CN102576997B - 电力供应控制器 - Google Patents

Abstract

电力供应控制器100进行电力供应路径保护操作，用于在相对于基准温度To的电力供应路径W的温度上升值ΔTw超过温度阈值时，通过开关元件35限制电力供应，而在温度减小到温度阈值或更低时，解除该限制。而且，控制器进行开关保护操作，用于在通电电流I的值超过电流阈值Imax时，通过开关元件限制电力供应，并且在度过了基准时间H之后解除该限制。而且，控制器还在电力供应保护操作中，在通电电流I的值超过电流阈值的情况下，对温度上升值添加附加值F，并且将附加后的温度与温度阈值作比较。

Description

电力供应控制器

技术领域

本发明涉及具有保护开关元件和电力供应路径的功能的电力供应控制器。

背景技术

电力供应控制器包括开关元件，该开关元件允许/禁止从电源到负载的电力供应，以便于通过导通和关断开关元件来控制对负载的电力供应。在这样的电力供应控制器中，如果过电流流动，则开关元件可能会在一些情况下烧毁或电线(电力供应路径)可能会发烟。因此，需要一种构造，在该构造中，如果过电流流动，则开关元件将保持处于关闭状态，以禁止电流流动到负载，由此保护开关元件和电线。

通常，半导体开关和电线在热特性(发热特性和散热特性)方面彼此不同，因此电力供应禁止条件彼此不同。通常，与电线相比，开关元件具有更小的导通电阻和热容量。因此，如果过电流的值相对较大，则有必要立即禁止电力供应，以便于保护开关元件，而如果该值相对较小，则没有必要采取上述操作。但是与开关元件相比，电线具有较大的热容量。然而，与开关元件相比，电线具有大的热容量。因此，为了保护电线，由于存在发烟的可能性，所以即使在过电流的值相对较小，在过电流流动达长的时间段时，也有必要禁止电力供应。因此，电力供应禁止条件中的这样的差异导致了需要不同的构造来分别地保护开关元件并且保护电线。

关于这一点，通常提供一种具有开关元件保护电路的电力供应控制器(专利文献1)。开关元件保护电路在检测到过电流时进行重试操作以关断开关元件，并且在预定时间(切断时间)度过之后解除其关断状态，并且如果重试操作的次数达到预定值，则禁止电力供应操作(重试操作)。此外，开关元件保护电路被构造为，如果在进行重试操作的次数达到预定值之前，其中没有检测到过电流的状态持续达预定时间(清零时间)，则将进行重试操作的次数复位为零。

专利文献1：日本未经审查专利公开2007-174490

发明内容

本发明要解决的问题

然而，包括这样的开关元件保护电路的电力供应控制器需要用于分别对进行重试操作的次数以及清零时间和切换时间进行计数的计数器。这例如会对电路的尺寸和重量的减小造成不利影响。

鉴于以上情况，开发了本发明，并且本发明的目的在于，提供一种电力供应控制器，该电力供应控制器被构造为减少用于对开关元件的保护的计数器的数目。

解决问题的手段

为了解决该问题，根据第一发明的电力供应控制器包括：开关元件，该开关元件连接到在电源和负载之间的电力供应路径；电流检测元件，该电流检测元件被构造为输出与流经电力供应路径的通电电流的值相对应的检测信号；电力供应路径保护单元，该电力供应路径保护单元被构造为进行电力供应路径保护操作，该电力供应路径保护操作在相对于基准温度的电力供应路径的温度上升值超过温度阈值的情况下，通过使用开关元件来限制电力供应；以及开关保护单元，该开关保护单元被构造为进行开关保护操作，该开关保护操作在基于检测信号的通电电流的值超过电流阈值的情况下，通过使用开关元件来限制电力供应，并且在基准时间之后解除该限制，其中，电力供应路径保护单元在通电电流的值超过电流阈值的情况下，对温度上升值添加附加值，并且将附加后的温度与温度阈值作比较。

