JP2011520708A - 電力供給ネットワークのスイッチモジュールおよび少なくとも一つのスイッチモジュールを包含する電力供給ネットワーク - Google Patents

Abstract

本発明は、一つ以上の電源（１０４，１０６）と一つ以上の電気負荷（１１０．．．１１４）とを包含する電力供給ネットワーク（１００）である電力供給ネットワーク（１００）の少なくとも二つの導体区分（１０２ａ，１０２ｂ）を接続するために設けられた、少なくとも二つの動作状態を呈する少なくとも一つのスイッチ（１２）を包含するスイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）に関する。一つの制御ユニット（２０）が、スイッチ（１２）ごとに設けられて、前記スイッチ（１２）の前記動作状態を制御するために前記スイッチ（１２）に機能的に結合される。各制御ユニット（２０）は、スイッチモジュールにおいて、各々の制御ユニット（２０）に結合された前記スイッチ（１２）の動作状態を選択するための選択ユニットを包含する。本発明は、スイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）と電力供給ネットワーク（１００）を操作する方法にも関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、独立請求項の前文に記載の電力供給ネットワークのスイッチモジュールおよび少なくとも一つのスイッチモジュールを包含する電力供給ネットワークに関連する。

近未来車両技術では特に、いくつかのサブシステムにおいて電力供給の冗長性が必要とされる。自明な用途は、ブレーキ、ステアリングなど安全性を最重要視するシステムである。また、シャシ制御その他、バルブなどの伝動機構部品、電気制御ギヤボックスその他のように、車両の実時間運転に影響を与えるシステムが他にも見られる。現在の機械部品の一部は、電子制御に完全に依存している。電気的な不具合が機械的な故障につながる。

一般的な自動車の電力供給ネットワークがスター型構成またはデイジーチェーン型構成を備えることは、当該技術では周知である。このような構成のなんらのポイントでの短絡は、短絡に最も近いヒューズの下流のネットワーク全体をシャットダウンする。

リング型構成を特徴とする電力供給ネットワークを設けることも周知である。冗長性を付与するため、当該技術ではいくつかの解決法が知られている。様々な通信手段、電源、センサ、そしてアクチュエータを備える完全に分離した冗長システムが設けられる。冗長システムは、機械的領域、また場合によっては多数の巻線を備える電気アクチュエータの磁気領域に適している。冗長性は分析が容易であるが、例えば車両製造における大量生産では、この解決法は非常に高い費用を要する。

電力供給ネットワークの各ユニットについての簡単な解決法は、局所的エネルギーバックアップを用いることで得られる。しかし、エネルギー源は制限され、各ノードにエネルギー蓄積についての監視手段を構築すると費用がかかり、選択されたエネルギー源の管理が必要である。

別の解決法は、二重電源（二重スター型ネットワーク電源）を各ノードに用いることである。こうして、二つの独立した供給ネットワークが利用可能となる。しかし、二重のハーネスと、選択されたエネルギー源の管理とが必要である。

特許文献１は、リング型構成の電力供給ネットワークを開示している。各負荷について、インテリジェント制御ノードと二つの制御可能な電力分配器と回路ブレーカなどの制御可能導体保護部とで構成されるタップ制御装置が設けられている。制御ノードは、電力分配器と導体保護部の両方を制御する。二つの制御可能電力分配器の適切な機能のためには、インテリジェント制御ノードとの通信が必要条件である。

特許文献２は、各負荷が電力供給ネットワークに接続された車両用の電力供給システムを開示している。制御ユニットにより制御されるスイッチを介して、負荷が電源に接続されている。各スイッチは通信バスに接続されている。異常電流の場合には、電源からの負荷をスイッチが切断する。

米国特許第６，５５２，４４２号明細書 欧州特許出願公開第１７５９９２９号明細書

本発明の目的は、スイッチが故障した場合に冗長性を持つ改良型の電力供給ネットワークを提供することである。電力供給ネットワークのための改良型スイッチモジュールを提供することは、本発明の別の目的である。別の目的は、スイッチモジュールを作動させるための方法を提供することである。

