JP2016109695A - テスト周波数を重畳することによる、プラグ内の温度検出 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術にて必要とされた追加的な信号線路を必要とせず、また、複雑な送信電子装置や受信電子装置も必要としない、電気導体内の温度を検出するための装置を実現すること。【解決手段】温度センサ（５，６）の信号は電気導体（Ｌ１，Ｎ）を介して搬送され、当該電気導体（Ｌ１，Ｎ）内から前記信号が、結合素子（４，８）を介して誘導的または容量的に、温度を検出するための処理装置（２）内へ出力されることを特徴とする、電気導体内温度検出装置。【選択図】図１

Description

本発明は、温度変化によって周波数が変化する信号を送出する少なくとも１つの温度センサを用いて、電気導体内の温度を検出するための装置に関する。

高電力を伝送しなければならない電力線および差込接続器の場合、動作中に加熱が生じ得る。この加熱は、許容最大温度を超えてはならない。というのも、許容最大温度を超えると周辺に対して危険となり、または、電線や差込接続器に損傷が生じるからである。よって、温度が許容範囲を超える場合には、対応するスイッチを作動させてケーブルを配電網から遮断することにより、送電を中断しなければならない。このような構成は、特に電気自動車において蓄電池の充電を行う場合になされることが多い。電気自動車の充電時間を可能な限り短時間に抑えるためには、非常に大きな電力を伝送する。このことは、充電ケーブルおよび差込接続器の相応の加熱の原因となる。充電ケーブル内および差込接続器内の温度を監視できるようにするためには、従来技術から、たとえばＰＴＣまたはＮＴＣ等の温度センサが公知である。これは、ケーブル内または差込接続器内に挿入されて溶接され、付加的な信号線路を介して、充電ケーブル内または差込接続器内の温度についての情報を充電電子機器のコントローラへ出力する。温度センサが通知する温度が過度に高い場合、充電電子機器は、充電ケーブルおよび差込接続器が冷却するように電圧供給を遮断する。

このプロセスの欠点は、温度センサが別途信号ケーブルを必要とすることであり、これは、ケーブル内の電気導体と共に追加的に設置しなければならない。独国特許発明第１０２０１１０８７２６２号明細書に、検出した温度をコントローラへ更に通知するための信号ケーブルを要しない、無線読出し可能なパッシブ温度センサが記載されている。この無線読出し可能なパッシブ型温度センサは、磁場または電磁場である送信交流場によって作動されて、エネルギーの供給を受ける。送信交流場とのパッシブ型温度センサの結合は、たとえば送信コイルまたはアンテナを用いて行われる。ここで、相応の交流電磁場が外部から入力されると、無線式である前記温度センサは、温度に依存するセンサ信号を生成し、これも出力信号として出力される。この信号は、無線受信機によって読み出されることにより、温度を無線で求めることができる。この装置の欠点は、複雑なセンサおよび受信ユニットを設けなければならないことである。その上、センサおよび受信器が他の無線周波数により妨害されないようにするため、相応の事前対策をとらなければならない。

温度測定用の他の回路が、独国特許出願公開第１０２００７０３９９５１号明細書に記載されている。同刊行物では、パワー半導体の温度が検出され、その温度検出部は、スイッチング回路内に設けられたフォトカプラによって、当該パワー半導体から直流分離されている。このパワー半導体には、ＮＴＣまたはＰＴＣセンサの形態の温度センサが配置されており、これは、抵抗Ｒと容量Ｃとを有する振動回路の一部として使用される。この抵抗Ｒは、温度を感知する上記センサＰＴＣまたはＮＴＣによって形成される。温度が変化すると抵抗Ｒが変化し、これにより振動回路周波数も変化する。このような手法により、電子処理回路を介して、上記変化した周波数を検出することができ、この周波数により、パワー半導体の温度を推定することができる。このように温度を推定することにより、パワー半導体内の温度を監視することができ、過度な加熱の場合にはパワー半導体を遮断することができる。

独国特許発明第１０２０１１０８７２６２号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０３９９５１号明細書

本発明の課題は、従来技術にて必要とされた追加的な信号線路を必要とせず、また、複雑な送信電子装置や受信電子装置も必要としない、電気導体内の温度を検出するための装置を実現することである。

前記課題は本発明では、請求項１に係る発明によって解決され、従属請求項および図面から、本発明の有利な実施形態が明らかである。

信号容量結合を用いた電源プラグ内の温度監視を示す図である。 信号誘導結合を用いた電源プラグ内の温度監視を示す図である。 信号容量結合を用いた温度監視により送電遮断が行われた電源プラグを示す図である。

