JP2007283790A - 車載用ｐｔｃヒータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車載用ＰＴＣヒータを制御する制御装置において、コスト低減及び省スペース化を効果的に図ると共に精度高い制御が可能な構成を提供する。
【解決手段】制御装置１は、車載用ＰＴＣヒータ４１を制御する装置として構成されており、バッテリー３に連なると共に、ＰＴＣヒータ４１に対する通電と非通電とを切り替えるパワーＭＯＳＦＥＴ１２を備えている。さらに、パワーＭＯＳＦＥＴ１２に対してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力手段としてのエアコンＥＣＵ２０が設けられている。一方、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ３０が設けられており、エアコンＥＣＵ２０は、エンジン冷却水の温度に基づいて、パワーＭＯＳＦＥＴ１２に与えるＰＷＭ信号のデューティー比を設定する構成をなしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載用ＰＴＣヒータの制御装置に関する。

従来より、例えばカーエアコンなどにおいて、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータを用いて加温する技術が提供されている。このＰＴＣヒータに用いられるＰＴＣ素子は、電圧が印加されるとジュール熱により自己発熱し、強誘電体相から常誘電体相へ結晶転移するキュリー温度を超えると、その抵抗値は対数的に増大する。すると電流が減少し電力が抑えられるため発熱温度が低下する。そして抵抗値が下がると電流が増加し再び電力が上昇するため、発熱温度が増加する。この動作が繰り返されることにより平衡状態となる。このヒータは所定温度領域で安定しやすいため、温度センサを用いたフィードバック制御などを行わずとも利用可能である。
特開平１０−３２９５３５号公報

ところで、従来の車載用ＰＴＣヒータは、例えば図９のようなカーエアコンでの制御装置１００にて代表されるように、機械式リレー１０１，１０２，１０３を用いてＰＴＣヒータの通電本数を制御していた。即ち、エアコンＥＣＵ１２０から機械式リレー１０１，１０２，１０３に対し選択的に通電信号を与えることで、ＰＴＣヒータ１１１，１１２及び１１３，１１４のうちどのラインを通電するかを制御していた。しかしながら、このような制御方法であると、温度設定の自由度が低く、ＰＴＣヒータの全体的な発熱量を精度高く制御することは困難であった。また、複数本のＰＴＣヒータをそれぞれ機械式リレーによって通電制御する構成であったため、部品点数が増加せざるを得ず、低寿命、コスト高騰、設置スペース増大といった問題点があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、車載用ＰＴＣヒータを制御する制御装置において、コスト低減及び省スペース化を効果的に図ると共に精度高い制御が可能な構成を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、
ＰＴＣ素子を備えてなる車載用ＰＴＣヒータを制御する制御装置であって、
電源に連なると共に、前記ＰＴＣ素子に対する通電と非通電とを切り替える半導体スイッチ手段と、
前記半導体スイッチ手段に対してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力手段と、
を備えることを特徴とする

請求項２の発明は、請求項１に記載の車載用ＰＴＣヒータの制御装置において、
前記半導体スイッチ手段は、前記電源に接続されるドレイン端子と、前記ＰＴＣ素子に接続されるソース端子と、ＰＷＭ信号出力手段からの前記ＰＷＭ信号が入力されるゲート端子とを備えたパワーＭＯＳＦＥＴからなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の車載用ＰＴＣヒータの制御装置において、
所定の外部温度を取得する取得手段と、
前記外部温度条件と前記ＰＷＭ信号のデューティ比とを対応付けて定めるデューティ比設定手段と、
を備え、
前記ＰＷＭ信号出力手段は、前記デューティ比設定手段による設定内容に基づき、前記外部温度に応じたデューティ比の前記ＰＷＭ信号を出力することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の車載用ＰＴＣヒータの制御装置において、
前記ＰＴＣ素子は、車載用エアコンディショニング装置における供給空気の加熱を補助するヒータコアに配置されており、
前記取得手段は、前記所定の外部温度としてエンジン冷却水の温度を検出する検出手段からなり、
前記デューティ比設定手段は、前記エンジン冷却水の温度に基づいて、前記ＰＷＭ信号のデューティー比を設定することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の車載用ＰＴＣヒータの制御装置において、
前記ＰＴＣ素子は、前記ヒータコアにおいて複数設けられており、かつ前記ヒータコアに設けられた全ての前記ＰＴＣ素子が、前記半導体スイッチ手段を介して前記電源に接続されており、
全ての前記ＰＴＣ素子に対する通電と非通電との切替が、前記半導体スイッチ手段によって行われることを特徴とする。
このようにヒータコアに複数のＰＴＣ素子設けられている場合に、それぞれが独立して通電制御されるのではなく、全てのＰＴＣ素子が半導体スイッチ手段によって一括して制御される。

