JP2004535748A - アークが発生したときに導体を保護する方法および装置 - Google Patents

Abstract

４２Ｖ車両電源システムにおけるアーク（Ｌ）を認識して、好適な保護対策を始めるために、検出線を少なくとも部分的に電流伝導供給線（６）に沿って、それを保護するために導き、こうすることによって、供給線（６）内の供給電流（Ｉ_Ｖ）を少なくとも、アーク（Ｌ）が生じたときに検出線（１８）に沿って流れる検出電流（Ｉ_Ｄ）を用いて、低減する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、アークが発生したときに導体を保護するための、特に自動車における４２Ｖ車両電源システムの導体を保護するための方法に関する。また本発明は、この方法を実施するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車における車両電源システムの電圧が以前の標準１２Ｖから現在の４２Ｖへと増加した結果、対応して高い電位を伝える電線と、比較的低い電位を伝えるさらなる電線または通常は接地電位である車体とが、接触する結果として、アークが発生する危険が存在する。アークが発生すると、その高い温度が原因となって、さらにこのアークに対して安定した動作点が形成され、したがってこのアーク内で燃焼が連続して起こる危険が生じる。この結果、車両内にかなりの損傷が起こることが考えられる。
【０００３】
アークは、約１６Ｖの動作電圧を超えたところでのみ発生可能であるが、現在の車両電源システムの電圧は１２Ｖでしかないため、自動車電源システム内におけるアークから保護するための具体的な対策は今まで全くなされていない。実際、現在はヒューズのみを用いて、自動車内で短絡が起きたときに通電中の供給線を遮断しており、ヒューズのトリガ時間はいわゆるヒューズ積分（Ｉ^２・ｔ）によって規定されている。
【０００４】
しかし動作電圧が１６Ｖを超える自動車、特に３６Ｖ以上の自動車においては、ヒューズを用いても、次のような状況の場合には十分な保護が得られない。すなわち、３６Ｖ電線または４２Ｖ電線と接地との間で接触が起きても、直接接触の結果による「激しい」短絡は起きないが、アーク（これが断続的なものであっても）が発生し、その結果、電流は、アークがない場合の短絡電流をかなり下回って、かなり減少する。
【０００５】
たとえば、動作電圧が３６Ｖ、車両バッテリが有する内部抵抗が３０ｍΩ、短絡経路における付加的な抵抗が１ｍΩの場合には、生じる短絡電流は１１６０Ａである。この短絡電流は、従来の２００Ａヒューズの定格電流の５倍よりも大きいため、ヒューズは瞬時に飛ぶことが保証できる。対照的に、短絡地点の領域でアークが発生する場合には、このアーク内でたとえば２６Ｖの電圧降下がある。この結果、短絡にかかる電圧は１０Ｖに減少し、短絡電流は約３２０Ａに減少する。しかしながら、ヒューズは早くても電流が２７０Ａになるまでは飛ばないため、このような短絡電流では、ヒューズが瞬時に飛ぶことは考えられないということを意味している。実際この場合に予想されるのは、ヒューズが飛ぶのに数分かかるが、この時間の間に、アークによって車両内にかなりの損傷が起こる可能性があることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、アークを確認して対策を開始するための方法を明示するという目的に基づいている。さらなる目的は、アークが発生したときに導体を保護するための、特に自動車における４２Ｖ車両電源システムの導体を保護するための方法の実施に特に適した装置を明示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の方法に従えば、前述の目的は、本発明によって請求項１の特徴により実現される。この請求項によって、通電中の供給線の少なくとも一部に沿って通すべきセンサ線が提供される。そしてアークが発生する結果、センサ線を通って流れる検出電流を用いて、供給線を通る電流フローを遮断するかまたは少なくとも低減することが好ましい。
【０００８】