これらの目的は、独立請求項の特徴によって達成される。他の請求項および説明には、本発明の好都合な実施形態が開示される。

電力供給ネットワークの少なくとも二つの導体区分を接続するためのスイッチモジュールが提案され、電力供給ネットワークは一つ以上の電源と一つ以上の電気負荷とを包含する。スイッチを制御するための専用制御ユニットがこのスイッチに設けられている。スイッチに、この特定スイッチのための専用制御ユニットを設けることにより、スイッチの自律的動作に加えて、各々の電力供給スイッチの冗長性動作が達成される。例を挙げると、当該技術で周知である一般的なリング型構成の電力供給ネットワークでは、二つのスイッチが、この二つのスイッチに共通する制御モジュールを一つ備える。制御装置が故障した場合には、必然的に負荷は電力を失う。本発明による好適な自律的スイッチモジュールを一つの負荷について二つ設けることが好ましく、これにより、制御装置の一つが故障した場合にも負荷への電力供給の冗長化が可能である。スイッチユニットが自律的に作動するので、複数のスイッチモジュール内の個別スイッチモジュールの間の通信は必須ではない。負荷は、電気装置、電動モータ、その他でよい。スイッチ自体は、継電器、バイポーラまたはＭＯＳＦＥＴトランジスタが組み込まれた半導体スイッチ、または所望の電力供給ネットワークのための特定スイッチモジュールのスイッチとして適切なものでよい。

各制御ユニットは、各々の制御ユニットに結合されたスイッチの動作状態を選択するための選択ユニットを包含する。選択ユニットは、ソフトウェア、ハードウェア、またはソフトウェアとハードウェアとの組合せとして設けられる。すなわち制御ユニットは、電流および電圧の監視手段と状態マシンとを包含する。状態マシンは、有限数の状態と、これらの状態の間の移行と、動作とで構成される作用モデルとして理解するのが最も良い。

先行技術と異なり、スイッチは自律的に作動し、ゆえに、作動状態であるために通信バスへの接続を必要としない。ゆえに制御ユニットは、スイッチのどの動作状態、例えばスイッチが閉じた「オン」動作状態またはスイッチが開いた「オフ」動作状態が適用されなければならないかを自律的に決定できる。自律的動作により、例を挙げると電力供給ネットワークのスイッチモジュールは、他のスイッチモジュール（ノード）またはメインコンピュータへの通信に依存することがなく、とりわけスイッチモジュールの実時間作用のために依存することはない。スイッチの動作状態の決定は、このスイッチの特定の状態マシンによって行われる。しかし、ある場合には、スイッチモジュールのパラメータ設定および監視のために通信が用いられると好都合である。少なくとも、一つ以上のスイッチモジュールおよび／または電力管理システムとの通信のための少なくとも一つの通信ユニットをスイッチモジュールが包含すると好都合である。例えば、停電および推定停電箇所についてのフィードバックがこのような電力管理システムに与えられる。この少なくとも一つの通信ユニットが制御ユニットに組み込まれることが好ましい。通信ユニットは、データバスシステムその他に結合されるとよい。

任意で、中央電力管理システムの代わりに「インテリジェント」局所的電力管理システムを各スイッチモジュールが包含することが可能である。これらの局所的電力管理システムは、システム全体の電力分散の管理において動的に協働する網状組織のインテリジェントコンピュータ（「分散型インテリジェンス」）を形成する。システムは、中央ステーションを持たない自立型である。このような分散型システムを採用することにより、システムの冗長性および安全性がさらに向上する。

電力供給ネットワークの一つ以上の動作パラメータに応じてスイッチの動作状態が選択可能であることが好ましい。

自律的スイッチモジュールは、単純で低コストの冗長性電力供給システムの構築を可能にする。二重電力供給システムを設けることなく、円形の電力供給システムにより冗長性がもたらされる。自律スイッチは電力供給ラインの選択プロセスをロバストで分析容易なものとし、これは臨界システムには重要である。

状態マシンは、いくつかの異なる形、例えばソフトウェア、ハードウェア、または両方の組合せで設けられる。例えば二重スター型ネットワークについて特に有益な非常に単純な実行例は、一つ以上のヒューズまたは他の電流制限装置と組み合わされる二つのダイオード（各電源ラインに一つずつ）を設けることである。

本発明の好都合な発展例によれば、各スイッチの動作パラメータを設定するための少なくとも一つのプログラマブルユニットをスイッチモジュールが包含する。この少なくとも一つのプログラマブルユニットは、制御ユニットに組み込まれることが好ましい。