＜請求項１の発明＞
請求項１の構成によれば、車載用ＰＴＣヒータを制御する制御装置において、半導体スイッチ手段によりＰＴＣ素子に対する通電と非通電とを切り替えるようにしたため、機械式リレーによって制御を行う場合と比較して、コスト低減及び設置スペース削減を図ることができる。また、半導体スイッチ手段に対してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力手段を設け、ＰＴＣヒータをＰＷＭ制御できる構成としたため、精度高い温度制御が可能となる。

＜請求項２の発明＞
請求項２の発明によれば、電源に接続されるドレイン端子と、ＰＴＣ素子に接続されるソース端子と、ＰＷＭ信号出力手段からのＰＷＭ信号が入力されるゲート端子とを備えたパワーＭＯＳＦＥＴによって半導体スイッチ手段を構成したため、大電力を高速に制御できる好適な構成となる。

＜請求項３の発明＞
請求項３の発明によれば、所定の外部温度を取得する取得手段と、外部温度条件とＰＷＭ信号のデューティ比とを対応付けて定めるデューティ比設定手段とを設け、デューティ比設定手段による設定内容に基づき、外部温度に応じたデューティ比のＰＷＭ信号を出力するようにしたため、所定の外部温度を反映した精度高い温度制御が可能となる。

＜請求項４の発明＞
請求項４の発明によれば、ＰＴＣ素子が車載用エアコンディショニング装置における供給空気の加熱を補助するヒータコアに設けられている場合に、エンジン冷却水の温度に基づいて精度高く温度制御しうる構成を、コスト及び設置スペースを抑えつつ実現できる。

＜請求項５の発明＞
請求項５の発明によれば、ヒータコアに設けられた全てのＰＴＣ素子が、半導体スイッチ手段を介して電源に接続されており、全てのＰＴＣ素子に対する通電と非通電との切替が半導体スイッチ手段によって行われるため、各ＰＴＣ素子に対して独立してスイッチが設けられない構成となる。したがって、コスト及び部品点数を効果的に削減できる。また、このように本数制御を行わず一括して通電、非通電を切り替える構成であっても、ＰＷＭ信号に応じて精度高い電流制御が可能となるため、制御の精度は好適に担保される。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図面を参照しつつ説明する。
図１は、車載用ＰＴＣヒータの制御装置１を概念的に例示する概念図である。この制御装置１は、半導体スイッチ１２とエアコンＥＣＵ２０によって構成されており、後述するＰＴＣ素子４１の通電を制御する構成をなしている。

エアコンＥＣＵ２０は、自動車の車室内を空調する空調ユニットに設けられた各アクチュエータ等を制御するものである。この空調ユニットは、例えば自動車の車室内の前方側に搭載され、車室内に空調空気を導く空気通路を成す空調ケースを備えており、かつ内部において冷凍サイクルが構成されている。冷凍サイクルは、自動車の走行用エンジンの駆動力によって冷媒を圧縮して吐出するコンプレッサ（冷媒圧縮機）と、圧縮された冷媒を凝縮液化させるコンデンサ（冷媒凝縮器）と、凝縮液化された冷媒を気液分離して液冷媒のみを下流に流すレシーバ（気液分離器）と、液冷媒を減圧膨張させるエキスパンションバルブ（膨張弁、減圧手段）と、減圧膨張された冷媒を蒸発させる上記のエバポレータとから構成されている。なお、このようなエバポレータ、コンプレッサ、コンデンサなどを用いた冷凍サイクルは公知であるので詳細な説明は省略する。

ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータ４０は、補助電気ヒータに相当する部品であり、本実施形態では、冷凍サイクルにおけるエバポレータを通過した冷風を再加熱するヒータコア３５内に設けられている。

図２は、ヒータコア３５の一部を概略的に示す斜視図であり、図３は、側方から見た概略図である。なお、図２において矢印は空気の流れる方向を示している。ＰＴＣヒータ４０は、ＰＴＣ素子４１が両側を電極４２，４３によって挟まれた状態でチューブ内に組み込まれた構成をなしており、ＰＴＣ素子４１の左右はフレーム４２，４３が配置されて安定的に支持されている。このＰＴＣヒータ４０は、暖房能力の不足を補助するために取り付けられており、ＰＴＣ素子４１の発熱によりフィン４８を加熱し、通過する空気を温風に変化させるように機能する。本実施形態では、ＰＴＣヒータ４０は、Ｕプレート４７及び絶縁フィルム４９で覆われており、エバポレータからの水滴や霜入りを防止し、漏電を防いでいる。なお、図３に示すように、フィン４８に隣接してエンジン冷却水（温水）が流れるヒータコアチューブ５１，５２が配置されている（図２では省略）。

