JP6003857B2 - 制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電線温度を算出し、算出した電線温度が閾値以上である場合に電線に流れる電流を遮断する制御装置に関する。
車両に搭載された多数の電気機器を接続するハーネスの電線に電流が流れた場合、電線はジュール熱を発生する。電線に流れる電流が、即時に遮断する必要がない電流値を有する過電流であっても、電線に電流が流れることによって発生するジュール熱が電線の放熱量を超える可能性はある。電線から発生するジュール熱が電線の放熱量を超えた場合、電線温度が上昇する。そして、電線温度が一定の温度を超えた場合には、電線が発火する。
特許文献1には、このような電線の発火を防止することができる制御装置が開示されている。この制御装置は、電線に流れる電流を検出し、電線の周囲温度と電線温度との温度差(上昇温度)を経時的に繰り返し算出する。特許文献1に記載の制御装置は、上昇温度を、検出した電流値と前回算出した上昇温度とを用いて算出し、算出した上昇温度を周囲温度に加算した温度、すなわち算出した電線温度が所定温度以上である場合に電線に流れる電流を遮断する。以上のように電線が発火する前に電線に流れる電流を遮断することで、電線の発火が防止される。
特許第4624400号公報
特許文献1に記載の制御装置においては、過電流が発生した場合、電流が遮断されるまで過電流が流れ続けるため、温度が上昇して、電線が劣化するという問題があった。
図5Aは電線の温度と経過時間との関係を示すグラフ、図5Bは負荷の通電電流と経過時間との関係を示すグラフである。
時間t1 で過電流が発生したとする。時間t1 までは通電電流はI0 であり、電線温度もT0 で飽和しており、発煙することはない。
1 で過電流が発生した場合、通電電流はI0 からI1 に増加する。これに伴い、電線温度は上昇し、時間t2 で遮断の閾温度T2 に達した場合、負荷への通電が遮断される。算出した温度がT2 に達するまで負荷への通電が継続されるので、実際の電線の温度もT2 まで上昇しており、上述したように電線が劣化することになる。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、過電流状態になった場合に、温度上昇による電線の劣化を抑制することができる制御装置を提供することを目的とする。
第1発明に係る制御装置は、電源と負荷との間に設けられたスイッチをオン/オフ制御し、前記電源から前記負荷へ流れる電流を検出手段により検出し、検出した電流に基づいて算出手段により、前記電源、前記スイッチ、及び前記負荷を接続する電線の温度を算出し、算出した温度が第1閾値を超えた場合に前記スイッチをオフ制御するように構成された制御装置において、前記算出手段により算出した温度が、前記第1閾値より低い第2閾値以上であるか否かを判定する手段と、該手段により前記温度が前記第2閾値以上であると判定した場合、前記負荷にパルス電圧が供給されるように前記スイッチをオン/オフ制御する手段とを備えることを特徴とする。
本発明においては、過電流が生じて電線温度が上昇し、第2閾値に達した場合に、負荷にパルス電圧が供給されるようにスイッチをオン/オフ制御する。電線温度は、スイッチがオンされたときの電流値を使用して算出するので、算出した電線温度が第1閾値に達したときに負荷への通電が遮断される。通電が遮断されるタイミングは従来と変わらないが、実際の電線温度の上昇の度合いはオン/オフ制御により実効電流が小さくなるため、小さく抑えられている。従って、遮断時の実際の電線温度は第1閾値より低く、温度上昇に伴う電線の劣化が抑制される。
第2発明に係る制御装置は、第1発明において、前記スイッチをオン/オフ制御し、前記算出手段により算出した前記電線の温度が前記第1閾値を超えて前記スイッチがオフ制御された場合に、前記算出手段により算出した温度が前記第2閾値より低い第3閾値以下であるか否かを判定する手段と、該手段により前記温度が、前記第3閾値以下であると判定した場合に、前記オフ制御を解除する手段とを備えることを特徴とする。
本発明においては、算出した電線温度が第1閾値を超えて通電が遮断された場合、算出した電線温度が下降して第3閾値以下になったときに、オン制御を解除する。すなわち通電が遮断された場合に、電線温度が、確実に低下するまでモニタリングする。
第3発明に係る制御装置は、第1又は第2発明において、前記算出手段は、前記電線の周囲温度に該電線の上昇温度を加算して前記電線の温度を算出し、前記上昇温度は、下記式(1)に基づいて算出するように構成されていることを特徴とする。