根据本发明，进行电力供应路径保护操作，该电力供应路径保护操作在相对于基准温度的电力供应路径的温度上升的值超过温度阈值的情况下，通过使用开关元件来限制电力供应。同时，进行开关保护操作，该开关保护操作在通电电流的值已经超过电流阈值的情况下，通过使用开关元件来限制电流流动。此外，在通电电流的值超过电流阈值的情况下，对电力供应路径的温度上升的值添加附加值，并且在附加后的温度超过温度阈值的情况下，进行电力供应路径保护操作。

因此，进行开关保护操作(重试操作)的次数被限制为依照基准温度和温度阈值以及附加值之间差异的值。该限制通过利用电力供应路径保护单元的构造来实现，使得没有必要提供用于对次数进行计数的专用计数器。

此外，如果由于噪声等所造成的开关保护操作的故障而导致对电力供应路径的温度上升的值添加附加值，则电力供应路径的温度上升的值在预定时间之后添加附加值之前返回到该值。因此，与常规技术相反，没有必要提供用于对进行重试的次数进行清零的计数器。

第二发明提供了根据第一发明的电力供应控制器，其中，电力供应路径保护单元基于通电电流的值和电力供应路径的热特性来计算温度上升的值。

根据本发明，能够在不使用温度传感器的情况下，获取电力供应路径的温度的值。

第三发明是根据第一发明或第二发明的电力供应控制器，其中，附加值是固定值。

根据本发明，能够根据在基准温度和温度阈值之间的差异来改变进行开关保护操作的次数(重试的次数)。

第四发明是根据第一发明或第二发明的电力供应控制器，其中，电力供应路径保护单元根据下述值来改变附加值，所述值是通过使在基准温度和温度阈值之间的差除以规定值来获得的值。

根据本发明，不论基准温度是高还是低，都能够使得进行开关保护操作的次数(重试的次数)不变。

本发明的有益效果

本发明使得能够减少用于保护开关元件的计数器的数目。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的电力供应控制器的框图；

图2是计算电线温度的说明性曲线图；

图3是示出电线的发烟特性以及开关元件的自毁特性的曲线图；

图4是示出保护处理的流程图；

图5是示出输入信号、通电电流以及电线温度中的改变的时序图(1号)；以及

图6是示出输入信号、通电电流以及电线温度中的改变的时序图(2号)。

附图标记的描述

10：微计算机(电力供应路径保护单元、开关保护单元)

35：半导体开关元件(开关元件)

38：感测MOSFET(电流检测元件)

100：电力供应控制器

F：附加值

H：基准时间

I：通电电流

Imax：电流阈值

L：负载

Tw：电线温度

ΔTw：温度上升值

To：基准温度

Vsens：感测电压信号(检测信号)

Vdc：电源

W：电线(电力供应路径)

具体实施方式

将参考图1至图5给出对本发明一个实施例的描述。将本实施例中的电力供应控制器100安装在车辆(未示出)中，以控制从在车辆中使用的电源(以下称为“电源Vdc”)到负载L的电力供应。负载可以是，例如，车辆中的灯、冷却风扇电机或除雾加热器。

1.电力供应控制器的整体构造

图1是示出电力供应控制器100的大致构造的框图。电力供应控制器100包括半导体开关元件35(例如，作为“开关元件”的一个示例的MOSFET)，用于通过导通和关断半导体开关元件35来控制从电源Vdc到负载L的电力供应。将半导体开关元件35连接到在电源Vdc和负载L之间的电线W(例如，作为“电力供应路径”的一个示例的电线线束)。此外，电力供应控制器100具有保护半导体开关元件35本身的开关保护功能以及保护电线W的电线保护功能。

具体地，电力供应控制器100包括微计算机10、多个(本实施例中为八个)输入电路20、多个(本实施例中为八个)输出电路30、基准温度设定电路40、调节器IC 50等。输入电路20和输出电路30的数目根据要进行电力控制的负载以及要受到保护的电线W的数目等而相应地改变。