ＰＴＣ素子４１は、温度上昇に伴って電気抵抗値も増加するＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有している。具体的には、ある温度（キュリー温度）から急激に電気抵抗値が増大する特徴を有する半導体で、例えばイットリウム、アンチモン、ランタン等の希土類元素を微量ドープして半導体化したチタン酸バリウム系セラミックよりなる。このＰＴＣ素子４１は、図1に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴ１２及びヒューズ５を介してバッテリー３に接続されており、エアコンＥＣＵ２０によってパワーＭＯＳＦＥＴ１２が駆動されることによりバッテリー３から電力供給されるようになっている。

パワーＭＯＳＦＥＴ１２は、半導体スイッチ手段に相当するものであり、バッテリー３に接続されるドレイン端子と、ＰＴＣ素子４１に接続されるソース端子と、マイコン２１からゲート駆動回路１５を経てＰＷＭ信号が入力されるゲート端子とを備えた構成をなしている。

一方、空調ユニットの各空調手段を制御するエアコンＥＣＵ２０には、車室内の空気温度（以下内気温度と言う）を検出する図示しない内気温度センサや、車室外の空気温度を検出する図示しない外気温度センサなどから各センサ信号が入力されるようになっている。さらに、エアコンＥＣＵ２０には、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ３０が接続されており、この冷却水温度センサ３０からのセンサ信号が入力されるようになっている。冷却水温度センサ３０は、サーミスタや熱伝対などの温度センサによって構成されている。

エアコンＥＣＵ２０の内部には、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータ２１（以下、マイコン２１ともいう）が設けられ、上記各センサからの信号は、エアコンＥＣＵ２０内の図示しない入力回路によってＡ／Ｄ変換された後、マイクロコンピュータ２１に入力されるように構成されている。なお、結線は省略しているが、エアコンＥＣＵ２０は、バッテリー３からの電力供給を受けるように接続されており、図示しないイグニッションスイッチがオン（ＯＮ）されたときに、バッテリー３から電力が供給されるようになっている。
エアコンＥＣＵ２０とパワーＭＯＳＦＥＴ１２の間には、ゲート駆動回路１５が設けられている。このゲート駆動回路１５は、少なくともチャージポンプ回路等の昇圧回路を備えており、マイコン２１から出力したＰＷＭ信号を昇圧してパワーＭＯＳＦＥＴ１２に与える構成をなしている。

次に、制御装置１による制御例を説明する。図４は、エアコンＥＣＵ２０内のＲＯＭに記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵにより実行される制御処理の流れを例示するフローチャートである。
まず、イグニッションスイッチがＯＮされてエアコンＥＣＵ２０にバッテリー３から電力が供給されると、図４のルーチンが起動され、初期設定を行う（Ｓ１）。次に、各センサ（内気温度センサ、外気温度センサ、日射センサ、エバポレータ温度センサ、冷却水温度センサ３０等）からの各センサ信号をＡ／Ｄ変換した信号を読み込む（Ｓ２）。なお、図示は省略しているが、各スイッチからスイッチ信号を取得する処理も併せて行うことができる。

そして、内気温度センサ、外気温度センサ、日射センサ、エバポレータ温度センサなどのセンサ信号と、予めＲＯＭに記憶された演算式に基づいて、車室内に吹き出す空気の目標吹出温度を決定する（Ｓ３）。なお、吹き出し空気の温度設定方法は公知の方法が用いられる。また、図４では省略しているが、ブロワ電圧（ブロワモータに印加する電圧）の算出や、目標吹出温度に対応する吸込口モードの決定なども行われるようになっている。

さらに、Ｓ４にてＰＴＣヒータ４０の制御量（即ち、ＰＷＭ信号のデューティ比）を決定する処理を行う。上述したように、本実施形態では、制御装置１において、バッテリー３に連なると共にＰＴＣ素子４１に対する通電と非通電とを切り替えるパワーＭＯＳＦＥＴ１２が設けられており、このパワーＭＯＳＦＥＴ１２に対してエアコンＥＣＵ２０内のマイコン２１からＰＷＭ信号を出力する構成をなしている。従って、Ｓ４の制御量決定処理では、このＰＷＭ信号のデューティ比を決定する処理を行う。なお、マイコン２１は、ＰＷＭ信号出力手段に相当するものである。

