JP6419326B2 - アークを識別する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも、直流電流回路の、電圧を供給している監視すべき導体に沿って案内されている検出導体により、直流電流回路でのアークを識別する方法、及び、この方法を実行する装置に関する。

こうした形式の方法又は装置は、独国特許出願公開第１０１３２７５０号明細書（ＤＥ１０１３２７５０Ａ１）に記載されている。当該文献では、車両の電気線路に対する安全装置が説明されている。この場合、監視すべき線路に沿って又は監視すべきケーブルツリーに沿って２重導体が案内されている。２重導体の２つの導体は絶縁部によって相互に分離されており、それぞれ異なる電位に置かれている。監視すべき導体／ケーブルツリーに短絡が生じると、絶縁部が溶解して、２重導体の導体が接触する。これにより、導体間に電流が流れ、この電流が検出されて、アーク識別のために評価される。公知の構成では、実施形態に応じて、第１の導体が設定された電位に置かれ、第２の導体がアースに置かれる。別の実施形態では、電位差が分圧器によって形成され、第１の抵抗を介した電圧が、２重導体の第１の導体の上流端部へ供給される。２つの２重導体は端部側で第２の抵抗に接続されている。第２の導体は、その上流端部が、第３の抵抗を介してアースに接続されている。公知の安全装置は、検出導体のそれぞれ異なる電位に置かれた２つの導体が、短絡時に電気的に接触するよう、監視すべき電気線路に必ず沿って案内されるように構成されている。

独国特許出願公開第１０２０１２０１９９９６号明細書（ＤＥ１０２０１２０１９９９６Ａ１）には、線路網でのアークを監視する方法が記載されている。監視のために、センサ線路が第１の抵抗及びアース線路を介してアースに接続されている。評価されるのはセンサ線路における電圧上昇である。当該電圧上昇は、アース線路がアークによって遮断される場合、又は、アークが生じた結果、監視すべき線路網の電圧を供給している線路に電気的接触が発生した場合に生じうる。こうした公知の構成は、基本状態で電流が流れず、エラーの場合に電流が流れる、能動型安全装置である。

乗用車の搭載電源システムは、今日、通常１２Ｖで駆動される。これに対して、４２Ｖ又は４８Ｖの搭載電源システムは、改善された回生能力又は車両重量の最大限の低減に基づいて、例えばＣＯ_２低減という形態での著しい利点を提供する。この場合、設定されている電圧は、特に安全対策として要求される６０Ｖからの接触保護領域を下回る。

電圧が上昇すると、アーク発生の危険が増大する。アークは、異なる電位を有する２つの素子間、例えば正極ケーブルと負極ケーブルとの間で、又は、高い遷移抵抗の領域の電流路に沿って、発生しうる。高い遷移抵抗は、例えば、コンタクト位置の腐食又は電気導体の損傷に起因して発生する。１２Ｖの電圧はアークに必要な点弧電圧を下回っているが、自動車に４２Ｖ又は４８Ｖの電圧が設定されている場合にはこうしたアークが発生するおそれが高く、このアークは約２０Ｖから既に安定化するため、車両で火災が発生して相応に人員が危難に遭うかなりの危険が存在する。この場合、電気負荷及びその供給線路の監視のために設けられた安全装置の応動は行われないか又は遅れる。なぜなら、異なる電位を有する２つの素子間のアークで発生する電流は直接短絡で発生する電流に比べて小さく、電流路に沿ったアークで発生する電流は接続されている負荷の正規動作時の電流に比べて著しく小さくなることがあるからである。

文献である独国特許第１０１３２７５２号明細書（ＤＥ１０１３２７５２Ｂ４）から、アーク発生時に導体を保護する方法及び装置が公知である。この場合、監視すべき供給線路に沿って、絶縁された検出線路が案内されている。アークが発生すると、検出線路の絶縁部が溶解し、検出線路と供給線路とが直接に接触する。これにより検出線路に電流の流れが生じ、これを用いてアークが識別される。この場合の欠点は、アークを表す電流の流れを生じさせるのに検出線路と供給線路との直接の接触が必要であるということである。こうした接触は、相応のガス膨張のもとで絶縁材料が急激に燃焼しかねない制御不能かつ高温のアーク領域では、確実には行われない。むしろ、アーク領域において供給線路と検出線路とが空間的に分離してしまい、このため電流の流れが発生しなかったり又は確実に評価可能な領域を下回ってしまったりすることがある。ここで、上掲の文献では、１３０℃から１８０℃の融点を有し、アークが発生した場合に流出を制御できる特別の絶縁材料の使用が提案されている。しかし、アーク領域では、１０００℃をはるかに上回る温度が生じるので、絶縁材料の分解が生じる。システムが正規動作では電流が流れずエラーケースで検出可能な電流が生じる能動型安全装置であることにより、別の欠点も生じる。安全装置における故障、例えば、検出線路のコンタクトの腐食による故障は、エラーケースにおいて、アークが発生しているにもかかわらず検出線路に電流が流れず、このためアークが識別されないままとなる事態を引き起こすことがある。このことを回避するには、複雑で相応にコストのかかるコンタクトが必要となる。自動車分野における能動型安全装置に対する安全基準を満たすには、例えば検出線路の抵抗を監視することによって連続して検査を行うことが要求される。この手段も同様にきわめて複雑であり、相応のコストを発生させる。

