JP4417845B2 - 供給線構造 - Google Patents

Description

本発明は，自動車の電気的なコンポーネントへのエネルギーの供給のため，または，少なくとも幾つかの電気的コンポーネント間で情報を伝送するための供給線構造に関するものであって，その場合に供給線が，好ましくは，少なくとも１つの中性点を有するスター構造で配置されている。

この種の供給線構造は，本出願人による，まだ公開されていないドイツ特許出願１０１４２４１０．８に記載されている。

この分野に基づく供給線構造は，例えば，ドア制御装置とシート制御装置との間のような，種々の電気的コンポーネント間の通信にも，これらのコンポーネントのエネルギー供給にも用いられる。ここでは「パワーラインコミュニケーション」を問題にしている。そのためには，従来技術においてすでに存在するケーブルハーネスを，供給線が少なくとも１つの中性点を備えたスター構造内に配置されるように，構造替えすることが効果的であることが明らかにされている。既知の供給線構造においては，コンポーネントの給電のために，いわゆる「ツイストペア」線の使用が効果的であることが証明されている。それは，互いに撚り合わされた二芯線または導線であって，干渉強度の改良をもたらし，かつ，その撚り度合いに従って異なる電波インピーダンスが生じる。上記導体システム内のスター構造は，連続した，抵抗の並列回路と見なすことができるので，スター構造に対して極めて低いインピーダンスが生じ，供給線の分岐においてそのインピーダンスが中性点の方向に伝播する波の中性点における望ましくない反射をもたらす。しかしこの効果は，中性点の領域における導線分岐の接続によって抑圧することができ，それが前記のドイツ特許出願１０１４２４１０．８によって提案されている。

しかし，上述した供給線構造においては，他に大きな電流の伝送という問題がある。上述した「ツイストペア」線が使用される場合，実際に線を捻ることに基づいてその導線断面が制限され，伝送可能な電流の強さが制限される。さらに，大きい断面を有する「ツイストペア」線の製造には費用がかかる。

従って本発明の課題は，この分野の供給線構造において大きな供給電流を伝送可能にすることである。

この課題は，上述した供給線構造に基づき，本発明の，供給線の少なくとも一部において，中央の導線（Ｌｅｉｔｕｎｇｓｌｉｔｚｅｎ，素線）を囲んで同心に複数の外側の導線が配置されることで解決される。

従って本発明は，個々の高電流負荷に給電するため，あるいは中央の配電器の接続点，即ち供給線構造内部の中性点（Ｓｔｅｒｎｐｕｎｋｔ）に給電するために，導線の同心配置を用いて，供給線の該当する部分を形成することを，提案している。このようにして，極めて大きい導線断面が得られ，その導線断面は，エネルギー供給のために，１０Ａをもずっと上回る大きい電流の伝送を許す。このような伝送は個々の「ツイストペア」線によっては不可能である。というのは，そのために必要とされる導線断面が導線の撚りを，もはや経済的に許さないからである。

複数の外側の導線を，中央の導線を中心として同心に配置することによって，例えば，中央のヒューズボックスを用いて，周波数選択を実現することもできる。これは，幾本かの「ツイストペア」線を必要とし，それらを再び束ねて配設しなければならず，費用がかかると見られる。

本発明に基づいて提案される配置は，特に断面の等しい何本かの外側の導線と，中央の導線，いわゆるガイド導線からなり，そのガイド導線の回りに外側の導線が配置または巻き付けられている。しかし，ガイド導線として，外側の導線よりも大きい断面を有する導線を使用することも，考えられる。同様に，編んだり組んだりしたワイヤロープと同じように，複数の導線でガイド導線を形成して使用することも，可能である。中央のガイド導線の回りに５〜１０本，特に５〜８本の外側の導線が設けられていると，効果的であることが証明されている。その場合に，６本の外側の導線が特に効果的であることが明らかにされている。良好な結果は，２〜３ｍｍ^２，特に約２．５ｍｍ^２の断面の導線によって得られた。

本発明の展開では，外側の導線がコンデンサにより，特にその両方の端部において，互いに高周波技術的に短絡されることが特に重要である。上記のやり方で，このように形成された供給線部分は，ＨＦデータ信号のための同軸線と同様の動作を行う。