マイコン２１は、外部温度を取得する取得手段の一例にに相当する冷却水温センサ３０からセンサ信号を取得する構成をなす一方、外部温度条件とＰＷＭ信号のデューティ比とを対応付けて定めるデューティ比設定手段ととしての機能をも有している。即ち、マイコン２１内のＣＰＵは、図示しないＲＯＭに記憶された記憶内容に基づき、外部温度に応じたデューティ比を定め、このデューティ比のＰＷＭ信号をパワーＭＯＳＦＥＴ１２に対して出力する構成をなしている。マイコン２１は、デューティ比設定手段、ＰＷＭ信号出力手段の一例に相当する。

具体的には、冷却水温センサ３０により、外部温度としてエンジン冷却水の温度を検出する構成をなしており、ＲＯＭには図６にて概念的に示すようにデューティ比が定められている。図６の例では、冷却水温センサ３０の出力値がＴ１未満の温度領域に相当している場合、デューティ比を１００％とし、Ｔ１以上Ｔ２未満のときには７５％、Ｔ２以上Ｔ３未満のときには５０％、Ｔ３以上Ｔ４未満のときには２５％、そして、Ｔ４以上のときには０％とし出力を与えないようにしている。デューティ比設定手段に相当するマイコン２１は、図６のような設定内容とエンジン冷却水の温度（即ち冷却水温センサ３０のセンサ出力）に基づいて、ＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。なお、図５は、ＰＷＭ信号の出力例を示しており、デューティ比５０％の場合と２５％の場合をそれぞれ示している。このＰＷＭ信号は、電圧レベルが一定とされパルス幅が調整されて出力されるようになっている。

次に、各ステップＳ３、Ｓ４にて決定した各制御状態が得られるように、図示しないアクチュエータに対して制御信号を出力し、かつパワーＭＯＳＦＥＴ１２に対してＰＷＭ信号を出力する（Ｓ５）。具体的には、マイコン２１からのＰＷＭ信号がゲート駆動回路１５にて昇圧され、パワーＭＯＳＦＥＴ１２に与えられる。そして、Ｓ６で、制御サイクル時間であるｔ（例えば０．５秒間〜１０秒間）の経過を待ってステップＳ２の制御処理に戻る。

なお、図４のフローチャートにおいては、冷却水温センサ２０のセンサ出力に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を決定しているが、デューティ比を定める上でさらに別の条件を付加して設定してもよく、別の条件のみに基づいて設定してもよい。

本実施形態の構成によれば、車載用ＰＴＣヒータ４０を制御する制御装置１において、パワーＭＯＳＦＥＴ１２（半導体スイッチ手段）によりＰＴＣ素子４１に対する通電と非通電とを切り替えるようにしたため、機械式リレーによって制御を行う場合と比較して、コスト低減及び設置スペース削減を図ることができる。また、エアコンＥＣＵ２０からパワーＭＯＳＦＥＴ１２に対してＰＷＭ信号を出力し、ＰＴＣヒータ４０をＰＷＭ制御できる構成としたため、精度高い温度制御が可能となる。

また、バッテリー３に接続されるドレイン端子と、ＰＴＣヒータに接続されるソース端子と、ＰＷＭ信号出力手段からのＰＷＭ信号が入力されるゲート端子とを備えたパワーＭＯＳＦＥＴ１２によって半導体スイッチ手段を構成したため、大電力を高速に制御できる好適な構成となっている。

また、所定の外部温度を取得する取得手段と、外部温度条件とＰＷＭ信号のデューティ比とを対応付けて定める構成とし、外部温度に応じたデューティ比のＰＷＭ信号を出力するようにしたため、所定の外部温度を反映した精度高い温度制御が可能となる。

