JP5908990B2

JP5908990B2 - 保護装置、方法、及び、エネルギー供給システム

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Publication number: JP5908990B2
Application number: JP2014547801A
Authority: JP
Inventors: ポイザー、トーマス; ガーゼ、シュテファン
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: CN103999308A; WO2013092066A1; EP2795755B1; JP2015507459A; US9705493B2; DE102011089145A1; US20140312715A1; EP2795755A1; CN103999308B

Description

本発明は、第１の活線及び第２の活線を備えたＩＴネットワークのための保護装置、方法、及び、エネルギー供給システムに関する。

アースに対して電気的に絶縁されたエネルギーネットワークが、様々な技術的な適用において使用されている。このような所謂ＩＴ（ＩｓｏｌａｔｅｄＴｅｒｒｅ）ネットワークの可能な適用は、ハイブリッド車及び電気自動車である。

本発明の主題は多数のＩＴネットワークのために使用可能であるが、以下では、ハイブリッド車又は電気自動車のためのＩＴネットワークとの関連において記載される。

近代的な自動車の開発において、燃料消費の削減及び有害物質排出の削減は、開発エンジニアにとって重要な基準の１つである。内燃機関の燃料消費を削減するために、ハイブリッド車両内の内燃機関は、電動機によってサポートされうる。電気自動車内では、内燃機関は、電動機によってサポートされるのではなく、電動機と置換される。

このようなハイブリッド車及び電気自動車では、高電圧エネルギー貯蔵器、例えばリチウムイオンバッテリが、電動機の駆動のために必要な電気的エネルギーを蓄えるために使用される。この高電圧エネルギー貯蔵器は、通常では、一方が正の電圧を案内し他方が負の電圧を案内する２つの高電圧線を介して、インバータへと伝達される。

このようなハイブリッド車又は電気自動車が工場で整備される場合に、状況によっては、高電圧線が露出している可能性がある。ハイブリッド車又は電気自動車でのサービス業務の後で、バッテリとインバータとの間の高電圧線がインバータと正常に接続されない場合には、生物、特に人間が、高電圧線の帯電している構成要素に触れるということが起こりうる。

このようなハイブリッド車又は電気自動車は、例えば、独国特許出願公開第１０２００８００１９７３号明細書に示されている。

本発明は、特許請求項１に記載の特徴を備えた保護装置と、特許請求項７に記載の特徴を備えた方法と、特許請求項１３に記載の特徴を備えたエネルギー供給システムを開示する。

これに応じて、第１の活線及び第２の活線を備えたＩＴネットワークのための保護装置であって、第１の信号を第１の活線及び／又は第２の活線に供給するよう構成された信号発生器と、少なくとも１つの活線内の供給された第１の信号の推移を検出するよう構成された検出装置と、検出された推移を解析し、検出された推移の解析が、生物による第１の活線及び第２の活線との接触を示す場合には、停止信号を出力するよう構成された制御装置と、を備えた、上記保護装置が構想される。

第１の活線及び第２の活線を備えたＩＴネットワークのための生物の保護のための方法であって、第１の信号を第１の活線及び／又は第２の活線に供給する工程と、少なくとも１つの活線内の供給された第１の信号の推移を検出する工程と、検出された推移を解析し、検出された推移の解析が、生物による第１の活線及び第２の活線との接触を示す場合には、停止信号を出力する工程と、を含む、上記方法が構想される。

少なくとも１つの高電圧バッテリと、中間回路コンデンサを有する高電圧中間回路と、高電圧バッテリと中間回路コンデンサとを接続する少なくとも２つの高電圧線と、２つの高電圧線を高電圧バッテリから電気的に分離するよう構成された少なくとも１つの制御可能な切り替え装置と、請求項１〜６のいずれか１項に記載の保護装置であって、高電圧線のうちの１つと少なくとも結合され、生物による活線との接触が検出される場合には、少なくとも１つの制御可能な切り替え装置が２つの高圧線を高電圧バッテリから電気的に分離するように、停止信号を用いて、当該少なくとも１つの制御可能な切り替え装置を制御するよう構成された上記保護装置と、を備えたエネルギー供給システムが構想される。

本発明の根底には、生物は周波数に依存するインピーダンスを有しており、この周波数に依存するインピーダンスを、生物がＩＴネットワークの活線に触れているかを検出するために利用することが可能であるという認識がある。

本発明の根底には、上記認識を考慮して、生物に特徴的なインピーダンスが存在するかについてＩＴネットワークの活線を検査し、生物に特徴的なインビーダンスがＩＴネットワークの活線内で検出された場合には停止信号を出力する、ＩＴネットワークのための保護装置を提供するという思想がある。