各スイッチには、電流センサおよび／または電圧センサが結合されることが好ましい。スイッチのいずれかの側で電流が検出されるとよい。電圧はスイッチの両側で検出されると好都合である。各スイッチについて最低電圧が設定される。電流センサに加えて、スイッチの各側に一つずつ二つの電圧センサが設けられた場合には、高度の安全性が達成される。安全要件が低い場合には、使用されるセンサの数は少なくてよい。検出された電圧が最低電圧を上回っている場合には、電力供給ネットワークは適切に機能していると考えられ、検出された電圧が最低電圧を下回っている場合には、制御ユニットによって故障が認識され、これに応じてスイッチの動作状態が設定される。この場合、実際の電圧が電圧リミットと等しいかこれを下回る場合に電圧が低すぎると見なされるような値に、電圧リミットが設定される。代替的に、実際の電圧がこのリミットを上回るかこれと等しい場合には電力供給ネットワークが適切に機能していると見なされ、実際の電圧が電圧リミットを下回っている場合に故障が認識されるような形で、電圧リミットを設定することが可能である。

提案されるのは、電力供給ネットワークの少なくとも二つの導体区分を接続するスイッチモジュールを作動させるための方法でもあり、電力供給ネットワークは、一つ以上の電源から電力供給されるとともに、一つ以上の電気負荷に電力供給する。スイッチの動作状態は、このスイッチ用に設けられた専用制御ユニットにより制御される。

スイッチの動作パラメータおよび／または電力供給ネットワークの動作パラメータに応じてスイッチの動作状態が選択されることが好ましい。すなわち、スイッチを流れる電流とスイッチの両側での電圧とに応じてスイッチが作動するのである。

本発明の別の面によれば、一つ以上の電源と一つ以上の電気負荷とを包含するとともに、少なくとも二つの導体区分を電気的に接続および切断するために設けられた少なくとも一つのスイッチモジュールを包含する電力供給ネットワークが提案される。

電力供給ネットワークは、スター型の電力分散構成、二重スター型の電力分散構成、リング型の電力分散構成、またはこれら電力分散構成のうち二つ以上の組合せで配設される。

リング型の電力分散構成では特に、第１および第２の自律スイッチモジュールが各負荷に設けられることが好ましい。

好適な実施形態によれば、電気回路に結合された電気負荷の外側にスイッチモジュールが配設される。

別の好適な実施形態によれば、スイッチモジュールは電気負荷に組み込まれる。これら二つの実施形態を組み合わせて、少なくとも一つの自律スイッチモジュールを包含する電力供給ネットワークの少なくとも一つの負荷が、一体型の自律スイッチモジュールを備えることも可能である。

本発明の別の面によれば、車両は、少なくとも一つの自律スイッチモジュールを包含する電力供給ネットワークを包含する。車両は例えば、電気自動車、またはともに車両推進のためのエネルギーを提供する電動モータおよび燃焼エンジンなどを包含するハイブリッド自動車でよい。好適な自律スイッチモジュールは、冗長性を持つ自動車電力供給を行うのに特に有益である。特定車両は、リング型の電力分散構成を特徴とすると好都合である。制御ユニット、アクチュエータ、および／またはセンサについては特に、電力供給の冗長性が達成されることが好ましい。ドライバを支援するのに使用される、または車両安全性および運転快適性を向上させるのに使用される多くの車両システムは、このような電気部品に依存している。

車両は、陸上輸送用車両、船舶または潜水艦などの海上輸送用車両、航空機または宇宙船などの空中輸送用車両でよい。「陸上輸送用車両」は例えば、乗用車、バス、トラック、オートバイ、列車、建設機械その他、特にホイル式またはクローラ式パワーショベル（ショベルカー）、有節型運搬車（ダンプ、ダンプトラックなど）、スクレーパ運搬車、ホイールローダ、配管車、粉砕機械、ゴミ処理車、モータグレーダ、舗装機械、圧縮機、製粉機械、鋲打ち機械、道路拡張機械、資材運搬車両、ミニローダ、ミニパワーショベル、バックホーローダ、スキッドステアローダなどの小型機械の範囲を包含する。

本発明の別の面によれば、作業用機械は、少なくとも一つの自律スイッチモジュールを包含する電力供給ネットワークを包含する。作業用機械は例えば、ともに作業用機械の一つ以上のツールを動かすためのエネルギーを提供する電動モータおよび燃焼エンジンなどを包含する固定式の作業用電気機械または固定式の作業用ハイブリッド機械でよい。好適な自律スイッチモジュールは、冗長性電力供給を行うのに特に有益である。特定の作業用機械がリング型の電力分散構成を特徴とすると好都合である。特に制御ユニット、アクチュエータ、および／またはセンサについて電力供給の冗長性が達成されることが好ましい。オペレータを支援するのに使用される、または作業用機械の安全性および運転快適性を向上させるのに使用される多くの作業用機械システムは、このような電気部品に依存している。