同心配置の内部における中央の導線またはガイド導線は，一般に，外側の導線の断面の合計よりも小さい断面を有しており，大きい電流を伝送する場合に，車体を介して直流成分の還流を行うことができると効果的である。そのために，中央の導線は，好ましくはその両端部において，車体と接続されていると，効果的であることが明らかにされている。

しかし，上記の場合に，車体を介して望まないコモンモード電流が形成される可能性がある。好ましくは，上記において，外側の導線と中央の導線の間に誘導性（インダクティブ）のカップリングを使用し，それに対抗することができる。そのために，フェライト材料からなるリング状のコアを使用することができ，供給線はこのリング状のコアに挿通され，そのコアは供給線の該当する部分へ簡単に動かすことができる。このようにして「コモンモードコイル」が形成される。コモンモード電流に対するインピーダンスをさらに高めるために，導線の同心配置をリング状のコアの回りに少なくとも１回あるいは複数回巻くことが可能であり，このとき供給線は，リング状のコアを通り，かつそのコアを取り巻く，１本または複数本のループを形成する。

導線の同心配置によるインピーダンスは，３５−５０オーム，特に４０オームで実現されることが，明らかにされている。

本発明に基づく供給線構造により，導線の長さを５ｍとして，１００ＭＨｚ〜２５０ＭＨｚの間の周波数帯域内では，−１．４ｄＢ〜−４．４ｄＢ，好ましくは−１．９ｄＢ〜−３．７ｄＢの伝達特性が達成され，それが特に適していると見られる。従って，大きい電流を伝送することができる。

中央の導線から車体へ，あるいは外側の導線から，特に「ツイストペア」線を有する他の分岐への移行におけるコモンモード電流を抑圧するために，フェライト材料を有するリング状のコアを「コモンモードコイル」として使用すると良いことが明らかにされている。

本発明の他の特徴，利用可能性および利点は，図面に示す本発明の実施形態についての以下の説明から明らかにされる。その場合にすべての記載された，あるいは図示されている特徴は，それ自体で，あるいは任意の組合せにおいて，特許請求項におけるその要約またはその帰属に関係なく，かつ明細書あるいは図面におけるその表現または図示に関係なく，本発明の対象を形成する。

図１は，それぞれ断面積が２．５ｍｍ^２で等しい７本の導線の本発明に基づく同心配置を断面として示しており，その場合に外側の６本の導線４が中央の導線またはガイド導線２の回りに配置されている。寸法ｄは１．７８ｍｍであり，寸法Ｄは６．８ｍｍである。自動車の電気的コンポーネントにエネルギーを供給し，かつ，これら電気的コンポーネントの少なくとも幾つかの間で情報を伝送するために供給線構造における上記の配置を使用する場合，外側の導線４がプラス電位に，中央の導線２はマイナス電位に接続される。外側の６本の導線４は，例えばエンジンルーム内の中央のヒューズボックスにおいて１本１本個々に守られ得る。この本発明に基づく供給線の他方の端部は，自動車内の，例えば後部座席の下の，上記の他の中央点に設けられた分配ボックスに接続することができる。その場合に上記中央の点が，供給線構造の中性点を形成する。

図２から明らかなように，かつ，そこに概略的に示されているように，外側の導線４は，好ましくは，同心の導線配置の両端部においてコンデンサ６を用いてＨＦ技術により短絡され，供給線を形成するための本発明に基づく配置は，ＨＦデータ信号のために同軸導線と同様に作用する。

特に大きい電流を伝送する場合に直流成分の還流の問題が生じる。冒頭で示唆したように，特に大きい電流に対しては，車体を介して直流成分の還流を実施すると，効果的であることが明らかにされている。そのために本発明に基づく配置における中央の導線もしくはガイド導線２の両端は，付加的に，図示されていない車体と接続される。しかしこれは，車体を介してコモンモード電流の発生をもたらす。（同様に冒頭で説明したように）フェライト材料を有する，あるいはフェライト材料からなるリング状のコアを使用することによって，それに対抗する。この種のリング状のコア８が，図３ａ，ｂに示されており，その場合に同時に，電流Ｉ_１を導く外側の導線４と，電流Ｉ２を導く中央の導線２が示されている。リング状のコア８は，導線２，４の同心の配置上を簡単に押し動かすことができ，この同心の配置における，該当する供給線の本発明に基づいて形成された部分は，リング状のコア８を通って延びている。

