負載電路的保護裝置製造方法
2023-07-10 04:53:36
負載電路的保護裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供一種負載電路的保護裝置，能夠通過模擬熔絲來保護負載電路。設定比負載電路中所用的電線的熱容小的偽熱容(Cth*)，並且利用電線發熱量計算式、電線放熱量的計算式、由計時器測量的時間和偽熱容(Cth*)來計算電線的溫度。當算得的電線溫度達到允許的電線溫度時，切斷半導體繼電器(S1)來保護負載電路免於發熱。
【專利說明】負載電路的保護裝置
[0001]本申請是基於2009年6月10日提交的專利申請號為200980122118.9(PCT/JP2009/060634)、名為「負載電路的保護裝置」的申請(進入中國國家階段日期:2010年12月13日)的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種負載電路的保護裝置，用於在過電流流經負載電路並且電線溫度升高時立即切斷該負載電路以保護電路。
【背景技術】
[0003]對安裝在車輛上的諸如車燈或電機的負載供電的負載電路包括蓄電池和設置在該蓄電池和負載之間的電子開關(M0SFET等)。該蓄電池、電子開關和負載經由包含電線的導體而彼此連接。在該負載電路中，設置控制電路以接通和斷開電子開關。通過從該控制電路輸出的驅動信號和停止信號來使電子開關接通和斷開，以將負載在驅動狀態和停止狀態之間切換。
[0004]在該負載電路中，將熔絲設置成當過電流流經負載時通過立即切斷電路來保護負載、電線、電子開關等。此外，作為具有與熔絲恰好相同的特性而不使用熔絲的電流檢測電路，例如，在JP-A-2007-19728(專利文獻I)中所描述的構造是已知的。
[0005]在專利文獻I所採用的構造中，產生了具有與流經用作驅動負載用的電子開關的功率MOSFET的電流成正比的大小的電流，並且當電流超過預定的閾值電流且由電阻器和電容器形成的RC電路中產生的電壓達到預定的閾值電壓時，該電路被切斷。
[0006]引用列表
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻I JP-A-2007-19728
【發明內容】
[0009]技術問題
[0010]然而，在專利文獻I中所描述的傳統實例中，採用其中當過電流流經負載時切斷電路的構造。由於實際的電線溫度不能計算，所以不可能得到模擬在如果發生過電流而保護電路時的現有熔絲的切斷特性。在負載電路中設置的熔絲不是通過檢測過電流來切斷電路，而是通過由於當發生過電流時所發生的發熱而引起的熔斷來切斷負載電路。從而，不能說專利文獻I中所描述的裝置真實地模擬了熔絲的特性。此外，由於在熔絲中存在劣化的問題，所以針對這種劣化，電線的直徑必須是大的。
[0011]本發明將解決現有的問題，並且其目的是提供一種負載電路的保護裝置，能夠通過更真實地模擬熔絲來保護電路。
[0012]問題的解決
[0013]為了達到上述目的，本發明提供一種負載電路的保護裝置，當在向負載提供從電源輸出的電力以驅動該負載的所述負載電路中的電線的溫度升高的時候，該負載電路的保護裝置保護該負載電路，所述保護裝置包括:計時單元，適於對經過時間計時；電流檢測單元，適於檢測流經所述負載電路的電線的電流；開關單元，適於在所述負載電路的連接和切斷之間切換；溫度計算單元，適於設定小於在所述負載電路中使用的電線的熱容的偽熱容(pseudo heat capacity),並且參考所述電線的發熱量的計算表達式、所述電線的放熱量的計算表達式、由所述計時單元計時的時間以及所述偽熱容來計算該電線的溫度；以及切斷控制單元，當由所述溫度計算單元算出的所述電線的溫度達到該電線的允許溫度時，該切斷控制單元適於切斷所述開關單元。
