JP6451611B2 - 給電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電線温度を推定し、推定した電線温度が閾値以上である場合に電線の通電を遮断する給電制御装置に関する。

従来、電源と負荷とを接続する電線の中途に設けられたスイッチ素子をオン又はオフすることによって、電源から負荷への給電を制御する給電制御装置（例えば、特許文献１を参照）が提案されている。

特許文献１に記載の給電制御装置には、例えば、負荷への給電の開始又は終了を指示する信号が入力される。特許文献１に記載の給電制御装置は、入力された信号に応じてスイッチ素子をオン又はオフすると共に、電線を流れる電流の値に基づいて、電線の周囲温度及び電線温度の温度差を時系列的に算出する。

この温度差は、先行して算出した先行温度差と、電線を流れる電流の値とに基づいて算出される。算出した温度差に周囲温度を加算することによって算出された電線温度が所定の温度閾値以上である場合、入力された信号に無関係にスイッチ素子がオフにされる。これにより、電線を介した給電が停止して電線温度が低下するので、電線の発煙又は発火が未然に防止される。

特開２０１０−２３９８３５号公報

しかしながら、特許文献１では、スイッチ素子の発煙特性については何ら考慮されていない。スイッチ素子と電線とでは熱特性（発熱特性及び放熱特性）が異なるため、電線の発煙特性のみに基づいて定められた許容温度によってスイッチ素子のオン／オフを切り替たとしても、比較的大きな電流が流れた場合には、スイッチ素子を保護することができない可能性があるという問題点を有している。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、電線及びスイッチ素子の発煙を未然に防止できる給電制御装置を提供することを目的とする。

本願の給電制御装置は、電源と負荷とを接続する電線の中途に設けられたスイッチ素子、前記電線に流れる電流の電流値を検出する電流検出部、該電流検出部が検出した電流値に基づいて前記電線の電線温度を推定する温度推定部、及び該温度推定部により推定した電線温度に基づき、前記スイッチ素子のオン又はオフを制御する制御部を備えた給電制御装置において、前記制御部は、前記電線の温度演算における放熱時定数を小さな値に変更することにより前記スイッチ素子の発煙温度を推定し、前記電線温度が推定した前記スイッチ素子の発煙温度以上である場合、前記スイッチ素子をオフに制御することを特徴とする。

本願の給電制御装置は、前記温度推定部は、前記電線の熱抵抗、導体抵抗、放熱時定数、及び電流値に基づいて前記電線の電線温度を推定することを特徴とする。

本願の給電制御装置は、前記発煙温度は、前記電線の放熱時定数より小さな放熱時定数を有しており、かつ、前記スイッチ素子の発煙特性を満たす仮想的な電線の発煙特性により推定される温度であることを特徴とする。

本願によれば、電線及びスイッチ素子の発煙を未然に防止することができる。

本実施の形態に係る給電制御装置の構成を説明するブロック図である。 電線の発煙特性を示すグラフである。 従来の許容温度の設定手法を説明する説明図である。 電線及びスイッチ素子の発煙特性を示すグラフである。 本実施の形態における許容温度の設定手法を説明する説明図である。 制御部が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図１は本実施の形態に係る給電制御装置の構成を説明するブロック図である。本実施の形態に係る給電制御装置１は、電源２と負荷３とを接続する電線４の中途に設けられたスイッチ素子１１、電線４に流れる電流の電流値を検出する電流検出回路１２、電流検出回路１２により検出された電流値に基づき電線温度を推定し、スイッチ素子をオン又はオフするための制御信号を出力するマイクロコンピュータ１４（以下、マイコン１４という）、及びマイコン１４からの制御信号に従ってスイッチ素子をオン又はオフする制御回路１５を備える。

本実施の形態に係る給電制御装置１は、例えば車両に搭載される。電源２は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池等であり、スイッチ素子１１がオンである場合、ワイヤーハーネスなどの電線４を介して、ヘッドライト、ワイパーモータ等の負荷３へ電力を供給する。本実施の形態では、電源２から負荷３へ電力を供給する際の電線温度をマイコン１４にて推定し、推定した電線温度が閾値温度（電線の許容温度）以上の場合にスイッチ素子１１をオフすることにより、負荷３への給電を遮断する。

