特開 2025-9413 ヒューズの残寿命予測装置および残寿命予測方法

(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】P2025009413

(43)【公開日】2025-01-20

(54)【発明の名称】ヒューズの残寿命予測装置および残寿命予測方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/74 20200101AFI20250110BHJP

   H02H 7/00 20060101ALI20250110BHJP

   H01H 85/02 20060101ALI20250110BHJP

   G01R 31/00 20060101ALN20250110BHJP

【ＦＩ】

G01R31/74

H02H7/00 B

H01H85/02 Z

G01R31/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023112409

(22)【出願日】2023-07-07

(71)【出願人】

【識別番号】000180025

【氏名又は名称】山洋電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮下 正樹

(72)【発明者】

【氏名】中沢 周平

(72)【発明者】

【氏名】西村 光博

【テーマコード（参考）】

2G014

2G036

5G053

5G502

【Ｆターム（参考）】

2G014AA23

2G014AB29

2G014AB46

2G014AC18

2G036AA24

2G036BA02

2G036BB03

2G036CA08

2G036CA10

5G053AA16

5G053BA01

5G053DA03

5G502AA18

(57)【要約】

【課題】ヒューズの残寿命を高精度に予測できる残寿命予測装置を提供する。
【解決手段】ヒューズの残寿命予測装置１は、ヒューズＨに流れる電流を常時検出する電流センサ１０と、通電判定部３０と、ダメージ算出部４０と、を備える。通電判定部３０は、電流センサ１０により検出される電流値が第一閾値以上かを判定する。ダメージ算出部４０は、電流値が第一閾値以上になった場合、通電時間および電流値に基づいて劣化量を積算し、電流値が第一閾値未満の場合、劣化量を積算しない。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヒューズの残寿命予測装置であって、
前記ヒューズに流れる電流を常時検出する電流センサと、
通電判定部と、
ダメージ算出部と、
を備え、
前記通電判定部は、前記電流センサにより検出される電流値が第一閾値以上かを判定し、
前記ダメージ算出部は、
前記電流値が前記第一閾値以上になった場合、通電時間および前記電流値に基づいて劣化量を積算し、
前記電流値が前記第一閾値未満の場合、前記劣化量を積算しない、残寿命予測装置。

【請求項2】

前記残寿命予測装置は、
積算した前記劣化量から前記ヒューズの残寿命を算出する残寿命算出部をさらに備え、
前記残寿命が第二閾値より小さい場合、前記残寿命算出部は前記ヒューズの残寿命に関するアラートを出力する、請求項１に記載の残寿命予測装置。

【請求項3】

前記残寿命予測装置は、
前記ヒューズの周囲温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記ダメージ算出部は、
前記通電時間を算出し、
前記通電時間における前記電流値の実効値を算出し、
前記通電時間から、仮に前記通電時間だけ前記ヒューズに通電したときに前記ヒューズが溶断する最小の電流値である溶断電流値を算出し、
前記溶断電流値に前記周囲温度に基づく補正係数を乗算して補正し、
前記電流値の実効値と補正後の前記溶断電流値から負荷率を算出し、
前記負荷率および負荷率-通電回数特性から、繰り返し通電回数を算出し、
前記ヒューズについて設定されている通電可能回数を前記繰り返し通電回数で除算して算出される前記劣化量を積算する、請求項１に記載の残寿命予測装置。

【請求項4】

前記第一閾値は、前記ヒューズの定格電流、定常ディレーティング、および温度ディレーティングの積である、請求項１に記載の残寿命予測装置。

【請求項5】

前記通電時間は、前記電流値が前記第一閾値以上となってから、前記電流値が前記第一閾値未満になって所定時間が経過するまでの間である、請求項１に記載の残寿命予測装置。

【請求項6】

ヒューズを有する電子装置であって、
請求項２に記載の残寿命予測装置と、
前記残寿命算出部によって出力される前記アラートを表示する表示部と、を備える。

【請求項7】

不揮発性メモリに記録されたコンピュータープログラムを、プロセッサを有する処理装置に実行させる、ヒューズの残寿命予測方法であって、
前記ヒューズに流れる電流値が第一閾値以上のときに、通電時間および前記電流値に基づいて劣化量を積算して、前記劣化量を前記不揮発性メモリに保存し、
前記電流値が前記第一閾値未満の場合、前記劣化量を積算しない、残寿命予測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒューズの残寿命予測装置および残寿命予測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電気機器の電源回路などでは、過電流から電気機器を保護するためにヒューズが設けられている。ヒューズは、通電時にジュール熱が発生して熱膨張し、非通電時にはジュール熱が発生せずに熱収縮するという特性を有する。このような熱膨張と熱収縮が繰り返されると、ヒューズエレメントは金属疲労により劣化し、断裂する恐れがある。特に、通電時に規定以上の過電流が流れる場合、熱膨張と熱収縮の差が大きくなり、ヒューズはより一層破断し易くなる。

