JP2007168500A - 自動車用ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】ケーブルの電気特性を低下させることなくインダクタンスを低減して、電流チョッピング時のサージ電圧を低下させることが可能な自動車用ケーブルを提供する。
【解決手段】本発明自動車用ケーブルは、内部導体10と、内部導体10の外側に形成される絶縁層30と、絶縁層30の外側に形成される外部導体50とを有する。このケーブルは、内部導体10と絶縁層30との間および絶縁層30と外部導体50との間の少なくとも一方に形成される半導電層を有する。絶縁層30は、半導電層のない同一仕様のケーブルの絶縁層に比べて薄い。半導電層（内部（外部）半導電層20（40））を設けることで、絶縁耐圧や部分放電性能などの電気的特性を低下させることなく絶縁層30を薄くすることができ、ケーブルのインダクタンスを小さくして上記サージ電圧を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用ケーブルに関するものである。特に、ケーブルのインダクタンスを小さくでき、急速な電流のオン／オフ時に生じるサージ電圧を下げることが可能な自動車用ケーブルに関するものである。

ハイブリッド自動車におけるバッテリ100からモータ140までの電源系統の概略を図２に示す。このような自動車でのバッテリ100からモータ140への電力供給は、まずバッテリ100（例えば288V）からの直流を遮断用の高電圧リレー110を介して昇圧コンバータ120に給電する。同コンバータ120は、供給された直流を所定の電圧に昇圧してインバータ130へ給電する。そして、インバータ130でモータ140を制御するための三相交流を生成してモータ140に給電している。車両減速時には、モータ140がジェネレータとして機能し、発電した回線電力はインバータ130に供給されて直流に変換されてからバッテリ100を充電する。

ここでの昇圧コンバータ120とインバータ130との間における回路図を図３に示す。昇圧コンバータ120では、トランジスタ121のオン／オフを繰り返すことで、リアクトル122に逆起電力が発生され、その逆起電力をダイオード123を介してコンデンサ124に充電することで昇圧を行っている。

この昇圧された直流は、同軸ケーブル150を介してインバータ130に給電される。この同軸ケーブル150の断面図を図４に示す（例えば特許文献１）。この同軸ケーブル150は、中心から順に、内部導体10、絶縁層30、外部導体50、シース60を有する。例えば、内部導体10は銅撚り線で、絶縁層30は架橋ポリエチレンで、外部導体50は編組線で、シース60はPVCで構成される。

一方、ケーブル150を介して給電された直流は、インバータ130においてPWM（パルス幅変調）制御を行って３相交流に変換されてモータ140に給電される。その際、図５に示すように、ケーブルを流れる電流（I）は急速にオン／オフされ、次式により、このケーブルのインダクタンス（L）と電流の時間変化の積に等しいサージ電圧（V）を生じる。
V＝−L×（dI／dt）

この電圧は、図３に示すインバータ130を構成するIGBTなどのトランジスタ131に印加され、一定値を超えた場合には、そのトランジスタ131が破損する可能性がある。

ここで、サージ電圧によりインバータのトランジスタ131が破損することを防止する手段として、インバータのトランジスタ131に耐圧が高いものを使用することが考えられる。しかし、一般にトランジスタのオン抵抗（あるいはオン電圧）と耐圧はトレードオフの関係にあり、オン抵抗と耐圧の必要な仕様を同時に満たすことは難しい。また、仮にそのような高耐圧のトランジスタがあったとしても高価である。

特開平１１−２９０５４号公報(図３)

一方、上記配索用のケーブルのインダクタンスを小さくすれば、サージ電圧を下げることができるが、このインダクタンスを低減する適切な手段が提案されていない。ケーブルのインダクタンスを小さくするには相対的に、内部導体の外径を大きくし、外部導体の内径を小さくすれば良い。それには、絶縁層を薄くすることが最も単純であるが、単に絶縁層を薄くすれば、ケーブルの絶縁耐圧や部分放電性能が低下する。

従って、本発明の主目的は、ケーブルの電気特性を低下させることなくインダクタンスを低減して、電流チョッピング時のサージ電圧を低下させることが可能な自動車用ケーブルを提供することにある。

本発明は、絶縁層に半導電層を設けることで上記の目的を達成する。

すなわち、本発明自動車用ケーブルは、内部導体と、内部導体の外側に形成される絶縁層と、絶縁層の外側に形成される外部導体とを有する自動車用ケーブルである。このケーブルは、内部導体と絶縁層との間および絶縁層と外部導体との間の少なくとも一方に形成される半導電層を有する。そして、前記半導電層と絶縁層との厚さの和は、内部導体の外径およびその導体抵抗とが同じであって前記半導電層のない同一仕様のケーブルの絶縁層の厚さに比べて薄いことを特徴とする。