スイッチ素子１１は、例えばＮチャネル型のＦＥＴ（Field Effect Transistor）である。図１に示した例では、ＦＥＴのドレインが電線４を介して電源２に接続され、ソースが電線４を介して負荷３に接続されている。また、ＦＥＴのゲートは制御回路１５に接続されている。スイッチ素子１１は、電源２と負荷３とを接続する電線４の中途に設けられているので、スイッチ素子１１がオンである場合、電源２から負荷３への給電が可能となり、スイッチ素子１１がオフである場合、電源２から負荷３への給電が遮断される。

電流検出回路１２は、電線４を流れる電流の電流値を検出するための回路であり、電流値を示すアナログ信号をマイコンへ出力する。電流検出回路１２は、マイコン１４に接続されると共に、抵抗１３を介して固定電位に接続されており、電線４に流れる電流の所定数分の１（例えば４０００分の１）の電流を抵抗１３へ出力する。このとき、マイコン１４に入力される電圧のアナログ値は、抵抗１３を流れる電流の値と抵抗１３の抵抗値との積で表される。ここで、抵抗値は定数であるため、マイコン１４に入力される電圧の値は、抵抗１３を介して流れる電流の値に比例する。また、電線４を流れる電流の値は、電流検出回路１２が出力する電流の値を所定数倍した電流値であるので、マイコン１４に入力される電圧の値を抵抗１３の抵抗値で除算して、更に所定数倍した値が電線４を流れる電流の電流値となる。

マイコン１４は、制御部１４１、記憶部１４２、入力部１４３、及び出力部１４４を備える。制御部１４１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などを備える。制御部１４１内のＣＰＵは、ＲＯＭに予め格納された制御プログラムを実行することにより、電線４に流れる電流の電流値に基づき電線温度を推定する機能、推定した電線温度を温度閾値と比較する機能、比較結果に基づきスイッチ素子１１のオン又はオフの要否を判定する機能等を実現する。また、制御部１４１は、計測開始指示を与えてから計測終了指示を与えるまでの経過時間を計測するタイマ、数をカウントするカウンタ等（不図示）を備えていてもよい。

記憶部１４２は、例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable Programmable Read Only Memory）などのメモリにより構成されており、電線４の電流値から電線温度を算出するために必要なデータ、スイッチ素子１１のオン及びオフを決定するために必要なデータ等を記憶する。記憶部１４２に記憶されている内容の読み出し及び書き込みは、制御部１４１によって行われる。

入力部１４３は、アナログ信号が入力される入力端子、及び入力端子を通じて入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路（A : Analog, D : Digital）を備える。本実施の形態では、入力部１４３は電流検出回路１２に接続されている。入力部１４３には、電流検出回路１２を通じて、電線４を流れる電流の電流値を示すアナログ信号が入力される。入力部１４３は、電流検出回路１２を通じて入力されるアナログ信号をＡ／Ｄ変換回路によりデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を制御部１４１へ出力する。

出力部１４４は、制御部１４１から出力される制御信号を外部の制御回路１５へ出力するためのインタフェースを備える。本実施の形態では、制御部１４１は、電源２から負荷３への給電を指示する際、スイッチ素子１１をオンするための制御信号を出力部１４４を通じて制御回路１５へ出力する。また、制御部１４１は、電源２から負荷３への給電を遮断する際、スイッチ素子１１をオフするための制御信号を出力部１４４を通じて制御回路１５へ出力する。

制御回路１５は、マイコン１４から出力される給電指示に係る制御信号又は遮断指示に係る制御信号に応じて、スイッチ素子１１をオン又はオフするための回路である。制御回路１５は、例えば、電流検出回路１２からの入力電圧と参照電圧とを比較し、入力電圧が参照電圧未満であればハイレベルの信号、入力電圧が参照電圧以上であればローレベルの信号を出力するコンパレータ、及びマイコン１４からの制御信号とコンパレータの出力信号と間の論理積をとるＡＮＤ回路を備える。この場合、制御回路１５は、電流検出回路１２からの入力電圧が参照電圧未満であり、かつ、マイコン１４から給電指示に係る制御信号（例えばハイレベルの信号）が入力された場合、ハイレベルの信号を出力してスイッチ素子１１をオンし、それ以外の場合、ローレベルの信号を出力してスイッチ素子１１をオフにする。

なお、本実施の形態では、マイコン１４は、電線４に流れる電流の電流値に基づいて電線温度を推定し、推定した電線温度に基づいてスイッチ素子１１をオン又はオフするための制御信号を出力するものとして説明を行うが、負荷３の作動を指示する作動信号、及び負荷３の作動停止を指示する停止信号を外部から受付けた場合、これらの信号に基づいて、スイッチ素子１１をオン又はオフさせる制御信号を出力する機能を有していてもよい。

