特開 2024-128725 電流制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024128725

(43)【公開日】2024-09-24

(54)【発明の名称】電流制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 5/04 20060101AFI20240913BHJP

   H02H 7/00 20060101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

H02H5/04 140

H02H7/00 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023037888

(22)【出願日】2023-03-10

(71)【出願人】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】391045897

【氏名又は名称】古河ＡＳ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金子 達哉

(72)【発明者】

【氏名】安井 崇博

【テーマコード（参考）】

5G053

【Ｆターム（参考）】

5G053AA01

5G053AA14

5G053BA06

5G053CA01

5G053EC03

5G053FA05

(57)【要約】

【課題】比較的部品点数が少ない簡易な構成かつ比較的小さい実装面積にて急峻な電流変化から電線を保護することができる電流制御装置を提供すること。
【解決手段】電源から電線を経由して負荷に供給する供給電流を制御する電流制御装置であって、オン状態のときに前記供給電流を流し、オフ状態のときに前記供給電流を遮断するスイッチ部と、前記供給電流に応じた第１電流が入力され、前記第１電流に応じて、前記電線の電線温度と前記電線の環境温度との温度差に応じた第１電圧信号を出力するように前記電線の温度特性を模擬する温度特性模擬部と、前記供給電流に応じた第２電流が入力され、前記第２電流によって発生した磁場によって前記第２電流に応じた第３電流を発生する電流発生部と、前記第１電圧信号の電圧が第１電圧閾値以上の場合または前記第３電流が第１電流閾値以上の場合に前記スイッチ部をオフ状態に制御する駆動部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源から電線を経由して負荷に供給する供給電流を制御する電流制御装置であって、
オン状態のときに前記供給電流を流し、オフ状態のときに前記供給電流を遮断するスイッチ部と、
前記供給電流に応じた第１電流が入力され、前記第１電流に応じて、前記電線の電線温度と前記電線の環境温度との温度差に応じた第１電圧信号を出力するように前記電線の温度特性を模擬する温度特性模擬部と、
前記供給電流に応じた第２電流が入力され、前記第２電流によって発生した磁場によって前記第２電流に応じた第３電流を発生する電流発生部と、
前記第１電圧信号の電圧が第１電圧閾値以上の場合または前記第３電流が第１電流閾値以上の場合に前記スイッチ部をオフ状態に制御する駆動部と、
を備える
電流制御装置。

【請求項2】

前記第２電流は前記供給電流の少なくとも一部または前記第１電流の少なくとも一部である
請求項１に記載の電流制御装置。

【請求項3】

前記電流発生部はコモンモードチョークコイルを備える
請求項１に記載の電流制御装置。

【請求項4】

前記電流発生部は、前記第２電流が入力される第１導体と、前記第１導体に隣接して設けられ、前記第３電流が流れる第２導体と、を備える
請求項１に記載の電流制御装置。

【請求項5】

前記電流発生部は、前記第１導体と前記第２導体とが導体パターンとして形成されている基板を備える
請求項４に記載の電流制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電流制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電線を流れる電線電流に基づいて、電線の電線温度を算出し、算出した電線温度が所定温度以上の温度となった場合、電線を介した電流の通電を遮断する技術が知られている。この技術によれば、電線温度が異常な温度に上昇することが防止されるので、電線を保護することができる。また、電線温度に関する算出を行うことなく、電線温度が異常な温度に上昇することを防止することができる給電制御装置が開示されている（特許文献１）。この給電制御装置によれば、電線の電線温度と電線周辺の環境温度との温度差が大きい程、高い電圧を出力する温度差回路を用いることによって、処理能力が高い高価なマイコンを用いて電線温度に関する算出を行うことなく、電線温度が異常な温度に上昇することを防止することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－８０１０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示されるような温度差回路では、短絡などによって急に大電流が電線に流れるような急峻な電流変化に追従できない。そのため、特許文献１に開示される給電制御装置は、たとえば電流の遮断に用いるスイッチなどの保護のために、所定の電流閾値で電流を遮断するための回路（第２電流出力回路）が設けられている。