これについて本発明は、第１の信号を活線に供給し、活線内の信号の推移を用いて、生物が活線に触れているかどうかを検出することを構想する。活線内の信号の推移として、活線内のインビーダンスに基づき反射され及び／又は変更される第１の信号も理解される。

その際に、第１の信号としては、予め設定された周波数スペクトルに渡って活線内のインピーダンスを検出することを可能にする各信号が適している。その際に、予め設定された周波数スペクトルは、少なくとも、生物の特徴的なインピーダンスを検出することを可能にする周波数を有する。

有利な実施形態及び構成は、従属請求項、及び、図面を参照した以下の記載から明らかとなろう。

一実施形態において、信号発生器は、制御可能な電圧源及び／又は制御可能な電流源を有する。さらに、第１の信号は、電圧インパルス又は電流インパルスである。電圧インパルス又は電流インパルスを第１の信号として生成するために、制御可能な電圧源又は制御可能な電流源が使用される場合には、様々な適用ケースに対する電圧保護装置の非常にフレキシブルな調整が可能になる。

他の実施形態において、信号発生器は、切り替え素子を備えたコイルを有し、切り替え素子は、コイルと電圧源とを接続し、及び、電圧インパルスの形態により第１の信号を生成するために、コイルを電圧源から分離するよう構成される。コイルが信号発生器として使用される場合には、信号発生器の非常に簡素な構成、及び、保護装置の非常に簡素な構成が可能となる。

他の実施形態において、検出装置は、少なくとも１つの活線内の電圧を検出するよう構成された電圧センサ、及び／又は、少なくとも１つの活線内の電流の強さを検出するよう構成された電流センサを有する。第１の信号の推移を検出するために、本発明に基づいて、活線内の電圧の推移及び／又は電流の推移が検出される場合には、活線内のインピーダンスが、予め設定された周波数スペクトルに渡って非常に容易に検出される。

更なる別の実施形態において、制御装置は、検出された電圧及び／又は検出された電流の強さを、当該検出された電圧及び／又は検出された電流の強さを特徴付けるデジタル値に変換するよう構成されたアナログ／デジタル変換器を有する。このことによって、検出された電圧及び／又は検出された電流の強さを、プログラム制御される装置、即ち、マイクロコントローラ内でさらに処理することが可能となる。

更なる別の実施形態において、制御装置は、少なくとも１つの活線内の供給された第１の信号の推移を特徴付ける複数のデジタル値を格納するよう構成されたメモリを有し、制御装置は、供給された第１の信号の格納された時間的な推移について、周波数領域への変換、特に高速フーリエ変換を実行し、周波数領域内での供給された第１の信号の推移を特徴付けるデータを出力するよう構成された変換装置を有する。さらに、制御装置は、格納されたデータのうち、活線のインピーダンスが局所的な最大値又は最小値を有する周波数を識別し、識別された周波数のうちの少なくとも１つが、生物を検出するための少なくとも１つの予め設定された周波数領域内に存在する場合には、停止信号を出力するよう構成された評価装置を有する。

時間領域への信号推移の変換が行われる場合には、活線内の周波数に依存するインピーダンスを解析することが非常に簡単に可能となる。周波数に依存する生物のインピーダンスは、特定の周波数で最大値又は最小値を有するため、この周波数領域内では、信号の推移において周波数に依存する特徴的な生物のインピーダンスが存在するかどうかを非常に簡単に検出することが可能である。これにより、簡単な計算によって、非常に確実に停止信号が出力されうる。

上記の構成及び発展形態は、それが有効である限り、任意に互いに組み合わせられる。本発明の更なる別の可能な構成、発展形態、及び実現は、明示的には挙げないが、以前に又は以下で実施例に関して記載される本発明の特徴の組み合わせを含む。その際に特に、当業者には、本発明の各基本形態への改善及び補足として個々の観点も付け加えられる。

以下では、本発明が、図面の概略図に示された実施例を用いて詳細に解説される。
本発明に係る保護装置１の一実施形態のブロック図を示す。本発明に係る方法の一実施形態のフロー図を示す。本発明に係るエネルギーシステムの一実施形態のブロック図を示す。人間の電気的等価回路を表す回路図を示す。周波数に依存するインピーダンスが示されたグラフを示す。