また、マイコン１４は、電流検出回路１２を通じて抵抗１３に流れる電流が閾値電流以上であるか否かを判断し、閾値電流以上であると判断した場合、すなわち電線に許容範囲を超える電流が流れていると判断できる場合、即時的にスイッチ素子１１をオフにする制御信号を出力する機能を有していてもよい。この機能により、電線４に過電流が流れることを防止することができる。

以下、電線温度の推定方法について説明する。
電線４の電線温度は、電源２から負荷３への給電時に電線４の発熱に伴って上昇し、電源２から負荷３への給電の遮断時に電線４の放熱に伴って低下する。

電線４の電線温度は、例えば、基準温度に対する温度差ΔＴを以下の式により演算することにより推定することができる。

ΔＴ＝ΔＴｐ×ｅｘｐ（−Δｔ／τ）
＋Ｉ² ×Ｒ×ｒ×｛１−ｅｘｐ（−Δｔ／τ）｝…（式１）

ここで、
ΔＴ：電線４の基準温度に対する温度差（℃）
ΔＴｐ：先行温度差（℃）
Ｉ：電線４に流れる電流の電流値（Ａ）
Ｒ：電線４の熱抵抗（℃／Ｗ）
ｒ：電線４の導体抵抗（Ω）
Δｔ：サンプリング時間（ｓｅｃ）
τ：電線４の放熱時定数（ｓｅｃ）
である。

上述した式１の右辺第１項は、電源２から負荷３への給電を停止した場合（すなわち電線４に流れる電流の電流値Ｉが０の場合）における電線４の放熱に伴う温度低下を示しており、右辺第２項は、電源２から負荷３への給電を行っている場合の電線４の発熱に伴う温度上昇を示している。

なお、基準温度としては、給電制御装置１が設置されている場所における環境温度（設定値）を用いてもよい。また、給電制御装置１が設置されている場所の温度をサーミスタなどの温度センサ（不図示）により計測して、マイコン１４に入力し、現実の環境温度を基準温度として用いてもよい。

給電制御装置１のマイコン１４が備える記憶部１４２には、上述した演算式、及び、電線４の導体抵抗、熱抵抗、放熱時定数のデータ等が予め記憶されているものとする。マイコン１４の制御部１４１は、電流検出回路１２から入力される信号に基づき得られる電線４の電流値Ｉを所定の時間間隔（サンプリング時間Δｔ）で取得し、上述した式１を用いることにより、電線４の電線温度（＝基準温度＋ΔＴ）を推定することができる。

制御部１４１は、電線４に流れる電流の電流値Ｉに基づいて推定した電線温度を、設定した許容温度と比較することにより、スイッチ素子１１のオン又はオフの要否を判定する。

以下、本実施の形態において設定する許容温度について説明する。
図２は電線４の発煙特性を示すグラフである。図２に示すグラフの横軸は通電時間（ｓｅｃ）、縦軸は電線４に流れる電流の電流値（Ａ）を示している。図２において実線で示す曲線は、電線４に流れる電流の電流値と、電線４が発煙するまでの通電時間との関係（電線４の発煙特性）を表している。例えば、電線４に電流値Ｉ₁ の電流が流れている場合、ｔ₁₁の通電時間で電線４が発煙に至ることを表している。

図２に示す発煙特性に依れば、電流値Ｉ₁ より大きい電流が電線４に流れている場合、ｔ₁₁より短い通電時間で電線４が発煙に至り、電流値Ｉ₁ より小さい電流が電線４に流れている場合、ｔ₁₁ より長い通電時間で電線４が発煙に至ることが分かる。また、図２に示す発煙特性は、電線４に流れる電流の電流値がある程度小さい場合、通電時間に依らず発煙が起こらないことを示している。

図３は従来の許容温度の設定手法を説明する説明図である。電線４に電流値Ｉ₁ の電流が流れている場合、ｔ₁₁より短いｔ₁₀の通電時間では電線４は発煙しないため、対応する温度を電線４の許容温度として設定することができる。電流値Ｉ₁ より大きい（又は小さい）電流値を持つ電流が電線４に流れた場合の許容温度についても同様であり、例えば図３の破線で示す曲線に対応した電線４の温度を許容温度として設定することができる。