文献である独国特許出願公開第１０１５０３７７号明細書（ＤＥ１０１５０３７７Ａ１）には、センサの信号線路の短絡を識別する方法及び装置が記載されている。このために、監視すべき信号線路には、センサ信号に加え、前置抵抗を介して、静的な基準電位が印加される。前置抵抗の下流で信号線路にかかる静的電位が予め定められた領域を外れると、短絡が発生する。ただし、当該方法は、主として電力なしで駆動され、信号特性が相応に高オームで検出及び評価される信号線路にしか適用できない。直流電流回路の負荷の給電線路に静的な基準電位を重畳することは、負荷の電力消費量が直ちに変化し、基準電圧源の電力が制限されている場合に監視すべき静的電位まで変化してしまうため、不可能である。

文献である独国特許出願公開第１９９３５４３９号明細書（ＤＥ１９９３５４３９Ａ１）から、絶縁部によって分離された少なくとも２つの導体素子を有するセンサ線路が公知である。当該絶縁部は、外部影響、特に温度上昇によって変化しうる導電率を有する材料から形成されている。温度がセンサ線路の領域で例えば火災によって上昇した場合、導体素子が導電性を有するようになった絶縁部によって短絡される。当該短絡が検出されると、さらに潜在的な火元も識別される。当該方法で欠点となるのは、絶縁部として、高温（Ｔ≧８０℃）で導電性を有するようになる特別のプラスチックを要することである。さらなる欠点は、こうしたプラスチックもアークの際に生じる高温では直ちに分解してしまい、これにより導電相が生じなくなるということである。したがって、ここに説明されているセンサ線路ではアークの識別は不可能である。

独国特許第１０１３２７５２号明細書（ＤＥ１０１３２７５２Ｂ４）について上述したように、独国特許出願公開第１９９３５４３９号明細書（ＤＥ１９９３５４３９Ａ１）から公知の装置についても、正規動作では電流が流れずエラーケースで検出可能な電流が生じる能動型安全装置の欠点が存在する。よって、この場合にも、安全装置における故障、例えば検出線路のコンタクトの腐食による故障は、エラーケースにおいて、線路素子間に導電接続が発生しているにもかかわらず検出線路に電流が流れず、このためエラーが識別されないままとなる事態を引き起こすことがある。したがって、自動車分野での適用には、当該装置は適さない。

独国特許出願公開第１０１３２７５０号明細書 独国特許出願公開第１０２０１２０１９９９６号明細書 独国特許第１０１３２７５２号明細書 独国特許出願公開第１０１５０３７７号明細書 独国特許出願公開第１９９３５４３９号明細書

本発明の課題は、直流電流回路におけるアークを確実かつ低コストに識別できる方法を提供することである。

さらに、本発明の課題は、相応の装置を提供することである。

方法に関連する本発明の課題は、直流電流回路の電位を基準として、電圧信号を、前置抵抗を介して入力位置で検出導体へ入力し、電圧信号を検出導体の出力位置で再び取り出し、前置抵抗上流の電圧信号と出力位置での電圧信号とを比較し、出力位置での電圧信号が前置抵抗上流の電圧信号から設定値よりも大きく偏差する場合にアークを結論することにより、解決される。正規動作では、検出導体は高オームの電圧測定によって電気的負荷を全く受けないか又は僅かしか受けない。これにより、前置抵抗の上流及び下流の電圧信号が少なくとも近似的に等しくなる。アークが発生した場合、このアークに関連するきわめて高い温度によって、イオン化したことで導電性を有するようになった雰囲気がアークの領域に直接に生じる。当該イオン化雰囲気には、絶縁材料、例えば監視すべきケーブルの燃焼生成物も寄与している。当該イオン化雰囲気により、検出導体から出る電流の流れが生じる。電流が流れると、前置抵抗を介した電圧降下が増大するので、検出導体の出力位置での電圧が低下する。このことは、前置抵抗上流の電圧信号と出力位置での電圧信号とを比較することによって識別され、これによりアークが確認される。

前置抵抗を適切に選択することにより、検出導体の電流負荷が比較的小さい場合にも、イオン化雰囲気を介して電圧の著しい変化を出力位置に作用させることができるので、アークをきわめて早期に発生時に識別できる。

