装置が設置される負荷回路の、半導体スイッチ及び電流センサの具体的な構成を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る断線検出装置の、時間経過と推定温度との関係を示す特性図である。

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断線検出装置を含む保護装置、及び負荷回路の構成を示す回路図である。図１に示すように、本実施形態に係る保護装置１００は、車両に搭載される負荷回路に過電流が流れた際にこれを検出して回路を遮断し、且つ、負荷回路に断線が発生した場合にこれを検出する機能を備えている。

負荷回路は、車両に搭載されるバッテリＶＢと、半導体スイッチＱ１（電子スイッチ）と、半導体スイッチＱ１に駆動信号を出力するドライバ回路１５、及び負荷ＲＬを備えており、これらは電線Ｗ１により接続されている。また、図示を省略するが、半導体スイッチＱ１と負荷ＲＬとの間には、Ｊ／Ｂやコネクタ等が設けられる場合もある。

保護装置１００は、負荷回路に過電流が流れて、該負荷回路の電線Ｗ１が過熱した際に、半導体スイッチＱ１を遮断して、負荷回路全体を過熱から保護する機能を有するものであり、入力Ｉ／Ｆ１１と、ロジック回路１２と、内部電源１３と、クロック回路１４、及び、負荷回路に流れる電流を検出する電流センサ１６（電流検出手段）を備えている。

入力Ｉ／Ｆ１１は、外部に設けられる負荷駆動用のスイッチＳＷ１がオンとされた場合、或いは負荷を診断する際に用いるスイッチＳＷ２がオンとされた場合に、これを検出してロジック回路１２にオン指令信号を出力し、且つ、内部電源１３に内部電源起動信号を出力する。なお、スイッチＳＷ１は、負荷ＲＬを駆動させるときに投入されるスイッチであり、該スイッチＳＷ１がオンとされているときに半導体スイッチＱ１がオンとなって、負荷ＲＬが駆動する。また、スイッチＳＷ２は、負荷ＲＬが正常に作動するか否かを診断するために投入されるスイッチであり、スイッチをオンとした場合には診断モードとなって、予め設定した導通時間だけ半導体スイッチＱ１がオンとされる。

内部電源１３は、車両に搭載されるバッテリＶＢより供給される電圧から所望の定電圧を生成して、保護装置１００の各機器に駆動用電力を供給する機能を備えており、入力Ｉ／Ｆ１１より内部電源起動信号が供給された場合には、出力電圧を各機器に供給し、ロジック回路１２より内部電源を停止させるためのスリープ信号が供給された場合には、電圧の出力を停止する。即ち、内部電源起動信号が与えられた場合には、通常モードで動作し、スリープ信号が供給された場合にはスリープモードとなって電力の出力が停止する。

クロック回路１４は、ロジック回路１２を駆動する際のクロック信号を生成して、ロジック回路１２に出力する。

電流センサ１６は、負荷回路に流れる電流を検出し、検出した電流信号をロジック回路１２に出力する。電流の検出方法として、例えば、半導体スイッチＱ１としてマルチソースＦＥＴを用い、該マルチソースＦＥＴで測定される電流を用いる方法等が挙げられる。図２は、マルチソースＦＥＴ（Ｔ１）を用いた場合の回路図であり、符号「Ｔ１」に示す部分が図１に示す半導体スイッチＱ１、及び電流センサ１６を示している。そして、負荷回路に電流が流れているときには、マルチソースＦＥＴ（Ｔ１）のサブ側のソース端子に負荷電流に比例した電流が流れるので、検出抵抗Ｒ１の両端に生じる電圧を測定することにより、負荷電流を検出することが可能となる。また、電流センサ１６は、マルチソースＦＥＴ（Ｔ１）に限定されるものではなく、例えば、シャント抵抗を用いて電流を検出する構成とすることもできる。

ロジック回路１２は、入力判定部２１と、制御部２２と、タイマ２５と、異常検知部２３、及び電線温度演算部２４を備えている。入力判定部２１は、入力Ｉ／Ｆ１１よりオン指令信号が出力された場合に、このオン指令信号を制御部２２に出力し、更に、電線温度演算部２４に温度測定指令信号を出力する。