ΔTw(n)=ΔTw(n-1)×exp(−Δt/τw )
+Rthw ×Rw(n-1)×I(n-1)2 ×(1−exp(−Δt /τw ))・・・(1)
但し、I(n):検出n(1以上の整数)回目の検出通電電流値(A)
ΔTw(n):検出n回時の電線の上昇温度(℃)
Rw(n)=Rw(0)×(1+κw ×(Tw −To )):検出n回時の電線抵抗(Ω)
Rw(0):所定温度To(℃)における電線抵抗(Ω)
Rthw :電線熱抵抗(℃/W)
τw :電線放熱時定数(s)
κw :電線抵抗温度係数(/℃)
Δt :前記算出手段の算出間隔(s)
本発明においては、電線の温度がより正確に算出される。
本発明によれば、過電流が生じて電線温度が上昇し、通電を遮断するための第1閾値より低い第2閾値に達した場合に、負荷にパルス電圧が供給されるようにスイッチをオン/オフ制御する。従って、算出した電線温度が第1閾値に達し、負荷への通電が遮断された場合に、実際の電線の温度上昇は低く抑えられており、温度上昇に伴う電線の熱劣化が抑制される。
本発明の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 図2Aは電線の温度と経過時間との関係を示すグラフであり、図2Bは負荷の通電電流と経過時間との関係を示すグラフである。 CPUが実行する処理の手順を示すフローチャートである。 CPUが実行する処理の手順を示すフローチャートである。 図5Aは電線の温度と経過時間との関係を示すグラフ、図5Bは負荷の通電電流と経過時間との関係を示すグラフである。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図1は、本発明の実施の形態に係る制御装置1の構成を示すブロック図である。この制御装置1は、車両に好適に搭載され、バッテリ2の正極端子と負荷3の一端との間に電線4によって接続されている。負荷3としては、ランプ又はワイパーが挙げられる。バッテリ2の負極端子と負荷3の他端とは接地されている。制御装置1は、電線4に流れる電流値と電線4の周囲温度とを検出し、検出した電流値及び周囲温度を用いて電線4の電線温度を算出する。制御装置1は、算出した電線温度が第1閾値T2 以上である場合に、電線4に流れる電流を遮断する。
制御装置1は、IPD(Intelligent Power Device)5、マイコン6、及び温度検出部12を備える。IPD5は、バッテリ2の正極端子と負荷3の一端との間に電線4によって接続され、さらに、マイコン6に接続されている。温度検出部12は、電線4の近傍に配置され、マイコン6に接続されている。マイコン6は、IPD5及び温度検出部12に接続されている。
IPD5は、電線4に流れる電流を検出しており、マイコン6から電流値の出力指示を受け付けた場合、検出した電流値を示す電流情報をマイコン6に出力する。そして、IPD5には、バッテリ2から負荷3への給電、又は、該給電の遮断を指示する給電指示/遮断指示(オン指示/オフ指示)がマイコン6から入力される。IPD5は、入力されたオン指示/オフ指示に従って、バッテリ2から負荷3へ給電/遮断を行う。
温度検出部12は、電線4の周囲温度を検出しており、検出した周囲温度を示す温度情報をマイコン6に出力する。
マイコン6は、IPD5に出力指示を出力することによって、IPD5から電流情報を取得し、温度検出部12から温度情報を取得する。マイコン6は、IPD5及び温度検出部12夫々から取得した電流情報及び温度情報が示す電流値及び温度を用いて電線4の電線温度を経時的に繰り返し算出する。
電線4の上昇温度は、下記式(1)により算出される。
ΔTw(n)=ΔTw(n-1)×exp(−Δt/τw )
+Rthw ×Rw(n-1)×I(n-1)2 ×(1−exp(−Δt /τw ))・・・(1)
但し、I(n):検出n(1以上の整数)回目の検出通電電流値(A)
ΔTw(n):検出n回時の電線の上昇温度(℃)
Rw(n)=Rw(0)×(1+κw ×(Tw −To )):検出n回時の電線抵抗(Ω)
Rw(0):所定温度To(℃)における電線抵抗(Ω)
Rthw :電線熱抵抗(℃/W)
τw :電線放熱時定数(s)
κw :電線抵抗温度係数(/℃)
Δt :前記算出手段の算出間隔(s)
電線4の温度は、下記式(1)により算出される。
Tw =周囲温度+ΔTw(n)・・・(2)