別の重要な利点は、アーク識別部が受動型安全装置として構成されるということである。検出導体の電圧のない状態が、ここで用意される措置によって、アークとして識別される。別のエラー、例えばコンタクトの腐食又は検出導体の破断による電圧欠落状態が発生した場合にも当該措置がそのことを把握でき、完全な安全性が得られる。つまり、連続的な破断検出を行う、定常的に閉成した検出電流回路が設けられ、破断が生じると用意された措置が導入される。本発明の方法は、例えば自動車に適用されるような安全性に関連する装置の事故安全性の基準を遵守することによって可能となる。安全な状態では回路が遮断されているので、１年当たり１０^−１０個のエラー率を達成可能である。

本発明の方法の別の利点は、アーク内の不利な条件では達成されない、直流電流回路の検出導体と別の導体との直接の接触が必要ないということである。検出導体がアークのイオン化領域を通って案内されていれば、評価には充分である。また、上述したような直接の接触が生じた場合にも検出導体の電圧が変化するので、どちらのケースでもアークを確実に識別することができる。

アークが生じた場合に検出導体を確実に電気的に負荷するために、電圧信号が直流電流回路の電位を基準とするように構成される。この場合、電位は、負の電位のほか、正の電位すなわち直流電流回路の動作電圧又は負の電位と正の電位との間にかかる電位であってもよい。

本発明の好ましい構成バリエーションによれば、電圧信号として、直流電圧信号又は交流電圧信号又は交流電圧が重畳した直流電圧信号を用いることができる。直流電流信号は、監視すべき直流電圧装置において簡単かつ低コストに形成可能である。これに対して、交流電圧は確実な識別を行えるという利点を提供する。アーク条件が定義されたものでない場合、アースから電圧信号の電圧まで又は直流電流回路の給電電圧までの任意の直流電圧が検出導体に生じ、これにより直流電圧信号に基づくエラー識別が困難となることがある。これに対して、交流電圧は、重畳するおそれのある直流電圧から一義的に区別可能であり、確実に評価できる。この場合、正弦波電圧のほか、鋸歯波電圧、三角波電圧、矩形波電圧などの任意の他の交流電圧を設けてもよい。評価は、障害電圧を確実に排除するために、相選択及び／又は周波数選択によって行うことができる。

本発明の特に好ましい構成バリエーションによれば、アークが識別された場合に、直流電流回路への給電を遮断できる。これにより、短時間でアークが消弧に至るので、重大な障害を回避できる。

装置に関連する本発明の課題は、検出導体が、入力位置で、前置抵抗を介して、電圧信号を出力する信号源に接続されており、信号源の電圧信号が監視すべき直流電圧電流回路の電位を基準としており、信号源から出力された電圧信号と検出導体の出力位置で出力された電圧信号とが比較器へ供給され、出力位置に生じた電圧信号が信号源から出力された電圧信号から設定値を超えて偏差する場合にアークを識別する処理装置が当該装置に配属されていることにより、解決される。こうして当該装置により上述した方法を実行でき、ここで、アーク領域のイオン化雰囲気によって生じた、検出導体から出る電流の流れにより、前置抵抗上流の電圧信号は変化しないまま、出力位置の電圧信号が変化する。電圧信号の比較は、比較器での差の測定によって行うことができる。代替的に、前置抵抗上流の電圧信号と出力位置の電圧信号とを別々に検出して比較することもできる。処理装置として、比較器で求められた電圧差を検出し、これに応じてアークの有無を判別する電子回路又はマイクロプロセッサを設けることができる。アークの有無の判別基準として、出力位置に電圧信号が存在しなくなり、このため設定値が電圧信号の値に相当するようになったことを選定してもよい。

検出導体と直流電流回路の導体との間のアークのイオン化雰囲気を通る電流の流れを可能にするには、信号源の電圧信号が監視すべき直流電圧電流回路の電位に基づいていなければならない。

本発明の好ましいバリエーションによれば、検出導体は閉じた導体ループとして構成され、入力位置及び出力位置は導体ループの端部に配置される。これにより、例えば直流電流回路の導体を案内するケーブルを監視するために、入力位置から出る検出導体を供給線路とともにケーブルに沿って延在させ、帰還線路を経て再び開始部のケーブルに沿って出力位置へ戻すように構成することができる。こうした配置により、入力位置及び出力位置をケーブルの一端に配置して、電子回路と信号源及び前置抵抗及び比較器との接続を簡単化できる。この場合、供給線路も帰還線路も監視すべき導体に沿ってケーブル内にもしくはケーブルに接して配置されるので、検出導体の少なくとも一部は確実にアーク発生領域に入る。信号源の電圧信号は、前置抵抗を介して、検出導体の入力位置に入力される。検出導体の端部では出力位置の電圧信号が取り出され、比較器へ供給される。アークが発生すると、電圧信号はアーク内に生じるイオンによって阻害されるため、検出導体の端部にかかる電圧信号が明瞭に識別できるようになる。