全ての図において、同一又は機能が同一の構成要素及び装置には、他に特に示されない限り、同一の符号が付される。

図１は、本発明に係る保護装置１の一実施形態のブロック図を示す。

図１の保護装置１は、信号発生器２を有し、この信号発生器２は制御装置５と結合され、当該制御装置５によって制御される。さらに、保護装置１は、活線Ｌ＋、Ｌ−内の信号の推移を検出して制御装置５に提供するよう構成された検出装置４を有する。さらに、制御装置５は、停止信号６を出力するよう構成される。

最後に、図１は、ＩＴネットワークの２つの活線Ｌ＋、Ｌ−を有し、この２つの活線Ｌ＋、Ｌ−のそれぞれに、棒線画の人物ＬＷの形態で描かれた生物ＬＷの手が触れている。信号発生器２は、第１の信号３を活線Ｌ＋に供給するために活線Ｌ＋と結合され、検出装置４は、活線Ｌ＋内の供給された信号の推移を検出するために活線Ｌ＋と結合されている。

図１の制御装置５は、所望の機能を提供するコンピュータプログラム製品を実行するマイクロコントローラ５として構成される。更なる別の実施形態において、制御装置５は、特定用途向け集積回路５等として構成されてもよい。

更に別の実施形態において、制御装置５は、ＣＡＮバスインタフェース又はＦｌｅｘＲａｙインタフェースを有し、ＣＡＮバスインタフェース又はＦｌｅｘＲａｙインタフェースを介して、生物の検出についてのデータが、他の車両制御装置へと伝達されうる。これにより、例えば、車両内での他のアクション、例えば、非常呼び出しの起動又は内燃機関の停止が開始されうる。

図２は、本発明に係る方法の一実施形態のフロー図を示す。

第１の工程Ｓ１において、第１の信号３が、第１の活線Ｌ＋及び／又は第２の活線Ｌ−に供給される。第２の工程Ｓ２において、少なくとも１つの活線Ｌ＋、Ｌ−内の供給された第１の信号３の推移が検出される。最後に、第３の工程Ｓ３において、検出された推移が解析され、検出された推移の解析が、生物ＬＷによる第１の活線Ｌ＋及び第２の活線Ｌ−との接触を示す場合には、停止信号６が出力される。

図３は、本発明に係るエネルギー供給システムの一実施形態のブロック図を示す。

図３のエネルギー供給システムはバッテリＢを有し、このバッテリＢは、２つの活線Ｌ＋、Ｌ−を介して、当該２つの活線Ｌ＋、Ｌ−を切断するよう構成された接触器ＳＶと結合されている。接触器は、２つの活線Ｌ＋、Ｌ−を介して高電圧中間回路のコンデンサと結合されている。

さらに、図３は、高電圧中間回路ＺＫと結合された保護装置１を有する。

図１に対して、図３の信号発生器２は、コイル７と切り替え素子８とを有し、切り替え素子８は、コイル７と電圧源（図示せず）とを結合し、及び、コイル７を電圧源から分離するよう構成され、制御装置５によって制御される。電圧源からのコイル７の分離によって、コイル７の誘導性に基づき、電圧インパルスがエネルギー供給システムの線Ｌ−に供給されるようになる。

さらに、図４の検出装置４は、電圧及び電流センサ９を有し、この電圧及び電流センサ９は、活線Ｌ−内の電圧の値及び電流の強さの値を検出し、検出された値を制御装置５に提供するよう構成されている。制御装置５は、電圧センサ及び電流センサ９により検出された値をデジタル化するために、アナログ／デジタル変換器１１を有する。デジタル化された値は、その後に、活線Ｌ−内の電圧の推移及び電流の強さの推移を格納するためにメモリ１２に格納される。その後、変換装置１３が、格納された推移を、時間領域から周波数領域へと変換する。このことは特に、高速フーリエ変換を用いて行われる。最後に、評価装置１４が、周波数領域内の変換された推移を解析し、活線のインピーダンスが局所的な最小値を有する周波数を識別する。評価装置１４は更に、識別された周波数のうちの少なくとも１つが、生物ＬＷを検出するための少なくとも１つの予め設定された周波数領域内に存在する場合には、停止信号６を出力するよう構成される。

上記予め設定された周波数領域は、０Ｈｚから１ＭＨｚの間であってもよい。生物として人間を検出すべき場合は、上記周波数領域は特に１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間であってもよい。