この場合に本発明は、アークが発生する結果として、該当する地点において付加的な線との結合が形成可能である場合に、アークを確認することができるという考えに基づいている。なお結合は、アーク検出に対してのみ使用することができ、該当する供給線に接続される負荷についての通常の動作電流を伝達することには使用できない。そして、付加的な検出線とのこのような結合は、アーク電圧の電位に対してか、供給線の電位に対してか、または接地に対して起こる。
【０００９】
また結合は、アークが発生した場合に生じることが知られている適切な地点での局所的に大きく増大する温度を用いて、検出線と供給線との間に配置される、通常はケーブルの一部である絶縁材を融解させることによって、形成することができる。次にこの絶縁材は、アークが発生したときのこの地点での高温のために融解し、実際には局所的に裂けて開く。この結果、確実な接触が、特に供給線と検出線との間において得られ、その結果、検出線において電流フローが生成され、このことをアークの発生として確認することができる。
【００１０】
その結果生成される、対応する検出電流それ自体または検出電圧を、次に、保護対策を開始するために用いることが好ましい。少なくとも供給線内の電流を減らすことが保護対策として想定される。しかし、便宜上、電流源への供給線の接続、したがってそれを通って流れる電流フローは、供給線自体の中に配置することが好ましい開閉器によって遮断されるが、この開閉器は、検出電流によって直接に、または検出線上で測定されることが好ましい検出電圧を介して間接的に、駆動される。これは、検出電流によってトリガされるパイロテクニック断路器、または電気機械的開閉器（たとえばリレー）、または半導体開閉器を用いることによって実現しても良い。
【００１１】
本発明の装置に従えば、前述した目的は、本発明によって請求項５の特徴により実現される。有利な改良または展開が、請求項５を参照する従属請求項の主題である。
【００１２】
アークの確認、したがって検出を行なうために設けられたセンサ線または検出線は便宜上、それ自体が絶縁材を有しており、たとえば、絶縁された編組のケーブル・ハーネスとして撚り合わせて、供給線を収容するケーブル内へ入れても良い。この場合、検出線または付加的な線を、内部または外部編組のケーブル・ハーネスとして、供給ケーブルと撚り合わせても良い。この場合、検出線を供給ケーブル内に配置して、便宜上、供給線に沿って螺旋状に配置することで、検出線が供給線を少なくとも複数の場所で取り囲むようにする。その結果、実際上、供給線の全ての側面での円周全体にわたって、アークを確認することができる。
【００１３】
螺旋状の撚り合わせが、比較的長い撚り長さを有する場合には、便宜上絶縁された付加的または検出線を、後ろ向きに元の位置へと撚り合わせても良い。この場合、撚り長さを短くすることにより、螺旋のピッチを小さくすることが好ましい。付加的な検出線は、単一のエナメル銅ワイヤの形態であっても良い。そしてこれを、押し出し成形工程において、供給ケーブルの絶縁材中に組み込むことができる。結果として、絶縁材が無いために、複雑さは遮蔽ケーブルのそれよりもかなり小さい。個々の検出線または２本以上の検出線を、ケーブル絶縁材上に外部から配置または固定しても良い。
【００１４】
付加的な検出線の絶縁材料は、保護すべき供給線の絶縁材料と同じである必要はない。好ましくは１３０℃〜１８０℃の間の範囲の融点を有する絶縁材料、たとえばＰＰを、付加的な検出線に対して用いることが有利である。この場合に絶縁材料は、粘性流体であってはならないが、確実な結合および接触を保証することができるように、できるだけ流れることが可能でなければならない。供給線は、平坦な導体または薄膜状導体の形態であっても良い。通電中の平坦な導体が供給導体として絶縁膜中に埋め込まれるような薄膜技術を用いる場合には、供給導体として機能する平坦な導体は少なくとも部分的に、センサ線または検出線によって取り囲まれる。これも同様に、薄いシートあるいはエナメル銅ワイヤであっても良い。２本のこのような検出線は、実際の供給線から所定の程度の距離に配置されて、薄膜状の導体中を延在しても良い。単一の検出線によって、供給線を全体的に取り囲んでも良いし、あるいは単一の検出線を、供給線に沿って一方の側にのみ配置しても良い。
