JP6725347B2 - 発熱機器の状態判定装置および状態判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される発熱機器の状態を判定する発熱機器の状態判定装置および状態判定方法に関する。

たとえば特許文献１のように、ディーゼルエンジンを搭載した自動車には、寒冷地におけるエンジンの始動性を向上させることを目的の１つとして、吸気を加熱するインテークヒーターが設けられている。インテークヒーターは、バッテリーから直流電圧が供給されることによって発熱する発熱機器を備え、エンジンに吸入される吸気を昇温させることでエンジンの始動性を向上させる。

特開２０１５−１２５０９４号公報

ところで、直流電圧を供給しているにもかかわらず非通電状態にあるインテークヒーターには断線が生じている可能性が高い。しかしながら、インテークヒーターに生じる異常は断線だけではないため、インテークヒーターの状態をより細かく判定することが求められている。こうした要望は、インテークヒーターに限らず直流電圧の供給を受けて発熱する発熱機器に共通する。

本発明は、発熱機器の状態をより細かく判定することのできる発熱機器の状態判定装置および状態判定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する発熱機器の状態判定装置は、電源から発熱機器へ流れる直流電流を計測する電流計測部と、前記電源の出力電圧と前記電流計測部の計測した電流値とに基づき前記発熱機器の抵抗値を演算する抵抗演算部と、前記電流値の積算値と前記抵抗演算部の演算した抵抗値とに基づき前記発熱機器の状態を判定する判定部とを備え、前記判定部は、前記抵抗値が第１閾値Ｒ１よりも小さいときに地絡状態と判定し、前記抵抗値が第２閾値Ｒ２（＞Ｒ１）よりも大きいときに断線状態と判定し、前記抵抗値が前記第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、前記第２閾値Ｒ２以下であり、かつ、前記積算値ごとに規定された設計抵抗値に対する乖離が設定値以下のときに正常状態と判定し、前記抵抗値が前記第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、前記第２閾値Ｒ２以下であり、かつ、前記設計抵抗値との乖離が前記設定値よりも大きいときに特性異常状態と判定する。

上記課題を解決する発熱機器の状態判定方法は、電源から直流電圧が供給されることで発熱する発熱機器の状態を判定する状態判定装置が実行する発熱機器の状態判定方法であって、前記電源から前記発熱機器へ流れる直流電流を計測する計測工程と、前記電源の出力電圧と前記計測工程にて計測された電流値とに基づき前記発熱機器の抵抗値を演算する抵抗演算工程と、前記電流値の積算値と前記抵抗演算工程にて演算された抵抗値とに基づき前記発熱機器の状態を判定する判定工程とを備え、前記判定工程では、前記抵抗値が第１閾値Ｒ１よりも小さいときに地絡状態と判定し、前記抵抗値が第２閾値Ｒ２（＞Ｒ１）よりも大きいときに断線状態と判定し、前記抵抗値が前記第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、前記第２閾値Ｒ２以下であり、かつ、前記積算値ごとに規定された設計抵抗値に対する乖離が設定値以下であるときに正常状態と判定し、前記抵抗値が前記第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、前記第２閾値Ｒ２以下であり、かつ、前記設計抵抗値に対する乖離が前記設定値よりも大きいときに特性異常状態と判定する。

上記構成によれば、判定結果として、正常状態、断線状態、地絡状態、および、特性異常状態が得られることから、発熱機器の状態をより細かく判定することができる。

上記構成において、前記特性異常状態は、前記設計抵抗値から前記設定値を減算した下限正常値よりも前記抵抗値が小さい第１特性異常状態と、前記設計抵抗値に前記設定値を加算した上限正常値よりも前記抵抗値が大きい第２特性異常状態とを含むとよい。
上記構成によれば、さらに細かく発熱機器の状態を判定することができる。

上記構成の状態判定装置は、前記電源の出力電圧を計測する電圧計測部をさらに備え、前記抵抗演算部は、前記電圧計測部の計測した電圧値と前記電流値とに基づき前記抵抗値を演算することが好ましい。

上記構成によれば、電圧計測部によって計測された電源の出力電圧に基づき抵抗値が演算されることから、発熱機器の抵抗をより高い精度のもとで演算することができる。これにより、判定部の判定結果に対する信頼度が向上する。