本発明の別の面によれば、エネルギー供給設備は、少なくとも一つの自律スイッチモジュールを包含する電力供給ネットワークを包含する。エネルギー供給設備は、家庭または工場など多くのユーザにエネルギーを提供する固定式エネルギー供給設備または可動式エネルギー供給設備でよい。好適な自律スイッチモジュールは、冗長性電力供給を行うのに特に有益である。特定のエネルギー供給設備は、リング型の電力分散構成を特徴とすると好都合である。電力供給冗長性が達成されると好都合である。すなわちエネルギー供給設備は、緊急時バックアップ発電機でよい。

実施形態についての以下の詳細な説明から、上述した目的および長所と他の目的および長所とともに本発明が最も良く理解されるだろうが、これらの実施形態に制限されることはない。以下が概略図示される。
本発明によるスイッチモジュールの好適な実施形態である。 リング型構成を特徴とする、本発明による好適な電力供給ネットワークである。 本発明による一体型自律スイッチモジュールを備える負荷である。 図１によるスイッチに結合された状態マシンの例である。 故障を包含するリング型構成を特徴とする、本発明による好適な電力供給ネットワークの例である。 図５の電力供給ネットワークに設けられる負荷の電圧特徴のシミュレーション結果である。

図面において、同等または類似の要素は等しい参照番号で示されている。図面は単に概略的に表現したものであり、本発明の特定のパラメータを描く意図はない。さらに、図面は発明の一般的な実施形態を示すためのものに過ぎず、そのため発明の範囲を制限するものと考えられるべきではない。

図１は、本発明によるスイッチモジュール１０の好適な実施形態を概略的に示す。スイッチモジュール１０は、一つ以上の電源（不図示）と一つ以上の電気負荷（不図示）とを包含する電力供給ネットワーク（不図示）の少なくとも二つの導体区分１０２ａ，１０２ｂを接続する。

スイッチモジュール１０は、スイッチ１２と、このスイッチ１２を制御するための制御ユニット２０とを包含する。スイッチ１２の両側の一方の電流センサ１４と、スイッチ１２の片側（以下、「ａ」側と呼ばれる）の第１電圧センサ１６と、スイッチ１２の反対側（以下、「ｂ」側と呼ばれる））の別の電圧センサ１８とは、スイッチ１２を流れる電流と、スイッチ１２の各側の電圧とを検知するために配設されている。

スイッチモジュール１０は自律部品として設けられ、他のスイッチモジュール（不図示）および／または電力管理システム（不図示）への通信手段を備えるか備えない形で設けられる。自律スイッチモジュール１０は、プリセットされたリミット、例えば電流リミットおよび／または電圧リミットを持つ状態マシンと、スイッチモジュール１０の動作タイミングとに制御される。

診断目的と、スイッチモジュール１０が結合された電力供給ネットワークに存在する様々な条件への適合のため、自律スイッチモジュール１０は、例えばネットワークその他を介して監視機能に接続されるとよい。このような目的のため、スイッチモジュール１０には少なくとも一つの通信ユニット（不図示）が設けられている。

制御ユニット２０に包含される状態マシンは、電流センサ１４および電圧センサ１６，１８によって収集された電圧および電流情報に基づいてスイッチ１２を作動させる。制御ユニット２０は、制御ユニット２０に結合されたスイッチ１２の動作状態を選択するための選択ユニットを包含することが好ましい。

スイッチ１２の動作状態は、電力供給ネットワーク（不図示）の一つ以上の動作パラメータに応じて状態マシンにより選択される。

スイッチモジュール１０は、負荷とは別にネットワークに組み込まれることが好ましい。しかし、図３に示されているように、スイッチモジュール１０が負荷１０５に組み込まれてもよい。自律的負荷１０５は、自律的負荷１０５を形成する単一のデバイスに組み込まれる負荷要素１０５ａと直列のスイッチモジュール１０を包含する。スイッチモジュール１０の部品の説明については、図１を参照すること。

図２は、リング型構成を特徴とする電力供給ネットワーク１００の好適な例を示す。三つの電気負荷１１０，１１２，１１４が、二つの電源１０４，１０６から電力を供給される。