この構成によれば、半導電層を設けることで、絶縁耐圧や部分放電性能などの電気的特性を低下させることなく絶縁層を薄くすることができる。それに伴って、外部導体の内径を小さくすることができ、ケーブルのインダクタンスを小さくして電流の急速なオン／オフ時に発生するサージ電圧を低減することができる。

以下、本発明自動車用ケーブルをより詳しく説明する。

本発明自動車用ケーブルは、内部導体、絶縁層、外部導体を有することを基本構成としている。

内部導体は、必要な電流容量が確保できるものであればよく、特に材質・構成が限定されるわけではない。材質としては、銅線、錫めっき銅線、アルミ線、アルミ合金線、鋼心アルミ線、カッパーフライ線、ニッケルめっき銅線、銀めっき銅線、銅覆アルミ線などが挙げられる。導体の構成としては、単線とより線が考えられるが、一般に複数の素線をより合せたより線構造が好適である。

この内部導体の外側には絶縁層が形成される。絶縁層は、ケーブルの使用電圧に応じた耐電圧性を具える構成とする。絶縁層の材質としては、エチレンプロピレンゴム、ビニル樹脂(例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコールなど)、ポリスチレン、ポリエチレン、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、珪素ゴム、ポリテトラフルオロエチレンなど挙げられる。特に、架橋ポリオレフィン、中でも架橋ポリエチレンが好適である。

また、この絶縁層は、後述する内部半導電層および外部半導電層の少なくとも一方と同時押し出しまたはタンデム押し出しすることが好ましい。これら各層を同時または連続して押し出すことで、層間に異物が混入したりギャップが生じることを抑制できる。

上記絶縁層の外側には外部導体が形成される。外部導体は、代表的には、金属線による編組材で構成される。金属線には銅線が好適に利用できる。この外部導体を設けることで、漏洩磁場によるノイズの放出や外部からのノイズの侵入を防止することができる。

そして、上記内部導体と絶縁層との間および絶縁層と外部導体との間の少なくとも一方に半導電層を形成する。前者の場合、内部半導電層となり、後者の場合、外部半導電層となる。このような半導電層を設けることで、内部（外部）導体と絶縁層との界面における電位傾度の緩和効果により、絶縁耐圧や部分放電性能などの電気的特性を低下させることなく絶縁層を薄くすることができる。

このように半導電層を設けた場合、半導電層と絶縁層との厚さの和は、半導電層のない同一仕様のケーブルの絶縁層に比べて薄く構成できる。半導電層のない同一仕様のケーブルとは、内部導体のサイズ（外径）および導体抵抗が同じで、半導電層を有しない同軸構造のケーブルのことである。例えば、半電導層と絶縁層との厚さの和は、使用電圧が1kV以下のケーブルにおいて、0.9mm以下とすることが望ましい。このような使用電圧のケーブルにおいて、半導電層と絶縁層との厚さの和を0.9mm以下と薄くすることで、外部導体の内径を小さくすることを容易にする。なお、後述する実施の形態からも明らかなように、半導電層のないケーブルの場合は絶縁層の厚さは約1.1mm必要となる。

単位長さ当たりの同軸ケーブルのインダクタンス(L)は、次の計算式で表される。
Le＝0.2×ln(d2/d1) (μH/m)・・・数式１
Li＝(10^-3/π√f)((√(ρ1)/d1)＋(√(ρ2)/d2)) (μH/m)・・・数式２
L＝Le＋Li (μH/m)
ここで、d1：内部導体外径(mm)、d2：外部導体内径(mm)、ρ1：内部導体の固有抵抗(nΩ・cm)、ρ2：外部導体の固有抵抗(nΩ・cm)、f：周波数(MHz)、Le：外部インダクタンス(μH/m)、Li：内部導体の自己インダクタンスと外部導体の自己インダクタンスとの和(μH/m)である。

ただし、モータ制御のためのチョッピング周波数は、通常、数kHz〜10kHzであり、表皮効果の影響を受け、同軸ケーブルのインダクタンスLはLeが支配的となるため、実質的にL≒Leと考えることができる。

内部半導電層、外部半導電層の両方もしくは一方を設けることで、半導電層と絶縁層との厚さの和は、半導電層のない同一仕様のケーブルの絶縁層の厚さに比べて小さくなる。結果、上記の計算式において、外部導体の内径は小さくなり、半導電層のない同一仕様のケーブルに比べて、そのインダクタンスを小さくすることができる。