[0014]在優選的方面中，如果通過I來表示由所述電流檢測單元檢測到的電流，那麼由下面的表達式來表示發熱量的計算表達式:
[0015](發熱量)=I2XRonXΔ t ;
[0016]這裡，Ron表示每單位長度的所述電線的電阻，而At表示採樣時間。
[0017]在優選的方面中，由下面的表達式來表示放熱量的計算表達式；
[0018](放熱量)=Q/(Cth* X Rth/ Δ t)；
[0019]這裡，Cth*表示每單位長度的所述電線的偽熱容，Rth表示每單位長度的所述電線的熱阻，Δ t表示採樣時間，而Q表示每單位長度的所述電線的熱量以及通過將所述電線的溫度乘以所述偽熱容Cth*所得到的值。
[0020]在優選的方面中，所述切斷控制單元基於在上次採樣時間中算得的所述電線的溫度Tp、所述發熱量、所述放熱量以及所述偽熱容Cth*，通過下面的表達式來計算當前的溫度Tn:
[0021]Tn = Tp+(發熱量-放熱量)/Cth*。
[0022]此外，在根據本發明的負載電路的保護裝置中使用的偽熱容Cth*的計算方法中，有下面的步驟:
[0023](i)使電流經過具有期望熔斷特性的熔絲，以獲得表示通電電流與熔斷時間之間關係的電流/時間特性數據；
[0024](ii)從所述電流/時間特性數據來計算能夠經過所述熔絲連續通電的最大電流Imax ；
[0025](iii)通過下面的表達式來計算使最大電流Imax經過保護電路的下遊電線而連續通電時的溫度閾值ATmax:
[0026]Δ Tmax = Rth X Ron X Imax2 ；
[0027]這裡，Rth表示每單位長度的所述電線的熱阻，而Ron表示每單位長度的所述電線的電阻；以及
[0028](iv)通過作為溫度閾值ATmax的函數的下述表達式來計算偽熱容Cth*:
[0029][表達式I]
~^——^
[0030]i? In 1- ^
thP P I2
V IhU J
[0031]該計算方法計算出偽熱容Cth*。
[0032]本發明的效果
[0033]根據本發明，利用比電線的實際熱容Cth小的偽熱容Cth*作為電線的實際熱容Cth，計算電線的發熱量和放熱量並且計算電線的溫度。在算得的溫度達到電線的允許溫度的情況下斷開開關單元。由於負載電路能夠在電線的實際溫度達到允許溫度之前停止，所以能夠保護負載電路的電線和組成元件免於發熱。
[0034]此外，根據本發明，能夠計算偽熱容Cth*以得到與用於保護連接於負載電路的電線所常用熔絲的特性恰好等同的熔斷特性。從而，能夠進行模擬熔絲的過電流保護。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1是示出了根據本發明實施例的負載電路的保護裝置的構造的方框圖。
[0036]圖2是示出了根據本發明實施例的負載電路的保護裝置的初始化處理的流程圖。
[0037]圖3是示出了根據本發明實施例的負載電路的保護裝置的電線溫度的異常判定處理的流程圖。
[0038]圖4是示出了通電時間和電線溫度之間關係的特性圖。
[0039]圖5是示出了在根據本發明實施例的負載電路的保護裝置中，負載電路中所用的電線的發煙特性以及熔絲的熔斷特性的實際測量值的特性圖。
[0040]圖6是示出了在根據本發明實施例的負載電路的保護裝置中，使與熔絲的連續可通電電流相等的電流能夠連續通電的電線的生煙特性的特性圖。
[0041]圖7是示出了在根據本發明實施例的負載電路的保護裝置中模擬熔絲的熔斷特性的生煙特性的特性圖。
[0042]參考標記列表
[0043]11:負載電路的保護裝置，12:控制電路(溫度計算單元，切斷控制單元)，13:計時器，14:電流計(電流檢測單元)，S1:半導體繼電器，VB:蓄電池(電源)，Wl:電線
【具體實施方式】