さらに、車載用ＰＴＣヒータ４１が車載用エアコンディショニング装置における供給空気の加熱を補助する補助電気ヒータとされており、エンジン冷却水の温度に基づいて精度高く温度制御しうる構成が、コスト及び設置スペースを抑えつつ実現されている。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、車載用エアコンディショニング装置のヒータコア３５内にＰＴＣ素子４１が１つのみ設けられた例を示したが、図７のように、ヒータコア３５内にＰＴＣ素子４１が複数設けられていてもよい。図７の例では、このようにヒータコア３５内にＰＴＣ素子４１を複数設けた場合であっても、各ＰＴＣ素子４１が独立して通電制御されるのではなく（即ち本数制御されるのではなく）、複数のＰＴＣ素子４１がパワーＭＯＳＦＥＴ１２に接続され、このパワーＭＯＳＦＥＴ１２にＰＷＭ信号を与えられることにより一括してスイッチング制御される。したがって、複数箇所を発熱させることができると共に、各ＰＴＣ素子４１に対応して機械式リレーを設ける場合と比較して部品点数を大幅に削減できる。また、このように本数制御を行わず一括して通電、非通電を切り替える構成であっても、ＰＷＭ信号に応じて精度高い電流制御が可能となるため、制御の精度は好適に担保される。
（２）図１、図７の例では、ゲート駆動回路１５をユニット１０の外に配置した例を示したが、いずれの場合においても、図８に示すように、図１のゲート駆動回路１５と同様の機能を果たすゲート駆動回路１５をパワーＭＯＳＦＥＴ１２が設けられたユニット１０内に設けるようにしてもよい。図８の例では、パワーＭＯＳＦＥＴ１２と、ゲート駆動回路１５がパワーＭＯＳＦＥＴ１２が配される基板と同一基板に配置されており、マイコン２１からゲート駆動回路１５を介してパワーＭＯＳＦＥＴ１２に対してＰＷＭ信号が出力されるようになっている。
（３）上記いずれの構成においても、パワーＭＯＳＦＥＴ１２の過熱保護を行う過熱保護回路などを設けるようにしてもよい。

本発明の実施形態１に係る制御装置のハードウエア構成を概念的に示す概念図 ヒータコアの一部を概略的に示す斜視図 ヒータコアの一部を側方から見た概略図 エアコンＥＣＵによる制御処理を概念的に例示するフローチャート ＰＷＭ制御信号を概略的に示すタイミングチャート デューティ比の設定情報を例示する説明図 図１の変形例１を概略的に示す概略図 図１の変形例２を概略的に示す概略図 従来のＰＴＣヒータ制御装置のハードウエア構成を例示する概念図

符号の説明

１…制御装置
３…バッテリー（電源）
１２…パワーＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチ手段）
１５…ゲート駆動回路
２１…マイコン（ＰＷＭ信号出力手段、デューティ比設定手段）
３０…冷却水温センサ（取得手段、検出手段）
４０…ＰＴＣヒータ（車載用ＰＴＣヒータ）
４１…ＰＴＣ素子

Claims (5)

1. ＰＴＣ素子を備えてなる車載用ＰＴＣヒータを制御する制御装置であって、
   電源に連なると共に、前記ＰＴＣ素子に対する通電と非通電とを切り替える半導体スイッチ手段と、
   前記半導体スイッチ手段に対してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力手段と、
   を備えることを特徴とする車載用ＰＴＣヒータの制御装置。
2. 前記半導体スイッチ手段は、前記電源に接続されるドレイン端子と、前記ＰＴＣ素子に接続されるソース端子と、ＰＷＭ信号出力手段からの前記ＰＷＭ信号が入力されるゲート端子とを備えたパワーＭＯＳＦＥＴからなることを特徴とする請求項１に記載の車載用ＰＴＣヒータの制御装置。
3. 所定の外部温度を取得する取得手段と、
   前記外部温度条件と前記ＰＷＭ信号のデューティ比とを対応付けて定めるデューティ比設定手段と、
   を備え、
   前記ＰＷＭ信号出力手段は、前記デューティ比設定手段による設定内容に基づき、前記外部温度に応じたデューティ比の前記ＰＷＭ信号を出力することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車載用ＰＴＣヒータの制御装置。
4. 前記ＰＴＣ素子は、車載用エアコンディショニング装置における供給空気の加熱を補助するヒータコアに配置されており、
   前記取得手段は、前記所定の外部温度としてエンジン冷却水の温度を検出する検出手段からなり、
   前記デューティ比設定手段は、前記エンジン冷却水の温度に基づいて、前記ＰＷＭ信号のデューティー比を設定することを特徴とする請求項３に記載の車載用ＰＴＣヒータの制御装置。
5. 前記ＰＴＣ素子は、前記ヒータコアにおいて複数設けられており、かつ前記ヒータコアに設けられた全ての前記ＰＴＣ素子が、前記半導体スイッチ手段を介して前記電源に接続されており、
   全ての前記ＰＴＣ素子に対する通電と非通電との切替が、前記半導体スイッチ手段によって行われることを特徴とする請求項４に記載の車載用ＰＴＣヒータの制御装置。

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