JP6439633B2 - 保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の車載機器に接続される電線に設けられており、該電線を双方向に流れる直流の過電流から該車載機器を保護する保護装置に関する。

車両には複数の車載機器、例えばヘッドライト、モータ等の負荷、蓄電池、発電機が電線を介して接続されている。電線には過電流から電線又は車載機器の損傷を防ぐために、熱ヒューズが介装されている。

特開平１１−３１７１４５号公報

しかしながら、従来の熱ヒューズの溶断条件は電流の通流方向に依存せず、電流の絶対値によってのみ決定される。

本願発明の目的は、複数の車載機器に接続される電線に設けられた熱ヒューズの溶断条件を電流の通流方向に応じて切り替えることができる保護装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る保護装置は、複数の車載機器に接続される電線に設けられており、該電線を双方向に流れる直流の過電流から該車載機器を保護する保護装置であって、前記電線の途中に設けられた熱ヒューズと、該熱ヒューズに並列接続されており、前記電線を流れる電流の通流方向に応じて、自身に流れる電流を制限する電流制限部とを備える。

なお、本願は、このような特徴的な処理部を備える保護装置として実現することができるだけでなく、かかる特徴的な処理をステップとする保護方法として実現したり、かかるステップをコンピュータに実行させるためのプログラムとして実現したりすることができる。また、保護装置の一部又は全部を実現する半導体集積回路として実現したり、保護装置を含むその他のシステムとして実現したりすることができる。

上記によれば、複数の車載機器に接続される電線に設けられた熱ヒューズの溶断条件を電流の通流方向に応じて切り替えることができる保護装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る保護システムの一構成例を示した回路ブロック図である。 電流が第２車載機器から第１車載機器へ通流する場合の動作状態を示す回路ブロック図である。 電流が第１車載機器から第２車載機器へ通流する場合の動作状態を示す回路ブロック図である。 変形例に係る保護システムの一構成例を示した回路ブロック図である。 本発明の実施形態２に係る保護システムの一構成例を示した回路ブロック図である。 本発明の実施形態３に係る保護システムの一構成例を示した回路ブロック図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（１）本発明の一態様に係る保護装置は、複数の車載機器に接続される電線に設けられており、該電線を双方向に流れる直流の過電流から該車載機器を保護する保護装置であって、前記電線の途中に設けられた熱ヒューズと、該熱ヒューズに並列接続されており、前記電線を流れる電流の通流方向に応じて、自身に流れる電流を制限する電流制限部とを備える。

本願にあっては、熱ヒューズ及び電流制限部が電線に並列接続されている。電流制限部は、電流の通流方向に応じて、自身に流れる電流を制限する。例えば、電線に流れる電流の通流方向が第１方向である場合、電流制限部に流れる電流は制限され、電流は主に熱ヒューズを通流する。一方、電線に流れる電流の通流方向が第２方向である場合、電流制限部に流れる電流は制限されず、電流は熱ヒューズと、電流制限部との双方に流れる。
従って、電線を流れる電流の通流方向に応じて、熱ヒューズに流れる電流は可変する。よって、熱ヒューズの溶断条件は、電線を流れる電流の通流方向によって切り替わる。

（２）前記電流制限部は、前記熱ヒューズに並列接続されたスイッチであり、更に、前記電線を通流する電流の向きを検出し、該電流の向きに応じて前記スイッチを開閉させる制御回路を備える構成が好ましい。

本願にあっては、電流制限部はスイッチで構成され、スイッチを開閉することによって、該スイッチを流れる電流を制限する。スイッチが開いた場合、電流は主に熱ヒューズを通流する。スイッチが閉じた場合、電流は熱ヒューズと、スイッチとの双方に流れる。制御回路は、電線を流れる電流の通流方向に応じて、スイッチを開閉させ、熱ヒューズに流れる電流を変化させる。
従って、熱ヒューズの溶断条件は、電線を流れる電流の通流方向によって切り替わる。

（３）前記スイッチは半導体スイッチであり、前記制御回路は、前記ヒューズの一端部の電圧と、該ヒューズの他端部の電圧とを比較し、比較結果に応じた信号を前記半導体スイッチへ出力する比較回路を備え、前記半導体スイッチは、前記比較回路から出力された信号に応じて開閉する構成が好ましい。