【0005】

ところが、上記の第２電流回路は、比較的複雑な構成を有しているため、部品点数が多かったり、実装に必要な面積が大きかったりするという課題がある。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、比較的部品点数が少ない簡易な構成かつ比較的小さい実装面積にて急峻な電流変化から電線を保護することができる電流制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様は、電源から電線を経由して負荷に供給する供給電流を制御する電流制御装置であって、オン状態のときに前記供給電流を流し、オフ状態のときに前記供給電流を遮断するスイッチ部と、前記供給電流に応じた第１電流が入力され、前記第１電流に応じて、前記電線の電線温度と前記電線の環境温度との温度差に応じた第１電圧信号を出力するように前記電線の温度特性を模擬する温度特性模擬部と、前記供給電流に応じた第２電流が入力され、前記第２電流によって発生した磁場によって前記第２電流に応じた第３電流を発生する電流発生部と、前記第１電圧信号の電圧が第１電圧閾値以上の場合または前記第３電流が第１電流閾値以上の場合に前記スイッチ部をオフ状態に制御する駆動部と、を備える電流制御装置である。

【0008】

前記第２電流は前記供給電流の少なくとも一部または前記第１電流の少なくとも一部でもよい。

【0009】

前記電流発生部はコモンモードチョークコイルを備えてもよい。

【0010】

前記電流発生部は、前記第２電流が入力される第１導体と、前記第１導体に隣接して設けられ、前記第３電流が流れる第２導体と、を備えてもよい。

【0011】

前記電流発生部は、前記第１導体と前記第２導体とが導体パターンとして形成されている基板を備えてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、比較的部品点数が少ない簡易な構成かつ比較的小さい実装面積にて急峻な電流変化から電線を保護する電流制御装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態１に係る電流制御装置を備えた電気装置の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、図１に示す電流制御装置の動作特性の一例を示すタイムチャートである。

【図3】図３は、図１に示す電流制御装置の供給電流遮断特性を示すグラフである。

【図4】図４は、実施形態２に係る電流制御装置を備えた電気装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素については適宜同一の符号を付し、重複説明を適宜省略する。

【0015】

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電流制御装置を備えた電気装置の構成を示すブロック図である。電気装置１０００は、実施形態１に係る電流制御装置１００と、電源２００と、電線３００と、負荷４００と、を備えている。

【0016】

電気装置１０００は、たとえば車両に搭載されている。電源２００は、たとえば車両に搭載されるバッテリである。電源２００から出力された電流は、電流制御装置１００を経由し、さらに電線３００を経由して負荷４００に供給される。電線３００は、たとえば車両に搭載されているワイヤーハーネスなどに含まれる、給電用の電線である。負荷４００は、たとえば車両に搭載されている電気機器であり、電源２００から供給される供給電流によって動作する。

【0017】

電流制御装置１００は、負荷４００に供給される供給電流を制御する。電流制御装置１００は、図１に示すように、主線１と、スイッチ部２と、駆動部３と、制御部４と、スイッチ温度検出部５と、電流出力部６と、ダイオード７と、電流発生部８と、抵抗部９と、温度特性模擬部１０と、比較部１１と、基準電圧発生部１２と、を備えている。

【0018】

主線１は、電源２００と電線３００とを電気的に接続しており、たとえば導体を含む電線からなる。主線１には、負荷４００に供給される供給電流Ｉｓが流れる。

【0019】

スイッチ部２は、主線１の途中に設けられている。スイッチ部２は、オン状態のときに供給電流Ｉｓを流し、オフ状態のときに供給電流Ｉｓを遮断する。スイッチ部２は、たとえば半導体スイッチ素子を備えている。半導体スイッチ素子は、たとえばＦＥＴ（Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