【0003】

ヒューズが破断すると、電気機器を正常に動作できなくなる。そのため、ヒューズが破断する前に、ヒューズの劣化を判定し、残寿命を予測する技術が知られている。

【0004】

例えば、特許文献１のヒューズの劣化判定装置は、単位時間毎のヒューズのダメージ量を算出し、所定期間内における複数のダメージ量のうち最大のダメージ量を当該所定期間のダメージ量と近似して、ダメージ量を積算する。ダメージ量の積算値が閾値を超えた場合、劣化判定装置はヒューズの残寿命に関するアラートを出力する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１８－１５５５９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に開示されているヒューズの劣化判定装置では、所定期間内における複数のダメージ量のうち最大のダメージ量を当該所定期間のダメージ量と近似するため、ダメージ量を過大評価する可能性がある。そのため、ヒューズの残寿命をより高精度に予測できる残寿命予測装置が求められる。

【0007】

そこで、本発明では、ヒューズの残寿命を高精度に予測できる残寿命予測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】

【0008】

本実施形態に係る一側面に係るヒューズの残寿命予測装置は、
前記ヒューズに流れる電流を常時検出する電流センサと、
通電判定部と、
ダメージ算出部と、
を備え、
前記通電判定部は、前記電流センサにより検出される電流値が第一閾値以上かを判定し、
前記ダメージ算出部は、
前記電流値が前記第一閾値以上になった場合、通電時間および前記電流値に基づいて劣化量を積算し、
前記電流値が前記第一閾値未満の場合、前記劣化量を積算しない

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、電流値が所定値未満の場合には劣化量を積算しないことにより、ヒューズの劣化量を正確に評価して、高精度にヒューズの残寿命を予測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態に係る残寿命予測装置のブロック図である。

【図2】劣化量算出部の内部ブロック図である。

【図3】ヒューズ電流の波形データおよび通電判定部の内部処理を説明するグラフである。

【図4】通電時間、およびヒューズ電流絶対値の２乗の積算値の算出処理に関するフローチャートである。

【図5】ヒューズの溶断電流特性を示すグラフである。

【図6】ヒューズの繰り返し通電回数と負荷率の特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。

【0012】

図１は、本実施形態に係る残寿命予測装置１のブロック図である。図１に示すように、残寿命予測装置１は、電流センサ１０と、Ａ／Ｄ変換部２０と、通電判定部３０と、ダメージ算出部４０と、残寿命算出部５０と、温度センサ６０と、表示部７０を備える。また、通電判定部３０は、閾値判定部３１と、電流値積算部３２を有する。また、ダメージ算出部４０は、通電時間算出部４１と、実効値算出部４２と、溶断電流値算出部４３と、劣化量算出部４４を有する。通電判定部３０、ダメージ算出部４０、および残寿命算出部５０は、メモリとプロセッサを備えている。メモリは、コンピュータ可読命令（プログラム）を記憶するように構成されている。例えば、メモリは、ＲＯＭ及びＲＡＭにより構成されている。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ及びＧＰＵのうちの少なくとも一つにより構成される。

【0013】

電流センサ１０は、三相の交流電源１００と交流を電力変換する電力変換装置２００との間に配置されたヒューズＨに直列に接続されており、ヒューズＨに流れる交流（以降、ヒューズ電流Ｉとも呼ぶ）の電流値を常時検出する。Ａ／Ｄ変換部２０は、電流センサ１０で検出されたヒューズ電流Ｉの電流値をＡ／Ｄ変換する。温度センサ６０はヒューズＨの周囲温度Ｔｈを常時検出する。表示部７０は、液晶パネル又は有機ＥＬパネルによって構成されていて、残寿命算出部５０によって出力されるヒューズＨの残寿命に関するアラートを表示する。なお、交流電源１００は単相であってもよい。

【0014】

閾値判定部３１は、Ａ／Ｄ変換された電流値の絶対値（以降、ヒューズ電流絶対値Ｉａとも呼ぶ）が第一閾値Ｔｈ１以上であるかを判定する。閾値判定部３１は、ヒューズ電流絶対値Ｉａの最大値が第一閾値Ｔｈ１以上であればヒューズＨは通電中であると判定し、第一閾値Ｔｈ１未満であればヒューズＨは非通電中であると判定する。詳細な判定方法については後述する。