直流電流回路の導体をその全長にわたって監視できるようにするために、検出導体を、監視すべき直流電流回路のコンタクト位置で同様にコンタクトとして構成でき、及び／又は、検出導体のコンタクトを、遅延回路、特に加速コンタクト又は減速コンタクトを含むインタロック回路として構成できる。当該検出導体は、例えば付加的なプラグインコンタクトとして、直流電流回路のコネクタへ組み込むことができる。これにより、直流電流回路のコンタクト位置、例えば上述したコネクタで内部に生じるアークも監視できる。検出導体のコンタクトが遅延回路を含むインタロック回路として構成される場合、コンタクト位置の安全基準を高めることができる。こうしたインタロック回路では、直流電流回路の主コネクタを開放可能とする前に、まず、検出導体のコンタクトを例えばねじ外しによって解離させなければならない。コネクタの解離前に、直流電流回路が遮断されるように構成される。このことが忘れられた場合には、検出導体の開放によって直流電流回路が遮断される。これは例えば輸送車のトレーラへの電気的接続にとって有意である。なぜなら、主コネクタが分離される前に給電電圧が確実に遮断されるからである。

直流電流回路全体でのアークを検出できるようにするために、検出導体を、負荷を通して又は直流電流回路の複数の負荷に沿って案内し、及び／又は、検出導体を、直流電流回路のケーブルを通して又はケーブルに沿って案内するように構成することができる。この場合、検出導体は有利には、例えば負荷のケーシング内に配置される。これは、ケーシングの内室の雰囲気がアーク発生の場合に短期間でイオン化し、これによりアークをきわめて迅速に識別できるからである。ここでの大面積の監視領域を維持するために、検出導体を負荷の領域に相応に大面積で、例えばセンサプレートの形態で構成することができる。監視すべき負荷として、エアコン圧縮器、照明装置、スタータ、駆動電子回路又はステアリング補助装置が挙げられる。負荷のアークが監視される場合、アークの適時の識別と相応の給電電圧の遮断とによって、たいてい高性能で相応に高価なコンポーネントである負荷の全壊を回避でき、有利である。直流電流回路のケーブルを通して又はケーブルに沿って検出導体を案内することにより、アークを監視できる。

前置抵抗と、アーク内で検出導体と基準電位との間に生じる抵抗とによって、分圧器が形成される。前置抵抗を適切に選定することにより、アーク内に予測された抵抗が生じた場合に出力位置の電圧信号に最大変化が生じるように分圧器を構成できる。このことは、前置抵抗を、１０Ωから１００００Ω（１０ｋΩ）までの領域、例えば１００Ωから１００００Ωまでの領域、好ましくは３００Ωから３０００Ωまでの領域とすることによって達成可能である。前置抵抗が例えば１０００Ωである場合、イオン化ガスが比較的僅かなうちに、つまり相応の高い抵抗が生じているアーク発生時に既に、出力位置に突発する電圧信号に基づいてアークを識別できる。バスなどの車両では、比較的大きなケーブル長さを監視しなければならない。検出導体で高電力を得るために、例えば前置抵抗を１０Ωから５０Ωの領域で動作させると有利になりうる。

信号源は、交流電圧源として又は直流電圧源として又は直流電圧オフセットを重畳した交流電圧源として構成できる。交流電圧源の使用により、アーク発生時に直流電流回路から検出導体へ伝達されうる直流電圧からの区別が簡単となるという利点が提供される。これに対して、直流電圧源は、監視すべき直流電圧環境において簡単かつ低コストに用意できるという利点を有する。

アーク発生時の重大な障害を回避するために、処理装置がアーク識別時に直流電流回路の給電電圧を遮断する分離装置を駆動するように構成できる。給電電圧を遮断するために、例えば自動車のバッテリ又はジェネレータを直流電圧回路から分離する高電力分離装置を使用できる。当該高電力分離装置は、高電流における短絡条件のもとでも、自身にアークを発生させることなく、安全に切り替えを行えるように構成される。こうした高電力分離装置として、高電力分離リレー、電子分離装置又はパイロ技術を利用した安全装置などを設けることができる。高電力分離装置は、バッテリもしくはジェネレータに直接に接するように配置可能であるか、又は、バッテリもしくはジェネレータ内に配置可能である。

本発明の可能なバリエーションとして、検出導体の少なくとも一部の領域を絶縁された状態で構成でき、及び／又は、検出導体の少なくとも一部の領域を絶縁部なしで構成できる。絶縁部を有する検出導体は、誤短絡のおそれなく、直流電流回路の監視すべき導体に直接に接触するように配設できる。アークが発生すると絶縁部が分解し、イオン化して導電性を有するようになった雰囲気が生じる。コーティングなしの検出導体では必ずしも最初に絶縁部が燃焼するとはかぎらず、このためアーク発生時の反応速度がきわめて迅速となる。有利には、検出導体の一部、例えば導体ループとして構成される検出導体の供給線路が絶縁され、検出導体の別の一部、例えば帰還線路がコーティングなしとされることで、双方の利点を組み合わせることができる。コーティングなしの検出導体では、アークなしの通常動作中に、電圧が供給される別の素子又はアースに検出導体が接触しないよう、注意が必要である。一実施形態では、検出導体を、監視すべきケーブルとともに１つの管において案内することができる。