【００１５】
本発明の例示的実施形態を、以下の文章において図面を参照しながら、より詳細に説明する。図面は、各場合において、非常に簡略化した形態で例示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
全ての図面において、相互に対応する部品には同じ参照符号が付されている。
【００１７】
図１および図２に示すように、自動車電源システム１における車両電源システムケーブル２は供給線６を有し、この供給線６は、絶縁材４によって囲まれ、バッテリ８の形態の電流源に接続されて、メイン回路を形成している。この場合、このメイン回路は、バッテリ８の正極（＋）に接続されている供給線６と、バッテリ８の負極（−）が接続されている接地１０と、を通して、閉じられている。一部が示されているケーブル網は、特に、自動車用の４２Ｖ車両電源システムの一部である。このような自動車電源システムは通常、階層的に構成され、電力は、種々の負荷、たとえば、方向指示器リレーや増光または減光機能を有するヘッドライトの間に分配される。
【００１８】
回路ブレーカ１２が、供給線６内において、バッテリ８と、供給線６の電線部分またはケーブル部分（ここで考慮され、拡大した形状で例示されている）との間に設けられている。供給線６は、負荷（例示せず）に接続されており、これを介して接地１０に至る。例示的実施形態においては、回路ブレーカは、供給線６内で接続されるパイロテクニック断路器１２である。パイロテクニック断路器１２は、イニシエータ１４を有し、イニシエータ１４は、一方で接続部１６を通してバッテリ８の正極（＋）に接続され、他方でセンサ線または検出線１８に接続される。接続部１６を、バッテリ８の正極（＋）に接続する代わりに、自動車内のコントローラにおける同様の終端接続部に、これ以上は詳しく例示しない方法で、接続しても良い。
【００１９】
検出線１８は、絶縁材２０によって囲まれており、絶縁材２０は便宜上、１３０℃〜１８０℃の規定された融点を有する材料からなる。検出線またはセンサ線１８は、供給線６に沿って、少なくとも複数の場所に通されている。図３に、便宜上撚り合わされた編組線である供給線６を有する供給ケーブル内にまたは供給ケーブル上に、絶縁材２０とともに配置された検出線１８の実施形態が示されており、一方で、図４には、薄膜技術を用いて一体化された検出線１８を有する供給ケーブル６の実施形態が示されている。検出線１８は便宜上、全ての側面上の少なくとも複数の場所で供給線６を取り囲んでいる。
【００２０】
図２に示す実施形態では、検出線１８は、プル・ダウン抵抗器２２を通して、接地１０に接続されている。抵抗器（プル・ダウン抵抗器）２２は、ボルト・メータ２４と並列に接続されており、測定電圧Ｕ_Ｄから得られるこのボルト・メータ２４の測定信号が、トリガ装置または駆動装置２６に供給される。断路器１２のイニシエータ１４も同様に、トリガ装置（駆動装置）２６に接続しても良い。しかし図２に示すように、この実施形態では、たとえばリレーなどの半導体開閉器または電磁開閉器１２が、パイロテクニック断路器の代わりに示されている。半導体開閉器または電磁開閉器１２の操作を、トリガまたは駆動装置２６によって生成される制御信号Ｓを用いて行なうために、半導体開閉器または電磁開閉器１２自体は、検出線１８に、図１に示すような駆動側に直接接続されるか、または図２に示すように電圧測定デバイス２２〜２６を通して間接的に接続されている。
【００２１】
図３ａ〜図３ｃに示すケーブルの実施形態では、検出線１８が、供給線６の個々のコアまたは導体２８と撚り合わされている。どのような撚り合わせまたは撚り合わせ度合いであろうと関係なく、使用する供給ケーブルに依存して、また製造または生産のそれぞれに最良な方法に依存して、検出線の個々の導体２８は供給線６のケーブルまたは導体の絶縁材４内に組み込んで、中心に延在しまたは中心をはずして延在しても良い。個々の導体２８を含む供給線６と、それを囲むかまたは封入する絶縁材４とをともに、以下の文章では供給ケーブルと言うことにする。
【００２２】