【0015】

電流値積算部３２は、閾値判定部３１においてヒューズＨが通電中であると判定された期間、ヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値を積算する。

【0016】

通電時間算出部４１は、図３のヒューズ電流絶対値Ｉａの波形データに示す通電時間Ｔоｎを算出する。実効値算出部４２は、通電時間Ｔоｎにおいて、電流値積算部３２で算出されたヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値の積算値に基づいて、ヒューズ電流絶対値Ｉａの実効値であるヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓを算出する。溶断電流値算出部４３は、仮に通電時間ＴоｎだけヒューズＨに通電した場合にヒューズＨが劣化して溶断すると推定される最小の電流値である溶断電流値Ｉｆを算出する。さらに、温度センサ６０によって検出されたヒューズＨの周囲温度に基づいて、溶断電流値Ｉｆを温度補正した補正後の溶断電流値Ｉｆ’を算出する。劣化量算出部４４は、実効値算出部４２で算出されたヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓと、溶断電流値算出部４３で算出された補正後の溶断電流値Ｉｆ’に基づいて、ヒューズＨの劣化量Ｄを算出する。それぞれの詳細な算出方法については後述する。

【0017】

図２は、劣化量算出部４４の内部ブロック図である。劣化量算出部４４は、負荷率算出部４５と、劣化量積算部４６を有する。

【0018】

負荷率算出部４５は、実効値算出部４２で算出されたヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓと補正後の溶断電流値Ｉｆ’から負荷率Ｓを算出する。

【0019】

劣化量積算部４６は、負荷率算出部４５で算出された負荷率Ｓと図６に示す負荷率－通電回数特性から、繰り返し通電回数Ｎを特定し、ヒューズ毎に設定されているヒューズＨの通電可能回数Ｎｍａｘと繰り返し通電回数Ｎから、ヒューズＨの劣化量Ｄを算出する。
＜通電中の判定方法＞

【0020】

図３を用いて、ヒューズＨが通電中であるかの詳細な判定方法について説明する。図３は、ヒューズ電流の波形データおよび通電判定部の内部処理を説明するグラフである。ヒューズ電流Ｉは、ヒューズＨに流れる交流であって、図１に示すモータＭの回転数を上げた際に電流センサ１０で検出される電流値の波形データである。ヒューズ電流絶対値Ｉａは、ヒューズ電流Ｉの絶対値を表す波形データである。

【0021】

ここで、ヒューズ電流絶対値Ｉａの最大値が第一閾値Ｔｈ１以上であればヒューズＨは通電中であると判定され、第一閾値Ｔｈ１未満であればヒューズＨは非通電中であると判定される。これにより、ヒューズＨの劣化に影響を及ぼさない第一閾値Ｔｈ１未満のヒューズ電流絶対値Ｉａについては、ヒューズＨの劣化量Ｄの算出に用いないことで、劣化量Ｄの過大評価を防止する。なお、第一閾値Ｔｈ１は、ヒューズＨの定格電流、定常ディレーティング、および温度ディレーティングの積で求められる値としてもよい。
＜通電時間の算出方法＞

【0022】

図４を用いながら、ヒューズＨの通電時間Ｔоｎの詳細な算出方法について説明する。図４は、通電時間、およびヒューズ電流絶対値の２乗の積算値の算出処理に関するフローチャートである。

【0023】

算出処理開始後（Ｓ１００）、ヒューズ電流絶対値Ｉａの最大値が第一閾値Ｔｈ１以上であれば（Ｓ１０１のＹｅｓ）、ヒューズＨは通電中であると判定して通電中フラグをＨｉにする（Ｓ１０２）。さらに、ヒューズＨは通電中であると判定されている期間は、通電カウント値ｎ１をカウントアップする（Ｓ１０３）。

【0024】

また、算出処理で、ヒューズ電流絶対値Ｉａの最大値が第一閾値Ｔｈ１未満になれば、ヒューズＨは非通電中であると判定する（Ｓ１０１のＮｏ）。次に、通電中フラグがＨｉであるかを判定する（Ｓ１０４）。ヒューズＨは非通電中であって通電中フラグがＨｉであると判定されている期間は（Ｓ１０４のＹｅｓ）、非通電カウント値ｎ２をカウントアップする（Ｓ１０５）。なお、算出処理は、ソフトウェアの更新周期（例えば１２５μｓ）毎に行う。