本願にあっては、電線に流れる電流の通流方向は比較回路によって検出され、比較回路は、通流方向に応じた異なる信号を半導体スイッチへ出力する。半導体スイッチは、比較回路から出力された信号に応じて開閉する。
従って、マイコン等の制御装置を備えずとも、電線を流れる電流の通流方向に応じて自動的に半導体スイッチを開閉し、熱ヒューズの溶断条件を、電線を流れる電流の通流方向によって切り替えることができる。

（４）前記比較回路はヒステリシスを有する構成が好ましい。

本願にあっては、比較回路はヒステリシスを有するため、電流の値が小さくなった場合等、比較回路からハイレベルの信号と、ローレベルの信号とが繰り返し出力される発振現象を防止することができる。

（５）前スイッチは寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）であり、前記制御回路は、前記電線に通流する電流の向きが前記寄生ダイオードの順方向と同方向である場合、前記スイッチを開き、逆方向である場合、前記スイッチを閉じる構成が好ましい。

本願にあっては、電力損失が小さいＭＯＳＦＥＴを用いてスイッチを構成し、ＭＯＳＦＥＴの開閉によって、熱ヒューズに流れる電流を変化させることができる。従って、低消費電力の回路で熱ヒューズの溶断条件を、電線の通流方向によって切り替えることができる。
また、過電流保護回路を内蔵したＭＯＳＦＥＴを用いると良い。熱ヒューズが溶断した際、ＭＯＳＦＥＴにも過電流が流れるおそれがあるためである。過電流保護回路を内蔵したＭＯＳＦＥＴは、過電流が流れた際、閉状態になる。

（６）前記熱ヒューズの溶断を検出する溶断検出部と、該溶断検出部が溶断を検出した場合、所定情報を出力する出力部とを備える構成が好ましい。

本願にあっては、熱ヒューズが溶断された場合、出力部は所定情報を出力することができる。例えば、熱ヒューズが溶断されたことを外部へ通知することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る保護システムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

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。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る保護システムの一構成例を示した回路ブロック図である。保護システムは、電線３によって接続された第１車載機器１と、第２車載機器２と、電線３に設けられており、該電線３を双方向に流れる直流の過電流から第１及び第２車載機器１，２を保護する保護装置４を備える。

第１及び第２車載機器１，２は、車両に搭載された負荷、車載電源、発電機等である。負荷は、例えば、ヘッドライト、ワイパー等である。車載電源は、例えばリチウムイオン電池、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、コンデンサ、その他のキャパシタである。発電機は、ガソリンエンジンによって駆動し、発電するオルタネータである。第１車載機器１と、第２車載機器２とを接続する電線３には、動作状況によって、第１車載機器１から第２車載機器２へ直流の電流が通流することもあれば、第２車載機器２から第１車載機器１へ直流の電流が通流することもある。

保護装置４は、電線３の途中に設けられた熱ヒューズ４１と、該熱ヒューズ４１に並列接続されており、電線３を流れる電流の通流方向に応じて開閉するスイッチ４２とを備える。該スイッチ４２は、電線３を流れる電流の通流方向に応じて、自身に流れる電流を制限する電流制限部の一例である。スイッチ４２は、例えば機械的スイッチ、機械式リレー、半導体スイッチであり、スイッチ４２の一端部は第１車載機器１側の電線３に接続され、スイッチ４２の他端部は第２車載機器２側の電線３に接続されている。また、スイッチ４２には該スイッチ４２を開閉させる信号が入力される制御端子が設けられている。制御端子に正電位が印加された場合、スイッチ４２が開き、負電位が印加された場合、スイッチ４２が閉じるものとする。半導体スイッチとしては、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＰＳ（Intelligent Power Switch）等を用いると良い。
更に、スイッチ４２は、過電流保護回路を内蔵している。過電流保護回路を内蔵したスイッチ４２に過電流が流れた場合、自動的にスイッチ４２は閉状態になる。スイッチが閉状態になるときの過電流の値は特に限定されるものでは無いが、電流が熱ヒューズ４１及びスイッチ４２に分流している状態で熱ヒューズ４１が溶断しない場合、スイッチ４２の過電流保護回路も動作しないような設定にすると良い。