本発明では、電気導体の任意の場所に、温度依存性かつ周波数可変の部品を収容することができ、これを温度センサとして用いる。特にこの温度センサは、プラグ内の電気導体の端部に取り付けることができる。適切な信号周波数を供給して、これを当該温度センサによって変化させることにより、電気導体自体を介して温度センサの信号を搬送する。温度センサによって周波数が変化した信号は、電気導体を介して処理装置へ伝送され、当該処理装置は、温度センサによって周波数が変化した当該信号を解析することにより、温度の検出を可能にする。ここでも、電気導体および処理装置は直流分離されたままである。というのも、処理装置内への信号の出力は、誘導的または容量的に行われるからである。このことにより、電気導体内の高電圧が処理装置内に突入しないことが保証される。このようにして、信号ケーブルを追加することなく、かつ、無線信号により妨害される可能性のある複雑な送信技術装置や受信技術装置を用いることなく、温度センサの信号を解析して温度を求めることができる。

本発明の第１の実施形態では、前記温度センサは可変容量または可変インダクタンスを有する。キャパシタの形態の前記容量、または、コイルの形態の前記インダクタンスは、生じている温度に依存して容量またはインダクタンスを変化させる。容量やインダクタンスが変化することにより、前記処理装置に到達する信号の周波数が変化し、周波数が変化した信号が処理装置へ送信される。変化した周波数に依存して、処理装置は温度を求めることができる。その際に特に有利なのは、電気導体内の温度が予め決まった温度、たとえば６０℃になると、温度センサから出力される信号の周波数が急峻に変化することである。６０℃は大抵、充電ケーブル内において超えてはならない臨界的限界である。というのも、これを超えると周辺が危険にさらされ、充電ケーブルが損傷しうるからである。容量またはインダクタンスが急峻に変化することにより、周波数も急峻に変化し、この急峻に変化した周波数によって、温度が臨界域にあることを高信頼性で示す信号が出力される。処理装置によって検出される周波数等、周波数が急峻に変化すると直ちに、電圧供給部を遮断することができ、この電圧供給部の遮断により、電気導体が更に過熱するのを防止することができる。このようにして、特に電気自動車用の充電ケーブルにおいて必要な安全性が実現される。

本発明の他の有利な実施形態では、温度に依存して温度センサにより周波数が変化した信号が、信号発生器から保護導体へ入力される。温度センサがこの信号の周波数を変化させることがないようにするためには、温度センサに適切な信号を印加しなければならない。この適切な信号は、本発明では信号発生器によって生成され、信号発生器は保護導体を介して前記信号を入力させる。よって本発明では、周波数信号のために別個の供給線路を設ける必要もない。むしろ前記信号は、いずれにせよ既存の保護導体を介して入力させることができる。これに代えて択一的に、充電導体すなわち相線または中性導体を介して前記信号を供給することも可能である。しかしその際には、１つの温度センサの１つの周波数しか解析することができない。

本発明の他の１つの実施形態では、前記信号発生器と、保護導体と、温度センサと、電気導体とが振動回路を構成し、この振動回路の周波数が前記処理装置によって検出される。温度が変化しなければ、この振動回路における信号の周波数は一定に留まり、処理装置によっても相応に検出される。温度が上昇または下降すると直ちに、振動回路における周波数が変化し、この変化が処理装置によって検出される。このようにして処理装置は、変化した周波数を検出することにより、これに対応した、温度センサにおける温度を推定することができる。

さらに、電気導体内にて伝送される信号が、配電網に入力されない周波数範囲内となるように、振動回路を調整することも可能である。振動回路における周波数が、比較的高周波の信号が更に伝搬することがなく、相応の伝送阻止部によってフィルタリング除去される範囲内となるように、当該周波数を、これに関与する素子の選定により手際よく選択することができる。前記伝送阻止部は、たとえばローパスから成る。このことにより、信号が配電網内に達してここで妨害とならないことも保証できる。上述の伝送阻止部によって、温度を検出するための装置のスイッチング回路が外乱信号により影響を受けることも防止される。

好適にはさらに、少なくとも処理装置および信号発生器が、電気自動車用の充電ケーブル内においてインケーブル（ケーブル一体型）コントロールボックス内に配置される。インケーブルコントロールボックスとは、電気自動車における充電プロセスの少なくとも一部を制御する電子制御装置のことであり、インケーブルコントロールボックスはまた、充電プロセス時の安全性を保証し、特に、電気自動車に設置された充電電子装置との通信を保証するという役割も有する。処理装置および信号発生器をインケーブルコントロールボックスに組み込むことにより、電気自動車の充電プロセスを制御および監視するためのコンパクトな制御監視ユニットを実現することができる。