さらに、コーティングなしの検出導体は、特に負荷の内部で有利である。負荷のケーシング内でアークが発生した場合、短時間で内室全体にイオン化して導電性を有するようになったガスが生じる。コーティングなしの検出導体が使用される場合、必ずしも最初に検出導体の絶縁部が燃焼するとはかぎらず、このため検出導体は生じたイオン化雰囲気に迅速に応答する。したがって、検出導体の絶縁部を燃焼させる充分な高温がケーシング内の所々に生じるので、こうしたコーティングなしの検出導体を負荷の監視に用いることも有利である。絶縁部を有する検出導体に比べて、コーティングなしの検出導体は、負荷のケーシング内のきわめて高温の領域に検出導体が案内されていない場合にも、ケーシング内の雰囲気が充分にイオン化されているかぎり、応答する。

本発明のさらなるバリエーションによれば、直流電流回路の負荷はその一方側がボディアースに置かれ、給電電圧が検出導体によって監視される正極線路を介して負荷へ供給されるように構成できる。本発明のアーク監視が行われない場合、例えば４２Ｖ又は４８Ｖの搭載電源システムを有する自動車の負荷には、別個の正極線路及び負極線路を介して給電が行われる。１２Ｖ搭載電源システムにおいて通常見られるような、負極としての共通のボディアースの使用は、電圧供給線路とアースとの間にアークが発生する危険が大きいため、行われない。本発明のアーク識別とこうしたアーク識別時の直流電流回路の給電電圧の遮断とにより、アーク発生及びここから生じる車両火災発生の危険を増大させることなく、共通のボディアースを再度設けることができる。こうした措置により、自動車のケーブルツリーのコストと自動車重量とを著しく低減できる。

本発明の方法及び装置は、好ましくは、２０Ｖから６０Ｖの電圧領域、例えば２４Ｖから６０Ｖの電圧領域の直流電流回路を監視するために、又は、２０Ｖから６０Ｖの電圧領域、例えば２４Ｖから６０Ｖの電圧領域、好ましくは４０Ｖから５０Ｖの電圧領域の車両内の直流電流回路を監視するために使用することができる。

本発明を以下に、図示の実施形態に即して詳細に説明する。
検出導体を有する２極ケーブルの断面を斜め前方から見た概略図である。 ケーブル及び直流電流回路の負荷でのアークを識別するための電子回路装置を示す断面図である。 図１のケーブルと、比較のための、直流電流回路のアークのない正規動作時の信号特性とを示す図である。 図１のケーブルと、比較のための、直流電流回路のアーク発生時の信号特性を示す図である。 検出導体を監視する安全回路を組み込んだアーク識別のための電子回路装置を示す図である。 単極の正極ケーブルと単極の負極ケーブルとを有するケーブル対を示す図である。 単極ケーブル（正極線路）及びこの正極線路に沿った検出導体を示す図である。 電子回路装置を含む回路の別の実施形態を示す図である。

図１には、検出導体１３を有する２極ケーブル１０の断面を斜め前方から見た概略図が示されている。絶縁カバー１４内には、直流電流回路の正極線路１１及び負極線路１２が案内されている。正極線路１１及び負極線路１２のほか、絶縁カバー１４内には、検出導体１３の供給線路１３．１及び帰還線路１３．２も配置されている。供給線路１３．１及び帰還線路１３．２は、図２，図５に示されているように、ケーブル１０の端部側で相互に接続されているので、検出導体１３は１つの導体ループを形成している。

ケーブル１０は、自動車の４８Ｖ搭載電源システムの一部であり、図２に示されている電気負荷１７への電気エネルギの供給に用いられる。代替的な実施形態として、検出導体１３を絶縁カバー１４の外へ引き出したり、又は、正極線路１１及び負極線路１２を、例えば螺旋状、ネット形状もしくはスクリーンとして形成したりすることもできる。また、検出導体１３は、ケーブル１０又は正極線路１１もしくは負極線路１２とともに、これらを取り巻く管内を案内されてもよい。さらに、障害距離を増大するために、検出導体１３が２重撚り線として構成されるようにしてもよい。また、２つの検出導体１３を設けて冗長系とすることもできる。