【0020】

駆動部３は、スイッチ部２の動作状態をオン状態とオフ状態とで切り換える。駆動部３は、たとえばアナログ回路で構成されており、制御部４から入力される制御信号に基づいて、スイッチ部２の動作状態をオン状態またはオフ状態にする駆動信号をスイッチ部２に出力する。駆動信号は、たとえばスイッチ部２のゲート端子に印加される電圧信号である。

【0021】

また、駆動部３は、後述するように、スイッチ温度検出部５や抵抗部９や比較部１１から入力される電圧信号に基づいて、スイッチ部２の動作状態をオン状態またはオフ状態にする駆動信号をスイッチ部２に出力する。

【0022】

制御部４は、たとえばマイクロコントローラを備えている。制御部４は、負荷４００に供給電流Ｉｓを流して負荷４００を動作させる場合には、スイッチ部２をオン状態にするための制御信号を駆動部３に出力する。また、制御部４は、負荷４００への供給電流Ｉｓを遮断して負荷４００の動作を停止される場合には、スイッチ部２をオフ状態にするための制御信号を駆動部３に出力する。

【0023】

スイッチ温度検出部５は、スイッチ部２の近傍に設けられている。スイッチ温度検出部５は、スイッチ部２の温度に応じた電圧信号を駆動部３に出力する。たとえば、スイッチ温度検出部５が出力する電圧信号は、スイッチ部２の温度が高いほど電圧値が大きい。スイッチ温度検出部５は、たとえばサーミスタを含むアナログ回路で構成されている。

【0024】

電流出力部６は、主線１に接続されている。電流出力部６は、主線１に流れる供給電流Ｉｓに応じた電流をダイオード７に出力する。たとえば、電流出力部６が出力する電流は、供給電流Ｉｓが大きいほど大きい。電流出力部６は、たとえばアナログ回路で構成されており、特許文献１に記載の第１電流回路のように構成されていてもよい。

【0025】

ダイオード７は、電流出力部６から電流発生部８を経由して温度特性模擬部１０に電流を流し、温度特性模擬部１０側から電流出力部６に電流が逆流することを防止する。

【0026】

電流発生部８は、一次コイル８ａと二次コイル８ｂとを備えている。一次コイル８ａの一端はダイオード７に接続されており、一次コイル８ａの別の一端は温度特性模擬部１０に接続されている。二次コイル８ｂの一端は抵抗部９に接続されており、二次コイル８ｂの別の一端はグランドに接続されている。本実施形態では、電流発生部８はコモンモードチョークコイルを備えている。

【0027】

ダイオード７から入力した電流が一次コイル８ａに流れると、この電流によって発生した磁場によって相互誘導起電力が発生する。この相互誘導起電力によって二次コイル８ｂにおいて電流が発生して二次コイル８ｂを流れる。すなわち、電流発生部８は、供給電流Ｉｓに応じた第２電流が入力され、第２電流によって発生した磁場によって第２電流に応じた第３電流を発生する電流発生部の一例である。ダイオード７から入力した電流は第２電流の一例であり、二次コイル８ｂにおいて発生する電流は第３電流の一例である。たとえば、第２電流は、供給電流Ｉｓが大きいほど大きく、第３電流は、第２電流の時間的な変化が大きいほど大きい。

【0028】

抵抗部９の一端は二次コイル８ｂの一端に接続されており、抵抗部９の別の一端はグランドに接続されている。また、抵抗部９と二次コイル８ｂとの接続点は駆動部３に接続されている。二次コイル８ｂにおいて発生した電流が抵抗部９に流れると、駆動部３にはその電流と抵抗部９の抵抗値とに応じた電圧信号が入力される。

【0029】

温度特性模擬部１０は、電流発生部８に接続されている。温度特性模擬部１０は、ダイオード７と電流発生部８とを流れて入力された電流に基づいて、電線３００に供給電流Ｉｓが流れた場合の温度特性を模擬し、電線３００の電線温度と電線３００の環境温度との温度差に応じた電圧信号を比較部１１に出力する。温度特性模擬部１０は、供給電流Ｉｓに対応した第１電流が入力され、第１電流に応じて、電線３００の電線温度と電線３００の環境温度との温度差に応じた第１電圧信号を出力するように電線３００の温度特性を模擬する温度特性模擬部の一例である。