また、保護装置４は、電線３を通流する電流の向きを検出し、該電流の向きに応じてスイッチ４２を開閉させる制御回路４３を備える。制御回路４３は、熱ヒューズ４１の一端部の電圧と、熱ヒューズ４１の他端部の電圧とを比較し、比較結果に応じた信号を出力する比較回路４３ａと、比較回路４３ａから出力された信号に従って、スイッチ４２を開閉させる駆動回路４３ｂとを備える。具体的には、比較回路４３ａは、第１車載機器１側の電線３に接続された熱ヒューズ４１の一端部と、第２車載機器２側の電線３に接続された熱ヒューズ４１の他端部とに、それぞれ非反転入力端子及び反転入力端子が接続された差動増幅器である。差動増幅器の出力端子は駆動回路４３ｂの入力端子に接続されている。比較回路４３ａは、第１車載機器１側が第２車載機器２側に比べて高電位である場合、出力端子から電流を出力し、第２車載機器２側が第１車載機器１側に比べて高電位である場合、出力端子に電流が引き込まれる。駆動回路４３ｂの出力端子は、スイッチ４２の制御端子に接続されており、比較回路４３ａから出力された電流信号を電圧信号に変換し、スイッチ４２の制御端子へ出力する。つまり、駆動回路４３ｂは比較回路４３ａの出力端子から電流が出力された場合、スイッチ４２の制御端子に正電位の信号を印加し、比較回路４３ａの出力端子に電流が引き込まれた場合、スイッチ４２の制御端子に負電位の信号を印加する。

次に構成された保護装置４の動作を説明する。
図２は、電流が第２車載機器２から第１車載機器１へ通流する場合の動作状態を示す回路ブロック図である。第２車載機器２から第１車載機器１へ電流が流れる場合、熱ヒューズ４１の両端部の電位は、第１車載機器１側に比べて第２車載機器２側の方が高電位になっている。従って、駆動回路４３ｂは負電位の信号をスイッチ４２に印加する。負電位が印加されたスイッチ４２は開状態になる。よって、電流は、第２車載機器２から熱ヒューズ４１を介して第１車載機器１へ流れる。

図３は、電流が第１車載機器１から第２車載機器２へ通流する場合の動作状態を示す回路ブロック図である。第１車載機器１から第２車載機器２へ電流が流れる場合、熱ヒューズ４１の両端部の電位は、第２車載機器２側に比べて第１車載機器１側の方が高電位になっている。従って、駆動回路４３ｂは正電位の信号をスイッチ４２に印加する。正電位が印加されたスイッチ４２は閉状態になる。よって、電流は、第１車載機器１から熱ヒューズ４１と、スイッチ４２とに分流して第２車載機器２へ流れる。

以上の通り、電流が第１車載機器１から第２車載機器２へ通流する場合、電線３を通流する電流の一部はスイッチ４２を流れるため、このときの熱ヒューズ４１の溶断電流は、電流が第２車載機器２から第１車載機器１へ通流するときに比べて大きくなる。

例えば、熱ヒューズ４１の電気抵抗及び溶断電流が１ｍΩ及び３０Ａ、スイッチ４１の電気抵抗が１ｍΩであるとする。図３に示すように、第１車載機器１から第２車載機器２へ電流が流れている場合、電線３を流れる電流は、１対１の割合で、熱ヒューズ４１及びスイッチ４２に分流するため、最大６０Ａまで電流を流すことができる。電線３に６０Ａ以上の電流が流れると、熱ヒューズ４１に３０Ａの電流が流れ、熱ヒューズ４１は溶断する。
図２に示すように、第２車載機器２から第１車載機器１へ電流が流れている場合、電線３に流れる電流は全て熱ヒューズ４１に流れるため、最大３０Ａまで電流を流すことができる。電線３に３０Ａ以上の電流が流れると、熱ヒューズ４１に３０Ａの電流が流れ、熱ヒューズ４１は溶断する。

このように構成された実施形態１に係る保護装置４によれば、第１及び第２車載機器１，２を接続した電線３に設けられた熱ヒューズ４１の溶断条件を電流の通流方向に応じて自動的に切り替えることができる。

また、熱ヒューズ４１に並列接続されたスイッチ４２を開閉させる簡易な構成で、熱ヒューズ４１の溶断条件を電流の通流方向に応じて切り替えることができる。

更に、保護装置４は、アナログ回路である比較回路４３ａ及び駆動回路４３ｂによって、スイッチ４２を開閉させる構成であるため、マイコン等の制御装置を備えずとも、電線３を流れる電流の通流方向に応じて自動的にスイッチ４２を開閉させ、熱ヒューズ４１の溶断条件を切り替えることができる。