検出導体１３は、例えば電流路すなわち正極線路１１もしくは負極線路１２に沿って高い電気抵抗を有する故障位置で生じうるアーク、又は、正極線路１１と負極線路１２との間に生じうるアークの識別に用いられる。こうしたアークは、２０Ｖの電圧から安定に燃焼し、自動車に重大な障害を引き起こすことがある。今日通常用いられている１２Ｖの搭載電源システムはその電圧がアークに必要な点弧電圧を下回るが、このシステムから４２Ｖもしくは４８Ｖの搭載電源システムへ移行すれば、こうしたアークの発生する危険は著しく増大する。例えば正極線路１１もしくは負極線路１２の腐食したコンタクト位置にアークが発生すると、一般に、正極線路１１もしくは負極線路１２を通る電流の流れが低下し、これによってケーブル１０の保護のために設けられているフューズが溶解しなくなる。アークが正極線路１１と負極線路１２との間に生じた場合には、電流の流れは格段に大きくなるが、依然としてフューズの応働を遅延させうる領域にある。

アークが発生すると、当該領域の空気がイオン化され、これにより導電性を有するようになる。アークの領域に存在する絶縁材料は、熱によって分解され、イオン化雰囲気の発生に寄与する。

検出導体１３によってアークを確認できるようにするため、検出導体１３は、アーク発生時にアークが形成したイオン化領域を通過するよう、正極線路１１及び負極線路１２の近傍に案内される必要がある。このことは、例えばケーブル１０の上述した構成バリエーションによって達成することができる。

図２には、直流電流回路のケーブル１０及び負荷１７でのアークを識別するための電子回路装置２０の概略図が示されている。

電子回路装置２０は、信号源２２と前置抵抗２４と負荷２３とを含む。信号源２２は、前置抵抗２４に接続されており、信号線路２５を介して負荷２３に接続されている。前置抵抗２４は、図１に関連して既述した検出導体１３の供給線路１３．１の開放端部の入力位置２１．１に接続されている。検出導体１３の帰還線路１３．２は、出力位置２１．２を介して比較器２３に接続されている。検出導体１３の供給線路１３．１及び帰還線路１３．２は、正極線路１１及び負極線路１２とともに、図１に同様に既に示したケーブル１０内を案内されている。この場合、入力側で、正極線路１１は給電電圧１６に接続されており、負極線路１２は図示されていない給電部の負極電位１８に接続されている。正極線路１１と負極線路１２との間には電気負荷１７が接続されており、この電気負荷１７にケーブル１０を介して電気エネルギが供給される。電気負荷１７の直接近傍には、検出導体１３の、供給線路１３．１と帰還線路１３．２とを接続したループ１３．３が案内されており、これにより、検出導体１３は閉じた導体ループを形成している。ケーブル１０に沿って、第１のコンタクト位置１５．１及び第２のコンタクト位置１５．２がプラグインコンタクトの形態で形成されている。コンタクト位置１５．１，１５．２は、正極線路１１及び負極線路１２のためのコンタクトも、検出導体１３の供給線路１３．１及び帰還線路１３．２のためのコンタクトも形成している。

信号源２２及び負荷２３は、直流電流回路の共通の基準電位２６、このケースでは直流電流回路の負極電位１８を基準としている。代替的に、基準電位２６として、直流電流回路の給電電圧１６又は任意の基準電圧を設定することができる。

信号源２２は、前置抵抗２４を介して、入力位置２１．１で、電圧信号を検出導体１３の供給線路１３．１へ供給する。電圧信号は、コンタクト位置１５．１，１５．２を介してループ１３．３へ供給され、そこから帰還線路１３．２及びコンタクト位置１５．１，１５．２を介して出力位置２１．２へ供給される。比較器２３は、高オームで、前置抵抗２４上流の測定点ＭＰ１２７．１にかかっている電圧信号と、検出導体１３の端部の測定点ＭＰ２２７．２にかかっている電圧信号とを測定して、これらを比較する。アークが発生していなければ、検出導体１３の導体ループには比較器２３の測定電流が負荷されるのみである。したがって、前置抵抗２４を介した電圧降下は無視できる程度のものであって、前置抵抗２４の上流と出力位置２１．２とには小さな許容差の範囲での同等の電圧信号が生じる。比較器２４は、電圧信号が同等であることを検出し、図示されていない例えばマイクロプロセッサの形態の処理装置が、これに応じて、ケーブル１０又はコンタクト位置１５．１，１５．２もしくは負荷１７の領域にアークが生じていないかどうかを判別する。これに対して、アークが発生すると、アークの領域の雰囲気がイオン化されて導電性を有するようになる。検出導体１３は、こうしたイオン化領域を通過するように配置されている。信号源２２及び直流電流回路の共通の基準電位２６は、検出導体１３から直流電流回路へ電流を流れさせる。これにより、前置抵抗２４を介した電圧降下が増大して、出力位置２１．２での電圧信号は前置抵抗２４上流の電圧信号に比べて低下する。このことが比較器２３によって検出される。電圧信号の差が設定された許容値よりも大きくなると、処理装置がアークを識別する。

