(57)【要約】【課題】電源装置においてヒューズの使用可能期間を長くする。【解決手段】バッテリ１１と、複数のエレメント２１，２２を並列に接続して構成されたヒューズ２０と、制御部４０とを備える電源装置１００において、制御部４０は、ヒューズ２０の端子間電圧値とヒューズ電流値とに基づいて算出したヒューズ抵抗値が、ヒューズ温度とエレメント２１，２２の数とに基づいて設定された劣化抵抗閾値よりも大きい場合に、ヒューズ２０の劣化を通知すると共に、ヒューズ電流値を制限する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリと、
前記バッテリと負荷との間に接続されるヒューズと、
前記ヒューズに流れる電流値を制限する制御部と、を備える電源装置であって、
前記ヒューズは、複数のエレメントを並列に接続して構成され、
前記制御部は、
前記ヒューズの端子間電圧値と前記ヒューズに流れる電流値とに基づいて算出した前記ヒューズの抵抗値が、前記ヒューズの温度と前記エレメントの数とに基づいて設定された劣化抵抗閾値よりも大きい場合に、前記ヒューズの劣化を通知すると共に、前記ヒューズに流れる電流値を制限する電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリと負荷との間にヒューズが接続される電源装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源回路の異常時に発生する過電流から電気機器を保護するために電気回路内にはヒューズが組み込まれている。ヒューズには、過電流が流れた際に規定時間内に確実に溶断して電流を遮断すること、及び、通常の使用状態では溶断しないことが要求される。一方、通常の使用状態で使用されても、ラッシュ電流によりヒューズの発熱が繰り返し発生すると、ヒューズのエレメントやはんだ部が収縮膨張による金属疲労や酸化劣化等で断線に至る場合がある。このような断線に至るまでの期間がヒューズの寿命である。ヒューズが寿命に達して断線した場合、電源から電気機器への電力供給が遮断されてしまうため、突然、電気機器の動作が停止してしまうことになる。
【０００３】
そこで、ヒューズに流れる電流と抵抗値からヒューズ損失を求め、このヒューズ損失と熱抵抗に基づいてヒューズ温度を推定し、ヒューズ温度のリップル回数からヒューズ寿命を推定してヒューズの交換時期を提示する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４３８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された従来技術は、ヒューズ温度のリップル回数に基づいてヒューズの劣化を推定しているため、ヒューズの劣化推定の精度が高くなく、交換が不要なヒューズに対しても交換時期を提示してしまい、使用可能なヒューズが交換されてしまうおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、電源装置において、従来技術に比較してヒューズの使用可能期間を長くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電源装置は、バッテリと、前記バッテリと負荷との間に接続されるヒューズと、前記ヒューズに流れる電流値を制限する制御部と、を備える電源装置であって、前記ヒューズは、複数のエレメントを並列に接続して構成され、前記制御部は、前記ヒューズの端子間電圧値と前記ヒューズに流れる電流値とに基づいて算出した前記ヒューズの抵抗値が、前記ヒューズの温度と前記エレメントの数とに基づいて設定された劣化抵抗閾値よりも大きい場合に、前記ヒューズの劣化を通知すると共に、前記ヒューズに流れる電流値を制限することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