【0030】

温度特性模擬部１０は、熱モデルを採用したアナログ回路によって構成することができる。このような回路は熱等価回路とも呼ばれる。熱等価回路では、電線３００の熱抵抗が電気抵抗で表され、熱容量がコンデンサで表される。熱等価回路としては、たとえばＣａｕｅｒ型やＦｏｓｔｅｒ型を採用することができる。

【0031】

比較部１１は、温度特性模擬部１０から入力された電圧信号が基準電圧発生部１２から入力される基準電圧値以上である場合にハイレベルの電圧信号を駆動部３に出力し、温度特性模擬部１０から入力された電圧信号が基準電圧値未満である場合にローレベルの電圧信号を駆動部３に出力する。

【0032】

基準電圧値は、たとえば、温度特性模擬部１０が出力する電圧信号の電圧値が、電線３００の電線温度と電線３００の環境温度との温度差の閾値に相当する電圧値に設定される。電線３００の電線温度と電線３００の環境温度との温度差の閾値とは、たとえば当該温度差がそれ以上になると、電線３００が発煙したり発火したりするなどの不具合が発生する値である。基準電圧値は、第１電圧閾値の一例である。

【0033】

以上のように構成された電流制御装置１００の動作の一例について説明する。制御部４は、上位の装置などから負荷４００を動作させる指令信号を受けると、スイッチ部２をオン状態にするための制御信号を駆動部３に出力する。駆動部３は、スイッチ部２をオン状態にするための制御信号が入力されると、スイッチ部２をオン状態にするための駆動信号をスイッチ部２に出力する。これにより、スイッチ部２がオン状態となるので、電源２００から電流制御装置１００および電線３００を経由して供給電流Ｉｓが負荷４００に供給され、負荷４００が動作する。

【0034】

また、制御部４は、上位の装置などから負荷４００の動作を停止させる指令信号を受けると、スイッチ部２をオフ状態にするための制御信号を駆動部３に出力する。駆動部３は、スイッチ部２をオフ状態にするための制御信号が入力されると、スイッチ部２をオフ状態にするための駆動信号をスイッチ部２に出力する。これにより、スイッチ部２がオフ状態となるので、供給電流Ｉｓが遮断され、負荷４００は動作を停止する。

【0035】

また、制御部４からの指令信号によってスイッチ部２がオン状態となっている場合に、電流制御装置１００はたとえば以下のように動作する。

【0036】

駆動部３は、スイッチ温度検出部５から入力された電圧信号の電圧値が所定の電圧閾値以上である場合は、スイッチ部２の動作状態をオフ状態にする駆動信号をスイッチ部２に出力する。ここで、所定の電圧閾値は、スイッチ温度検出部５が出力する電圧信号の電圧値が、スイッチ部２の温度閾値に相当する電圧値に設定される。スイッチ部２の温度閾値とは、たとえばスイッチ部２の温度がそれ以上になると、故障などの不具合がスイッチ部２に発生する温度である。これにより、電流制御装置１００においては、スイッチ部２に供給電流Ｉｓが流れることによってスイッチ部２の温度が過度になることが防止される。

【0037】

また、駆動部３は、比較部１１から入力された電圧信号がハイレベルの電圧信号である場合は、スイッチ部２の動作状態をオフ状態にする駆動信号をスイッチ部２に出力する。比較部１１から入力された電圧信号がハイレベルの電圧信号である場合は、温度特性模擬部１０が出力する電圧信号の電圧値が、電線３００の電線温度と電線３００の環境温度との温度差の閾値以上になっている場合に相当する。これにより、電流制御装置１００においては、電線３００に供給電流Ｉｓが流れることによって電線３００の電線温度と電線３００の環境温度との温度差が過度になることが防止される。比較部１１から入力された電圧信号がハイレベルの電圧信号である場合は、温度特性模擬部１０が出力する第１電圧信号の電圧が第１電圧閾値以上である場合の一例である。