更にまた、過電流によって熱ヒューズ４１が溶断した場合であっても、第１車載機器１から第２車載機器２の方向に限り、電流を流すことができる。

更にまた、過電流によって熱ヒューズ４１が溶断した後、スイッチ４２に過電流が流れた場合、該スイッチ４２は閉状態になるため、第１及び第２車載機器１，２を過電流から保護することができる。

なお、上述の実施形態１においては、１つの熱ヒューズ４１と、１つのスイッチ４２とを並列接続する例を説明したが、第１熱ヒューズ及びスイッチを直列接続した第１直列回路と、第１熱ヒューズと溶断電流が異なる第２熱ヒューズ及びスイッチを直列接続した第２直列回路とを並列接続し、電線に流れる電流の通流方向に応じて、第１及び第２直列回路のスイッチを選択的に開閉させるように構成しても良い。
また、溶断電流が異なる第１熱ヒューズ及び第２熱ヒューズを並列接続し、いずれかの熱ヒューズにスイッチを直列接続させ、電線に流れる電流の通流方向に応じて該スイッチを開閉させるように構成しても良い。

（変形例）
図４は、変形例に係る保護システムの一構成例を示した回路ブロック図である。上述の実施形態１では、スイッチ４２の構成を、電流が通流する経路を開閉する一般的な素子として説明したが、スイッチ４２をＭＯＳＦＥＴ１４２にて構成する場合、以下のように構成すると良い。変形例に係る保護装置１０４は、スイッチとしてＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ１４２を備え、ＭＯＳＦＥＴ１４２のドレインは、第２車載機器２側の電線３に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１４２のソースは、第１車載機器１側の電線３に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１４２のゲートは駆動回路４３ｂに接続されている。
ＭＯＳＦＥＴ１４２は寄生ダイオードを有しており、ＭＯＳＦＥＴ１４２の寄生ダイオードの順方向は、第１車載機器１から第２車載機器２へ電流が流れる向きになっている。このように接続されたＭＯＳＦＥＴ１４２において、電線３に通流する電流の向きが寄生ダイオードの順方向と同方向である場合、ＭＯＳＦＥＴ１４２が開状態になり、逆方向である場合、閉状態になる。
変形例に係るＭＯＳＦＥＴ１４２も、実施形態１と同様の過電流保護回路を備えると良い。

変形例に係る保護装置１０４によれば、電力損失が少ないＭＯＳＦＥＴ１４２を用いて、熱ヒューズ４１の溶断条件を電流の通流方向に応じて切り替えることができる。

電流が第１車載機器１から第２車載機器２へ通流する場合、寄生ダイオードにも電流が流れるが、ＭＯＳＦＥＴ１４２を閉じることによって、電力損失を低減することができる。

（実施形態２）

図５は、本発明の実施形態２に係る保護システムの一構成例を示した回路ブロック図である。実施形態２に係る保護システムは、制御回路２４３の構成が実施形態１と異なるため、以下では主にかかる相違点について説明する。

実施形態２に係る保護装置２０４の比較回路４３ａは、ポジティブフィードバックにより、ヒステリシスを有する。具体的には、第１車載機器１側の電線３に接続された熱ヒューズ４１の一端部には電気抵抗器Ｒ１の一端が接続され、該電気抵抗器Ｒ１の他端に比較回路４３ａの非反転入力端子が接続されている。また、第２車載機器２側の電線３に接続された熱ヒューズ４１の他端部には電気抵抗器Ｒ２の一端が接続され、該電気抵抗器Ｒ２の他端に比較回路４３ａの反転入力端子が接続されている。更に、比較回路４３ａの出力端子には電気抵抗器Ｒ３の一端が接続され、電気抵抗Ｒ３の他端が非反転入力端子に接続されている。

このように構成された保護装置２０４によれば、スイッチ４２が開状態である場合、非反転入力端子の電位が、反転入力端子の電位よりもヒステリシスに応じた電位だけ高くならないと、比較回路４３ａの出力は切り替わらず、スイッチ４２は閉状態にならない。同様に、スイッチ４２が閉状態である場合、反転入力端子の電位が、非反転入力端子の電位よりもヒステリシスに応じた電位だけ高くならないと、比較回路４３ａの出力は切り替わらず、スイッチ４２は開状態にならない。

実施形態２に係る保護装置２０４によれば、比較回路４３ａはヒステリシスを有するため、電流の値が小さくなった際、比較回路４３ａからハイレベルの信号と、ローレベルの信号とが繰り返し出力される発振現象を防止することができる。