、電源装置において、従来技術に比較してヒューズの使用可能期間を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態における電源装置の構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施形態におけるヒューズ温度に対する劣化抵抗閾値とヒューズの実抵抗の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態の電源装置の動作を示すフローチャートである。
【図４Ａ】本発明の実施形態の電源装置におけるヒューズ抵抗値の時間変化を示すグラフである。
【図４Ｂ】本発明の実施形態の電源装置におけるヒューズ端子間電圧値の時間変化を示すグラフである。
【図４Ｃ】本発明の実施形態の電源装置におけるヒューズ電流値の時間変化を示すグラフである。
【図４Ｄ】本発明の実施形態の電源装置におけるヒューズ温度の時間変化を示すグラフである。
【図４Ｅ】本発明の実施形態の電源装置における電池出力の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の電源装置１００について説明する。図１に示すように、本実施形態の電源装置１００は、バッテリ１１と、バッテリ１１と負荷１４との間に接続されるヒューズ２０と、ヒューズ２０に流れる電流値を制限する制御部４０とを備えている。本実施形態では、電源装置１００は電気自動車等の電動車両２００に搭載されており、負荷１４は、例えば、車両駆動用のモータやインバータ等である。なお、図１において、一点鎖線は信号線を示す。
【００１１】
図１に示すように、ヒューズ２０は、接続線２６，２７によって並列に接続された２つのエレメント２１，２２をケーシング２９の内部に収容したものである。エレメント２１，２２は、過電流が流れた際に溶断して電流を遮断する金属板あるいは金属線である。各接続線２６，２７には、それぞれ入力線２５、出力線２８が接続され、入力線２５、出力線２８の一端にはそれぞれ入力端子２３、出力端子２４が取り付けられている。ヒューズ２０の入力端子２３、出力端子２４は、バッテリ１１と負荷１４との間の正極ライン１２に直列に接続されている。また、バッテリ１１の負極と負荷１４とは負極ライン１３で接続されている。
【００１２】
ヒューズ２０の入力端子２３と出力端子２４との間には、ヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔを検出する電圧センサ３１がヒューズ２０と並列に接続されている。また、ヒューズ２０と負荷１４との間の正極ライン１２には、ヒューズ２０に流れるヒューズ電流値Ｉｆｔを検出する電流センサ３２が設けられている。また、バッテリ１１には、バッテリ温度Ｔｂを検出する温度センサ３３が取り付けられている。更に、ヒューズ２０が取り付けられている近傍には、ヒューズ２０の雰囲気温度Ｔａを検出する温度センサ３６が取り付けられている。温度センサ３６は、ヒューズ２０の近傍に配置されている温度センサがあれば、そのセンサを用いてもよい。
【００１３】
電圧センサ３１、電流センサ３２、温度センサ３３，３６は制御部４０に接続され、各センサ３１，３２，３３，３６で検出したデータは制御部４０に入力される。また、負荷１４は制御部４０に接続され、制御部４０の指令で動作するよう構成されている。制御部４０は、内部に情報処理、演算を行うＣＰＵと、動作プログラム、制御データ等を格納する記憶部とを含むコンピュータである。また、制御部４０には電源装置１００が搭載された電動車両２００の始動停止を行うイグニッションスイッチ３５が接続されている。
【００１４】