[0044]參考附圖來對本發明的實施例進行描述。圖1是示出了根據本發明實施例的負載電路的保護裝置11的構造的方框圖。如圖中所示，負載電路的保護裝置11包括連接於蓄電池VB的半導體繼電器SI (開關單元)，檢測流經電線Wl的電流的電流計14，對電流流動的經過時間計時的計時器(計時單元)13，以及基於由電流計14檢測到的電流值和由計時器13計時的時間來控制半導體繼電器SI接通和斷開的控制電路12。
[0045]在根據本實施例的負載電路的保護裝置11中，利用下述方法(利用「偽熱容Cth*」來計算電線溫度的方法)，通過控制電路(溫度計算單元、切斷控制單元)12來計算電線Wl的溫度。當電線Wl的溫度達到通常對該電線Wl設置的熔絲的熔斷溫度的時候，設置在電線Wl的上遊的半導體繼電器Si被切斷，以保護電線Wl以及諸如設置在該電線Wl下遊的負載那樣的電路組件。注意，負載電路的保護裝置11例如由微機構成。
[0046]下面，參考圖2和圖3中所示的流程圖來描述負載電路的保護裝置11的操作。圖2是示出了控制電路12中的初始化處理的步驟的流程圖。當電線溫度的異常判定處理開始時，進行初始化處理。即，在圖3中示出的電線溫度的異常判定處理中所使用的發熱/放熱溫度數據、停止信號標記Fl以及發熱量數據全部都被重置為零(步驟Sll)。
[0047]圖3是示出了電線溫度的異常判定處理的步驟的流程圖。當圖1中示出的半導體繼電器SI接通以通過電線Wl施加電流時，由電流計14檢測出通電電流，並且控制電路12獲得所檢測到的電流I (步驟S31)。
[0048]然後，當電流流動時，控制電路12基於由電流計14檢測出的電流I，利用下面的表達式(I)來計算每單位長度的電線的發熱量XI。
[0049]Xl = I2XRonX At...(I)
[0050]在表達式(I)中，「Ron」表示每單位長度的電線的電阻，而At表示採樣時間(例如，5 [msec])。
[0051]控制電路12還利用下面的表達式⑵計算出電線的放熱量Y1。
[0052]Yl = Q/ (Cth* X Rth/ Δ t)…(2)
[0053]在表達式⑵中，「Cth*」表示每單位長度的電線的偽熱容(在後詳細描述)，「Rth」表示每單位長度的電線的熱阻，At表示採樣時間(例如，5 [msec])，而Q表示每單位長度的電線的熱量以及通過將電線的溫度乘以偽熱容Cth*所得到的值。
[0054]然後，控制電路12基於前次測量時的電線溫度Tp，利用下面的表達式(3)來計算本次測量時的電線溫度Τη。
[0055]Tn = Tp+ (X1- Yl) /Cth*...(3)
[0056]因此，每當採樣時間At經過時，就相繼將發熱溫度加到前次測量時的電線溫度或從前次測量時的電線溫度中減去放熱溫度(起初，Tp是周圍溫度)，以計算本次測量時的電線溫度。
[0057]接下來，控制電路12將通過步驟S34的處理所計算得的電線溫度Tn與預設的切斷閾值溫度Tthl (例如，150。。)相比較(步驟S35)。如果滿足Tn>Tthl (步驟S35為YES)，那麼指定停止信號標記Fl = 1(步驟S36)。如果指定停止信號標記Fl = I，那麼控制電路12斷開圖1所示的半導體繼電器SI而切斷負載電路。此外，如果指定停止信號標記Fl =1，那麼即使通過外部操作等輸入了對半導體繼電器SI的接通操作，也會互鎖使得不接通半導體繼電器SI。
[0058]另一方面，若電線溫度Tn和切斷閾值溫度Tthl之間的關係沒有變成TnXTthl (步驟S35為NO)，則控制電路12將電線溫度Tn與預設的切斷解除閾值溫度Tth2 (Tth2〈Tthl ；例如，Tth2是50°C )相比較(步驟S37)。如果滿足Tn ( Tth2 (步驟S37為YES)，那麼指定停止信號標記Fl =0(步驟S38)。因此，解除互鎖，並且如果下次輸入了半導體繼電器SI的接通操作，那麼便可以接通該半導體繼電器SI。