【0025】

このように、ヒューズ電流絶対値Ｉａに第一閾値Ｔｈ１を設けているのは、第一閾値Ｔｈ１以上の場合にはヒューズＨの劣化が進みやすいが、第一閾値Ｔｈ１未満の場合にはヒューズＨに発生するジュール熱が小さく、劣化が進みにくいためである。このように、ヒューズ電流絶対値Ｉａが第一閾値Ｔｈ１未満の場合には、非通電中と判断して劣化量を積算しない。これにより、ヒューズＨの劣化量を正確に評価して、高精度に残寿命を予測することができる。

【0026】

その後、非通電カウント値ｎ２が１００より大きくなった場合（Ｓ１０６のＹｅｓ）、非通電カウント値ｎ２を初期値である０にして、通電中フラグをＬｏｗにする（Ｓ１０７）。このとき、電流センサ１０や通電判定部３０の内部処理の遅れ時間を考慮して、例えば、通電中フラグをＬｏｗにしたときの通電カウント値ｎ１から１００を引いてもよい（Ｓ１０７）。なお、ヒューズＨは非通電中であると判定されていても通電中フラグがＨｉである期間、つまり非通電カウント値ｎ２が１００以下の期間については（Ｓ１０６のＮｏ）、通電カウント値ｎ１をカウントアップする（Ｓ１０３）。このように、ヒューズＨは非通電中であると判定されていても、すぐに通電中フラグをＬｏｗにしないのは、交流波形の特性上、タイミングによっては、あるソフトウェアの更新周期ＴではヒューズＨは非通電中であると判定されて、その周期Ｔの前後ではヒューズＨは通電中であると判定される可能性があるためである。このような場合は、その周期Ｔの前後に渡ってヒューズＨは通電中であると判定される方が望ましい。

【0027】

このように、ヒューズＨの通電時間Ｔоｎは、ヒューズ電流絶対値Ｉａの最大値が第一閾値Ｔｈ１以上になってから、第一閾値Ｔｈ１未満になって所定時間が経過する（非通電カウント値ｎ２が１００より大きくなる）までの間と定義される。通電時間Ｔоｎの期間中は、通電中フラグがＨｉとなっていて通電カウント値ｎ１はカウントアップされる。

【0028】

次に、通電中フラグをＬｏｗにしたときの通電カウント値ｎ１とソフトウェアの更新周期Ｔから、以下の数式を用いて、通電時間Ｔоｎを算出する。
（式１）
Ｔｏｎ＝ｎ１×Ｔ
＜ヒューズ電流実効値の算出方法＞

【0029】

図４を用いながら、ヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓの詳細な算出方法について説明する。
通電中フラグがＨｉである期間は、ヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値を積算する（Ｓ１０３）。通電中フラグがＬｏｗである期間（Ｓ１０４のＮｏ）、または、非通電カウント値ｎ２が１００より大きい期間は（Ｓ１０６のＹｅｓ）ヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値を積算しない。非通電カウント値ｎ２が１００より大きくなった場合（Ｓ１０６のＹｅｓ）であって、通電カウント値ｎ１が２８より大きい場合（Ｓ１０８のＹｅｓ）、演算タイミングフラグをＨｉにして（Ｓ１０９）、それまで積算されたヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値の積算値ΣＩａ^２をヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓの算出に用いる。なお、通電カウントｎ１が２８未満の場合（Ｓ１０８のＮｏ）、ヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値の積算値ΣＩａ^２は小さくヒューズＨの劣化に影響を及ぼさない。このような場合には、通電カウント値ｎ１および、ヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値の積算値ΣＩａ^２を初期値である０にして、それまでのヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値の積算値ΣＩａ^２をヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓの算出に用いないようにする（Ｓ１１０）。これにより、劣化量Ｄの過大評価を防止する。ステップＳ１０３、Ｓ１０９、Ｓ１１０後、演算処理を終了する（Ｓ１１１）。
なお、演算タイミングフラグは、ヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値の積算値など積算処理を終了し、それまで積算されたヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値の積算値ΣＩａ^２からヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓの算出処理を行うことを表している。

【0030】

次に、ヒューズ電流絶対値Ｉａの２乗値の積算値ΣＩａ^２および通電カウント値ｎ１から、以下の数式を用いて、ヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓを算出する。
（式２）
Ｉｒｍｓ＝（ΣＩａ^２／ｎ１）^１／２
上記の数式で算出されたヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓについて、図３に示す交流電流であるヒューズ電流ＩａがヒューズＨに流れた場合に発生するジュール熱と、仮にヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓと同じ値の直流電流がヒューズＨに流れた場合に発生するジュール熱とが等価であるとみなすことができる。したがって、ヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓを用いることで、ヒューズＨに交流電流が流れた場合のヒューズＨの劣化量を算出し、高精度に残寿命を予測することができる。
＜溶断電流値の算出方法＞