図２に示す実線ｐは、制御部４０の記憶部に格納されている実ヒューズ温度に対するヒューズ２０の劣化抵抗閾値Ｒｓを示す線である。また、図２に示す破線ｑは、実ヒューズ温度に対するヒューズ２０の実抵抗値を示す線である。なお、破線ｑは、制御部４０の記憶部には格納されていない。ヒューズ２０の劣化抵抗閾値Ｒｓは、エレメント２１，２２の内の一つが切断した場合のヒューズ２０の実抵抗値の７０−８０％の数値となっている。例えば、図１に示す実施形態の電源装置１００のように、エレメントが２個の場合、１つのエレメントが断線した場合、ヒューズ２０の実抵抗値は通常の２倍となる。従って、劣化抵抗閾値Ｒｓは、ヒューズ２０の通常の実抵抗値の２倍の８０〜９０％程度、つまり、ヒューズ２０の通常の実抵抗値の１．６〜１．８倍に設定されている。エレメントが３個の場合には、１つのエレメントが断線するとヒューズ２０の実抵抗値は通常の（３／２）倍となる。従って、劣化抵抗閾値Ｒｓは、ヒューズ２０の通常の実抵抗値の（３／２）倍の８０−９０％、つまり、ヒューズ２０の通常の実抵抗値の１．２〜１．３５倍に設定される。
【００１５】
以上のように構成された電源装置１００の動作について、図３のフローチャートと図４Ａ〜図４Ｅを参照しながら説明する。
【００１６】
図３のステップＳ１０１に示すように、図４Ａ〜図４Ｅの時刻０に図１に示すイグニッションスイッチ３５がオンになると、制御部４０は、図３のステップＳ１０２に進み、時刻０に温度センサ３３で検出したバッテリ温度Ｔｂをヒューズ２０の初期温度Ｔｆ０とし、図２に示す劣化抵抗閾値のマップ（実線ｐ）に基づいて劣化抵抗閾値Ｒｓの初期値Ｒｓ０を設定する。その後、制御部４０は、所定の時間間隔Δｔでイグニッションスイッチ３５がオフとされるまで図３のステップＳ１０３からＳ１０７の動作を繰り返す。また、ステップＳ１０７でヒューズ抵抗値Ｒｆｔが劣化抵抗閾値Ｒｓよりも大きいと判断した場合に、図３のステップＳ１０８，Ｓ１０９に示すように、ヒューズ２０の劣化を通知してヒューズ電流値Ｉｆｔを制限する。
【００１７】
制御部４０は、図３のステップＳ１０２で初期値の設定をしたら、図３のステップＳ１０３に進み、電圧センサ３１でヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔを検出し、電流センサ３２でヒューズ電流値Ｉｆｔを検出する。次に、制御部４０は、図３のステップＳ１０４に進み、検出した端子間電圧値Ｖｆｔとヒューズ電流値Ｉｆｔとを用いて次の（式１）からヒューズ抵抗値Ｒｆｔを算出する。
Ｒｆｔ＝Ｖｆｔ／Ｉｆｔ      −−−−−−−−−−−−−−−    （式１）
【００１８】
次に制御部４０は、次の（式２）により時刻ｔのヒューズ温度Ｔｆｔを算出する。
Ｔｆｔ＝Ｔｆｔ（前回値）＋温度変化量ΔＴ    −−−−−−−    （式２）
ここで、Ｔｆｔ（前回値）は、前回のプログラム動作の際に（式２）で計算したヒューズ温度Ｔｆｔであり、初回の計算の場合は、図３のステップＳ１０２で初期温度Ｔｆ０に設定した時刻０のバッテリ温度Ｔｂを用いる。
【００１９】
温度変化量ΔＴは、所定の時間間隔Δｔの間のヒューズ２０の発熱量と放熱量とヒューズ２０の熱容量Ｃ、係数αとから次のように求める。
発熱量＝（ヒューズ抵抗値Ｒｆｔ）×（ヒューズ電流値Ｉｆｔ）2−−    （式３）
放熱量＝α×（雰囲気温度Ｔａ−Ｔｆｔ（前回値））    −−−−    （式４）
温度変化量ΔＴ＝（発熱量−放熱量）／熱容量Ｃ    −−−−−−    （式５）
【００２０】
（式３）のヒューズ抵抗値Ｒｆｔは図３のステップＳ１０４で（式１）を用いて算出した値であり、ヒューズ電流値Ｉｆｔは、図３のステップＳ１０３で電流センサ３２から検出した値である。（式４）のαは、ヒューズ温度Ｔｆｔと雰囲気温度Ｔａとから放熱量を計算する際の係数であり、雰囲気温度Ｔａは、図１に示す温度センサ３６によって検出した温度である。
【００２１】