上記構成において、前記判定部は、前記正常状態であるか否かを優先して判断することが好ましい。
発熱機器は、通常、正常状態にある。そのため、上記構成のように、正常状態であるか否かを優先して判断することにより、発熱機器の状態を判定する処理において判定部にかかる負荷を軽減することができる。

発熱機器を用いた加熱システムの概略構成を示す概略構成図。 発熱機器の状態判定装置の一実施形態の電気的構成を示す機能ブロック図。 判定マップを模式的に示すグラフ。 （ａ）第１特性異常状態の一例における回路構成を模式的に示す図、（ｂ）第２特性異常状態の一例における回路構成を模式的に示す図。 状態判定処理の手順を示すフローチャート。

図１〜図５を参照して、発熱機器の状態判定装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、加熱システム１０において、発熱機器１１は、たとえばエンジンが吸入する吸入空気を加熱するインテークヒーターや燃焼室内を予熱するグロープラグであり、電源１２から直流電圧が供給されることにより発熱するフィラメント１３を有している。発熱機器１１は、たとえばトランジスタ等のスイッチング素子１４を介して電源１２に接続されており、電源１２は、たとえば車両に搭載されたバッテリーである。スイッチング素子１４のオンオフは制御装置１５によって制御される。制御装置１５は、たとえばエンジンの始動時に所定の駆動条件が成立するとスイッチング素子１４に対する駆動信号の出力を開始する。これによりスイッチング素子１４がオン状態に制御され、電源１２から発熱機器１１への直流電圧の供給が開始される。そして、制御装置１５は、所定の終了条件が成立するとスイッチング素子１４に対する駆動信号の出力を停止する。これにより、電源１２から発熱機器１１への直流電圧の供給が遮断される。

図２〜図５を参照して発熱機器１１の状態を判定する状態判定装置について説明する。
図２に示すように、状態判定装置２０は、電圧計測部２１、電流計測部２２、および、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２５で構成されている。

電圧計測部２１は、電源１２の出力電圧を計測し、その計測結果を示す信号をＥＣＵ２５に出力する。電流計測部２２は、スイッチング素子１４と発熱機器１１との間を計測位置として発熱機器１１に向かって流れる電流を計測し、その計測結果を示す信号をＥＣＵ２５に出力する。なお、発熱機器１１に流入する電流が大きいため、電流計測部２２による電流の計測はホール素子等を用いて間接的に行なうことが好ましい。

ＥＣＵ２５は、処理部、記憶部、外部入力部、外部出力部等で構成されており、電圧計測部２１からの信号に基づいて電圧計測値Ｖｍを取得し、電流計測部２２からの信号に基づいて電流計測値Ｉｍを取得する。ＥＣＵ２５は、各種機能部として、抵抗演算部２６、電流積算部２７、および、判定部２８を備えている。ＥＣＵ２５は、スイッチング素子１４に対して駆動信号を出力していることを示す信号Ｓ１が制御装置１５から入力されると発熱機器１１の状態を判定する状態判定処理を実行する。

抵抗演算部２６は、電圧計測値Ｖｍと電流計測値Ｉｍとに基づいて発熱機器１１の抵抗値を演算し、その演算結果である抵抗演算値Ｒａを判定部２８に出力する。電流積算部２７は、制御装置１５から信号Ｓ１が入力されると電流計測値Ｉｍの積算を開始し、その演算結果である電流積算値ΣＩｍを判定部２８に出力する。判定部２８は、ＥＣＵ２５の記憶部に記憶された判定マップ２９に対して電流積算値ΣＩｍと抵抗演算値Ｒａとを適用することにより発熱機器１１の状態を判定する。

そして状態判定装置２０は、判定部２８の判定結果が正常状態である場合には警報ランプ３０を消灯状態に制御する。また、状態判定装置２０は、判定部２８の判定結果が正常状態以外の場合には、警報ランプ３０を点灯状態に制御するとともに記憶部の所定領域にその判定結果を示すコードを保存する。

図３に示すように、判定マップ２９は、予め行った実験やシミュレーションの結果に基づいて作成されるものであり、電流積算値ΣＩｍと抵抗演算値Ｒａとに応じた発熱機器１１の状態が規定されている。なお、フィラメント１３の温度は、フィラメント１３に供給された電力量やフィラメント１３の熱容量に基づいて演算可能である。また、正常な電源１２の出力電圧は略一定値である。これらのことから、電流積算値ΣＩｍは、フィラメント１３の温度の代替値といえる。