各負荷１１０，１１２，１１４は、図１に記されたような構成の二つのスイッチモジュール１０ａ，１０ｂ；１０ｃ，１０ｄ；１０ｅ，１０ｆを備え、負荷１１０はスイッチモジュール１０ａ，１０ｂを備え、負荷１１２はスイッチモジュール１０ｃ，１０ｄを備え、負荷１１４はスイッチモジュール１０ｅ，１０ｆを備える。システム管理ユニット１２０はスイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆを監視する、および／または（ｉ）スイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆとシステム管理ユニット１２０との間と、（ｉｉ）スイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆ自体の間の通信手段となる。明瞭にするため、スイッチおよび制御ユニットを省いた状態でスイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆが概略図示されている。スイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆの詳細は、図１に記されている。

図１に示されているように、スイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆの個別スイッチ１２の各々の動作状態は、個別スイッチ１２の各々に設けられた対応の専用制御ユニット２０によって制御される。

図４は、好適な状態マシンがどのように機能するかを示す。状態マシンはいくつかの状態を有する。各状態において、スイッチが開いているか閉じているかを規定する変数が存在する。スイッチの第１側（「ａ」側）および他の側（「ｂ」側）における電圧（図１の電圧センサ１６，１８に検知されるものなど）と、スイッチで測定された電流（図１の電流センサ１４に検知されるものなど）と、パラメータ設定とに応じて、状態マシンは異なる状態の間を移動して、スイッチを開閉することにより動作を行う。

“Ｓｔａｒｔ”，“Ｖａ＿Ｏｋ”，“Ｖｂ＿Ｏｋ”，“ｏｖｅｒ＿ｃｕｒｒｅｎｔ”，“ｌｏｗ＿ｖｏｌｔａｇｅ”，“ｓｕｐｐｌｙ＿ｂ＿ｔｏ＿ａ”，“ｓｕｐｐｌｙ＿ａ＿ｔｏ＿ｂ”，“Ｓ８”，“Ｓ９”のパラメータが付けられたサークルは、状態マシンの状態を表すのに対して、サークルを結ぶ矢印付きの線はある状態から別の状態への移行を表し、矢印はどの状態からどの状態へ移行が行われたかの方向を示す。“Ｓｔａｒｔ”サークルで表される状態と“ｖｂ＿Ｏｋ”サークルで表される別の状態との間の移行“ｖａｒ＿ｖｂ＞ｖ＿ｏｎ”などの移行状態とともに、各移行矢印が記される。

図４には、以下の移行および状態が示されている。
１．移行：
１０２ｂの電圧であるｖａｒ＿ｖｂ
１０２ａの電圧であるｖａｒ＿ｖａ
スイッチがオンになった時の最低電圧であるｖ＿ｏｎ
スイッチがオフになった時の最高電圧であるｖ＿ｏｆｆ
センサ１４により測定された電流であるｖａｒ＿ｉｂ
スイッチユニット１０を流れることのできる最高連続電流であるｉｍａｘ
スイッチが１０２ｂから１０２ａへ電流を供給する時に、高過ぎる電流を検出してからスイッチが開くまでの時間であるｏｃ＿ｄｅｌａｙ＿ｂ＿ｔｏ＿ａ
スイッチが１０２ａから１０２ｂへ電流を供給する時に、高過ぎる電流を検出してからスイッチが開くまでの時間であるｏｃ＿ｄｅｌａｙ＿ａ＿ｔｏ＿ｂ
故障後に状態マシンを再開させる外部信号であるｒｅｓｔａｒｔ
２．状態：
初期状態であるＳｔａｒｔ
１０２ｂの電圧がＯＫであることを意味するｖａｒ＿ｖｂ＞ｖ＿ｏｎである時に、開始状態から到達するｖｂ＿ＯＫ
１０２ａの電圧がＯＫであることを意味するｖａｒ＿ｖａ＞ｖ＿ｏｎである時に、開始状態から到達するｖａ＿ＯＫ
過電流が発生して規定時間にわたって有効である（ｏｃ＿ｄｅｌａｙ＿ｂ＿ｔｏ＿ａまたはｏｃ＿ｄｅｌａｙ＿ａ＿ｔｏ＿ｂ）時に到達するｏｖｅｒ＿ｃｕｒｒｅｎｔ
供給電圧が規定レベルｖ＿ｏｆｆを下回る時に到達するｌｏｗ＿ｖｏｌｔａｇｅ
Ｖａが供給電圧ｖ＿ｏｆｆを下回り、裕度が例えば０．１Ｖ（値はシステムの公差、ノイズなどに左右される）の時に状態Ｖｂ＿ＯＫから到達するｓｕｐｐｌｙ＿ｂ＿ｔｏ＿ａ
Ｖｂが供給電圧ｖ＿ｏｆｆを下回り、裕度が例えば０．１Ｖ（値はシステムの公差、ノイズなどに左右される）の時に状態Ｖａ＿ＯＫから到達するｓｕｐｐｌｙ＿ａ＿ｔｏ＿ｂ
ｏｃ＿ｄｅｌａｙ＿ｂ＿ｔｏ＿ａ時間に達するまで待機する、高電流状況が発生した時の保持状態であるＳ９
ｏｃ＿ｄｅｌａｙ＿ａ＿ｔｏ＿ｂ時間に達するまで待機する、高電流状況が発生した時の保持状態であるＳ８