微计算机10包括看门狗端子(WDT)11、振荡器端子12、多个I/O端子13、多个A/D转换输入端子14等。微计算机10进行下述操作：计算电线W的温度并且根据存储在例如微计算机10中的存储器(未示出)中的程序的指令来保护开关和电线。在该情况下，微计算机10用作“电力供应路径保护单元”和“开关保护单元”。

输入电路20中的每一个都具有输入接口(I/F)电路，从而例如将通过乘客座椅等上的操作面板上的输入操作所传送的各种类型的输入信号转换成与微计算机10兼容的信号，并将其传送到微计算机10。

输出电路30中的每一个都包括输出接口(I/F)电路31、智能电力开关(IPS)32、CR低通滤波器33、电流/电压转换电路(转换电路)34等。

IPS 32包括半导体开关元件35(例如，n沟道MOSFET)、电荷泵36以及感测MOSFET 38(“电流检测元件”的一个示例)。半导体开关元件35导通/关断从电源Vdc传递到负载L的通电电流I，并且电荷泵36升高用于半导体开关元件35的控制电压。感测MOSFET 38生成感测电流，该感测电流具有与负载电流I的预定比率关系。

电流/电压转换电路34将感测电流转换成感测电压信号(传感信号)Vsens(“检测信号”的一个示例)，该感测电压信号具有与感测电流的比例关系。电流/电压转换电路通过例如感测电流检测电阻来构造。将感测电压信号Vsens供应到CR低通滤波器33。CR低通滤波器33从感测电压信号Vsens中除去预定的高频分量，并且在微计算机10A/D转换输入端子14处，将不具有高频分量的感测电压信号Vsens供应到该微计算机10。CR低通滤波器33优选地具有远远小于线束的散热时间常数的时间常数。在本实施例中，CR低通滤波器33的时间常数被设定为0.1ms。

微计算机1将感测电压信号Vsens转换成通电电流I。例如，通过使用在感测电压信号Vsens和通电电流I之间的对应关系的映射来获得通电电流I的实际值。对应关系的映射被存储在例如微计算机10的存储器(未示出)中。

基准温度设定电路40设定其在微计算机10开始计算电线W的温度时使用的基准温度To(环境温度)。基准温度设定电路40包括安装在例如车辆的引擎舱中的温度传感器(未示出)以及放大电路(未示出)，该放大电路放大来自该温度传感器的传感器信号，以生成指示引擎舱的温度的温度信号。如基准温度To，基准温度设定电路40在微计算机10的A/D转换输入端子14处将指示引擎舱的温度的温度信号供应到该微计算机10。基准温度设定电路40包括与要检测的环境温度的数目相对应的多个温度传感器和多个放大电路。而且，基准温度设定电路40可以包括用于从多个被测环境温度中选择基准温度的比较电路等。

调节器IC 50将预定DC电压，例如12V，转换为微计算机10的电源电压，例如5V，并且将5伏特DC电压提供到微计算机10。

2.电线温度的计算

图2是电线温度的计算(推定)的说明性曲线图。微计算机10在每个预定采样时间间隔Δt检测通电电流I的值，并且基于检测到的通电电流I的值和电线W的热特性(散热特性和发热特性)来直接计算相对于电线W的基准温度To的温度上升值ΔTw，换言之，计算由于通电电流I而导致的电线W的损失(电线W的散热)以及电线W的散热时间常数τw。然后，对温度上升值ΔTw添加基准温度To，以计算电线温度Tw(＝To+ΔTw)。

更具体地，微计算机10通过将检测到的通电电流I的值代入图2中所示的电线W的散热和发热的关系表达式以及以下等式1中来计算温度上升值ΔTw。然后，微计算机10将所计算的电线W的温度上升值ΔTw添加到基准温度To，以计算当前电线温度Tw(n)(＝To+ΔTw(n))。

ΔTw(n)＝ΔTw(n-1)×exp{-Δt/τw)+Rthw×Rw(n-1)×I(n-1)2×{1-exp(-Δt/τw))(等式1)