判定マップ２９において、抵抗演算値Ｒａが第１閾値Ｒ１よりも小さい領域には、電流積算値ΣＩｍにかかわらず、発熱機器１１が地絡状態にあることを示す地絡領域が規定されている。地絡状態は、フィラメント１３と電流計測部２２の計測位置との間において地絡が生じている状態である。地絡状態においては、電流値の計測位置を発熱機器１１に向かって流れる電流が正常時よりも大きくなるため抵抗演算値Ｒａが小さくなる。第１閾値Ｒ１には、高い信頼度のもとで地絡状態と判定可能な値が設定される。

判定マップ２９において、抵抗演算値Ｒａが第２閾値Ｒ２（＞Ｒ１）よりも大きい領域には、電流積算値ΣＩｍにかかわらず、発熱機器１１が断線状態にあることを示す断線領域が規定されている。断線状態は、発熱機器１１に関わる配線で断線が生じている状態である。断線状態においては、電流計測値Ｉｍがほぼ０になるため抵抗演算値Ｒａが大きくなる。第２閾値Ｒ２には、高い信頼度のもとで断線状態と判定可能な値が設定される。

判定マップ２９において、各電流積算値ΣＩｍに設定された下限正常値ＲＬと上限正常値ＲＨとの間の領域に正常領域が設定されている。これらの下限正常値ＲＬおよび上限正常値ＲＨは、設計抵抗値Ｒｉに対して設定値δＲだけ乖離した値である。具体的には、下限正常値ＲＬは、設計抵抗値Ｒｉから設定値δＲを減算した値であって、最小値に第１閾値Ｒ１が設定されている値である。上限正常値ＲＨは、設計抵抗値Ｒｉに設定値δＲを加算した値であって、最大値に第２閾値Ｒ２が設定されている値である。

設計抵抗値Ｒｉは、各電流積算値ΣＩｍに設定されている。設計抵抗値Ｒｉは、正常状態にある複数の発熱機器１１から得られた電流計測値Ｉｍと電圧計測値Ｖｍとの実測データから演算した各電流積算値ΣＩｍにおける抵抗演算値Ｒａの平均値である。設定値δＲは、各電流積算値ΣＩｍにおける抵抗演算値Ｒａの標準偏差σを三倍した値（３σ）である。すなわち、正常状態にある発熱機器１１は、各電流積算値ΣＩｍにおいて約９９．７％の確率で正常状態と判定される。

判定マップ２９において、抵抗演算値Ｒａが第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、下限正常値ＲＬよりも小さい領域には、発熱機器１１が第１特性異常状態であることを示す第１特性異常領域が規定されている。第１特性異常状態は、例えば図４（ａ）に示すように電気配線の被膜剥がれによる絶縁崩壊が生じている状態、図４（ｂ）に示すようにフィラメント１３に異物が付着した状態である。すなわち、第１特性異常状態は、電流の計測位置よりも下流側における抵抗値が正常時よりもやや小さい状態である。

判定マップ２９において、抵抗演算値Ｒａが上限正常値ＲＨよりも大きく、かつ、第２閾値Ｒ２以下の領域には、発熱機器１１が第２特性異常状態にあることを示す第２特性異常領域が規定されている。第２特性異常状態は、例えば何らかの原因によって配線の抵抗が大きくなった状態や経年劣化によってフィラメント１３そのものの抵抗が大きくなった状態である。すなわち、第２特性異常状態は、電流の計測位置よりも下流側における抵抗値が正常時よりもやや大きい状態である。

図５を参照して、状態判定処理の手順について説明する。状態判定処理は、状態判定装置２０に対して制御装置１５から信号Ｓ１が入力されると開始される。
図５に示すように、最初のステップＳ１０１は、計測工程であり、ＥＣＵ２５が電圧計測部２１の計測した電圧計測値Ｖｍを取得するとともに電流計測部２２の計測した電流計測値Ｉｍを取得する。次のステップＳ１０２は、抵抗演算工程であり、抵抗演算部２６が電圧計測値Ｖｍと電流計測値Ｉｍとに基づく抵抗演算値Ｒａを演算するとともに電流積算部２７が電流積算値ΣＩｍを演算する。