図４の例は、過電流状況に対する保護を行い、最低レベルを上回る供給電圧を選択する。例えば、スイッチモジュールその他の過電圧、逆電流、過温度に対する保護を拡大することが可能である（が図示されていない）。

さて、図１とともに図２の例示的実施形態を再び参照すると、スイッチモジュール１０ａ，１０ｂが負荷１１０に割り当てられ、スイッチモジュール１０ａ，１０ｂの状態マシンは、スイッチモジュール１０ａ，１０ｂのスイッチの動作状態を決定する。これは、例えばスイッチモジュール１０ａのスイッチに割り当てられた電圧センサにより検知される電圧“ｖａｒ＿ｖａ”が電圧“ｖ＿ｏｎ”を上回る場合に、スイッチモジュール１０ａのスイッチの動作状態が「故障なし」（“ｖａ＿ＯＫ”）であることを意味する。電力供給ネットワーク１００を始動させると、最初に電圧供給が可能なスイッチはこの電圧を供給できるものと見なされる。片側から反対側へ、例えば「ａ」から「ｂ」へ電流を供給するためにスイッチがどの速さで閉じるかを制御する遅延設定のパラメータと、「ｂ」から「ａ」へ電流を供給するために同じスイッチがどの速さで閉じるかについての別のパラメータ設定も設けられると好都合である。片側の電圧が電圧レベル“ｖ＿ｏｎ”を上回って反対側の電圧が電圧レベル“ｖ＿ｏｆｆ−０．１”を下回る場合のみにスイッチが閉じ、０．１（つまり０．１ボルト）の値は単なる例であって、実際の値はシステムの公差、ノイズなどに左右される。回路のタイムレースを回避するとともに不安定な条件を回避するには、好適な遅延が重要である。

図５は図６とともに、図２に記された電力供給ネットワーク１００のシミュレーションを図示している。図５は、図２に示された電力供給ネットワーク１００のシミュレーションモデルである。そのため、図５の詳細な説明に関しては、図２の説明を参照にすること。△ｔ＝５秒の時間にわたる電圧特徴のシミュレーション結果が、図６ａ〜６ｅに示されている。電圧トレースは、本発明による電力供給ネットワークの冗長性を表している。負荷１１０，１１２，１１４は、電気平行キャパシタンスが１００μＦの時間依存グラフによるシミュレーションで表されている。

ｔ＝０の時点では、電力供給ネットワーク１００は故障なく正しく作動している。自律スイッチモジュール１０ａ，１０ｂ．．．１０ｅ，１０ｆは、各負荷１１０，１１２，１１４について個別に最高電圧を提供する電圧源として電源１０４，１０６を選択する。その後、ｔ＝３．５秒の時点で短絡が発生する。短絡はスイッチ要素１３０で代理され、これは、例えば△ｔ＝０．５秒の所定時間だけスイッチ１３０を閉じることによってシミュレーションされる。

回路は、二つの電源と三つの負荷とを備える小規模システムのシミュレーションである。ｔ＝０秒の時点ではシステムに故障は見られない。自律スイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆは、各負荷１１０，１１２，１１４について個別に最高電圧の電圧源１０４，１０６を選択する。ｔ＝０の時点では、図６ａに見られるように、電圧源１０６の出力電圧１０６ａのみが、パラメータにより設定された最低レベルを上回っている。負荷１１０，１１２，１１４のすべてが始動時に電圧源１０６により電力供給を受けるのはこのためである。“ｖ＿ｏｎ”は例えば２０Ｖに設定され、“ｖ＿ｏｆｆ”は例えば１８Ｖに設定される。ｔ＝３．５秒の時点で、スイッチ１３０を閉じることによりシミュレーションされる短絡が発生し、△ｔ＝０．５秒の間、接地される。原則として、個々のケースの状況に応じて、△ｔは、数ミリ秒から、数分、数時間、数日、数週間、数ヶ月、数年などはるかに長い時間に及んでもよい。