コモンモード電流成分に対するインピーダンスを高めるために，図３ｂに示唆されているように，考察される供給線部分をリング状のコア８の断面の回りに１回または複数回巻いてループ状にすることが考えられ，かつ効果的である。

リング状のコア８，従ってコモンモードコイルカップリングの影響を説明するために，図４を参照することができ，同図は，供給線１０の本発明に基づく部分と電源（ジェネレータ）Ｕ_Ｑおよび車体を表す金属プレート１２との接続を示している。等価回路が，図５に示されている。

供給線１０の一側に，電源Ｕ_Ｑが接続されている。供給線１０の他方の側においては，外側の導線４と中央の導線２との間に負荷抵抗Ｚ_ＬＡＳＴが設けられている。従って好ましくないことに，内側導体，即ち中央の導線２がさらに金属プレート１２に接続された場合の電位は，このようにして形成された同心線のシールド，即ち外側の導線４と金属プレート１２とは異なる電位になる。図５の等価回路において，シールドと金属プレート１２との間のＣ_Ｐで示される寄生容量により，電流回路が閉じられ，コモンモード電流が流れる。供給線１０の電源側に，上述したフェライト材料からなるリング状のコア８を補足すると，このコモンモード電流をほぼ阻止することができる。というのは，リング状のコア８によって形成されるコモンモードコイルのインピーダンスＺ_ＣＭが，電流回路の元のインピーダンスを著しく引き上げるからである。事情の理解を容易にするため，ここではＨＦ部分が省かれている。従って，図５の等価回路について，導線の長さは，波長と比較して「短い」と仮定されている。よって，上記等価回路は，ディスクリートな構成素子を使用して形成することができる。

図６ａおよび図６ｂは，３ｍの長さの供給線１０を使用した場合に考えられる状況の測定結果を示している。測定は，図６ａに示すように，リング状のフェライトコアによる誘導性のカップリングを有する場合についても，有していない場合についても行われた。

リング状のコアを使用する場合の著しい利点が見られる。

図６ｂに示すグラフは，金属プレート１２への様々な接続による測定を示している。そのためにまず，金属プレート１２との接続を分離して，供給線１０自体が測定される。さらに付加的に，供給線１０の中央の導線２が，電源側と負荷側とにおいて金属プレート１２と接続した状態が示されている。これは，本来，コンデンサＣ_Ｐが無くなってＣ_Ｐ→∞となる特殊な場合を示している。その場合に応用的に，車体を介した付加的な直流路が生じ，それについてはすでに説明されている。そして最後に，直接比較するために，電源側においてのみ金属プレート１２に接続した場合が表されている。上記の場合のすべての測定において，リング状のコア（コモンモードコイル）は，供給線１０の電源側で使用される。測定結果から，各カーブは，互いに約２ｄＢしか異ならないことが理解される。従って，付加的な直流電流路の実現は，車体を介して完全に実現可能であって，それが供給線構造の内部で供給線部分１０の伝送動作にネガティブな作用を与えることはない。

以下，インピーダンスについて述べる。

同心の導線配置のインピーダンスを計算するために，次の数式１が利用される。

ε_{ｒ，Ｉｓｏｌｉｅｒｕｎｇ}は，使用される絶縁体材料の誘電率である。Ｄとｄは，図１から明らかである。

同心の導線配置における保護皮膜あるいはシールドは，ガイド導線から一定の間隔を全周面においては有していないので，数式１内のＤとして平均の直径が使用される。

図１に示された１本のガイド導線と６本の周囲導線とを有する例に従って，２．５ｍｍ^２の断面を有するＰＶＣ絶縁された銅線を使用する。この場合，数式１に従ってｄ＝１．７８ｍｍでＤ＝６．８ｍｍであり，計算されたインピーダンスとして，Ｚ_{Ｌ，ｂｅｒｅｃｈｎｅｔ}＝４２．９９Ωが得られる。