制御部４０は、図３のステップＳ１０５で（式１）から（式５）を用いてヒューズ温度Ｔｆｔ計算したら、図３のステップＳ１０６に進み、算出したヒューズ温度Ｔｆｔを実ヒューズ温度とし、この温度に対応するヒューズ２０の劣化抵抗閾値Ｒｓを図２に示す実線ｐから取得する。そして、制御部４０は、図３のステップＳ１０７に進み（式１）で計算したヒューズ抵抗値Ｒｆｔと劣化抵抗閾値Ｒｓとを比較し、ヒューズ抵抗値Ｒｆｔが劣化抵抗閾値Ｒｓよりも大きい場合には、図３のステップＳ１０８に進んでダイアグ等にヒューズ２０の劣化を通知する。ダイアグは、これにより、インジケータ等にヒューズ２０が劣化して交換が必要であることを表示する。そして、制御部４０は、図３のステップＳ１０９に進んでヒューズ電流値Ｉｆｔを制限し、図３のステップＳ１１０に進み、イグニッションスイッチ３５がオフとなっているかどうかを判断し、イグニッションスイッチ３５がオフとなっていない場合には、ステップＳ１０９に戻ってヒューズ電流値Ｉｆｔの制限を継続する。そして、イグニッションスイッチ３５がオフとなったと判断したら、プログラムの実行を終了する。
【００２２】
一方、制御部４０は、図３のステップＳ１０７で（式１）で計算したヒューズ抵抗値Ｒｆｔが劣化抵抗閾値Ｒｓよりも大きくない場合には、ステップＳ１０７でＮＯと判断し、図３のステップＳ１１１に進んでイグニッションスイッチ３５がオフとなっているかどうかを判断する。そして、イグニッションスイッチ３５がオフになっていない場合には、ステップＳ１１１でＮＯと判断し、図３のステップＳ１０３に戻って図３のステップＳ１０３からステップＳ１０７の動作を繰り返す。そして、イグニッションスイッチ３５がオフとなったら、ステップＳ１１１でＹＥＳと判断してプログラムの実行を終了する。
【００２３】
次に図４Ａから図４Ｅを参照しながら、図４Ａから図４Ｅの時刻ｔ１にエレメント２１，２２のいずれか一方が断線した場合のヒューズ抵抗値Ｒｆｔ、ヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔ、ヒューズ電流値Ｉｆｔ、ヒューズ温度Ｔｆｔ、バッテリ１１の出力電力Ｗｂの時間変化について説明する。図４Ａの実線ａは（式１）で算出したヒューズ抵抗値Ｒｆｔの時間変化を示し、一点鎖線ｂは劣化抵抗閾値Ｒｓの時間変化を示す。また、図４Ｅの実線ｆはバッテリ１１の出力電力Ｗｂの時間変化を示し、一点鎖線ｇはバッテリ１１の出力電力Ｗｂの制限値の時間変化を示す。また、図４Ｂから図４ｄの各実線ｃ，ｄ，ｅは、それぞれ電圧センサ３１で検出したヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔ、電流センサ３２で検出したヒューズ電流値Ｉｆｔ、（式１）から（式５）を用いて計算したヒューズ温度Ｔｆｔの時間変化を示す。
【００２４】
先に説明したように、図４Ａから図４Ｅの時刻０にイグニッションスイッチ３５がオンになると、制御部４０は、図３のステップＳ１０２で初期値の設定をした後、所定の時間間隔Δｔで図３のステップＳ１０３からＳ１０７を繰り返す動作を開始する。図４Ｃに示すように、時刻０では、ヒューズ２０の温度は、初期温度Ｔｆ０であり、図４Ａに示すように劣化抵抗閾値Ｒｓは図２から求められるように、Ｒｓ０となっている。また、時刻０にイグニッションスイッチ３５がオンとなると、図４Ｂに示すようにヒューズ２０の端子間電圧値ＶｆｔはＶｆｔ０となり、図４Ｃに示すようにヒューズ２０にはＩｆｔ０の電流が流れる。この際、図４Ｅに示すように、バッテリ１１の出力電力ＷｂはＷｂ０となっている。
【００２５】
