JP6385430B2

JP6385430B2 - 電気加熱回路、特に、自動車用の電気加熱回路の制御

Info

Publication number: JP6385430B2
Application number: JP2016520328A
Authority: JP
Inventors: ローラン、テリエ; ベルトラン、プゼナ
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: JP2016523433A; CN105532072B; KR101785188B1; WO2014202293A1; EP3011801B1; CN105532072A; KR20160009055A; FR3007229B1; US10477621B2; EP3011801A1; FR3007229A1; US20160143090A1

Description

本発明は、一般に、並列に接続された複数の加熱素子を備える電気加熱回路の制御に関する。

本発明は、特に、自動車の始動時に熱機関自体の熱で車室が暖まる前に車室内の急速暖房を確保するために、熱機関を備える車両の暖房・通気・空調システムに電気加熱回路（ヒータまたは追加のラジエータ）を設置することが既知の慣例である自動車の分野に関する。電気ヒータは、特に、車両冷却回路の水を加熱するために使用される。電気ヒータは、一般に、動作設定値に応じて制御される必要がある、並列に接続された複数の抵抗加熱素子、好ましくは、正温度係数（ＰＴＣ：ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子を備える。

現在では、電子回路を内蔵した電気ラジエータは、以下の３つのタイプとなりうる動作設定値を有する。

いわゆる「論理」制御タイプのラジエータの場合、２つの設定値配線を制御装置の入力に接続することで、組み合わせ論理によって、４つの異なる出力レベル（０％、３３％、６７％、１００％）に達するために、最大３つの加熱素子を制御することが可能である。この動作により、マイクロコントローラの存在が無意味な単純な制御電子回路を用いて各加熱素子を別々に制御することが可能である。しかしながら、この解決策では少なくとも２つの設定点配線が必要である。

いわゆるパルス幅変調（ＰＷＭ：ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御タイプのラジエータの場合、１つの設定値配線で、低周波数（通常、およそ数十ヘルツから数百ヘルツ程度）でＰＷＭ信号の形態の出力設定値を調節することが可能である。このラジエータは、マイクロコントローラを備え、このマイクロコントローラは、受信した出力設定値を解釈し、一般に、出力設定値に対して使用されるＰＷＭ信号の周波数より低い周波数のＰＷＭ制御信号を使用することによって、加熱素子を比例（またはより複雑な法則に従って）駆動する。したがって、この場合、制御は素子ごとに行われない。また、この解決策は、精度は高くなるが、マイクロコントローラを備える必要があるため、コストがかかる。

最後に、ＰＷＭ制御タイプのラジエータで可能な変形例によれば、ＰＷＭ信号の形態ではなく、ＬＩＮ、ＣＡＮまたは同等のタイプの通信バスによって伝達されるディジタル信号の形態で出力設定値が到来するバス制御タイプのいくつかのラジエータが開発されてきた。この場合も、マイクロコントローラの存在が必須である。

本発明の目的は、既知の解決策の欠点を呈することなく、既知の解決策の利点を組み合わせることが可能な解決策を提案することである。特に、提案する解決策により、制御装置は、マイクロコントローラを必要とせずに、単一の設定値配線で受信したＰＷＭ設定値信号から加熱回路を制御することが可能である。

この目的を満たすために、本発明により、並列に接続されたＮ個の加熱素子を備え、各加熱素子は、対応付けられた電子スイッチに直列に接続可能である電気加熱回路を制御する方法であって、
‐出力に応じて可変デューティサイクルのＰＷＭ制御信号の形で出力設定値を受信するステップと、
‐受信されたＰＷＭ制御信号の平均値を抽出するステップと、
‐抽出された平均値とＰ個（整数ＰはＮ以下）の個別のしきい値との比較をＰ回実行し、Ｐ個の比較信号を生成するステップであって、各比較信号は、加熱素子の少なくとも１つに対応付けられた電子スイッチを開位置または閉位置へ切り換える制御をするために使用されるステップと、
を含む方法が提案される。

他の可能性のある特徴によれば、
‐整数ＰはＮに等しく、各比較信号は、加熱素子に対応付けられた電子スイッチを制御するものであり、
‐Ｐ回の比較のそれぞれに対して、生成された比較信号は、
・抽出された平均値がしきい値未満であれば、対応付けられた電子スイッチを開位置へ切り換える制御をし、
・さもなければ、対応付けられた電子スイッチを閉位置へ切り換える制御をする、
ことに適している。