電線温度演算部２４は、入力判定部２１より温度測定指令信号が供給された場合に、電流センサ１６で測定される電流、及びクロック回路１４より出力されるクロック信号により決定されるサンプリング周期に基づいて、このサンプリング周期毎に電線Ｗ１の発熱温度、或いは放熱温度を演算し、現在の電線温度を推定する。なお、電線温度の推定方法については、後述する。そして、電線温度演算部２４で演算された電線温度情報は、制御部２２、タイマ２５、及び異常検知部２３に出力される。

タイマ２５は、電線温度演算部２４にて電線温度の演算を開始してからの経過時間を計時し、この経過時間が予め設定した所定時間Ｐ１に達した場合に、異常検知部２３に計時終了信号を出力する。

異常検知部２３は、電線温度演算部２４で演算された電線温度に基づき、電線温度が予め設定した閾値温度（例えば、１５０℃）に達した場合に、制御部２２に温度異常検知信号を出力する。更に、タイマ２５より計時終了信号が与えられた際に、上記の所定時間Ｐ１の経過前後で温度上昇が発生しているか否かを判定し、温度上昇が発生していない場合、即ち、半導体スイッチＱ１をオンとしてから時間Ｐ１が経過するまでの間の電線Ｗ１の上昇温度がゼロの場合に、制御部２２に断線検知信号を出力する。

制御部２２は、入力判定部２１よりオン指令信号が供給された場合には、ドライバ回路１５に駆動指令信号を出力する。これにより、ドライバ回路１５は半導体スイッチＱ１の制御端子（例えば、ＭＯＳＦＥＴのゲート）に駆動信号を出力し、該半導体スイッチＱ１はオンとなって、負荷ＲＬを駆動させることができる。また、これとは反対に、入力判定部２１より供給されるオン指令信号が停止した場合には、駆動指令信号の出力を停止する。これにより、半導体スイッチＱ１をオフとして負荷ＲＬを停止させることができる。

更に、異常検知部２３より温度異常検知信号が供給された場合には、駆動指令信号の出力を停止させて、半導体スイッチＱ１を強制的にオフとする。また、異常検知部２３より断線検知信号が供給された場合には、外部の警報器３１に警報信号を出力する。更に、電線温度演算部２４で演算される電線温度が、予め設定したスリープ閾値（周囲温度よりも若干高く設定した温度）まで低下した場合には、内部電源１３にスリープ信号を出力する。内部電源１３は、該スリープ信号が与えられた場合には、電圧の出力を停止するスリープモードとなる。

警報器３１は、制御部２２より警報信号が供給された場合には、ブザーやランプ等によりユーザに警報を発する。

次に、電線温度演算部２４における温度推定処理について説明する。電線温度の推定処理については、例えば、特開２００９−３０３３９４号公報に記載された方式を採用することができる。

即ち、電線Ｗ１に電流が流れている場合において、電流センサ１６で検出される電流を「Ｉ」とし、電線Ｗ１の単位長さ当たりの電気抵抗を「Ｒon」とし、サンプリング時間を「Δｔ」（例えば、Δｔは５ｍsec）とした場合に、電線Ｗ１の単位長さ当たりの発熱量Ｘ１は下記の（１）式で示すことができる。

Ｘ１＝Ｉ２×Ｒon×Δｔ …（１）
また、電線Ｗ１の疑似熱容量（実際の熱容量よりも小さい値に設定した熱容量）を「Ｃth*」とし、電線Ｗ１の単位長さ当たりの熱抵抗を「Ｒth」とし、電線Ｗ１の単位長さ当たりの熱量を「Ｑ」（電線温度にＣth*を乗じた値）とした場合に、電線Ｗ１の単位長さ当たりの放熱量Ｙ１は下記の（２）式で示すことができる。

Ｙ１＝Ｑ／（Ｃth*×Ｒth／Δｔ） …（２）
そして、前回のサンプリング時の電線温度をＴｐ（初期的には周囲温度）とすると、今回のサンプリング時の電線温度Ｔｎは下記の（３）式で示すことができる。