次のステップＳ１０３以降が判定工程である。ステップＳ１０３では、判定部２８が、ステップＳ１０２にて演算された抵抗演算値Ｒａと電流積算値ΣＩｍとを判定マップ２９に適用し、抵抗演算値Ｒａが下限正常値ＲＬ以上であり、かつ、上限正常値ＲＨ以下である正常領域にあるか否かを判断する。抵抗演算値Ｒａが正常領域にある場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、判定部２８は、発熱機器１１が正常状態にあると判定する（ステップＳ１０４）。そして、警報ランプ３０が消灯状態に制御され（ステップＳ１０５）、再びステップＳ１０１の処理に移行する。

抵抗演算値Ｒａが正常領域にない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、判定部２８は、抵抗演算値Ｒａが第２閾値Ｒ２よりも大きい断線領域にあるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。判定部２８は、抵抗演算値Ｒａが断線領域にある場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）発熱機器１１が断線状態にあると判定する（ステップＳ１０７）。一方、抵抗演算値Ｒａが断線領域にない場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）、判定部２８は、抵抗演算値Ｒａが第１閾値Ｒ１よりも小さい地絡領域にあるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。

判定部２８は、抵抗演算値Ｒａが地絡領域にある場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）には発熱機器１１が地絡状態にあると判定する（ステップＳ１０９）。一方、抵抗演算値Ｒａが地絡領域にない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、判定部２８は、抵抗演算値Ｒａが第１閾値Ｒ１よりも大きく、かつ、下限正常値ＲＬよりも小さい第１特性異常領域にあるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。

抵抗演算値Ｒａが第１特性異常領域にある場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、判定部２８は、発熱機器１１が第１特性異常状態にあると判定する（ステップＳ１１１）。一方、抵抗演算値Ｒａが第１特性異常領域にない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、判定部２８は、発熱機器１１が第２特性異常状態にあると判定する（ステップＳ１１２）。

ＥＣＵ２５は、判定結果として、断線状態（ステップＳ１０７）、地絡状態（ステップＳ１０９）、第１特性異常状態（ステップＳ１１１）、および、第２特性異常状態（ステップＳ１１２）のいずれかが得られた場合には、警報ランプ３０を点灯状態に制御したのち（ステップＳ１１３）、再びステップＳ１０１の処理に移行する。こうした一連の状態判定処理は、制御装置１５から信号Ｓ１が入力されなくなると終了する。

上記実施形態の状態判定装置２０によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）状態判定装置２０は、発熱機器１１の状態の判定結果として正常状態、断線状態、地絡状態、第１特性異常状態、および、第２特性異常状態を有することから、発熱機器１１の状態をより細かく判定することができる。

（２）判定マップ２９において、正常領域と地絡領域との間の領域が第１特性異常領域に設定されることにより、電流の計測位置よりも下流側における抵抗値が正常時よりもやや小さい状態であることを判定することができる。

（３）判定マップ２９において、正常領域と断線領域との間の領域が第２特性異常領域に設定されることにより、電流の計測位置よりも下流側における抵抗値が正常時よりもやや大きい状態であることを判定することができる。

（４）抵抗演算値Ｒａは、電源１２の出力電圧を計測した電圧計測値Ｖｍに基づいて演算される。そのため、たとえば電源１２の出力電圧を一定値として抵抗演算値Ｒａが演算される場合に比べて抵抗演算値Ｒａの精度が高まる。その結果、状態判定装置２０の判定結果についての信頼度を向上させることができる。

（５）発熱機器１１は、通常、正常状態にある。そのため、発熱機器１１が正常状態であるか否かを優先して判断することにより、状態判定処理において判定部２８にかかる負荷を軽減することができる。

（６）設計抵抗値Ｒｉに対する設定値δＲが標準偏差σを３倍した値（３σ）であることから、正常状態にある発熱機器１１が他の状態にあると誤判定される可能性が低くなる。すなわち、正常状態と異常状態とを高い精度のもとで判別することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・状態判定装置２０は、電圧計測部２１が割愛された構成であってもよい。この場合、状態判定装置２０は、直流電圧を出力する電源１２の出力電圧が一定値であるとして抵抗演算値Ｒａを演算する。

・抵抗演算値Ｒａが第１閾値Ｒ１よりも小さく、かつ、設計抵抗値Ｒｉから設定値δＲを減算した下限正常値ＲＬ以上である第１条件が成立するとき、発熱機器１１は、正常状態である可能性もあるが地絡状態である可能性もある。そのため、判定部２８は、第１条件が成立した場合には状態の判定を行わなくともよい。