これらの半導電層は、樹脂と導電性フィラーとの混合物で構成することが好ましい。樹脂に導電性フィラーを混合することにより、所定の導電率を半導電層に付与することができる。樹脂はポリエチレン、ポリ塩化ビニルおよびポリ酢酸ビニルよりなる群から選択される少なくとも一種が望ましい。フィラーはカーボンブラックが好適に利用できる。カーボンブラックの添加量は、樹脂の種類にもよるが、樹脂100重量部に対して、カーボンブラック20〜100重量部程度が好適である。

また、半導電層を構成する材料の体積抵抗率は1×10³〜1×10⁵Ω・cmとすることが好ましい。このような抵抗率を確保することで、部分放電抑止の点で望ましい。この抵抗率の下限を下回ると、半導電層に電流が流れることによるジュール熱の発生の原因となる。逆に、上限を超えると抵抗率が高くなりすぎ、内部（外部）導体と絶縁層との界面における電位傾度の緩和効果が十分に期待できない。

さらに、本発明ケーブルは、通常、外部導体の上にシースを設ける。シースは、一般にポリ塩化ビニル、クロロプレンゴム、ビニル樹脂、ポリエチレンなどで構成される。シースを設けることで、外部導体の機械的保護と絶縁とを図ることができる。

以上説明したように、本発明自動車用ケーブルによれば、半導電層を設けることで、絶縁耐圧や部分放電性能などの電気的特性を低下させることなく絶縁層を薄くすることができる。それに伴って、外部導体の内径を小さくすることができ、ケーブルのインダクタンスを小さくして電流の急速なオン／オフ時に発生するサージ電圧を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明自動車用ケーブルの断面図である。このケーブルは中心から順に、内部導体10、内部半導電層20、絶縁層30、外部半導電層40、外部導体50、シース60を具えている。

ここでは、0.32mm径の軟銅線を9本撚り合わせて撚り素線を形成し、この撚り素線を19本撚り合わせて公称断面積15sqの内部導体10を構成した。

この内部導体10の直上に内部半導電層20を形成する。この内部半導電層20は押し出しにて形成した。材質はポリエチレンにカーボンブラックを配合した混合物を用いた。得られた内部半導電層20の体積抵抗率は1×10⁴Ω・cmである。

内部半導電層20の上には絶縁層30が形成される。この絶縁層30も押し出しにより形成した。絶縁層30の材質は架橋ポリエチレンである。

続いて、絶縁層30の上に外部半導電層40を形成する。この外部半導電層40も内部半導電層20と同一体積抵抗率の同一材料で押し出しにて形成される。

さらに外部半導電層40上に外部導体50を形成する。外部導体50は、直径0.18mmの銅素線を用いた編組材から構成される。

そして、外部導体50の上にシース60を形成する。ここでは、ポリ塩化ビニルを押し出してシース60を形成した。

内部半導電層および外部半導電層を設けた実施例１ケーブルと、内部（外部）半導電層を有しない比較例ケーブルとを作製した。各ケーブルは、半導電層を設けた点、絶縁層の厚さが異なる点を除いて、内部導体の外径、外部導体の厚さ、シースの厚さ並びに各構成材料の材質は共通するケーブルである。両ケーブルの各構成要素の寸法は表１の通りである。

半導電層は導体に比べると、ほとんど電流が流れず、インダクタンスの計算では絶縁層とみなして良い。この表１から明らかなように、実施例１ケーブルでは、上述したインダクタンスの計算式において、内部導体の外径d1が5.3mm、外部導体の内径d2が7.1mmとなり、インダクタンスは0.058μH/mとなる。これに対して、比較例ケーブルでは、内部導体の外径d1が5.3mm、外部導体の内径d2が7.5mmとなり、インダクタンスは0.069μH/mとなる。つまり、実施例１ケーブルは、比較例ケーブルに比べて、インダクタンスを約16％程度低減できていることがわかる。

また、比較例ケーブルおよび実施例１ケーブルの電気特性について実験により確認を行った。比較例ケーブルでは、部分放電開始電圧は1.8kV、絶縁耐圧は18kVであり、使用電圧は650Vまでであった。実施例１ケーブルでは、内部半導電層および外部半導電層を設けたことで、部分放電開始電圧が18kV以上、絶縁耐圧が28.8kVであり、使用電圧は2kV以上であった。従って、実施例１ケーブルによれば、比較例ケーブルと同等以上の耐電圧特性や部分放電特性を保持でき、ケーブルとしての電気特性上も何ら問題はなかった。実施例１ケーブルの絶縁層と内部（外部）半導電層との厚さの和が比較例ケーブルの絶縁層の厚さより薄くとも、同等の電流容量を確保することができ、また、同等以上の使用電圧で利用可能であることを確認できた。