Ｔｎ＝Ｔｐ＋（Ｘ１−Ｙ１）／Ｃth* …（３）
そして、電線Ｗ１の発煙温度（例えば、１５０℃）を半導体スイッチＱ１を遮断する条件とする閾値温度に設定し、（３）式で求められる電線温度Ｔｎがこの閾値温度に達した場合に、半導体スイッチＱ１を遮断するように制御すれば、電線Ｗ１が発煙する前の時点で確実に半導体スイッチＱ１を遮断することができる。即ち、疑似熱容量「Ｃth*」を用いて電線温度Ｔｎを演算しているので、この電線温度Ｔｎが閾値温度に達した場合には、実際の電線Ｗ１の温度はこの閾値温度よりも低い温度であるから、電線Ｗ１が発煙する前の時点で半導体スイッチＱ１を遮断して、電線Ｗ１の過熱を防止することができる。

次に、上述のように構成された本実施形態に係る負荷回路の断線検出装置の作用について説明する。以下では、図３に示すタイミングチャートを参照して、半導体スイッチＱ１がオフとされて負荷回路に電流が流れていない場合、負荷回路に正常電流が流れている場合、負荷回路に過電流が流れた場合、及び負荷回路に断線故障が発生している場合についてそれぞれ説明する。

（イ）半導体スイッチＱ１がオフとされて電線Ｗ１に電流が流れていない場合
半導体スイッチＱ１がオフとされ、電線Ｗ１に電流が流れていない場合には、図３（ａ）に示すように電流センサ１６で検出される電流はゼロであるから、電線温度演算部２４にて演算される上昇温度はゼロとなり、電線温度は周囲温度となる。

（ロ）負荷回路に正常電流が流れている場合
半導体スイッチＱ１がオンとされ、電線Ｗ１に電流が流れて負荷ＲＬが駆動すると、電流センサ１６にて電流が検出される。そして、電線温度演算部２４では、上述の（１）〜（４）式に示した温度演算ロジックに基づいて、サンプリング周期毎に電線Ｗ１の温度を演算する。この際、図３（ｂ）に示すように、時間の経過と共に電線Ｗ１の温度が上昇し、飽和温度（周囲温度＋上昇温度）で安定する。そして、この飽和温度は閾値温度よりも低いので、半導体スイッチＱ１のオン状態とされ、負荷ＲＬの駆動が継続される。

（ハ）負荷回路に過電流が流れた場合
半導体スイッチＱ１がオンとされ、電線Ｗ１に流れる電流が過電流となり、図３（ｃ）に示すように、電線温度演算部２４で演算される電線Ｗ１の推定温度が閾値温度を上回った場合には、異常検知部２３はこれを検知し、制御部２２に温度異常検知信号を出力する。制御部２２はドライバ回路に出力する駆動指令信号を停止させ、半導体スイッチＱ１を強制的にオフとする。従って、電線Ｗ１が発煙する前の時点で負荷回路を遮断して負荷回路を保護することができる。

（ニ）負荷回路に断線故障が発生している場合
負荷回路に断線故障が発生していることにより、半導体スイッチＱ１がオンとされても電線Ｗ１には電流が流れず、従って、電線温度演算部２４で演算される上昇温度はゼロである。そして、タイマ２５にて計時される時間がＰ１となった際に電線Ｗ１の上昇温度がゼロであることが異常検知部２３で検知されると、該異常検知部２３は、制御部２２に断線検知信号を出力する。その後、制御部２２は、警報器３１に警報信号を出力するので、警報器３１より警報が発せられ、負荷回路に断線故障が発生したことをユーザに通知することができる。

更に、スイッチＳＷ２を操作することにより、診断モードとすることができる。即ち、ユーザがスイッチＳＷ２を投入することにより、予め設定した導通時間（例えば、上記の時間Ｐ１よりも長い時間）だけ半導体スイッチＱ１をオンとする駆動指令信号が入力され、この場合には、制御部２２は、この導通時間だけ半導体スイッチＱ１をオンとする。すると、負荷回路が正常に作動すれば、電線温度演算部２４では、この導通時間に応じた発熱が発生して電線Ｗ１の温度が上昇する。また、負荷回路に断線故障が発生している場合には、導通時間が経過しても電線Ｗ１の上昇温度はゼロのままである。そして、上昇温度がゼロである場合には、上記の処理と同様に警報器３１にて警報が発せられるので、該負荷回路に断線故障が発生していることユーザに報知することができる。即ち、スイッチＳＷ２を投入することにより、負荷回路を構成する電線Ｗ１、及び負荷ＲＬが正常に作動しているか否かの診断を行うことができる。