[0059]以這種方式，由於發熱或放熱引起的電線溫度的改變在每個預定採樣時間At累積。如果在本次測量時的電線溫度Tn超過了切斷閾值溫度Tthl，那麼指定停止信號標記Fl = I。從而，斷開半導體繼電器SI來切斷電路，並且還維持半導體繼電器SI的斷開狀態直到電線溫度Tn降至切斷解除閾值溫度Tth2或更低為止。
[0060]下面，描述計算偽熱容Cth*的方法。圖4是示出了自預定的電流連續地流經電線起，經過時間和電線溫度的變化的特性圖。通常已知的是由下面的表達式⑷來表示當電流連續流經電線時的電線溫度T2。
[0061]T2 = T1+I2X RonX Rth {1- exp (_t/Cth.Rth)}…(4)
[0062]在表達式⑷中，Tl表示周圍溫度，「I」表示通電電流，「Ron」表示每單位長度的電線的電阻，「Rth」表示每單位長度的電線的熱阻，「Cth」表示每單位長度的電線的熱容，而「t」表示經過時間。
[0063]因此，基於表達式(4)，電線的溫度如圖4中的曲線SI所示的那樣變化。這裡，如果將電線的熱容Cth變更為具有該Cth的值的四分之一的熱容Cth* (偽熱容)(即，熱容減小)，那麼電線的溫度如圖4中的曲線S2所示的那樣變化。由曲線S1、S2顯而易見的是，如果將熱容Cth變更為更小的值，那麼電線溫度相對於時間更早地升高，並且達到飽和溫度。換言之，當通過將電線的實際熱容Cth變更為比該熱容Cth小的偽熱容Cth*來計算電線的溫度時，計算出比實際溫度更高的溫度，直到該溫度達到飽和溫度為止。這意味著，如果將發煙溫度設定為切斷電路的閾值溫度，那麼可以在溫度實際達到電線的發煙溫度之前切斷該電路。
[0064]圖5至7是示出了通電電流和通電時間之間的關係的特性圖，用於描述直到確定了偽熱容Cth*為止的步驟。圖5中所示的曲線Sll是示出了當橫軸表示電流而縱軸表示時間(對數標度)時的電線的發煙特性的特性圖。通過針對表達式(4)的電流I計算直到溫度T2變為電線的發煙溫度(例如，1500C )的時間t來求得該特性圖。從曲線Sll發現，當通電電流變大時，溫度在較短的時間內達到發煙溫度，並且如果導電電流小於Ia，那麼即使電流連續流動，電線也不達到發煙溫度。在本實施例中，將電流實際施加到針對電線所通常使用的規格的熔絲，以研究該熔絲的特性。結果，例如，能夠獲得圖5中的圓點所示的熔絲的熔斷特性(電流/時間特性數據)的測量值。然後，從圖5中所示的熔斷特性的測量值能夠求得熔絲的連續可通電電流Imax。
[0065]接下來，基於由上述處理所求得的連續可通電電流Imax，通過下面的表達式(5)來計算溫度閾值ATmax。
[0066]Δ Tmax = RthXRonX Imax2...(5)
[0067]這裡，溫度閾值Λ Tmax表示相對於周圍溫度的上升溫度AT的上限。如果當上升溫度AT超過ATmax時切斷負載電路，那麼可以利用與所述熔絲的特性恰好相當的特性來切斷負載電路。將Τ2-Τ1 = Λ T代入上述表達式(4)的表達式認作為如下的表達式(4』)。
[0068]Δ T = I2X RonX Rth {1- exp (_t/Cth.Rth)}…(4，)
[0069]然後，任意改變表達式(4』 )中的電流「I」，對於每個電流「I」增加經過時間「t」，並且標繪上升溫度AT達到溫度閾值ATmax所在的時間。然後，得到圖6中由S12表示的特性曲線。
[0070]此外，通過將由表達式(5)計算出的溫度閾值ATmax的值代入到表達式(4』 )中的AT中、通過將該表達式變形使得左手側變成熱容Cth，並且通過將熱容Cth更新為偽熱容Cth*，獲得了下面的表達式(6)。
[0071][表達式2]
Cthif =-^ …(6)
[0072]^ln 1-^^
IRthRJ1)