さらに、インケーブルコントロールボックスはマイクロプロセッサを含み、このマイクロプロセッサは少なくとも１つの電気導体または中性導体を断路するためのスイッチを有する。このマイクロプロセッサを用いて、充電ケーブルの過負荷時にはこれを配電網から遮断するスイッチング動作を当該充電ケーブルにおいて引き起こす。こうするために好適なのは、マイクロプロセッサによって、電気導体および／または中性導体を各対応するスイッチにより遮断することである。本発明では、マイクロプロセッサと処理装置とを通信のために相互に接続する。このことにより、処理装置によって危険であると判定された温度上昇を直接、信号としてマイクロプロセッサへ転送することができ、マイクロプロセッサはこれに応答して、電気導体および中性導体において各対応するスイッチを作動させることにより、給電を中止して更なる加熱を防止できるという利点が奏される。

好適にはさらに、ケーブルレセプタクルまたはコンセントに接続されるコネクタプラグ内において、温度センサを電気導体に配置する。このような構成により、電気自動車とのコネクタプラグ内の温度を直接検出することができる。差込接続器の嵌合が良好でないことに起因する危険な温度上昇は、充電ケーブルと電気自動車との接触抵抗を上昇させる原因となるが、上述のようにコネクタプラグ内の温度を直接検出できることにより、特に、かかる危険な温度を高信頼性で検出して、充電プロセスを中止することができる。よって、差込接続器の嵌合が良好でなくても、差込接続器内の温度が許容範囲を超えることがなく、これにより、作業員が危険にさらされることを回避し、かつ、充電ケーブルやコネクタプラグが損傷することも回避できることが保証される。

以下、３つの図を参照して本発明を詳細に説明する。

図１に、電気自動車用の充電ケーブルが示されており、これは、電気導体Ｌ１と中性導体Ｎとを有する。さらに保護導体ＰＥも設けられている。この充電ケーブルを介して、配電網から電力が差込接続器を介して電気自動車へ伝送される。充電ケーブルの端部における差込接続器内の温度を検出するためには、差込接続器内の導体端に、導体Ｌ１内と中性導体Ｎ内とにおける温度を検出する温度センサ５，６が組み込まれている。これらの温度センサ５，６は、可変キャパシタ５ａから容量式に構成するか、または、可変インダクタンス６ａから誘導式に構成することができる。可変キャパシタ５ａおよび可変インダクタンス６ａは温度に依存するので、温度が変化することにより容量ないしはインダクタンスが変化する。充電ケーブルはさらに、安全機能および通信機能のためのいわゆるインケーブル（ケーブル一体型）コントロールボックス１を備えている。このインケーブルコントロールボックス１は通常、電気自動車において充電電子機器との併用で充電プロセスを監視および制御する役割を有する。特に、インケーブルコントロールボックス１は給電を投入する役割も有する。こうするために、インケーブルコントロールボックス１内にマイクロプロセッサ７が設けられており、これによって前記安全機能および通信機能が実現される。とりわけマイクロプロセッサ７は、電気導体Ｌ１と中性導体Ｎとに設けられた、配電網からの電圧供給を投入または遮断するためのスイッチを制御する。

本発明では、インケーブルコントロールボックス１内に更に、処理装置２および信号発生器３が収容される。この信号発生器３は交流電圧信号を生成し、この交流電圧信号は、設定された周波数で保護導体ＰＥを介して直接、充電ケーブル内に入力される。この信号は保護導体ＰＥを介して、充電ケーブルの端部にある温度センサ５，６まで伝搬し、この温度センサ５，６において、可変キャパシタ５ａまたは可変インダクタンス６ａを通過する。電気導体Ｌ１および中性導体Ｎによって電気回路が閉じられ、これは信号の復路となる。

振動回路と処理装置２ないしは信号発生器３との間に直流分離を依然存在させたままにするためには、電気導体Ｌ１および中性導体Ｎ内から、結合キャパシタ４を介して信号を取り出す。このようにして取り出された信号は処理装置２において検出され、この検出された信号の周波数が解析される。ここで検出される信号の周波数は、既に説明したように、温度センサ５，６に実際に生じた温度に依存して、当該温度センサ６，５内のインダクタンス６ａないしは容量５ａが変化することにより変化する。このようにして、処理装置２は充電ケーブルのプラグ内の温度を検出することができる。温度が許容範囲を超えると処理装置２が判定した場合、処理装置２は、対応する信号をマイクロプロセッサ７へ出力する。マイクロプロセッサ７は、充電ケーブルへの電圧供給を中止するため、スイッチによって電気導体Ｌ１および中性導体Ｎを遮断する。このようにして充電ケーブルの過熱が回避され、特に、充電ケーブルの端部に設けられたプラグの過熱も回避される。