時刻０以降、バッテリ１１の出力電力ＷｂがＷｂ０で一定で、電動車両２００が走行するとヒューズ２０に電流が流れるので、（式１）から（式５）を用いて算出したヒューズ温度Ｔｆｔが図４Ｄの実線ｅに示すように次第に上昇して来る。ヒューズ２０の温度が上昇すると、図２の破線ｑに示すように、ヒューズ２０の実抵抗値も大きくなる。バッテリ１１の出力電力ＷｂがＷｂ０で変化しない場合、電流センサ３２で検出されるヒューズ電流値Ｉｆｔも一定で変化しない。一方、ヒューズ２０の実抵抗値が大きくなると、ヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔが少しずつ大きくなってくる。このため、時刻０以降、図４Ａに実線ａで示す（式１）で算出したヒューズ抵抗値Ｒｆｔは少しずつ大きくなっていく。
【００２６】
先に述べたように、図２に示す劣化抵抗閾値Ｒｓは、実ヒューズ温度に対するヒューズ２０の通常の実抵抗値の１．６〜１．８倍に設定されている。このため、ヒューズ２０のエレメント２１，２２のいずれにも断線が発生しない場合には、図４Ａの時刻０から時刻ｔ１のように、（式１）で計算したヒューズ抵抗値Ｒｆｔが劣化抵抗閾値Ｒｓを超えることはない。従って、制御部は、図３のステップＳ１０７でＮＯと判断し、ステップＳ１１１でイグニッションスイッチ３５がオフになったと判断するまで図３のステップＳ１０２からＳ１０７を繰り返す。
【００２７】
図４Ａに示す時刻ｔ１にエレメント２１，２２の内のいずれか一方に断線が発生すると、ヒューズ２０の実抵抗値は時刻ｔ１の直前の２倍まで上昇する。ヒューズ２０のエレメント２１，２２の一方が断線しても負荷１４の要求電力は変化せず、バッテリ１１の出力電圧も変化しないため、電流センサ３２によって検出するヒューズ電流値Ｉｆｔは変化しない。一方、ヒューズ２０の実抵抗値は２倍になるので、図４Ｂに示すように、電圧センサ３１によって検出するヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔは２倍になる。つまり、時刻ｔ１には、図３のステップＳ１０３において電圧センサ３１で検出するヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔが２倍になり、電流センサ３２によって検出するヒューズ電流値Ｉｆｔは変化しない。このため、図３のステップＳ１０４で（式１）を用いて算出するヒューズ抵抗値Ｒｆｔは、図４Ａに示すように、時刻ｔ１の直前の値の２倍となる。
【００２８】
先に説明したように、劣化抵抗閾値Ｒｓは、ヒューズ２０の通常の実抵抗値の１．６〜１．８倍に設定されているので、時刻ｔ１にエレメント２１，２２のいずれか一方が断線すると、制御部４０は、図３のステップＳ１０７でヒューズ抵抗値Ｒｆｔが劣化抵抗閾値Ｒｓより大きくなったと判断する。そして、制御部４０は、図３のステップＳ１０８に進み、ダイアグにヒューズ２０が劣化したことを通知し、図３のステップＳ１０９に進んで、ヒューズ電流値Ｉｆｔの制限を行う。
【００２９】
図４Ａから図４Ｅに示す例では、制御部４０は、負荷１４に対して要求電力を制限する指令を出力する。この指令によって、負荷の要求電力が制限され、図４Ｅの一点鎖線ｇに示すように、バッテリ１１の出力電力Ｗｂの上限値が時刻ｔ１のＷｂｓ０から時刻ｔ３のＷｂｓ１に低減される。時刻ｔ１におけるバッテリ１１の出力電力Ｗｂは、一点鎖線ｇで示す上限電力よりも低いので、上限電力がバッテリの出力電力Ｗｂ０となる時刻ｔ２までは、バッテリ１１の出力電力Ｗｂは、Ｗｂ０に保たれ、時刻ｔ２以降、時刻ｔ３までの間にバッテリ１１の出力電力Ｗｂは、制限電力のＷｂｓ１に低下する。
【００３０】
時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、バッテリ１１の出力電力ＷｂはＷｂ０一定で変化せず、バッテリ１１の電圧も変化しないので、図４Ｃに示すように、電流センサ３２で検出したヒューズ電流値Ｉｆｔは一定である。一方、エレメント２１，２２の一方が断線すると他方のエレメントに流れる実電流は２倍になるので、図４Ｄに示すようにヒューズ温度Ｔｆｔは時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけてＴｆｔ１からＴｆｔ２に上昇する。これにより、ヒューズ２０の実抵抗値が上昇するので、ヒューズ２０の端子間電圧値ＶｆｔもＶｆｔ１からＶｆｔ２に上昇する。また、図４Ａに示すように、（式１）で算出するヒューズ抵抗値ＲｆｔもＲｆｔ１からＲｆｔ２に上昇する。