[0073]然後，當將對應於圖5和圖6中所示的熔絲的熔斷特性測量值(電流/時間特性數據)的電流「I」和時間「t」(由圓表示的點)代入表達式(6)中的時候，得到近似恆定的偽熱容Cth*。在圖7中，通過由S13所示的曲線來表示利用偽熱容Cth*的電線的發煙特性，並且可以說幾乎真實地模擬了熔絲的熔斷特性。
[0074]在該實施例中，利用由表達式(6)算得的偽熱容Cth*來進行表達式⑴至(3)的計算。從而，可以通過在熔絲和電線通電能力之間模擬熔絲的溫度特性來保護負載電路。
[0075]以這種方式，在根據本實施例的負載電路保護裝置中，當基於在採樣時間At時的電線的發熱溫度和放熱溫度來計算電線溫度Tn的時候，使用設定為比電線的實際熱容小的值的偽熱容Cth*。因此，可以通過模擬了熔絲的熔斷特性的溫度特性來切斷負載電路。
[0076]因此，無需像往常那樣使用熔絲。因此，由於湧入電流和負載的反覆接通/斷開而通常在熔絲中發生的劣化不會發生，並且無需選擇具有餘裕(margin)的熔絲。從而，能夠使電線的直徑縮小，並且實現電線的小型化和輕量化。並且最終，能夠實現燃燒效率提升的良好效果。
[0077]此外，在通常所使用的熔絲中，已經將預定電流值設定為諸如5[A]、7.5[A]、10 [A] ,15 [A]或20 [A]……，但是在根據本實施例的負載電路保護裝置中，能夠通過任意設定偽熱容Cth*來設定任意的電流值，諸如6[A]或12.5[A]。從而，有助於電線直徑的細小化。
[0078]已經基於附圖中所示的實施例對根據本發明的負載電路的保護裝置進行了描述。然而，本發明並不局限於此，而是各個部件的構造都能由任意具有同樣功能的構造來替代。例如，雖然已經如實施例的實例那樣描述了安裝在車輛上的負載電路，但是本發明並不局限於此，而是替換地，可以應用於其他類型的負載電路。
[0079]工業實用性
[0080]對於在負載電路中不使用熔絲的情況下來保護電線是極為有用的。
【權利要求】
1.一種負載電路的保護裝置中使用的偽熱容Cth*的計算方法，當在向負載提供從電源輸出的電力以驅動該負載的所述負載電路中的電線的溫度升高時，該負載電路的保護裝置保護該負載電路，所述保護裝置包括: 計時單元，該計時單元適於對經過時間計時； 電流檢測單元，該電流檢測單元適於檢測流經所述負載電路的所述電線的電流； 開關單元，該開關單元適於在所述負載電路的連接和切斷之間切換； 溫度計算單元，該溫度計算單元適於設定小於在所述負載電路中使用的所述電線的熱容的偽熱容Cth*，並且參考所述電線的發熱量的計算表達式、所述電線的放熱量的計算表達式、由所述計時單元計時的時間以及所述偽熱容Cth*來計算該電線的溫度；以及 切斷控制單元，當由所述溫度計算單元算出的所述電線的溫度達到所述電線的允許溫度時，該切斷控制單元適於切斷所述開關單元， 其中，該計算方法通過下面的步驟來計算所述偽熱容Cth*: (i)使電流經過具有期望熔斷特性的熔絲，以獲得表示通電電流與熔斷時間之間關係的電流/時間特性數據； (?)從所述電流/時間特性數據來計算能夠經過所述熔絲而連續通電的最大電流Imax ； (iii)通過下面的表達式來計算使最大電流Imax經過保護電路的下遊電線而連續通電時的溫度閾值ATmax:
Δ Tmax = Rth X Ron X Imax2 ； 這裡,Rth表示每單位長度的所述電線的熱阻，而Ron表示每單位長度的所述電線的電阻；以及 (iv)通過作為溫度閾值ATmax的函數的下述表達式來計算偽熱容Cth*: [表達式I] Ctif- ■=-^ °
AT 、
Rth In 1--e5S-
2.根據權利要求1所述的計算方法，其中 如果通過I來表示由所述電流檢測單元檢測到的電流，那麼由下面的表達式來表示發熱量的計算表達式: (發熱量)=I2 X Ron XAt; 這裡，Ron表示每單位長度的所述電線的電阻，而Λ t表示採樣時間。