其中，I(n)：第n个采样(n：1或更大的整数)中的通电电流I的值[A]；

ΔTw(n)：第n个采样中的温度上升值[℃]；

Rw(n)：第n个采样中的电线电阻[Ω]；

Rw(0)：某一温度(例如，基准温度To)下的电线电阻[Ω]；

Rthw：电线W的热阻(℃/W)；

τw：电线W的散热时间常数[s]；

kw：电线W的电阻温度系数[/℃]；以及

ΔT：采样时间间隔[s]。

在等式1中，除了通电电流I之外的右侧的第一项指示由于电线W的散热而导致的温度分量，并且包括通电电流I的右侧的第二项指示由于电线W的发热而导致的温度分量。因此，在半导体开关元件35关断并且对负载L的电力供应被切断的情况下，仅基于第一项来确定温度上升值ΔTw。

3.电线保护功能

图3是示出电线W的发烟特性(在通电电流和发烟温度之间的关系)以及半导体开关35的自毁特性(在通电电流和自毁温度之间的关系)的曲线图。特性线的位置随着环境温度的改变而变化。

例如在电线W的外皮劣化而导致其芯电线接触车辆本体时可能遭遇短路，在该情况下，可能存在过电流而由此烧毁电线W。为了解决该问题，微计算机10进行电线保护功能。电线保护功能将针对每个采样时间间隔Δt计算的电线温度Tw与上限温度Tmax作比较，并且在电线温度Tw已经超过上限温度Tmax的情况下，不论是否对输入电路20施加输入信号，都强制关断(以下称为“第一强制关断操作”)半导体开关元件35，并且在电线温度Tw降低到上限温度Tmax或更低的情况下解除第一强制关断操作。因此，能够防止电线W发烟。基于电线W的发烟特性来将上限温度Tmax设定为比发烟温度略低的值(参见图3)。

在这样的构造中，即使电线温度Tw由于半导体开关元件35反复导通和关断的这样的短路电流而导致不规则地上升，也能够确实掌握电线W的温度上升值ΔTw，从而在电线W达到发烟温度之前切断通电电流I。

4.开关保护功能

如图3中所示，发烟特性和自毁特性明显彼此不同。具体地，与电线W相比，半导体开关元件35具有小的导通电阻并且具有相对小的热容量。因此，在过电流发生的情况下，即使电线W的电线温度Tw还没有达到上限温度Tmax，也必须立即切断电力供应，以保护半导体开关元件35。

因此，微计算机10独立于电线保护功能来进行开关保护功能。在开关保护功能中，微计算机10进行重试操作。在重试操作中，微计算机10在每个采样时间间隔Δt中检测到的通电电流I的值与电流阈值Imax作比较，并且在通电电流I的值超过电流阈值Imax的情况下，不论是否对输入电路20施加输入信号，都暂时关断(以下称为“第二强制关断操作”)半导体开关元件35，并且在基准时间H度过之后解除第二强制关断操作。而且，微计算机10对电线温度添加附加值F。基于半导体开关元件35的自毁特性，电流阈值Imax被设定为略低于自毁温度(参见图3)。

在由于反复的重试操作而导致的电线温度超过上限阈值温度值的情况下，为了切断电力供应，可以限制进行重试操作的次数。此外，即使因为由于噪声等而导致错误地确定了通电电流I的值超过电流阈值Imax而切断电力供应，也使得对其添加附加值的温度上升值在恒定的时间度过之后返回其原始值，使得可以进行重试操作的有限次数也返回其原始值(清零操作)。

此外，如果重试操作被重复了基准次数，则半导体开关元件35持续处于关断状态，以便于禁止甚至后续的重试操作。与第二强制关断操作不同，即使度过了基准时间H，也不解除持续的关断状态。在这样的构造中，因为由于例如噪声等而导致错误地确定了通电电流的值超过的电流阈值Imax，所以能够抑制半导体开关元件35被强制关断。微计算机10通过利用用于电线保护功能的处理来实现开关保护功能。

5.微计算机进行的处理的内容

图4是示出保护处理的流程图。图5是示出输入信号、通电电流I以及电线温度Tw中的改变的时序图。在对电力供应控制器100市价电力时，微计算机10首先从温度传感器获取当前基准温度To，并且随后重复进行保护处理。