マイコン6は、後述するように、算出した電線温度が第2閾値T3を超えた場合、IPD5にオン/オフ指示を出力して負荷3にパルス電圧が供給されるようにし、算出した電線温度が第1閾値T2 を超えた場合、オフ指示を出力して電線4に流れる電流を遮断する。
IPD5は、Nチャネル型のFET(Field Effect Transistor)51、電流検出部52及び制御回路53を有する。FET51について、ドレインは電線4によってバッテリ2の正極端子に接続され、ソースは電線4によって負荷3の一端に接続され、ゲートは制御回路53に接続されている。制御回路53は、FET51のゲートの他に、電流検出部52及びマイコン6に接続されている。
FET51は、スイッチとして機能し、ゲートに所定電圧以上の電圧が印加された場合に電流がドレインからソースに流れてオンとなり、ゲートに印加されている電圧が所定電圧未満である場合に電流がドレインからソースに流れずにオフとなる。
電流検出部52は、電線4に流れる電流値を検出し、検出した電流値を制御回路53に出力している。電流検出部52は検出手段として機能する。
制御回路53は、FET51のゲートに印加している電圧を調整することによって、FET51をオン/オフする。また、制御回路53は、マイコン6から前記出力指示、又は前記オン指示/オフ指示を受け付ける。制御回路53は、出力指示を受け付けた場合、電流検出部52が検出した電流値を示す電流情報をマイコン6へ出力する。制御回路53は、オン指示/オフ指示を受け付けた場合、FET51をオン/オフし、電線4に流れる電流を給電/遮断する。
マイコン6は、入力部61、出力部62、CPU63、記憶部64及びRAM65を有し、これらはバス66に接続されている。
入力部61には、外部から負荷3の作動、又は停止を指示する作動指示/停止指示が入力される。また、入力部61にはIPD5の制御回路53及び温度検出部12夫々から電流情報及び温度情報が入力され、入力部61は、入力された電流情報及び温度情報が示す電流値及び周囲温度をCPU63に通知する。出力部62は、CPU63の指示に従って、前記出力指示、及びオン指示/オフ指示を制御回路53に出力する。
CPU63は、記憶部64に記憶してある制御プログラムをRAM65にロードし、ロードした制御プログラムを実行することによって、出力部62の動作の制御、及び、電線温度の算出等の処理を行う。記憶部64は不揮発性メモリであり、記憶部64に記憶されている内容はCPU63によって読み出される。RAM65は一時的に情報を記憶するメモリであり、CPU63によって、RAM65への書き込みと、RAM65からの読み出しとが行われる。
図2Aは電線4の温度と経過時間との関係を示すグラフであり、横軸は経過時間(sec)、縦軸は温度(℃)である。図2Bは負荷3の通電電流と経過時間との関係を示すグラフであり、横軸は経過時間(sec )、縦軸は電流(A)である。図2において、t1 <t3 <t2 <t4 であり、T4 <T0 <T3 <T2 、I0 <I1 である。
CPU63がFET51をオンにして給電を行い、通電電流がI0 であり、電線温度もT0 で飽和している場合に、時間t1 で過電流が発生したとする。このとき、通電電流はI0 からI1 に増加する。これに伴い、電線温度は上昇する。時間t3 で温度が第2閾値T3 に達した場合、CPU63はFET51をオン/オフ制御する。図2Bに示すように、電流検出部52による電流値の検出は電流値がI1 であるタイミングで行うように構成されているので、CPU63が算出する電線の温度は、上述の図5と同様に上昇する。
しかし、実際にはオン/オフ制御により実効電流が小さくなるため、電線の温度上昇は小さく抑えられる。従って、時間t2 で算出した電線温度が第1閾値T2 になり、CPU63がFET51をオフしたとき、実際の電線温度は第1閾値T2 より低くなっている。従って、電線の劣化が抑制される。
FET51のオフ後、CPU63は電線の温度の算出を続行し、時間t4 で第3閾値T4 以下になった場合、オン制御を解除する。
以下、マイコン3のCPU63の詳細な動作を説明する。図3及び図4は、CPU63が実行する処理の手順を示すフローチャートである。
まず、CPU63は、外部から入力部34を介して作動指示を受け付けたか否かを判定する(S1)。CPU63は、作動指示を受け付けていないと判定した場合(S1:NO)、すなわち停止指示を受け付けたと判定した場合、出力部62を介し、オフ指示をIPD5の制御回路53に出力させる。これにより、制御回路53はFET51をオフし(S2)、処理をステップS4へ進める。