本発明の別の目的は、並列に接続されたＮ個の加熱素子を備える電気加熱回路を制御する装置であって、
‐Ｎ個の電子スイッチであって、それぞれが、Ｎ個の加熱素子の１つに直列に接続可能なＮ個の電子スイッチと、
‐出力に応じて可変デューティサイクルのＰＷＭ制御信号の形で出力設定値を受信するのに適した電子受信モジュールと、
‐受信されたＰＷＭ制御信号の平均値を抽出する手段と、
‐抽出された平均値とＰ個（整数ＰはＮ以下）の個別のしきい値とを比較し、Ｐ個の比較信号を生成することに適したＰ個の比較器であって、各比較信号は、少なくとも１つの加熱素子に対応付けられた電子スイッチを開位置または閉位置へ切り換える制御をするＰ個の比較器と、
を備える。

好適には、制御装置は、Ｐ個のしきい値を生成する手段をさらに備え得る。これらの生成手段は、例えば、基準電圧下でＰ＋１個の抵抗器を直列に接続した分圧器ブリッジを備え、分圧ブリッジの２つの抵抗器間の各接続点は、２つの連続する接続点間に増加しきい値を付与する。

好ましくは、制御装置の各比較器は、
‐抽出された平均値がしきい値未満であれば、対応付けられた電子スイッチを開位置に切り換える制御をし、
‐さもなければ、対応付けられた電子スイッチを閉位置に切り換える制御をする、
ことに適した比較信号を送り出すのに適している。

以下、本発明はさらに深く理解され、本発明の他の目的、詳細、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、例示的かつ非限定的な例としてのみ与えられた本発明の特定の実施形態の以下の記載からより明らかになるであろう。

本発明による例示的な制御装置を示す簡易ブロック図である。本発明による制御装置によって実行されるステップを示す図である。基準ＤＣ電圧を発生させるための図１の制御装置に含まれるサブアセンブリの実施例を示す図である。図１の制御装置に含まれる別のサブアセンブリの実施例を示す図である。

添付した様々な図面において、共通の要素には同じ参照符号を付している。

図１は、単一の設定値配線上でＰＷＭ信号の形態で受信された出力設定値から、加熱回路２を制御するための制御装置１の例示的な実施形態を簡易に示す。非限定的な例として、加熱回路２は、ここでは、並列に接続された３つの加熱抵抗器２１、２２、２３、好ましくは、ＰＴＣ抵抗器で構成される。制御装置１は、従来、３つの電子スイッチＴ_１、Ｔ_２およびＴ_３、例えば、３つのＭＯＳパワートランジスタを備え、各スイッチは、３つの加熱抵抗器２１、２２、２３のそれぞれと直列に接続可能であるとともに、閉状態または開状態に応じてこれらの抵抗器に電流を通電または遮断することが可能である。

ＰＷＭ信号は、およそ数十ヘルツ程度の周波数に相当する一定の周期Ｔの周期信号である。周期Ｔの間、ＰＷＭ信号は、高レベルと低レベルとの間を交互に繰り返す。このような交互に繰り返す特性により、適用する出力設定値を制御装置１に知らせることができる。

ある場合では、ＰＷＭ信号は、オープンエミッタまたはソースとしてそれぞれ使用されるバイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタの出力によって送り出されうる。

一変形例として、ＰＷＭ信号は、プッシュプル型トランジスタ対の出力によって送り出される。

ＰＷＭ信号の２つの生成方法は、本発明の観点から同等のものである。特に、いずれの場合も、要求動作出力は、ＰＷＭ信号のデューティサイクルによって伝えられ、このデューティサイクルは、ＰＷＭ信号の周期にわたって高状態が維持される時間として規定される。ある場合では、慣例により、要求動作出力は、ＰＷＭ信号の負のデューティサイクルによって伝えられ、この負のデューティサイクルは、ＰＷＭ信号の周期にわたって低状態が維持される時間として規定される。

以下の説明において、非限定的に、ＰＷＭ信号はオープンコレクタ型またはオープンドレイン型のトランジスタから生成され、要求出力は、負のデューティサイクルによって伝えられるものとする。この場合、負のデューティサイクルが高いほど、要求出力は大きくなる。例えば、負のデューティサイクルの５％から９５％の変動に対して、加熱抵抗器２１〜２３のすべてが同時に動作している場合に得られる最大加熱出力の対応する変動は１００％から０％になる。

図１および図２を参照すると、ＰＷＭ信号は、ステップ１００において、制御装置１によって、電子受信モジュール１０を形成するコネクタでまず受信される。このＰＷＭ信号が、オープンコレクタ型のバイポーラトランジスタの出力またはオープンドレイン型のＭＯＳトランジスタの出力に相当することから、プルアップ回路のプルアップ抵抗器１１は、ＰＷＭ信号を、例えば５ボルトの基準電圧まで引き上げるために従来使用される。ＰＷＭ信号の出現については、プルアップ抵抗器１１の下方に概略的に示されている。