故障が発生する直前に、各々のスイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆの自律スイッチ１２は以下の状態にある。
スイッチモジュール１０ａ：開
スイッチモジュール１０ｂ：閉
スイッチモジュール１０ｃ：閉
スイッチモジュール１０ｄ：閉
スイッチモジュール１０ｅ：閉
スイッチモジュール１０ｆ：開

短絡が発生した時点（ｔ＝３．５秒）で、スイッチモジュール１０ｃはスイッチモジュール１０ｄとともに過電流を検出する。スイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆのうちで故障（スイッチ１３０によりシミュレーションされる）に最も近いスイッチが確実に開くように、電圧源１０４，１０６からのスイッチ位置に関してタイムアウト時間が設定される。「タイムアウト」は、最短時間（タイムアウト期間）にわたって条件が有効であったことを意味する。タイムアウト遅延の結果として、スイッチモジュール１０ｃのスイッチが最初に開き、スイッチモジュール１０ｄのスイッチについてタイムアウト期間が終わりに近づく前に電流が低下している。

故障が発生した直後に、自律スイッチモジュール１０ａ．．．１０ｆは以下の状態にある。
スイッチモジュール１０ａ：閉
スイッチモジュール１０ｂ：開
スイッチモジュール１０ｃ：開
スイッチモジュール１０ｄ：閉
スイッチモジュール１０ｅ：閉
スイッチモジュール１０ｆ：開

上述したように、△ｔ＝５秒の時間にわたる電圧特徴のシミュレーション結果が図６ａ〜６ｅに示されている。電圧源１０４の電圧１０４ａはｔ＞１秒にわたって一定なので、図６ｂは負荷１１０の電圧特徴１１０ａを示し、図６ｃは負荷１１２の電圧特徴１１２ａを示し、図６ｄは負荷１１４の電圧特徴１１４ａを示す。

故障１３０の電圧特徴１３０ａが一番下の図６ｅに示されている。ｔ＝３．５秒の時点で短絡が発生し、電圧１３０ａはゼロまで低下する。この電圧低下にもかかわらず、自律スイッチモジュールが故障を検出して適宜反応するため、電圧特徴１１０ａ，１１２ａ，１１４ａは高いままで実質的にレベルは無変化である。スイッチモジュール１０ａの状態は開から閉へ変化し、スイッチモジュール１０ｂ，１０ｃの状態は閉から開へ変化する。他のスイッチモジュール１０ｄ．．．１０ｆは状態を変えない。最初の三つのスイッチモジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃの状態を変化させることにより、負荷１１０，１１２，１１４における電圧低下が回避される。

特にリング型構成を持つ電力供給ネットワークについては、この結果、電力供給の性能および安全性の向上が得られる。例えば、リング型構成の電力供給ネットワークは、車両搭載の電源として設けられることで、車両のアクチュエータ、センサ、電動モータ、ランプ、制御ユニットなどの電気負荷のための冗長性電力供給を行う。例えばブレーキランプなどの車両ライトは、上述したような冗長性電力供給ネットワークによりサポートされる特殊な安全要件を満たさなければならない。

別の実施形態において、リング型構成の電力供給ネットワークは、作業用機械に搭載の電源として設けられることで、作業用機械のアクチュエータ、センサ、電動モータ、ランプ、制御ユニットなどの電気負荷のための冗長性電力供給を行う。

また別の実施形態では、リング型構成の電力供給ネットワークが電源設備に設けられることで、建物または工場など多数のユーザの電気負荷のための冗長性電力供給を行う。すなわち、エネルギー供給設備は、主電源が停止した時に作動するフェイルセーフ電源となる緊急時バックアップ発電機なのである。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ スイッチモジュール
１２ スイッチ
１４ 電流センサ
１６，１８ 電圧センサ
２０ 制御ユニット
１００ 電力供給ネットワーク
１０２ａ，１０２ｂ 導体区分
１０４，１０６ 電源
１０５ 自律的負荷
１０５ａ 負荷要素
１１０，１１２，１１４ 電気負荷
１２０ システム管理ユニット
１３０ スイッチ

Claims (16)