CPU63は、作動指示を受け付けたと判定した場合(S1:YES)、出力部62を介し、オン指示をIPD5の制御回路53に出力させる(S3)。これにより、制御回路53は、FET51をオンし、バッテリ2から負荷3への給電を行う。
次に、CPU63は、制御回路53へ出力指示を出力し、制御回路53から入力部61に入力された電流情報が示す電流値を入力部61から取得する(S4)。
CPU63は、温度検出部13が検出した周囲温度を入力部61から取得し(S5)、記憶部63から前回算出した上昇温度ΔTw(n-1)を読み出す(S6)。
次に、CPU63は、ステップS5で取得した周囲温度と、ステップS6で読み出した上昇温度ΔTw(n-1)とを前記式(1)に代入することによって、今回の電線4の温度と電線4の周囲温度との温度差(上昇温度)ΔTw(n)を算出し、このΔTw(n)を次回のΔTw(n-1)として記憶する(S7)。
CPU63は、周囲温度、及び上昇温度ΔTw(n)を前記式(2)に代入することによって、電線温度を算出する(S8)。
CPU63は、電線温度が第2閾値T3 以上であるか否かを判定する(S9)。
CPU63は電線温度が第2閾値T3 以上でないと判定した場合(S9:NO)、処理をステップS1へ戻す。
CPU63は電線温度が第2閾値T3 以上であると判定した場合(S9:YES)、電線温度が第1閾値T2 以上であるか否かを判定する(S10)。
CPU63は電線温度が第1閾値T2 以上であると判定した場合(S10:YES)、出力部62を介し、オフ指示を制御回路53に出力させる。これにより、制御回路53はFET51をオフし(S11)、処理をステップS15へ進める。
CPU63は電線温度が第1閾値T2 以上でないと判定した場合(S10:NO)、外部から入力部61を介して停止指示を受け付けたか否かを判定する(S12)。
CPU63は停止指示を受け付けたと判定した場合(S12:YES)、出力部62を介し、オフ指示を制御回路53に出力させる。これにより、制御回路53はFET51をオフし(S13)、処理を終了する。
CPU63は停止指示を受け付けていないと判定した場合(S12:NO)、出力部62を介してオン/オフ制御指示を制御回路53に出力させる。これにより、制御回路53はFET51のオン/オフ制御を行い(S14)、処理をステップS4へ戻す。
上述したように、電流検出部52は、制御回路53がFET51のオン/オフ制御をするときは、図2に示す電流値がI1 になったタイミングでサンプリングするように構成されている。従って、CPU63は、制御回路53から入力部61に入力された電流情報が示す電流値を、前記タイミングで入力部61から取得する(ステップS4)。
CPU63は、ステップS5〜S8の処理を行い、電線温度を算出する。
CPU63は、電線温度が第2閾値T3 以上であると判定し(S9:YES)、電線温度が第1閾値T2 以上であると判定した場合(S10:YES)、出力部62を介し、オフ指示を制御回路53に出力させる。これにより、制御回路53はFET51をオフする(S11)。
上述したように、FET51のこのオフ時の実際の電線温度は第1閾値T2 より低く、温度上昇に伴う電線の熱劣化が抑制されている。
ステップS15において、CPU63は、制御回路53から入力部61に入力された電流情報が示す電流値を入力部61から取得する(S15)。
CPU63は、温度検出部13が検出した周囲温度を入力部61から取得し(S16)、記憶部63から前回算出した上昇温度ΔTw(n-1)を読み出す(S17)。
次に、CPU63は、ステップS16で取得した周囲温度と、ステップS17で読み出した上昇温度ΔTw(n-1)とを前記式(1)に代入することによって、今回の電線4の温度と電線4の周囲温度との温度差(上昇温度)ΔTw(n)を算出し、このΔTw(n)を次回のΔTw(n-1)として記憶する(S18)。
CPU63は、周囲温度、及び上昇温度ΔTw(n)を前記式(2)に代入することによって、電線温度を算出する(S19)。
CPU63は、電線温度が第3閾値T4 以下であるか否かを判定する(S20)。
CPU63は電線温度が第3閾値T4 以下でないと判定した場合(S20:NO)、処理をステップS15へ戻す。
CPU63は電線温度が第3閾値T4 以下であると判定した場合(S20:YES)、FET51のオフ制御を解除して処理を終了する。