このように、従来では、電線４の発煙特性のみを考慮して電線４の許容温度（閾値）を設定していた。すなわち、従来の給電制御装置では、電線に流れる電流の電流値に基づいて推定した電線温度と、電線の発煙特性のみから定めた許容温度（閾値）とを比較し、推定した電線温度が閾値以上の場合に給電を停止し、閾値未満の場合には給電を継続していた。

しかしながら、従来では、スイッチ素子の発煙特性については何ら考慮されていない。スイッチ素子と電線とでは熱特性（発熱特性及び放熱特性）が異なるため、電線の発煙特性のみに基づいて定められた許容温度によって、スイッチ素子のオン／オフを切り替たとしても、比較的大きな電流が流れた場合には、スイッチ素子を保護することができない可能性がある。

図４は電線４及びスイッチ素子１１の発煙特性を示すグラフである。図４に示すグラフの横軸は通電時間（ｓｅｃ）、縦軸は電線４に流れる電流の電流値（Ａ）を示している。図４において細実線で示す曲線は、電線４に流れる電流の電流値と、電線４が発煙するまでの通電時間との関係（電線４の発煙特性）を表している。一方、図４において太実線で示す曲線は、電線４に流れる電流の電流値と、スイッチ素子１１が発煙するまでの通電時間との関係（スイッチ素子１１の発煙特性）を表している。

図４に示すグラフからは、電線４に流れる電流が比較的大きい場合（両発煙特性の交点に対応した電流値Ｉ₀ より大きい場合）、スイッチ素子１１は、電線４と比べて短時間で発煙することが分かる。このため、電線４の発煙特性のみに基づいて定められた許容温度により、スイッチ素子１１のオン／オフを切り替たとしても、Ｉ₀ より大きな電流が流れた場合にはスイッチ素子１１が先に発煙又は発火する可能性があり、スイッチ素子１１を保護することができない可能性がある。

そこで、本実施の形態では、電線４の発煙特性及びスイッチ素子１１の発煙特性の双方を考慮して、電線４の許容温度（閾値）を定める。

図５は本実施の形態における許容温度の設定手法を説明する説明図である。電線４に電流値Ｉ₂ （Ｉ₂ ＞Ｉ₀ ）の電流が流れている場合、電線４ではｔ₂₁の通電時間で発煙し、スイッチ素子ではｔ₂₂の通電時間で発煙するものとする。このとき、ｔ₂₁及びｔ₂₂より短いｔ₂₀の通電時間では、電線４及びスイッチ素子１１の双方が発煙しないため、対応する温度を電線４の許容温度として設定することができる。

本実施の形態では、図５の破線で示されるように、スイッチ素子１１及び電線４の双方の発煙特性を満たすような発煙特性を有する仮想的な電線を想定する。具体的には、実際の給電で使用される電線４の放熱時定数τよりも小さな放熱時定数τ−Δτ（Δτは正の定数）を持つ仮想的な電線を想定し、この仮想的な電線の発煙特性を満たすように許容温度を設定する。すなわち、このようにして設定される許容温度は、電線４の温度演算における放熱時定数τを小さな値（τ−Δτ）に変更することにより推定されるスイッチ素子１１の発煙温度を表している。

放熱時定数がτ−Δτの仮想的な電線の電線温度は、例えば、基準温度からの温度差を用いて、
ΔＴ＝ΔＴｐ×ｅｘｐ（−Δｔ／（τ−Δτ））
＋Ｉ² ×Ｒ×ｒ×｛１−ｅｘｐ（−Δｔ／（τ−Δτ））｝…（式２）
により推定される。

よって、電流値Ｉ₂ 及び通電時間ｔ₂₀を式２に代入して許容温度を設定することができる。電流値Ｉ₂ より大きい（又は小さい）電流値を持つ電流が流れた場合の許容温度についても同様であり、図５の破線で示す曲線に対応した仮想的な電線の温度を式２を用いて求めることにより、各電流値に対する許容温度を算出することができる。

算出した許容温度のデータは、制御部１４１が推定する電線４の電線温度に対する閾値として記憶部１４２に記憶される。制御部１４１は、電線４に流れる電流の電流値に基づいて推定した電線温度と、記憶部１４２に記憶されている許容温度とを比較し、推定した電線温度が許容温度以上の場合、給電を停止させるための制御信号を出力部１４４を通じて制御回路１５へ出力する。また、推定した電線温度が許容温度未満の場合、制御部１４１は、給電を指示する制御信号を出力部１４４を通じて制御回路１５へ出力する。