1. 一つ以上の電源（１０４，１０６）と一つ以上の電気負荷（１１０．．．１１４）とを包含する電力供給ネットワーク（１００）である電力供給ネットワーク（１００）の少なくとも二つの導体区分（１０２ａ，１０２ｂ）を接続するために設けられた、少なくとも二つの動作状態を呈する少なくとも一つのスイッチ（１２）を包含するスイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）であって、一つの制御ユニット（２０）が、スイッチ（１２）ごとに設けられて、前記スイッチ（１２）の前記動作状態を制御するために前記スイッチ（１２）に機能的に結合されるスイッチモジュールにおいて、各々の制御ユニット（２０）に結合された前記スイッチ（１２）の動作状態を選択するための選択ユニットを各制御ユニット（２０）が包含することを特徴とする、スイッチモジュール。
2. 前記スイッチ（１２）の前記動作状態が、前記電力供給ネットワーク（１００）の一つ以上の動作パラメータに応じて選択可能であることを特徴とする、請求項１に記載のスイッチモジュール。
3. 前記制御ユニット（２０）が状態マシンを包含することを特徴とする、請求項１または２に記載のスイッチモジュール。
4. 一つ以上のスイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）および／または電力管理システム（１２０）と通信するための少なくとも一つの通信ユニットを包含することを特徴とする、請求項１乃至３の一つに記載のスイッチモジュール。
5. 各スイッチ（１２）の動作パラメータを設定するための少なくとも一つのプログラマブルユニットを包含することを特徴とする、請求項１乃至４の一つに記載のスイッチモジュール。
6. 少なくとも一つの電流センサ（１４）および／または少なくとも一つの電圧センサ（１６，１８）が各スイッチ（１２）に結合されることを特徴とする、請求項１乃至５の一つに記載のスイッチモジュール。
7. 二つ以上の異なる動作状態を呈するとともに、一つ以上の電源（１０４，１０６）により電力供給されて一つ以上の電気負荷（１１０．．．１１４）に電力供給する電気供給ネットワーク（１００）である電力供給ネットワーク（１００）の少なくとも二つの導体区分（１０２ａ，１０２ｂ）を接続する少なくとも一つのスイッチ（１２）を包含するスイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）であって、一つの制御ユニット（２０）がスイッチ（１２）ごとに設けられて前記スイッチ（１２）に機能的に結合され、前記制御ユニット（２０）が前記スイッチ（１２）の前記動作状態を制御する、請求項１乃至６の一つに記載のスイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）を作動させるための方法において、前記少なくとも一つのスイッチ（１２）の動作状態が、前記スイッチ（１２）の動作パラメータおよび／または前記電力供給ネットワーク（１００）の動作パラメータに応じて選択されることを特徴とする方法。
8. 前記スイッチ（１２）を流れる電流および／または前記スイッチ（１２）の両側における電圧に基づいて前記少なくとも一つのスイッチ（１２）が作動することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 一つ以上の電源（１０４，１０６）と一つ以上の電気負荷（１１０．．．１１４）とを包含するとともに、少なくとも二つの導体区分（１０２ａ，１０２ｂ）を電気的に接続および切断するために設けられた請求項１乃至６の一つに記載の少なくとも一つのスイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）を包含する、電力供給ネットワーク（１００）。
10. 前記ネットワーク（１００）の少なくとも一部が、スター型の電力分散構成または二重スター型の電力分散構成またはリング型の電力分散構成のうちの一つの形で構成されることを特徴とする、請求項９に記載の電力供給ネットワーク。
11. 様々な電力分散構成の組合せを特徴とする、請求項１０に記載の電力供給ネットワーク。
12. 第１および第２スイッチモジュール（１０：１０．．．１０ｆ）が各負荷（１１０．．．１１４）について設けられることを特徴とする、請求項９乃至１１の一つに記載の電力供給ネットワーク。
13. 前記スイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）が負荷（１１０．．．１１４）とは別に前記回路（１００）に結合されること、または前記スイッチモジュール（１０；１０ａ．．．１０ｆ）が電気負荷（１１０．．．１１４）に組み込まれることを特徴とする、請求項９乃至１２の一つに記載の電力供給ネットワーク。
14. 請求項９乃至１３の一つに記載の電力供給ネットワーク（１００）を包含する車両。
15. 請求項９乃至１３の一つに記載の電力供給ネットワーク（１００）を包含する作業用機械。
16. 請求項９乃至１３の一つに記載の電力供給ネットワーク（１００）を包含する電力供給設備。

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