インケーブルコントロールボックス１内にはさらに、温度を検出するための信号が配電網内に侵入することにより妨害が生じるのを防止する伝送阻止部を設けることも可能である。このようにして、信号発生器３と保護導体ＰＥと温度センサ５，６と結合キャパシタ４とから成る振動回路が依然閉じたままとなり、信号がこの振動回路内でのみ巡回することも保証される。可変容量５ａを有するセンサの場合、第２タイプのセラミックキャパシタを使用するか、または、たとえば６０℃等の予め決まった温度になると容量が同等の急峻さで変化する誘電体を有するキャパシタを使用するのが好適である。可変インダクタンス６ａの場合、ヴァック（Ｖａｃ）社の材料サーモフラックス（Thermoflux）から成る温度依存性のコイルコアを使用するのが有利である。

図２に、図１の実施形態の変形態様を示す。同変形形態の基本動作は、図１のものと全く同じである。その唯一の相違点は、結合キャパシタ４に代えて、電気導体Ｌ１および中性導体Ｎから信号を取り出すために結合インダクタンス８が設けられていることである。この結合インダクタンス８も同様に、直流分離によって導体Ｌ１，Ｎ内から交流電圧信号を確実に取り出すものである。その他の点については、図２の回路は図１の回路と全く同じに動作する。

図３に、図１および図２の実施形態のうち、可変キャパシタ５ａが設けられた部分を示す。さらに、プラグ内には伝送阻止部も設けられており、これは、更なるインダクタンス９と容量１０とから構成される。この伝送阻止部はローパスとなるので、配電網から回路内に高周波の信号が拡散することもなく、また、信号発生器３の信号が外部へ漏出して妨害となることもない。

１ 安全機能および通信機能のためのインケーブルコントロールボックス
２ 処理装置
３ 信号発生器
４ 結合キャパシタ
５ 可変容量型センサ
５ａ 可変キャパシタ
６ 可変インダクタンス型センサ
６ａ 可変インダクタンス
７ マイクロプロセッサ
８ 結合インダクタンス
９ 伝送阻止部 インダクタンス
１０ 伝送阻止部 容量
Ｌ１ 導体
Ｎ 中性導体
ＰＥ 保護導体

Claims (10)

1. 温度変化により周波数が変化する信号を出力する少なくとも１つの温度センサ（５，６）を用いて電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置において、
   前記温度センサ（５，６）の信号は前記電気導体（Ｌ１，Ｎ）を介して伝送され、
   前記電気導体（Ｌ１，Ｎ）内から前記信号が、結合素子（４，８）を介して誘導的または容量的に、温度を検出するための処理装置（２）内へ出力される
   ことを特徴とする装置。
2. 前記温度センサ（５，６）は、可変容量（５ａ）または可変インダクタンス（６ａ）を有する、
   請求項１記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。
3. 前記電気導体（Ｌ１，Ｎ）内において所定の温度、特に６０℃になるとき、前記温度センサ（５，６）から出力される信号の周波数は急峻に変化する、
   請求項１または２記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。
4. 温度に依存して前記温度センサ（５，６）により周波数が変化した信号は、信号発生器（３）から保護導体（ＰＥ）を介して入力される、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。
5. 前記信号発生器（３）と、前記保護導体（ＰＥ）と、前記温度センサ（５，６）と、前記電気導体（Ｌ１，Ｎ）とが、振動回路を構成し、
   前記振動回路の周波数が、前記処理装置（２）によって検出される、
   請求項４記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。
6. 前記電気導体（Ｌ１，Ｎ）内にて伝送される信号が、配電網に結合しない周波数範囲内になるように、前記振動回路は調整されている、
   請求項５記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。
7. 少なくとも前記処理装置（２）および前記信号発生器（３）は、電気自動車用の充電ケーブル内においてケーブル一体型コントロールボックス（１）内に配置されている、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。
8. 前記ケーブル一体型コントロールボックス（１）はマイクロプロセッサ（７）を有し、
   前記マイクロプロセッサ（７）は、少なくとも１つの電気導体（Ｌ１）および／または中性導体（Ｎ）を断路するためのスイッチを含む、
   請求項７記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。
9. 前記マイクロプロセッサ（７）と前記処理装置（２）とは、通信のために相互に接続されている、
   請求項８記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。
10. 前記温度センサ（５，６）は、ケーブルレセプタクルまたはコンセントに接続されるコネクタプラグ内において前記電気導体（Ｌ１，Ｎ）に配置されている、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の電気導体（Ｌ１，Ｎ）内の温度を検出するための装置。

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