【００３１】
図４Ｅに示すように、時刻ｔ２以降はバッテリ１１の出力電力Ｗｂが低下するので、ヒューズ電流値ＩｆｔがＩｆｔ０からＩｆｔ１に低下する。これにより、（式２）で計算するヒューズ温度Ｔｆｔが低下するので、ヒューズ２０の実抵抗が低下し、電圧センサ３１で検出するヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔも低下する。ヒューズ電流値Ｉｆｔの低下割合と端子間電圧値Ｖｆｔの低下割合によって、（式１）によって計算されるヒューズ抵抗値Ｒｆｔは、時刻ｔ２のＲｆｔ２から時刻ｔ３のＲｆｔ３まで低下する。
【００３２】
時刻ｔ３以降は、バッテリ１１の出力電力Ｗｂは制限値のＷｂｓ１で一定となり、（式１）から（式５）を用いて算出するヒューズ温度Ｔｆｔ、電流センサ３２で検出するヒューズ電流値Ｉｆｔ、電圧センサ３１で検出するヒューズ２０の端子間電圧値Ｖｆｔ、（式１）を用いて算出するヒューズ抵抗値Ｒｆｔは、略一定で安定した状態となり、電動車両２００は、バッテリ１１からの出力電力Ｗｂによって退避走行を行うことができる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態の電源装置１００は、複数のエレメント２１，２２で構成されるヒューズ２０において、エレメント２１，２２の一方が破断した場合の抵抗上昇によってヒューズ２０の劣化を判断するので、従来技術に比較してヒューズ２０の使用期間を長くすることができる。また、本実施形態の電源装置１００は、エレメント２１，２２の一方が破断した際にヒューズ２０に流れる電流を制限するので、エレメント２１，２２の内の破断していない方のエレメントを用いて電動車両２００を安全に退避走行させることができる。
【００３４】
以上説明した実施形態では、ヒューズ温度Ｔｆｔは、（式１）から（式５）を用いて算出することとして説明したが、これに限らず、ヒューズ２０に温度センサを取り付けて、ヒューズ２０の温度を検出するようにしてもよい。また、本実施形態では、ヒューズ２０に流れる電流を電流センサ３２で検出することとして説明したが、バッテリ１１とヒューズ２０とは直列に接続されていることから、バッテリ１１に流れる電流を検出する電流センサで検出した電流値をヒューズ電流値Ｉｆｔとしてもよい。更に、本実施形態では、負荷１４の要求電力を制限することにより、ヒューズ電流値Ｉｆｔを制限することとして説明したが、バッテリ１１の出力電力の上限値（Ｗｏｕｔ）、入力電力の上限値（Ｗｉｎ）を低減し、Ｗｏｕｔ／Ｗｉｎの範囲内でバッテリ１１から負荷１４へ電力を供給するようにしてヒューズ電流値Ｉｆｔを制限するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１１  バッテリ、１２  正極ライン、１３  負極ライン、１４  負荷、２０  ヒューズ
２１，２２  エレメント、２３  入力端子、２４  出力端子、２５  入力線、２６，２７  接続線、２８  出力線、２９  ケーシング、３１  電圧センサ、３２  電流センサ、３３，３６  温度センサ、３５  イグニッションスイッチ、４０  制御部、１００  電源装置、２００  電動車両。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2017147844.tif 000009
【図４Ｅ】
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