なお、図１では、断線故障の発生を警報器３１により報知する例について説明したが、断線故障の発生を示す信号を車両に搭載されるＬＩＮ（Local Interconnect Network）、或いはＣＡＮ（Controller Area Network）等を用いて、ダイアグ信号として上位システムに送信するように構成することも可能である。

このようにして、本実施形態に係る負荷回路の断線検出装置では、電流センサ１６で検出される電流に基づいて電線温度を推定し、推定した温度が閾値温度に達した場合に半導体スイッチＱ１を遮断して回路を過熱から保護する保護装置１００を用いる場合に、半導体スイッチＱ１をオンとしているにも関わらず、所定時間Ｐ１の経過後において、電線温度演算部２４で推定される電線Ｗ１の上昇温度がゼロである場合に、この負荷回路に断線故障が発生しているものと判定する。

従って、従来のように、断線検出回路やシャント抵抗を別途設けることなく、極めて簡素な構成で負荷回路の断線検出が可能となる。このため、装置の小規模化を図ることができ、更にコストダウンを図ることができる。

また、実際に負荷回路を駆動しない場合であっても、スイッチＳＷ２を投入することにより、予め設定した導通時間だけ半導体スイッチＱ１をオンとして断線検出を行うことができるので、動作確認が困難な負荷に対して、容易に断線故障の診断を行うことができる。

更に、断線故障が発生している場合には、警報器３１により断線故障の発生がユーザに通知されるので、ユーザは負荷回路に断線が発生していることを即時に認識することができ、メンテナンス作業に取りかかることができる。

以上、本発明の負荷回路の断線検出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、電子スイッチとしてＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ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、リレーコイルとリレー接点を有するリレー回路を用いることも可能である。

本発明は、負荷回路の断線故障を簡素な方法で検出することに利用することができる。

１１入力Ｉ／Ｆ
１２ロジック回路
１３内部電源回路
１４クロック回路
１５ドライバ回路
１６電流センサ
２１入力判定部
２２制御部
２３異常検知部
２４電線温度演算部
２５タイマ
３１警報器
Ｑ１半導体スイッチ（電子スイッチ）
１００負荷回路の保護装置

Claims

電源より出力される電力を負荷に供給して駆動する負荷回路の電線温度が上昇した際に、前記負荷回路を遮断する負荷回路の、断線を検出する断線検出装置において、
前記負荷回路の電線に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記負荷回路のオン、オフを切り替える電子スイッチと、
前記電子スイッチがオンとされたとき、前記電流検出手段で検出される電流に基づき、所定のサンプリング周期で前記電線の上昇温度を求め、前記電子スイッチがオンとされてから任意の時間経過後の電線温度を推定する温度推定手段と、
駆動指令に基づいて前記電子スイッチのオン、オフを制御し、且つ、前記温度推定手段により推定される電線温度が予め設定した閾値温度に達した場合に、前記電子スイッチ強制的にオフとするスイッチ制御手段と、を有し、
前記スイッチ制御手段は、前記電子スイッチをオンとして前記負荷の通常動作時での電流供給を開始してから、所定時間が経過した後に、前記温度推定手段にて演算される上昇温度がゼロである場合には、この負荷回路に断線故障が発生していると判定することを特徴とする負荷回路の断線検出装置。
負荷回路の診断モードを設定する操作スイッチを更に備え、前記電子スイッチ制御手段は、前記操作スイッチが操作された際に、予め設定した導通時間だけ前記電子スイッチをオンとし、前記導通時間の経過後の前記推定温度がゼロである場合に、この負荷回路に接続された負荷に断線故障が発生しているものと診断することを特徴とする請求項１に記載の負荷回路の断線検出装置。
前記スイッチ制御手段にて、前記断線故障が発生していると判定された場合に警報信号を出力する警報手段を更に備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の負荷回路の断線検出装置。