【0031】

図５を用いながら、ヒューズＨの溶断電流値Ｉｆの算出方法について説明する。図５は、ヒューズＨの溶断電流特性を示すグラフである。縦軸に溶断電流値Ｉｆを、横軸に通電時間Ｔｏｎを示す。溶断電流値Ｉｆは、仮に通電時間ＴｏｎだけヒューズＨに直流電流を通電した場合に、ヒューズＨが溶断する最小の電流値である。また、溶断電流特性は、ヒューズの材質等から定まるヒューズ固有の特性である。溶断電流特性に基づいて、通電時間Ｔоｎから、図５のグラフで対応する溶断電流値Ｉｆを算出することができる。

【0032】

また、温度センサ６０によって検出されたヒューズＨの周囲温度に基づいて、溶断電流値Ｉｆを温度補正するための補正係数Ｋを算出し、溶断電流値Ｉｆに補正係数Ｋを乗算して補正後の溶断電流値Ｉｆ’を算出する。ヒューズＨの周囲温度は、ヒューズＨに発生したジュール熱がヒューズＨの外部へ放出されるスピードに影響するため、このような温度補正を行っている。補正後の溶断電流値Ｉｆ’を用いることで、ヒューズＨの周囲温度を考慮した高精度な残寿命の予測が可能となる。
＜負荷率の算出方法＞

【0033】

ヒューズ電流実効値Ｉｒｍｓと補正後の溶断電流値Ｉｆ’から、以下の数式を用いて、負荷率Ｓを算出する。
（式３）
Ｓ＝Ｉｒｍｓ／Ｉｆ’
＜繰り返し通電回数の算出方法＞

【0034】

図６を用いながら、ヒューズＨの繰り返し通電回数Ｎの算出方法について説明する。図６は、ヒューズＨの繰り返し通電回数と負荷率の特性を示すグラフである。縦軸に繰り返し通電回数Ｎを、横軸に負荷率Ｓを示す。図６に例示したヒューズＨの特性グラフは、以下の数式で表される。
（式４）
Ｎ＝Ｓ^－２２
負荷率の算出方法によって算出された負荷率Ｓから、上記の数式を用いて、繰り返し通電回数Ｎを算出する。なお、上記の特性グラフ、及び、数式はヒューズ毎に異なる。
＜劣化量の算出方法＞

【0035】

ヒューズＨに予め設定されている通電可能回数Ｎｍａｘと繰り返し通電回数Ｎから、以下の数式を用いて、劣化量Ｄを算出する。通電可能回数Ｎｍａｘは、例えば５２５万回である。
（式５）
Ｄ＝Ｎｍａｘ／Ｎ
＜残寿命の算出方法＞

【0036】

通電可能回数Ｎｍａｘと劣化量Ｄの積算値から、以下の数式を用いて、残寿命ＲＬを百分率で算出する。
（式６）
ＲＬ＝１００－ΣＤ／Ｎｍａｘ
算出された残寿命ＲＬが第二閾値Ｔｈ２より小さい場合、図１に示す表示部７０に残寿命に関するアラートを出力する。

【0037】

以上のように、本発明の実施形態に係る残寿命予測装置は、ヒューズ電流の絶対値、およびヒューズ電流の絶対値の２乗の積算値が所定値未満の場合には、劣化量を積算しないことにより、ヒューズの劣化量を過大評価せず、高精度にヒューズの残寿命を予測することができる。また、温度センサによって検出されたヒューズの周囲温度に基づいて、溶断電流値を温度補正することで、ヒューズの周囲温度を考慮した高精度な残寿命の予測が可能となる。

【0038】

以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。

【符号の説明】

【0039】

１：残寿命予測装置
１０：電流センサ
２０：Ａ／Ｄ変換部
３０：通電判定部
３１：閾値判定部
３２：電流値積算部
４０：ダメージ算出部
４１：通電時間算出部
４２：実効値算出部
４３：溶断電流値算出部
４４：劣化量算出部
４５：負荷率算出部
４６：劣化量積算部
５０：残寿命算出部
６０：温度センサ
７０：表示部
１００：三相交流電源
２００：電力変換装置
Ｈ：ヒューズ
Ｍ：モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】