以上のように、本実施の形態においては、算出した電線温度が第1閾値T2を超えて通電が遮断された場合に、算出した電線温度が下降して第3閾値T4 以下になったときに、FET51のオフ制御を解除する。すなわち通電が遮断された場合に、電線温度が例えば(周囲温度+5℃)等に確実に下がるまでモニタリングする。
なお、CPU63が電線4の電線温度の上昇温度を算出する式は、式(1)に限定されない。前回算出した上昇温度ΔTw(n-1)に依存する放熱の項と、電線4に流れる電流の値I(n-1) に依存する発熱の項との和で構成される式であればよい。
また、本実施の形態においては、前回算出した上昇温度と、電流検出部52が検出した電線4の電流値とを用いて、上昇温度を算出しているが、電線4の電流値を用いなくてもよい。CPU63は、前回算出した上昇温度と、電線4に流れる電流に係る値、例えば、電線4内に設けられた抵抗の両端間の電圧とを用いて、周囲温度と電線温度との温度差を算出してもよい。
さらに、電線温度を算出する式も、式(2)には限定されない。温度検出部12により検出した周囲温度を用いる代わりに、60℃、80℃等の定数を用いることにしてもよい。
また、FET51はスイッチとして機能すればよいため、FET51の代わりに、Pチャネル型のFET、バイポーラトランジスタ又はリレー接点等のスイッチを用いてもよい。さらには、電線4に流れる電流を遮断する構成は、電線4の中途にスイッチを設けて、該スイッチをオン/オフする構成には限定されない。
そして、FET51をオン/オフ制御する場合、電流検出部52が検出した電流値の大小に応じてデューティ比を大小に調整するPWM制御を行うことにしてもよい。
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えるべきである。本発明の範囲は上述の説明のみではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1 制御装置
2 バッテリ
3 負荷
4 電線
5 IPD
51 FET
52 電流検出部
53 制御回路
6 マイコン
61 入力部
62 出力部
63 CPU
64 記憶部
65 RAM

Claims (3)

  1. 電源と負荷との間に設けられたスイッチをオン/オフ制御し、前記電源から前記負荷へ流れる電流を検出手段により検出し、検出した電流に基づいて算出手段により、前記電源、前記スイッチ、及び前記負荷を接続する電線の温度を算出し、算出した温度が第1閾値を超えた場合に前記スイッチをオフ制御するように構成された制御装置において、
    前記算出手段により算出した温度が、前記第1閾値より低い第2閾値以上であるか否かを判定する手段と、
    該手段により前記温度が前記第2閾値以上であると判定した場合、前記負荷にパルス電圧が供給されるように前記スイッチをオン/オフ制御する手段と
    を備えることを特徴とする制御装置。
  2. 前記スイッチをオン/オフ制御し、前記算出手段により算出した前記電線の温度が前記第1閾値を超えて前記スイッチがオフ制御された場合に、前記算出手段により算出した温度が前記第2閾値より低い第3閾値以下であるか否かを判定する手段と、
    該手段により前記温度が、前記第3閾値以下であると判定した場合に、前記オフ制御を解除する手段と
    を備えることを特徴とする請求項1に記載の制御装置。
  3. 前記算出手段は、前記電線の周囲温度に該電線の上昇温度を加算して前記電線の温度を算出し、前記上昇温度は、下記式(1)に基づいて算出するように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の制御装置。
    ΔTw(n)=ΔTw(n-1)×exp(−Δt/τw )
    +Rthw ×Rw(n-1)×I(n-1)2 ×(1−exp(−Δt /τw ))・・・(1)
    但し、I(n):検出n(1以上の整数)回目の検出通電電流値(A)
    ΔTw(n):検出n回時の電線の上昇温度(℃)
    Rw(n)=Rw(0)×(1+κw ×(Tw −To )):検出n回時の電線抵抗(Ω)
    Rw(0):所定温度To(℃)における電線抵抗(Ω)
    Rthw :電線熱抵抗(℃/W)
    τw :電線放熱時定数(s)
    κw :電線抵抗温度係数(/℃)
    Δt :前記算出手段の算出間隔(s)
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