測定技術的には，Ｚ_{Ｌ，ｂｅｒｅｃｈｎｅｔ}≒４０Ωのインピーダンスが得られる。よって上に記載した数式１を証明することができる。

以下，減衰量について述べる。

同心の導線配置の関連性によって，同心の導線配置の導体損失α_Ｌによる減衰量を，次の関係に従って近似させることができる。

誘電損失αＤの減衰量について，上記同様，数式３

によって近似させることができる。

以下に，単位長さ当たりの容量について述べる。

同心の導線配置の単位長さ当たりの容量Ｃ’は，次の式によって近似させることができる。

上で行った説明をチェックするために，２．５ｍｍ^２の同一の断面を有する６本の導線からなる，５ｍ長さの同心の導線配置の伝送動作が調べられ，上で紹介した近似式によってモデリングされる。誘電定数ε_ｒについては，ここではεｒ＝３．５，銅の損失係数ｔａｎδについては，ｔａｎδ＝１５・１０^−３が使用される。インピーダンスＺ_Ｌは，数式１に従ってＺ_Ｌ＝４０Ωによって近似される。測定自体は，基準インピーダンスＺ_０＝４０Ωの元で近似されるが，基準インピーダンスＺ_０＝３９Ωで実施された。

そして，図７には，測定技術的に求められ，モデリングされた伝送関数も表示されている。モデリングされた伝送関数は，上の関係を元にして，最小二乗評価装置を用いて計算される。測定とシミュレーションとの抜群の一致が認められる。

供給線の導線の同心配置を概略的に示している。 ＨＦ技術的に短絡された外側の導線を概略的に示している。 コモンモードコイルとしてのリング状フェライトコアの使用を概略的に示している。 コモンモードコイルとしてのリング状フェライトコアの使用を概略的に示している。 金属プレート（車体）と本発明に基づく導線部分との接続を概略的に示している。 コモンモードコイルを伴った図４に示す配置に対する等価回路図を示している。 コモンモードコイルを有する本発明に基づく供給線とコモンモードを持たない供給線の伝送動作を示している。 コモンモードコイルを有する本発明に基づく供給線とコモンモードを持たない供給線の伝送動作を示している。 ５ｍ長さの本発明に基づく供給線の伝送動作を示している（測定技術的に求められ，かつモデリングされている）。

Claims (11)

1. 自動車の電気的なコンポーネントへのエネルギーの供給のため，または，少なくとも幾つかの電気的コンポーネント間で情報を伝送するための供給線構造であって，その場合に供給線が，少なくとも１つの中性点を有するスター構造で配置されている，前記供給線構造において：
   供給線（１０）の少なくとも一部は，複数の外側の導線（４）が中央の導線（２）を囲んで同心に配置され,
   前記外側の導線（４）は，前記考察される供給線（１０）の両端において，前記コンデンサ（６）によって，互いに高周波技術的に短絡されていることを特徴とする，供給線構造。
2. 外側の導線（４）は，コンデンサ（６）によって，互いに高周波技術的に短絡されていることを特徴とする，請求項１に記載の供給線構造。
3. 前記中央の導線（２）の一端もしくは両端は，車体（１２）と接続されていることを特徴とする，請求項１に記載の供給線構造。
4. 前記供給線（１０）は，フェライト材料を含むリング状のコア（８）に挿通されている（コモンモードコイル）ことを特徴とする，請求項１に記載の供給線構造。
5. 前記供給線（１０）は，リング状のコア（８）に少なくとも一回巻きついていることを特徴とする，請求項４に記載の供給線構造。
6. 前記供給線（１０）は，電源側において，フェライト材料を含むリング状のコア（８）に挿通されていることを特徴とする，請求項４または５に記載の供給線構造。
7. １本の中央の導線（２）と，５〜１０本，特に５〜８本の，外側の導線（４）とが設けられていることを特徴とする，請求項１に記載の供給線構造。
8. 前記導線（２，４）は，２〜３ｍｍ^２の断面を有していることを特徴とする，請求項７に記載の供給線構造。
9. 前記複数の外側の導線（４）が前記中央の導線（２）を囲んで同心に配置され，３５〜５０オームのインピーダンスを有していることを特徴とする，請求項１に記載の供給線構造。
10. 前記複数の外側の導線（４）が前記中央の導線（２）を囲んで同心に配置され，１００〜２５０ＭＨｚの周波数帯域において，−１．４ｄＢ〜−４．４ｄＢの伝達特性を有していることを特徴とする，請求項１に記載の供給線構造。
11. 前記複数の外側の導線（４）が前記中央の導線（２）を囲んで同心に配置され，１００〜２５０ＭＨｚの周波数帯域において，−１．９ｄＢ〜−３．７ｄＢの伝達特性を有していることを特徴とする，請求項１に記載の供給線構造。

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