微计算机10在S1中确定是否已经出现采样定时，并且如果出现(S1中的是)，则在S3中检测通电电流I的当前值，并且根据通电电流I的值来计算温度上升值ΔTw。

微计算机10在S5中确定通电电流I的值是否超过电流阈值Imax。如果确定了通电电流I的值超过电流阈值Imax(S5中的是)，则微计算机10在S7中将附加值F添加到温度上升值ΔTw，进行对半导体开关元件35的第二强制关断操作，并且转到S9。在对半导体开关元件35的第二强制关断操作之后，微计算机10在进行S9中的处理时，随后同时进行用于在从该第二强制关断操作开始度过基准时间之后，解除第二强制关闭操作的处理。在本实施例中，附加值F是通过使在上限温度Tmax和基准温度To之间的差除以进行重试操作的次数X所获得的温度(＝[Tmax-To]/X)。

另一方面，如果确定了通电电流I的值等于或小于电流阈值Imax(S5中的否)，则微计算机10转到S9，而不将附加值F添加到温度上升值ΔTw。

在S9中，微计算机10确定了电线温度Tw是否超过上限温度Tmax。可以作出关于温度上升值ΔTw是否超过温度阈值(＝上限温度Tmax-基准温度To)的确定。

如果电线温度Tw超过上限温度Tmax(S9中的是)，则在S11中对半导体开关元件35进行第一关断操作，并且然后该处理返回到S1。另一方面，如果电线温度Tw没有超过上限温度Tmax，则微计算机10在S13中确定电线温度Tw是否小于下限温度Tmin。如果电线温度Tw小于下限温度Tmin(S13中的是)，则在S15中解除第一强制关断状态(如果其正在运行)，并且然后该处理返回到S1。如果电线温度Tw不小于下限温度Tmin(S13中的否)，则返回到S1，而在不改变半导体开关元件35的开/关状态。

6.本实施例的操作和效果

图5示出了在将输入信号施加到输入电路20之后通电电流I立即超过电流阈值Imax的情况。在该情况下，半导体开关元件35进入第二强制关断状态(参见附图中的第二阶段)，以切断电力供应(通电电流I近似减小为零)，使得可以保护半导体开关元件35，并且电线温度Tw由于电线W的散热而略微降低。

而且，在第二强制关断状态下，通过对温度增加值ΔTw添加附加值F(参见附图中的第三阶段)来计算电线温度Tw。然后，如果电线温度Tw(＝To+ΔTw+F)不大于上限温度Tmax，则在从进行第二强制关段操作开始经过了基准时间H之后，解除第二强制关断状态(重试操作)，使得通电电流I重新开始流动。在即使进行重试操作，通电电流I也超过电流阈值Imax的情况下，再次对半导体开关元件35施加第二强制关断操作。然后，如果电线温度Tw超过上限温度Tmax，则对半导体开关元件35进行第一强制关断操作，从而禁止重试操作。

以这样的方式，在本实施例的构造中，在计算电线温度Tw的处理中，每当都进行第二强制关断操作时，都对温度上升值ΔTw添加附加值F以计算电线温度Tw，使得如果该电线温度Tw超过上限温度Tmax，则结束重试操作，从而消除了对用于对重试操作进行计数的专用计数器的需要。

此外，附加值F是通过使在上限温度Tmax和基准温度To之间的差除以进行重试操作的次数X所获得的温度(＝[Tmax-To]/X)。因此，如图5中的第三阶段和第四阶段中所示，不论基准温度To是高还是低(To1＞To2)，进行重试操作的次数都可以被近似设定为[X]次。

此外，即使由于噪声等而导致错误地确定了通电电流I的值超过电流阈值Imax而发生切断，在恒定的时间之后，对其添加附加值的温度上升值也返回至其原始值，使得可以进行重试操作的有限次数也返回其原始值。这消除了对用于对其中没有检测到过电流的时段进行计数的专用计数器(清零计数器)的需要(参见图6)。此外，如果在进行第一强制关闭操作之后由于电线W的散热而导致电线温度Tw降低到下限温度Tmin以下，则解除第一强制关断状态，从而消除了对用于对从进行第一强制关断操作开始所经过的时间进行计数的专用计数器的需要。