（実施形態３）
図６は、本発明の実施形態３に係る保護システムの一構成例を示した回路ブロック図である。実施形態３に係る保護システムは、熱ヒューズ４１の溶断を通知する構成を更に備える点が実施形態１と異なるため、以下では主にかかる相違点について説明する。

実施形態３に係る保護装置３０４は、実施形態１と同様、熱ヒューズ４１、スイッチ４２及び制御回路４３を備え、更に溶断検出部３４４及び出力部３４５を備える。溶断検出部３４４は、例えば、電線３に流れる電流を検出する電流センサである。溶断検出部３４４は、熱ヒューズ４１に直列接続されたシャント抵抗３４４ａを備える。スイッチ４２の一端部は、シャント抵抗３４４ａ及び熱ヒューズ４１からなる直列回路の一端に接続され、スイッチ４２の他端部は、該直列回路の他端に接続されている。溶断検出部３４４は、シャント抵抗３４４ａの両端電圧を検出することによって、前記直列回路に電流が流れているか否かを検出する。また、溶断検出部３４４には比較回路４３ａの出力端子が接続されており、溶断検出部３４４は比較回路４３ａの出力端子から出力される信号によって、熱ヒューズ４１の両端に電圧が印加されているか否かを判定する。そして、溶断検出部３４４は、前記直列回路の両端に電圧印加されているにもかかわらず、前記直列回路に電流が流れていない場合、所定の信号を出力部３４５に与える。

出力部３４５は、溶断検出部３４４から出力された所定の信号が入力された場合、所定情報を外部へ出力する。出力部３４５は、例えば、スピーカ、表示部、警告灯等である。出力部は、熱ヒューズ４１が溶断したことを音、光等によって出力する。
なお、出力部３４５は、外部ＥＣＵに接続された車内ＬＡＮ通信機であっても良い。出力部３４５は、溶断検出部３４４の検出結果に応じて、熱ヒューズ４１が溶断された旨を示す情報を前記外部ＥＣＵへ送信する。外部ＥＣＵは、スピーカ、表示部、警告灯等の動作を制御する制御装置であり、出力部３４５から出力された情報を受信し、受信した情報の内容に従って、該情報を音、光等によって出力させる。

このように構成された実施形態３に係る保護装置３０４によれば、熱ヒューズ４１が溶断されたことを外部へ通知することができる。

１ 第１車載機器
２ 第２車載機器
３ 電線
４，１０４，２０４，３０４ 保護装置
４１ 熱ヒューズ
４２ スイッチ（電流制限部）
４３ 制御回路
４３ａ 比較回路
４３ｂ 駆動回路
１４２ ＭＯＳＦＥＴ
３４４ 溶断検出部
３４４ａ シャント抵抗
３４５ 出力部

Claims (5)

1. 複数の車載機器に接続される電線に設けられており、該電線を双方向に流れる直流の過電流から該車載機器を保護する保護装置であって、
   前記電線の途中に設けられた熱ヒューズと、
   該熱ヒューズに並列接続されており、前記電線を流れる電流の通流方向に応じて、自身に流れる電流を制限する電流制限部と
   を備え
   前記電流制限部は、
   前記熱ヒューズに並列接続され、可逆的に開閉するスイッチであり、
   更に、前記電線を通流する電流の向きを検出し、該電流の向きに応じて前記スイッチを開閉させる制御回路を備える
   保護装置。
2. 前記スイッチは半導体スイッチであり、
   前記制御回路は、
   前記熱ヒューズの一端部の電圧と、該熱ヒューズの他端部の電圧とを比較し、比較結果に応じた信号を前記半導体スイッチへ出力する比較回路を備え、
   前記半導体スイッチは、前記比較回路から出力された信号に応じて開閉する
   請求項１に記載の保護装置。
3. 前記比較回路はヒステリシスを有する
   請求項２に記載の保護装置。
4. 前スイッチは寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴであり、
   前記制御回路は、
   前記電線に通流する電流の向きが前記寄生ダイオードの順方向と同方向である場合、前記スイッチを開き、逆方向である場合、前記スイッチを閉じる
   請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の保護装置。
5. 前記熱ヒューズの溶断を検出する溶断検出部と、
   該溶断検出部が溶断を検出した場合、所定情報を出力する出力部と
   を備える請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の保護装置。

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