その際にインピーダンスは、オームの法則に基づいて数式Ｚ＝Ｕ／Ｉに従って算出される。

更なる別の実施形態において、検出装置４は、シャント抵抗器又は非接触電流センサを有してもよい。

図４は、人間の電気的等価回路を表す回路図を示す。

図４に示される人間のための等価回路は、規格ＩＥＣ＿６０８５０、ＩＥＣ＿６１０１０によって予め設定される。

等価回路は、コンデンサＣ_Ｓと、当該コンデンサＣ_Ｓと直列の抵抗器Ｒ_Ｂと、抵抗器Ｒ_Ｓの並列回路で構成されており、抵抗器Ｒ_Ｂに対して並列に、コンデンサＣ_１と直列に抵抗器Ｒ_１が接続されている。

規格ＩＥＣ＿６０８５０、ＩＥＣ＿６１０１０に準拠して、抵抗器Ｒｓは１ｋオームの抵抗値を有し、コンデンサＣ_Ｓは０．２２μＦの容量を有し、抵抗器Ｒ_Ｂは５００オームの抵抗値を有し、抵抗器Ｒ_１は１０ｋオームの抵抗値を有し、コンデンサＣ_１は０．０２２μＦの容量を有する。

この等価回路の回路図を用いて、等価回路が最小インピーダンスを有する周波数を計算することが可能である。この周波数は、提示される等価回路の回路図の共振周波数に相当し、従って、人体の共振周波数にも相当する。

図５は、周波数に依存するインピーダンスが示されたグラフを示す。

図５の原理的なグラフでは、縦軸にインピーダンスＺが示されている。グラフの横軸には周波数が示されている。このグラフには、インピーダンス曲線がさらに描かれており、このインビーダンス曲線は、寄生効果により決定されるインピーダンスが高い際に、０Ｈｚから約１ＭＨｚまで推移する。インピーダンス曲線は、例示的な設計について、例えば周波数が１ｋＨｚの際に約０．４オームの第１の最小値を有し、例えば３０ｋＨｚの辺りで明らかにあまり目立たない第２の最小値を有する。

第１の最小値が存在する周波数は、中間回路コンデンサＣと、バッテリＢと中間回路コンデンサＣとの間の寄生抵抗と、で構成される発振回路の共振周波数に相当する。

インピーダンス曲線の第２の最小値が存在する周波数は、図４で示される等価回路の共振周波数に相当する。第２の最小値が存在するだけで、評価装置が、生物が２つの活線Ｌ＋、Ｌ−に触れていることを確認することが可能となる。上記周波数でのインピーダンスの絶対値が決定的なものなのではない。

以上、好適な実施例を用いて本発明について記載してきたが、本発明は好適な実施例に限定されるものではなく、様々な形態に修正することが可能である。特に、本発明は、本発明の本質から逸脱することなく、様々な手法で変更又は修正が可能である。