電圧信号として、好ましくは、交流電圧が設けられる。なぜなら、交流電圧は、アークが生じた場合に発生して例えば直流電流回路から検出線路へ伝達されうる直流電圧と一義的に区別できるからである。前置抵抗２４は、アークにおいて検出導体１３の予測された電流負荷が生じた場合に大きな電圧降下が前置抵抗２４で発生し、これにより前置抵抗２４上流の電圧信号と出力位置２１．２での電圧信号との間に大きな電圧差が生じるように選定されている。有利には、３００Ωから３０００Ωの領域の前置抵抗２４が設けられる。こうした前置抵抗２４は、アークの発生時すなわち雰囲気のイオン化の度合が比較的小さい時点で既に明瞭な電圧降下を生じさせ、これにより、出力位置２１．２での電圧信号の変化、ひいては測定点ＭＰ２２７．２での電圧信号の変化を一義的に検出できる。前置抵抗２４を相応に選択すれば、検出導体１３の電圧信号を完全に破棄して、比較器２３によって一義的に検出することができる。

当該実施形態では、検出導体１３は、正極線路１１及び負極線路１２とともにケーブル１０内を案内されている。この場合、検出導体１３は、コンタクトによって同様にコンタクト位置１５．１，１５．２に接続されている。ループ１３．３は、負荷１７に直接に接して案内されているか又は負荷１７内を案内されている。この場合、検出導体１３は負荷１７の領域で平面的にセンサ金属薄板として構成可能である。このようにすれば、アークを、ケーブル１０に沿って、コンタクト位置１５．１，１５．２及び負荷１７で識別することができる。

アークが識別されると、直流電流回路の給電電圧が遮断される。このために、図示されてはいないが、例えばバッテリ及び／又はジェネレータを直流電流回路から分離する高電力分離装置が直流電流回路内に設けられる。高電力分離装置として、リレー、電子分離装置又はパイロ技術を利用した安全装置を使用できる。この場合、高電力分離装置は、バッテリもしくはジェネレータに直接に接して又はバッテリ内もしくはジェネレータ内に設けることができる。

図示の装置は、受動型安全装置である。受動型安全装置は、電流の流れない状態が安全状態となることにより特徴づけられる。予測された電流が流れないエラーが生じると、こうした受動安全装置は障害状態へ切り替わる。当該ケースで、出力位置２１．２の電圧信号が変化するエラーが検出導体１３に発生した場合、安全装置はアークを識別して、直流電流回路の給電電圧１６を遮断する。このように、安全装置は、いずれの場合にも安全状態に入る。検出導体１３の閉じた電流回路が形成され、この検出導体１３により動作中定常的に遮断が検査され、遮断のケースでは完全な安全性で遮断が行われる。これにより、基本状態では電流が流れずエラー時に電流が流れる能動型安全装置に比べ、著しい利点が得られる。このような能動型装置では、センサ装置の各コンタクトへの電流接続と遷移抵抗とを持続的に監視する必要があり、相応のコストがかかるのである。本発明の受動型安全装置により、１年当たり１０^−１０個の範囲のきわめて小さいエラー率を達成できる。こうして、自動車の安全装置に適した設定に応じて確認を行うことができる。

図示されていない構成バリーションによれば、浮動型の接続が形成される場合、例えばセミトレーラへの電気的接続が行われる場合、検出導体１３をインタロック回路として構成できる。こうしたインタロック回路では、直流電流回路の主コネクタが引き出し可能となる前に、まず、センサ線路、この場合には検出導体１３を遮断しなければならない。このようにすることにより、直流電流回路が主コネクタの分離前に確実に電流の流れない状態へ切り換えられる。

図３には、図１に示したケーブル１０と、比較のための、直流電流回路にアークのない正規動作時の信号特性３０，３１とが示されている。この場合、信号特性ＭＰ１３０は、図２に示した信号源２２の出力信号すなわち前置抵抗２４上流の測定点ＭＰ１２７．１の出力信号に対応する。信号特性ＭＰ２３１は測定点ＭＰ２２７．２に生じ、検出導体１３の帰還線路１３．２の端部の出力位置２１．２に生じる電圧信号に対応する。

信号源２２の出力信号として、例えば２０Ｈｚから５０Ｈｚの範囲の周波数を有する交流電圧が設定される。正極線路１１で生じるような障害に対する障害電圧距離をできるだけ大きく保つために、交流電圧の振幅はできるだけ大きく選定される。この実施形態では、交流電圧の振幅は４８Ｖの直流電流回路の電圧を上回る。