この結果、本実施の形態に係る給電制御装置１では、電線４に流れる電流の電流値が図５に示すＩ₂ （＞Ｉ₀ ）の場合、通電時間がｔ₂₂に達するより前のｔ₂₀の通電時間でスイッチ素子１１をオフにすることができるので、スイッチ素子１１の発煙又は発火を未然に防止することができる。また、電線４に流れる電流の電流値が図５に示すＩ₃ （＜Ｉ₀ ）の場合、通電時間がｔ₃₁に達するより前のｔ₃₀の通電時間でスイッチ素子１１をオフにすることができるので、電線４の発煙又は発火を未然に防止することができる。

以下、制御部１４１が実行する処理の手順について説明する。
図６は制御部１４１が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。制御部１４１は、内蔵タイマを参照して、現在がサンプリング時間であるか否かを判断する（ステップＳ１）。サンプリング時間でない場合（Ｓ１：ＮＯ）、制御部１４１はサンプリング時間となるまで待機する。

現在がサンプリング時間であると判断した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御部１４１は、入力部１４３を通じて入力される電流検出回路１２からの出力信号に基づき、電線４を流れる電流の電流値を取得する（ステップＳ２）。

次いで、制御部１４１は、サンプリング時間及び電線４を流れる電流の電流値を式１に代入することにより、電線温度を推定する（ステップＳ３）。

制御部１４１は、電線４の発煙特性及びスイッチ素子１１の発煙特性の双方を満たすように定められた許容温度と、ステップＳ３で推定した電線温度とを比較し、電線温度が許容温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。

推定した電線温度が許容温度未満であると判定した場合（Ｓ４：ＮＯ）、制御部１４１は、スイッチ素子１１をオンにする制御信号を出力部１４４を通じて制御回路１５へ出力し、スイッチ素子１１をオンに維持する（ステップＳ５）。スイッチ素子１１をオンに維持した場合、電源２から負荷３への給電は維持される。スイッチ素子１１をオンにする制御信号を出力した後、制御部１４１は、処理をステップＳ１へ戻す。

一方、推定した電線温度が許容温度以上であると判定した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、制御部１４１は、電源２からの給電を遮断するために、スイッチ素子１１をオフにする制御信号を出力部１４４を通じて制御回路１５へ出力する（ステップＳ６）。このとき、制御回路１５はスイッチ素子１１をオフに切り替えるので、電源２から負荷３への給電は遮断される。スイッチ素子１１をオフにする制御信号を出力した場合、制御部１４１は、本フローチャートによる処理を終了する。

以上のように、本実施の形態では、電線４の発煙特性及びスイッチ素子１１の発煙特性の双方を満たすように定められた許容温度と、電線４に流れる電流の電流値に基づいて推定した電線温度とを比較し、電線温度が許容温度以上の場合にスイッチ素子１１をオフにして電源２から負荷３への給電を遮断するので、電線４に比較的大きな電流が流れた場合であっても、スイッチ素子１１の発煙及び発火を未然に防止することができ、しかも、電線４に比較的小さな電流が長時間流れた場合であっても、電線４の発煙及び発火を未然に防止することができる。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 給電制御装置
２ 電源
３ 負荷
４ 電線
１１ スイッチ素子
１２ 電流検出回路
１３ 抵抗
１４ マイコン
１５ 制御回路
１４１ 制御部
１４２ 記憶部
１４３ 入力部
１４４ 出力部

Claims (3)

1. 電源と負荷とを接続する電線の中途に設けられたスイッチ素子、前記電線に流れる電流の電流値を検出する電流検出部、該電流検出部が検出した電流値に基づいて前記電線の電線温度を推定する温度推定部、及び該温度推定部により推定した電線温度に基づき、前記スイッチ素子のオン又はオフを制御する制御部を備えた給電制御装置において、
   前記制御部は、
   前記電線の温度演算における放熱時定数を小さな値に変更して前記温度演算を行うことにより、前記スイッチ素子の発煙特性が示す温度及び前記電線の発煙特性が示す温度の双方よりも低い閾値温度を設定し、
   前記温度推定部により推定された電線温度が前記閾値温度以上である場合、前記スイッチ素子をオフに制御する
   ことを特徴とする給電制御装置。
2. 前記温度推定部は、前記電線の熱抵抗、導体抵抗、放熱時定数、及び電流値に基づいて前記電線の電線温度を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の給電制御装置。
3. 前記閾値温度は、前記電線の放熱時定数より小さな放熱時定数を有しており、かつ、前記スイッチ素子の発煙特性を満たす仮想的な電線の発煙特性が示す温度である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の給電制御装置。

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