Claims

第１の活線及び第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）を備えた対地絶縁電力線のための保護装置（１）であって、
第１の信号（３）を前記第１の活線と前記第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）との少なくとも一方に供給するよう構成された信号発生器（２）と、
少なくとも１つの前記第１の活線または前記第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）内の前記供給された第１の信号（３）の推移を検出するよう構成された検出装置（４）と、
前記検出された推移を解析し、前記検出された推移の前記解析が、生物（ＬＷ）による前記第１の活線（Ｌ＋、Ｌ−）及び前記第２の活線（Ｌ−、Ｌ＋）との接触を示す場合には、停止信号（６）を出力するよう構成された制御装置（５）と、
を備え、
前記制御装置（５）は、前記少なくとも１つの活線（Ｌ＋、Ｌ−）内の前記供給された第１の信号（３）の前記推移を特徴付ける複数のデジタル値を格納するよう構成されたメモリ（１２）を有し、
前記制御装置（５）は、前記供給された第１の信号（３）の格納された時間的な前記推移について、周波数領域への変換を実行し、前記周波数領域内での前記供給された第１の信号（３）の前記推移を特徴付けるデータを出力するよう構成された変換装置（１３）を有し、
前記制御装置（５）は、前記出力されたデータのうち、前記第１の活線と前記第２の活線との少なくとも一方のインピーダンスが局所的な最大値又は最小値を有する周波数を識別し、前記識別された周波数のうちの少なくとも１つが、生物（ＬＷ）を検出するための少なくとも１つの予め設定された周波数領域内に存在する場合には、前記停止信号（６）を出力するよう構成された評価装置（１４）を有する、保護装置（１）。
前記信号発生器（２）は、制御可能な電圧源と制御可能な電流源との少なくとも一方を有し、前記第１の信号（３）は、電圧インパルス又は電流インパルスであり、又は、
前記信号発生器（２）は、切り替え素子（８）を備えたコイル（７）を有し、前記切り替え素子（８）は、前記コイル（７）と電圧源とを接続し、及び、電圧インパルスの形態により前記第１の信号（３）を生成するために、前記コイル（７）を前記電圧源から分離するよう構成される、請求項１に記載の保護装置。
前記検出装置（４）は、前記少なくとも１つの活線（Ｌ＋、Ｌ−）内の電圧を検出するよう構成された電圧センサ（９）と前記少なくとも１つの活線（Ｌ＋、Ｌ−）内の電流の強さを検出するよう構成された電流センサとの少なくとも一方を有する、請求項１または請求項２に記載の保護装置。
前記制御装置（５）は、検出された前記電圧と検出された前記電流との少なくとも一方の強さを、前記検出された電圧と前記検出された電流との少なくとも一方の強さを特徴付けるデジタル値に変換するよう構成されたアナログ／デジタル変換器（１１）を有する、請求項３に記載の保護装置。
前記周波数領域への変換は、高速フーリエ変換である、請求項１に記載の保護装置。
第１の活線及び第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）を備えた対地絶縁電力線のための生物の保護のための方法であって、
第１の信号（３）を前記第１の活線と前記第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）との少なくとも一方に供給する工程（Ｓ１）と、
少なくとも１つの前記第１の活線または前記第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）内の前記供給された第１の信号（３）の推移を検出する工程（Ｓ２）と、
前記検出された推移を解析し（Ｓ３）、前記検出された推移の前記解析が、生物（ＬＷ）による前記第１の活線（Ｌ＋、Ｌ−）及び前記第２の活線との接触を示す場合には、停止信号（６）を出力する工程と、
を含み、
少なくとも１つの前記第１の活線または前記第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）内の前記供給された第１の信号（３）の前記推移を特徴付ける複数のデジタル値が格納され、
前記供給された第１の信号（３）の格納された時間的な前記推移について、周波数領域への変換が実行され、前記周波数領域内での前記供給された第１の信号（３）の前記推移を特徴付けるデータが出力され、
前記出力されたデータのうち、前記第１の活線と前記第２の活線との少なくとも一方のインピーダンスが局所的な最大値又は最小値を有する周波数が識別され、前記識別された周波数のうちの少なくとも１つが、生物（ＬＷ）を検出するための少なくとも１つの予め設定された周波数領域内に存在する場合には、前記停止信号（６）が出力される、方法。
電圧インパルスが制御可能な電圧源によって生成され又は電流インパルスが制御可能な電流源によって生成され、前記第１の信号（３）として少なくとも１つの活線（Ｌ＋、Ｌ−）へと供給され、又は、
切り替え素子（８）は、コイル（７）と電圧源とを接続し、及び、電圧インパルスの形態により前記第１の信号（３）を生成するために、前記コイル（７）を前記電圧源から分離する、請求項６に記載の方法。
少なくとも１つの前記第１の活線または前記第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）内の電圧と、少なくとも１つの前記第１の活線または前記第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）内の電流との少なくとも一方の強さが検出される、請求項６または７に記載の方法。
前記検出された電圧と前記検出された電流との少なくとも一方の強さは、前記検出された電圧と前記検出された電流との少なくとも一方の強さを特徴付けるデジタル値に変換される、請求項８に記載の方法。
前記周波数領域への変換は、高速フーリエ変換である、請求項６記載の方法。
少なくとも１つの高電圧バッテリ（Ｂ）と、
中間回路コンデンサ（Ｃ）を有する高電圧中間回路（ＺＫ）と、
前記高電圧バッテリ（Ｂ）と前記中間回路コンデンサ（Ｃ）とを接続する少なくとも２つの高電圧線（Ｌ＋、Ｌ−）と、
前記少なくとも２つの高電圧線（Ｌ＋、Ｌ−）を高電圧バッテリ（Ｂ）から電気的に分離するよう構成された少なくとも１つの制御可能な切り替え装置（ＳＶ）と、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護装置（１）であって、前記高電圧線（Ｌ＋、Ｌ−）のうちの１つと少なくとも結合され、生物（ＬＷ）による前記第１の活線または前記第２の活線（Ｌ＋、Ｌ−）との接触が検出される場合には、前記少なくとも１つの制御可能な切り替え装置（ＳＶ）が前記２つの高圧線（Ｌ＋、Ｌ−）を前記高電圧バッテリ（Ｂ）から電気的に分離するように、停止信号（６）を用いて、前記少なくとも１つの制御可能な切り替え装置（ＳＶ）を制御するよう構成された前記保護装置（１）と、
を備えたエネルギー供給システム。