【0038】

さらに、駆動部３は、抵抗部９から入力された電圧信号の電圧値が別の所定の電圧閾値以上である場合は、スイッチ部２の動作状態をオフ状態にする駆動信号をスイッチ部２に出力する。ここで、別の所定の電圧閾値は、抵抗部９が出力する電圧信号の電圧値が、供給電流Ｉｓの電流閾値に相当する電圧値に設定される。供給電流Ｉｓの電流閾値とは、たとえばスイッチ部２や電線３００にそれ以上の電流が流れると、故障などの不具合がスイッチ部２や電線３００に発生する電流である。上述したように、第２電流は供給電流Ｉｓに応じた値であり、第３電流は第２電流に応じた値なので、第３電流も供給電流Ｉｓに応じた値である。抵抗部９から入力された電圧信号の電圧値が別の所定の電圧閾値以上である場合は、第３電流が第１電流閾値以上の場合に相当する。これにより、電流制御装置１００においては、スイッチ部２や電線３００に流れる供給電流Ｉｓが過度な値になることが防止される。

【0039】

以上のように構成された電流制御装置１００によれば、スイッチ部２と電線３００とが過度な温度になることが防止される。また、電流制御装置１００によれば、スイッチ部２や電線３００に流れる供給電流Ｉｓが過度な値になることが防止される。また、電流発生部８は、入力された第２電流によって発生した磁場によって第３電流を発生し、駆動部３は第３電流に基づいてスイッチ部２をオフ状態にするから、供給電流Ｉｓが急峻な変化をして過度な値になったとしても、温度特性模擬部１０よりも早い応答でスイッチ部２をオフ状態にすることができる。さらに、電流発生部８は、コモンモードチョークコイルのような比較的部品点数が少ない簡易な構成かつ比較的小さい実装面積にて実現できる。

【0040】

図２は、図１に示す電流制御装置の動作特性の一例を示すタイムチャートである。図２（ａ）は供給電流Ｉｓを示しており、図２（ｂ）は電流発生部８によって抵抗部９から駆動部３に出力される電圧信号を示しており、図２（ｃ）は温度特性模擬部１０から比較部１１に出力される電圧信号を示している。

【0041】

図２（ａ）に示すように、供給電流Ｉｓは線Ｌ１１で示すように最初は０Ａであり、通常は制御部４からの制御信号に応じて線Ｌ１２のように上昇し、線Ｌ１３で示すように一定の値になる。しかし、短絡などが発生すると、供給電流Ｉｓは線Ｌ１４のように急峻に上昇するように変化する。この場合、温度特性模擬部１０は、図２（ｃ）に線Ｌ３で示すように比較的緩やかに応答するので、線Ｌ１４のように急峻な変化には対応できない。しかしながら、電流発生部８によって抵抗部９から駆動部３に出力される電圧信号は、図２（ｂ）に線Ｌ２で示すように迅速に応答する。そこで、駆動部３において、たとえば図２（ｂ）に線Ｌ４で示すような電圧閾値を設定すれば、線Ｌ１４のように急峻に上昇する大電流を遮断することができる。

【0042】

図３は、電流制御装置１００の供給電流遮断特性の一例を示すグラフである。図３において、横軸は供給電流Ｉｓの通電時間を示し、縦軸は供給電流Ｉｓを示す。また、線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８は、それぞれ、電線３００の発煙特性、スイッチ部２の遮断特性、温度特性模擬部１０の遮断特性、電流発生部８の遮断特性を示している。

【0043】

たとえば、供給電流ＩｓがＩ１の場合、時刻ｔ１において温度特性模擬部１０によって供給電流Ｉｓが遮断され、電線３００の発煙が防止される。また、供給電流Ｉｓが比較的大きいＩ２の場合、より短時間の時刻ｔ２において電流発生部８によって供給電流Ｉｓが迅速に遮断され、電線３００の発煙が防止されるととに、スイッチ部２も保護される。