・抵抗演算値Ｒａが第２閾値Ｒ２よりも大きく、かつ、設計抵抗値Ｒｉに設定値δＲを加算した上限正常値ＲＨ以下である第２条件が成立するとき、発熱機器１１は、正常状態である可能性もあるが断線状態である可能性もある。そのため、判定部２８は、第２条件が成立した場合には状態の判定を行わなくともよい。

・状態判定装置２０は、第１特性異常状態と第２特性異常状態とを共通する１つの特性異常状態として判定してもよい。
・状態判定装置２０と制御装置１５とは、各別の制御装置ではなく共通する１つの制御装置で構成されていてもよい。

・発熱機器は、車両に搭載されるものであればよい。そのため、発熱機器は、吸気を加熱するインテークヒーターや燃焼室内を予熱するグロープラグに限らず、例えば、エンジンからの排気を昇温するバーナーの着火に用いられるグロープラグであってもよい。

１０…加熱システム、１１…発熱機器、１２…電源、１３…フィラメント、１４…スイッチング素子、１５…制御装置、２０…状態判定装置、２１…電圧計測部、２２…電流計測部、２５…ＥＣＵ、２６…抵抗演算部、２７…電流積算部、２８…判定部、２９…判定マップ、３０…警報ランプ。

Claims (5)

1. 電源から発熱機器へ流れる直流電流を計測する電流計測部と、
   前記電源の出力電圧と前記電流計測部の計測した電流値とに基づき前記発熱機器の抵抗値を演算する抵抗演算部と、
   前記電流値の積算値と前記抵抗演算部の演算した抵抗値とに基づき前記発熱機器の状態を判定する判定部とを備え、
   前記判定部は、
   前記抵抗値が第１閾値Ｒ１よりも小さいときに地絡状態と判定し、
   前記抵抗値が第２閾値Ｒ２（＞Ｒ１）よりも大きいときに断線状態と判定し、
   前記抵抗値が前記第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、前記第２閾値Ｒ２以下であり、かつ、前記積算値ごとに規定された設計抵抗値に対する乖離が設定値以下のときに正常状態と判定し、
   前記抵抗値が前記第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、前記第２閾値Ｒ２以下であり、かつ、前記設計抵抗値との乖離が前記設定値よりも大きいときに特性異常状態と判定する
   発熱機器の状態判定装置。
2. 前記特性異常状態は、
   前記設計抵抗値から前記設定値を減算した下限正常値よりも前記抵抗値が小さい第１特性異常状態と、
   前記設計抵抗値に前記設定値を加算した上限正常値よりも前記抵抗値が大きい第２特性異常状態とを含む
   請求項１に記載の発熱機器の状態判定装置。
3. 前記電源の出力電圧を計測する電圧計測部をさらに備え、
   前記抵抗演算部は、前記電圧計測部の計測した電圧値と前記電流値とに基づき前記抵抗値を演算する
   請求項１または２に記載の発熱機器の状態判定装置。
4. 前記判定部は、前記正常状態であるか否かを優先して判断する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の発熱機器の状態判定装置。
5. 電源から直流電圧が供給されることで発熱する発熱機器の状態を判定する状態判定装置が実行する発熱機器の状態判定方法であって、
   前記電源から前記発熱機器へ流れる直流電流を計測する計測工程と、
   前記電源の出力電圧と前記計測工程にて計測された電流値とに基づき前記発熱機器の抵抗値を演算する抵抗演算工程と、
   前記電流値の積算値と前記抵抗演算工程にて演算された抵抗値とに基づき前記発熱機器の状態を判定する判定工程とを備え、
   前記判定工程では、
   前記抵抗値が第１閾値Ｒ１よりも小さいときに地絡状態と判定し、
   前記抵抗値が第２閾値Ｒ２（＞Ｒ１）よりも大きいときに断線状態と判定し、
   前記抵抗値が前記第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、前記第２閾値Ｒ２以下であり、かつ、前記積算値ごとに規定された設計抵抗値に対する乖離が設定値以下であるときに正常状態と判定し、
   前記抵抗値が前記第１閾値Ｒ１以上であり、かつ、前記第２閾値Ｒ２以下であり、かつ、前記設計抵抗値に対する乖離が前記設定値よりも大きいときに特性異常状態と判定する
   発熱機器の状態判定方法。