其他实施例

本发明不限于参考上述说明和附图所描述的实施例，而是涵盖处于本发明技术范围内的下述各种实施例。具体地，在实施例的部件中除了本发明实施例中的最高水平的部件之外的部件是附加的，并且因此可以在适当时被省略。

(1)虽然上述实施例保护电线W，但本发明中所谓的“电力供应路径”并不限于此。例如，可以代入诸如印刷电路板上的图案的任何其他导体。

(2)虽然上述实施例采用了其中使得微计算机10进行保护处理(进行处理以计算电线温度等)的构造，但本发明并不限于此。可以使得专用电路(ASIC等)进行用于计算电线温度的处理、用于电线保护功能的处理以及开关保护处理中的一部分或全部。

(3)虽然上述实施例采用了用于通过利用感测MOSFET 38来检测电流的感测MOS***，但本发明并不限于此。例如，可以采用用于通过利用连接到电线W的分流电阻器来检测电流的分流***。

(4)虽然在上述实施例中，附加值F是通过使在上限温度Tmax和基准温度To之间的差除以进行重试操作的次数X所获得的温度，但本发明并不限于此。例如，附加值可以是固定值。在这样的情况下，如果电线W可能由于基准温度To过高而发烟，则可以减少进行重试操作的次数，以提前进行第一强制关断操作。如果电线W由于基准温度To较低而很难发烟，则可以增加进行重试操作的次数，以尽可能长地持续电力供应控制操作。

(5)虽然在上述实施例中，将半导体元件35连接到比负载L更高电势的一侧，但本发明并不限于此；可以将其连接到比负载L电势更低的一侧。

(6)虽然上述实施例通过进行第一强制关断操作和第二强制关断操作来切断对负载L的电力供应，但本发明并不限于此。除了切断之外，例如，还可以降低通电电流I的容许容量。简言之，仅有必要限制通过半导体开关元件的电力供应。

(7)虽然上述实施例已经根据通电电流I计算了电线温度Tw，但本发明并不限于此。例如，可以提供用于测量电线W的温度传感器，以在每当度过了采样时间间隔时，都基于来自温度传感器的测量信号来检测电线温度。而且，在该情况下，每当进行第二强制关断操作时，都讲附加值F添加到电线温度，由此获得与上述实施例近乎相同的效果。

Claims (4)

1.一种电力供应控制器，包括：

开关元件，所述开关元件与在电源和负载之间的电力供应路径相连接；

电流检测元件，所述电流检测元件被构造为输出与流经所述电力供应路径的通电电流的值相对应的检测信号；

电力供应路径保护单元，所述电力供应路径保护单元被构造为进行电力供应路径保护操作，即，在相对于基准温度的所述电力供应路径的温度上升值超过温度阈值的情况下，通过使用所述开关元件来限制电力供应；以及

开关保护单元，所述开关保护单元被构造为进行开关保护操作，即，在基于所述检测信号的所述通电电流的值超过电流阈值的情况下，通过使用所述开关元件来限制电力供应，并且在基准时间之后解除该限制，其中，

所述电力供应路径保护单元在所述通电电流的值超过所述电流阈值的情况下，对所述温度上升值添加附加值，并且将附加后的温度上升值与所述温度阈值作比较。

2.根据权利要求1所述的电力供应控制器，其中，

所述电力供应路径保护单元基于所述通电电流的值和所述电力供应路径的热特性来计算所述温度上升值。

3.根据权利要求1或2所述的电力供应控制器，其中，

所述附加值是固定值。

4.根据权利要求1或2所述的电力供应控制器，其中，

所述电力供应路径保护单元根据下述值来改变所述附加值，其中，所述值是通过使在所述基准温度和所述电力供应路径的上限温度之间的差除以规定值来获得的值。