【0044】

（実施形態２）
図４は、実施形態４に係る電流制御装置を備えた電気装置の構成を示すブロック図である。電気装置１０００Ａは、図１に示す電気装置１０００の構成において、実施形態１に係る電流制御装置１００を実施形態２に係る電流制御装置１００Ａに置き換えた構成を有する。

【0045】

電流制御装置１００Ａは、電流制御装置１００の構成において、電流発生部８を電流発生部８Ａに置き換えた構成を有する。

【0046】

電流発生部８Ａは、第１導体８Ａａと、第１導体８Ａａに隣接して設けられた第２導体８Ａｂと、基板８Ａｃとを備えている。

【0047】

第１導体８Ａａは、主線１に含まれる導体の一部を構成している。第１導体８Ａａの一端はスイッチ部２側に位置し、第１導体８Ａａの別の一端は電線３００側に位置する。第２導体８Ａｂは、その一部が第１導体８Ａａの一部と平行に配置されている。第２導体８Ａｂの一端は抵抗部９に接続されており、第２導体８Ａｂの別の一端はグランドに接続されている。

【0048】

また、第１導体８Ａａと第２導体８Ａｂとは、絶縁体からなる基板８Ａｃに、導体パターンとして形成されている。

【0049】

供給電流Ｉｓがスイッチ部２から第１導体８Ａａに流れると、この電流によって発生した磁場によって第２導体８Ａｂにおいて電流が発生して第２導体８Ａｂを流れる。すなわち、電流発生部８Ａは、供給電流Ｉｓに応じた第２電流が入力され、第２電流によって発生した磁場によって第２電流に応じた第３電流を発生する電流発生部の一例である。この場合、第２電流は供給電流Ｉｓである。

【0050】

以上のように構成された電流制御装置１００Ａは、実施形態１に係る電流制御装置１００と同様の効果を奏する。特に、電流制御装置１００Ａでは、電流発生部８Ａが配線パターンである第１導体８Ａａと第２導体８Ａｂとによって実現されているので、さらに部品点数が少ない簡易な構成かつさらに小さい実装面積を実現できる。

【0051】

なお、上記実施形態２に係る電流制御装置１００Ａでは、第２導体８Ａｂは、その一部が第１導体８Ａａの一部と平行に配置されているが、第１導体８Ａａに流れた電流によって発生した磁場によって第２導体８Ａｂにおいて電流が発生する配置であれば、第２導体８Ａｂの配置は特に限定されない。

【0052】

また、上記実施形態２に係る電流制御装置１００Ａでは、電流発生部８Ａは、第１導体８Ａａに第２電流として供給電流Ｉｓが入力されるように構成されている。ただし、電流制御装置１００や電流制御装置１００Ａの変形例として、供給電流Ｉｓの少なくとも一部や温度特性模擬部１０に入力される第１電流の少なくとも一部が第２電流として入力される電流発生部を備えるように電流制御装置を構成してもよい。すなわち、たとえば供給電流Ｉｓの一部や第１電流の一部を分岐して、電流発生部に入力してもよい。

【0053】

また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0054】

１ ：主線
２ ：スイッチ部
３ ：駆動部
４ ：制御部
５ ：スイッチ温度検出部
６ ：電流出力部
７ ：ダイオード
８、８Ａ ：電流発生部
８ａ ：一次コイル
８ｂ ：二次コイル
８Ａａ ：第１導体
８Ａｂ ：第２導体
８Ａｃ ：基板
９ ：抵抗部
１０ ：温度特性模擬部
１１ ：比較部
１２ ：基準電圧発生部
１００、１００Ａ：電流制御装置
２００ ：電源
３００ ：電線
４００ ：負荷
１０００、１０００Ａ：電気装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】