本発明によれば、制御装置１は、受信されたＰＷＭ信号を、ＰＷＭ信号のデューティサイクル（負の例の場合）に実質的に比例した値を有する準一定の信号に変換する。この変換を行うために、制御装置１は、抽出ステップ１１０において、受信したＰＷＭ制御信号ＰＷＭの平均値／ＰＷＭを抽出する。この平均値は、ＰＷＭ信号の周期Ｔより非常に大きい時定数を有するローパスＲＣフィルタを抽出手段１２として利用することによって非常に簡単に得ることができる。一例として、およそ４．７キロオーム（ｋΩ）の抵抗器と、およそ１０マイクロファラド（μＦ）の静電容量を有するコンデンサとを使用することができる。

図１には、抽出ステップ１１０の終了時に適時得られる平均信号／ＰＷＭの出現が概略的に示されている。

平均信号／ＰＷＭは、３つの個別のしきい値Ｒｅｆ_１、Ｒｅｆ_２、Ｒｅｆ_３を用いた３回の比較（図２のステップ１２０、１３０、１４０）の対象となるものである。

上記に関して、制御装置１は、３つのしきい値を生成する手段１３と、３つの比較器Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３とを備え、各比較器Ｃ_ｉ（整数ｉは１〜３で変動）は、トランジスタＴ_ｉの入力（ここでは、ゲート）に接続された出力を有する。

図３に示すように、３つのしきい値を生成する手段１３は、基準電圧下にある直列の４つの抵抗器Ｒ６〜Ｒ９を備える分圧器ブリッジから非常に簡単に作られうる。２つの抵抗器間の各接続点は、
Ｒｅｆ_１＜Ｒｅｆ_２＜Ｒｅｆ_３
となるしきい値Ｒｅｆ_１、Ｒｅｆ_２、Ｒｅｆ_３を付与する。

抵抗器Ｒ６〜Ｒ９は、好ましくは、加熱抵抗器２１〜２３のそれぞれに同一の負荷を与えるように同じ値を有する。

比較器Ｃ_１〜Ｃ_３の出力で生成された比較信号Ｓ_１〜Ｓ_３は、少なくとも１つの加熱素子に関連する電子スイッチＴ_１〜Ｔ_３を開位置または閉位置に切り換えるように働く。

一例として、比較器Ｃ_ｉの出力で生成される比較信号Ｓ_ｉ（ｉは１〜３で変動）は、
‐抽出された平均値／ＰＷＭがしきい値Ｒｅｆ_ｉ未満であれば、対応付けられた電子スイッチＴ_ｉを開位置に切り換える制御をし（図２のステップ１２２、１３２、１４２）、
‐さもなければ、対応付けられた電子スイッチＴ_ｉを閉位置に切り換える制御をする（図２のステップ１２１、１３１、１４１）、
ことに適している。

以上のことから、本発明による制御装置１により、受信されたＰＷＭ信号をいくつかの出力レベル、ここでは、３つのしきい値Ｒｅｆ_１、Ｒｅｆ_２、Ｒｅｆ_３に対応する３つの出力レベルに離散させて、少なくとも１つの加熱素子をステップ制御することが可能である。

好ましい実施形態において、制御対象の加熱抵抗器の数だけしきい値が生成される。

このように、上記に挙げた例では、以下の数の加熱素子の同時動作を制御することができる。

‐例えば、およそ５％程度の負のデューティサイクルの場合、０個の加熱素子である。この場合、スイッチＴ_１〜Ｔ_３はすべて開状態である。

‐およそ２５％程度の負のデューティサイクルの場合、１個の加熱素子であり、通常、抵抗器２１である。この場合、スイッチＴ_１のみが閉状態であり、スイッチＴ_２およびＴ_３は開状態である。

‐およそ５０％程度の負のデューティサイクルの場合、２個の加熱素子であり、通常、抵抗器２１および２２である。この場合、スイッチＴ_１およびＴ_２は閉状態で、スイッチＴ_３のみ開状態である。

‐およそ７５％程度の負のデューティサイクルの場合、３つの加熱素子２１〜２３である。この場合、スイッチＴ_１〜Ｔ_３はすべて閉状態である。

なお、本発明の範囲から逸脱することなく、制御対象の加熱素子の数Ｎ未満の回数Ｐだけ、複数の加熱素子を制御するために１つの比較器の出力を使用した比較を行うことも想定できる。