3.根據權利要求1所述的計算方法，其中 由下面的表達式來表示放熱量的計算表達式； (放熱量)=Q/ (Cth* X Rth/ Δ t)； 這裡，Cth*表示每單位長度的所述電線的偽熱容，Rth表示每單位長度的所述電線的熱阻，At表示採樣時間，而Q表示每單位長度的所述電線的熱量，該熱量是通過將所述電線的溫度乘以所述偽熱容Cth*而得到的。
4.根據權利要求2所述的計算方法，其中 由下面的表達式來表示放熱量的計算表達式； (放熱量)=Q/ (Cth*XRth/ Δ t)； 這裡，Cth*表示每單位長度的所述電線的偽熱容，Rth表示每單位長度的所述電線的熱阻，At表示採樣時間，而Q表示每單位長度的所述電線的熱量，該熱量是通過將所述電線的溫度乘以所述偽熱容Cth*而得到的。
5.根據權利要求1所述的計算方法，其中 所述切斷控制單元基於在上次採樣時間中算得的所述電線的溫度Tp、所述發熱量、所述放熱量以及所述偽熱容Cth*，通過下面的表達式來計算本次的溫度Tn: Tn = Tp+(發熱量-放熱量)/Cth*。
6.根據權利要求2所述的計算方法，其中 所述切斷控制單元基於在上次採樣時間中算得的所述電線的溫度Tp、所述發熱量、所述放熱量以及所述偽熱容Cth*，通過下面的表達式來計算本次的溫度Tn: Tn = Tp+(發熱量-放熱量)/Cth*。
7.根據權利要求3所述的計算方法，其中 所述切斷控制單元基於在上次採樣時間中算得的所述電線的溫度Tp、所述發熱量、所述放熱量以及所述偽熱容Cth*，通過下面的表達式來計算本次的溫度Tn: Tn = Tp+(發熱量-放熱量)/Cth*。
8.根據權利要求4所述的計算方法，其中 所述切斷控制單元基於在上次採樣時間中算得的所述電線的溫度Tp、所述發熱量、所述放熱量以及所述偽熱容Cth*，通過下面的表達式來計算本次的溫度Tn: Tn = Tp+(發熱量-放熱量)/Cth*。
9.一種負載電路的保護裝置，當在向負載提供從電源輸出的電力以驅動該負載的所述負載電路中的電線的溫度升高時，該負載電路的保護裝置保護該負載電路，所述保護裝置包括: 計時單元，該計時單元適於對經過時間計時； 電流檢測單元，該電流檢測單元適於檢測流經所述負載電路的所述電線的電流； 開關單元，該開關單元適於在所述負載電路的連接和切斷之間切換； 溫度計算單元，該溫度計算單元適於設定小於在所述負載電路中使用的所述電線的熱容的偽熱容Cth*，並且參考所述電線的發熱量的計算表達式、所述電線的放熱量的計算表達式、由所述計時單元計時的時間以及所述偽熱容Cth*來計算該電線的溫度；以及 切斷控制單元，當由所述溫度計算單元算出的所述電線的溫度達到所述電線的允許溫度時，該切斷控制單元適於切斷所述開關單元， 其中，所述偽熱容Cth*通過如下步驟計算: (i)使電流經過具有期望熔斷特性的熔絲，以獲得表示通電電流與熔斷時間之間關係的電流/時間特性數據； (?)從所述電流/時間特性數據來計算能夠經過所述熔絲而連續通電的最大電流Imax ； (iii)通過下面的表達式來計算使最大電流Imax經過保護電路的下遊電線而連續通電時的溫度閾值ATmax:
Δ Tmax = Rth X Ron X Imax2 ； 這裡,Rth表示每單位長度的所述電線的熱阻，而Ron表示每單位長度的所述電線的電阻；以及 (iv)通過作為溫度閾值ATmax的函數的下述表達式來計算偽熱容Cth*: [表達式I] ur = ^——
( ΔΓ I
RtAn 1--^
I RlhRoJ2 J
【文檔編號】H02H3/093GK104269818SQ201410483922
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2009年6月10日 優先權日:2008年6月13日
【發明者】丸山晃則, 中村吉秀, 上田圭祐 申請人:矢崎總業株式會社