この場合、検出線１８自体を、絶縁された付加的な線１８として、絶縁材２０と再度撚り合わせ、絶縁された編組のケーブル・ハーネスとして供給ケーブル６内へ入れても良く、この場合、図３ａに示すような内部配置、あるいは図３ｂに示すような外部配置が、検出感度および／または生産技術面に関して有利であると考えられる。また絶縁された検出線１８は、供給線６内で一体化されてもよいし、、導体またはコアの集まりの中で、検出線１８が供給線６の個々のコア２８の位置を取っても良い。この場合の本質的な特徴は、検出線１８を、できるだけ供給線６の全体の長さにわたって、および／またはどんなに短い長さ部分においても、および／または同時に供給ケーブルのできるだけ多くの場所上に配置するために、絶縁材２０を含む検出線１８が、供給線６の少なくとも１つの個々の単一コア２８のできるだけ近くに配置されることである。
【００２３】
図３ｄに、４本の検出線が、供給ケーブルのケーブル絶縁材４の円周の周りに均一に配置されて分布される代替実施形態を示す。例示的実施形態で例示される４本の検出線１８の代わりに、より大きなまたは小さな数の検出線１８を配置して、供給線６を保持する供給ケーブル４、６の円周の周りに分配することもできる。
【００２４】
図４に例示する薄膜状の実施形態では、供給線６は、絶縁膜４’内に配置された平坦な導体の形態として示されている。また検出線１８’も、この絶縁膜４’内を延びている。この場合、検出線１８’も同様に、薄い平坦または薄膜状導体の形態の平坦な導体であっても良いし、あるいはエナメル銅ワイヤの形態であっても良い。さらに、１本の検出線１８’または２本以上の検出線１８’を、平坦な導体の形態の供給線６の２つの側それぞれに配置しても良い。この場合、供給線６からの距離ｄ_１およびｄ_２は同じであっても良いし、異なっていても良い。さらに供給線６は、全体的にまたは部分的に、２本の検出線１８’それぞれによって囲まれていても良い。加えて、１本の検出線１８’またはそれぞれの検出線１８’は、メイン導体として機能する供給線６を完全に取り囲んでも良いし、あるいは供給線６に沿う１つの側にのみ配置されていても良い。
【００２５】
供給線６上において線欠陥が生じる結果としてアークＬが発生する状況では、対応する地点において、非常に高温となる温度が発生する。この結果、検出線１８上の絶縁材２０が裂けて開き、該当する融解点において、アーク電圧の電位に対して、または供給線１８の電位に対して、または接地１０に対して、結合が生じる。これは、アークＬを介した接触によって、検出電流Ｉ_Ｄが検出線１８を通って流れることによって、確認される。これを用いて、開閉器（断路器）１２を駆動するかまたはイニシエータ１４を作動させる結果、断路器１２がトリガされ、その結果、供給線６が、したがってそれを通って流れるメイン電流または供給電流Ｉ_Ｖの電流フローが、遮断される。電子半導体開閉器を用いる場合には、供給線６を通って流れる電流Ｉ_Ｖを減らすだけということも可能であり、この結果、アークＬが消滅する。
【００２６】
図２に示す実施形態では、アークＬが、電圧測定を通して確認される。この場合、検出またはセンサ線（検出線）１８上の電圧Ｕ_Ｄが測定され、対応するトリガ信号Ｓが開閉器１２へ、トリガ装置（駆動装置）２６を通して伝達されて、開閉器１２を動作させる、すなわち開にする。通常の場合は、すなわち車両電源システムしたがって供給線６が誤りなく正確に動作している場合は、検出線６上に電位は全くなく、プル・ダウン抵抗器２２を通して接地電位に保持されている。アークＬが発生した場合のわずかな接続または結合も、および抵抗器（プル・ダウン抵抗器）２２を介して付随するわずかな電流フローＩ_Ｄも、ボルト・メータ２４によって検出され、その結果開閉器１２が開になる。電子半導体開閉器１２を用いる場合には、この開閉器１２を適切に駆動して、たとえば、単に供給線６を通って流れる電流Ｉ_Ｖを完全に減らすか、または供給線６を通る電流Ｉ_Ｖを最小に保持するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】検出線に直接接続された回路ブレーカを有する、ブロック図の形態で例示された自動車電源システムの詳細図である。