平均値／ＰＷＭがしきい値のいずれかに近い場合に起こる問題を回避するために、各比較器Ｃ_ｉは、好ましくは、ヒステリシス回路に関連付けられる。図４に、比較器の出力から抵抗器を通って比較器Ｃ_ｉの正の入力へのフィードバックループによってヒステリシスが得られる例示的な実施形態が示されている。

図１に戻ると、本発明の原理には直接関係はないが、ＰＷＭ信号受信手段を形成するコネクタ１０は、さらに好適には、自動車の暖房通気空調システムのモータが実際に動作中のときのみ、自動車のバッテリ電圧、通常、およそ１２ボルトに対応するＫＬ１５信号の受信に適している。このように、このＫＬ１５信号は、トランジスタＴ_１のゲートで信号Ｓ_ｉと合流する。好適には、様々な保護、例えば、保護フィルタ１４や、例えば過剰電圧や不足電圧の場合に開位置への切り換えを行いうる保護スイッチ１５が使用される。

Claims

自動車の車室を暖めるための、並列に接続されたＮ個の加熱素子（２１〜２３）を備え、各加熱素子は、対応付けられたトランジスタ（Ｔ_１〜Ｔ_３）に直列に接続可能である電気加熱回路（２）を制御する方法であって、
‐出力に応じて可変デューティサイクルのＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ）の形で出力設定値を受信するステップ（１００）と、
‐前記受信されたＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ）を、前記ＰＷＭ制御信号の負のデューティサイクルに比例する値を有する信号に変換するために、前記受信されたＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ）の平均値（／ＰＷＭ）を抽出するステップ（１１０）と、
‐前記抽出された平均値（／ＰＷＭ）と、Ｐ個（整数ＰはＮ以下）の個別のしきい値（Ｒｅｆ_１〜Ｒｅｆ_３）との比較（１２０、１３０、１４０）をＰ回実行し、Ｐ個の比較信号（Ｓ_１〜Ｓ_３）を生成するステップと、を有し、
各比較信号は、
前記抽出された平均値が前記しきい値未満であれば、前記対応付けられたトランジスタを開位置に切り換える制御（１２２、１３２、１４２）をし、
さもなければ、前記対応付けられたトランジスタを閉位置に切り換える制御（１２１、１３１、１４１）をすることに適している、方法。
前記整数ＰはＮに等しく、各比較信号（Ｓ_１〜Ｓ_３）は、前記加熱素子（２１〜２３）に対応付けられた前記トランジスタ（Ｔ_１〜Ｔ_３）を制御するものである、請求項１に記載の方法。
自動車の車室を暖めるための、並列に接続されたＮ個の加熱素子（２１〜２３）を備える電気加熱回路（２）を制御する装置（１）であって、
‐Ｎ個のトランジスタ（Ｔ_１〜Ｔ_３）であって、それぞれが前記Ｎ個の加熱素子（２１〜２３）の１つに直列に接続可能なＮ個のトランジスタ（Ｔ_１〜Ｔ_３）と、
‐出力に応じて可変デューティサイクルのＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ）の形で出力設定値を受信するのに適した電子受信モジュール（１０）と、
‐前記受信されたＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ）を負のデューティサイクルに比例する値を有する信号に変換するために、前記受信されたＰＷＭ制御信号（ＰＷＭ）の平均値（／ＰＷＭ）を抽出する手段（１２）と、
‐前記抽出された平均値（／ＰＷＭ）と、Ｐ個（整数ＰはＮ以下）の個別のしきい値（Ｒｅｆ_１〜Ｒｅｆ_３）とを比較し、Ｐ個の比較信号（Ｓ_１〜Ｓ_３）を生成することに適したＰ個の比較器（Ｃ_１〜Ｃ_３）と、を備え、
各比較器は、
前記抽出された平均値が前記しきい値未満であれば、前記対応付けられたトランジスタを開位置に切り換える制御（１２２、１３２、１４２）をし、
さもなければ、前記対応付けられたトランジスタを閉位置に切り換えるように制御（１２１、１３１、１４１）をする、
ことに適した比較信号（Ｓ_１〜Ｓ_３）を送り出す制御装置（１）。
前記Ｐ個のしきい値（Ｒｅｆ_１〜Ｒｅｆ_３）を生成する手段（１３）をさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載の制御装置（１）。
前記生成手段は、基準電圧下でＰ＋１個の抵抗器を直列に接続した分圧器ブリッジを備え、前記分圧器ブリッジの２つの抵抗器間の各接続点は、２つの連続する接続点間に増加しきい値を付与することを特徴とする、請求項４に記載の制御装置（１）。