実施例１ケーブルと同様にして、外部半導電層のみを設けた実施例２ケーブルを作製した。この場合の実施例２ケーブルの各構成要素の寸法は表２の通りである。

実施例２ケーブルでは、内部導体の外径d1が5.3mmとなり、外部導体の内径d2が6.5mmとなり、上述の数式１より、インダクタンスは0.040μH/mとなる。結果、実施例２ケーブルは、前記比較例ケーブルに比べて、インダクタンスを約42％程度低減できる。

また、実施例２ケーブルの電気特性について実験により確認を行ったところ、部分放電開始電圧は10kV程度であった。これは実施例１ケーブルと比較すると半分程度となったが、前記比較例ケーブルに比べて十分に高かった。実施例２ケーブルによれば、外部半導電層のみ設けることでも、前記比較例ケーブルと同等以上の耐電圧特性や部分放電特性を保持でき、ケーブルとしての電気特性上も何ら問題はなかった。

次に、内部半導電層のみを設けた実施例３ケーブルを作製した。この場合の実施例３ケーブルの各構成要素の寸法は表３の通りである。

実施例３ケーブルでは、内部導体の外径d1および外部導体の内径d2が実施例２ケーブルと等しく、インダクタンスは0.040μH/mとなる。結果、実施例３ケーブルは、前記比較例ケーブルに比べて、インダクタンスを約42％程度低減できる。

また、実施例３ケーブルの電気特性について実験により確認を行ったところ、部分放電開始電圧は2kV程度であった。これは実施例２ケーブルと比較すると非常に低くなったが、前記比較例ケーブルと比較して同等以上の値であった。実施例３ケーブルによれば、内部半導電層のみ設けることでも、前記比較例ケーブルと同等の耐電圧特性や部分放電特性を保持でき、ケーブルとしての電気特性上も何ら問題はなかった。

以上説明したように、いずれの実施例ケーブルによっても、電気特性を低下させることなく絶縁層を薄くすることができ、結果として外部導体の内径が小さくなり、ケーブルのインダクタンスを低減することができた。したがって、モータ制御のチョッピングによる電流の時間変化（dI/dt）が一定とすると、本発明ケーブルを用いることで、チョッピング時に生じるサージ電圧も抑えることができる。

本発明自動車用ケーブルは、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などのケーブルとして好適に利用できる。特に、使用電圧が1kV以下の給電用ケーブルとしての利用が期待できる。より具体的には、バッテリ、コンバータ、インバータ、モータ間を接続するケーブルとして好適に利用できる。

本発明自動車用ケーブルの断面図である。 ハイブリッド自動車におけるバッテリからモータまでの電源系統の概略構成図である。 コンバータとインバータの概略回路構成図である。 従来の自動車用ケーブルの断面図である。 サージ電圧の発生状況を示す説明図である。

符号の説明

10 内部導体 20 内部半導電層 30 絶縁層 40 外部半導電層
50 外部導体 60 シース
100 バッテリ 110 リレー 120 昇圧コンバータ 130 インバータ
140 モータ 150 同軸ケーブル
121 トランジスタ 122 リアクトル 123 ダイオード 124 コンデンサ
131 トランジスタ

Claims (4)

1. 内部導体と、内部導体の外側に形成される絶縁層と、絶縁層の外側に形成される外部導体とを有する自動車用ケーブルであって、
   内部導体と絶縁層との間および絶縁層と外部導体との間の少なくとも一方に形成される半導電層を有し、
   前記半導電層と絶縁層との厚さの和は、内部導体の外径およびその導体抵抗とが同じであって前記半導電層のない同一仕様のケーブルの絶縁層の厚さに比べて薄いことを特徴とする自動車用ケーブル。
2. 前記半導電層を有する自動車用ケーブルは、その使用電圧が1kV以下で、半導電層と絶縁層との厚さの和が0.9mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の自動車用ケーブル。
3. 前記半導電層は、ポリオレフィン樹脂とカーボンブラックを含む混合物で構成されていることを特徴とする請求項1または２に記載の自動車用ケーブル。
4. 前記半導電層の体積抵抗率が、1×10³〜1×10⁵Ω・cmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動車用ケーブル。

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