【図２】回路ブレーカがボルト・メータを通して検出線に接続される、図１に対応する図である。
【図３ａ】供給ケーブルに組み込まれるかまたは取り付けられる検出線の変形を示す断面図である。
【図３ｂ】供給ケーブルに組み込まれるかまたは取り付けられる検出線の変形を示す断面図である。
【図３ｃ】供給ケーブルに組み込まれるかまたは取り付けられる検出線の変形を示す断面図である。
【図３ｄ】供給ケーブルに組み込まれるかまたは取り付けられる検出線の変形を示す断面図である。
【図４】隣接する診断線を有する薄膜状導体の形態にある供給線を示す図である。

Claims (14)

1. アークが発生したときに導体を保護するための、特に、自動車における４２Ｖ車両電源システムの導体を保護するための方法であって、供給電流（Ｉ_Ｖ）が電流源（８）から供給線（６）を通して流され、前記供給線（６）の少なくとも一部に沿って検出線（１８）が通され、前記供給線（６）を通る電流フローを少なくとも、アーク（Ｌ）が発生する結果として前記検出線（１８）を通って流れる検出電流（Ｉ_Ｄ）を用いて低減する方法。
2. 前記検出電流（Ｉ_Ｄ）を用いて前記供給電流（Ｉ_Ｖ）を遮断する、請求項１に記載の方法。
3. 前記検出電流（Ｉ_Ｄ）を、前記供給線（６）内に配置される回路ブレーカ（１２）へ伝達して、前記回路ブレーカ（１２）を動作させる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記検出電流（Ｉ_Ｄ）を、前記検出電流（Ｉ_Ｄ）によって生成される電圧（Ｕ_Ｄ）によって検出し、前記供給線（６）内に配置される開閉器（１２）を、この電圧（Ｕ_Ｄ）から得られる信号（Ｓ）を用いて開にする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. アークが発生したときに導体を保護するための、特に、自動車における４２Ｖ車両電源システムの導体を保護するための装置であって、
   −少なくとも１つの検出線（１８）であって、その少なくとも一部は、電流源（８）に接続可能な供給線（６）に沿って配置される、検出線（１８）を有し、
   −前記電流源（８）と前記供給線（６）との間の接続部において接続される保護デバイス（１２）であって、アーク（Ｌ）が発生する結果として前記検出線（１８）を通って流れる検出電流（Ｉ_Ｄ）によって駆動され、それによって前記供給線（６）を通る電流フローを低減する保護デバイス（１２）を有する装置。
6. 前記検出線（１８）が絶縁材料（２０）によって囲まれる、請求項５に記載の装置。
7. 前記絶縁材料（２０）の融点が１３０℃〜１８０℃である、請求項６に記載の装置。
8. 前記検出線（１８）が前記供給線（６）を、全ての側面上の少なくとも複数の場所で取り囲む、請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記検出線（１８）が前記供給線（６）と撚り合わせられる、請求項５〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記検出線（１８）が、前記供給線（６）上のケーブル絶縁材（４）内に配置される、請求項５〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記保護デバイスが、パイロテクニック、電気機械的、または電子的な断路器（１２、１４）である、請求項５〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記供給線（６）が平坦な導体の形態であり、前記検出線（１８’）が、前記供給線（６）に隣接して延びるように配置される、請求項５〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 平坦な導体の形態の前記供給線（６）と、前記検出線（１８’）とが、同じ薄膜状絶縁材（４’）内に配置される、請求項１２に記載の装置。
14. 検出線（１８’）が、平坦な導体の形態の前記供給線（６）の２つの側面のそれぞれに配置される、請求項１２または１３に記載の装置。