信号源２２の、信号特性ＭＰ１３０を有する電圧信号は、測定点ＭＰ１２７．１から出て、前置抵抗２４及び入力位置２１．１を介して検出導体１３の供給線路１３．１へ入力され、図２に相応にケーブル１０及びループ１３．３に沿って帰還線路１３．２へ供給され、出力位置２１．２で検出導体１３から出力されて、さらに測定点ＭＰ２２７．２へ供給される。比較器２３は、測定点ＭＰ１２７．１の信号特性ＭＰ１３０と測定点ＭＰ２２７．２の信号特性２３１とを比較する。この場合、検出導体１３の経路に沿ってアークは発生しておらず、このため検出導体１３は電気的に負荷されない。検出導体１３の端部の信号特性ＭＰ２３１は、振幅においても相及び周波数においても、前置抵抗２４上流の測定点ＭＰ１２７．１の信号特性ＭＰ１３０に対応する。これに応じて、図示されていない処理装置は、アークが発生していないことを判別する。

図４には、図１に示したケーブル１０と、比較のための、図３の直流電流回路にアークが発生した場合の信号特性３０，３１とが示されている。アークが例えばケーブル１０内又は図２に示されている負荷１７に発生すると、電流が検出導体１３から直流電流回路へ流れる。よって検出導体１３が電気的に負荷され、信号源２２から出力される電圧信号が前置抵抗２４を介して降下する。図示の実施形態では、アークのイオン化雰囲気による短絡によって、検出導体１３の端部の、信号特性ＭＰ２３１に対応する電圧信号が完全に崩壊するほどの強さで検出導体１３が負荷される。図２に示されている比較器２３により、前置抵抗２４上流の信号特性ＭＰ１３０と検出導体１３の端部の信号特性ＭＰ２３１との差が測定され、図示されていない処理装置により、検出された差に基づいて直流電流回路内のアークが識別される。

図５には、検出導体１３を監視及び保守する安全回路４０を組み込んだアーク識別のための電子回路装置２０が示されている。ここには、図２に既に示した要素も同様に示してある。ただし図示の簡単化のために、図２とは異なり、直流電流回路の素子は示していない。直流電流回路は例えば自動車の４８Ｖ搭載電源システムの一部である。

付加的に、電子回路装置２０は、メンテナンス及び診断ユニット４０を含む。当該メンテナンス及び診断ユニット４０は、給電電圧４１に基づいて、第１のリレー４２、抵抗４３及び第２のリレー４５を含む。

給電電圧４１は第１のリレー４２を介して抵抗４３に接続可能であり、この抵抗４３の反対側は、入力位置２１．１を介して検出導体１３の供給線路１３．１に接続されている。検出導体１３の端部は出力位置２１．２を介して第２のリレー４５に接続されており、切り換えられてアース１９への接続を形成する。検出導体１３の始端及び終端にはそれぞれ測定位置４４．１，４４．２が設けられている。

メンテナンス及び診断ユニット４０は、アーク識別装置のコンタクトのメンテナンス、特に腐食による高い遷移抵抗の回避に用いられる。こうした高い遷移抵抗は、例えば、コンタクト位置１５．１，１５．２での検出導体１３のコンタクトに発生しうる。直流電流回路の遮断後、例えば自動車のエンジン遮断後、リレー４２，４５は、所定時間、例えば３０秒間にわたって閉成される。当該時間中、給電電圧１６の再生電流が、第１のリレー４２、検出導体１３の供給線路１３．１及びループ１３．３及び帰還線路１３．２とそこに設けられているコンタクト位置１５．１，１５．２、並びに、第２のリレー４５を経て、アース１９へ流れる。この場合、再生電流は、給電電圧４１及び抵抗４３を適切に選定することにより、例えば１Ａに設定される。このように一時的に印加される再生電流により、コンタクトの腐食の進行を確実に防止できる。この場合、測定位置４４．１，４４．２の遷移抵抗は、検出導体１３の長さ全体にわたって、例えば５００ｍΩ超で良好に検査できる。しかし、より高い遷移抵抗が発生する場合、相応のエラーメッセージが形成され、工場又はドライバーはメンテナンスの示唆を早期に受け取ることができる。さらにこうした受動型安全装置では安全性が保証されている。なぜなら、遷移抵抗が高まった場合にもアークが一貫して識別されるからである。高い遷移抵抗はアーク識別部にエラーを生じさせるのみであり、このエラーはメンテナンス及び診断ユニット４０によって回避できる。

図６には、本発明の構成バリエーションとして、単極の正極ケーブル５０及び単極の負極ケーブル５１を有するケーブル対が示されている。正極ケーブル５０のカバー１４には、正極線路１１と検出導体１３の供給線路１３．１とが案内されている。負極ケーブル５１のカバー１４には、負極線路１２及び検出導体１３の帰還線路１３．２が案内されている。供給線路１３．１及び帰還線路１３．２は、正極ケーブル５０及び負極ケーブル５１の端部で図２，図５に示されているループ１３．３と接続され、閉じた導体ループを形成している。

今日計画されている４２Ｖ又は４８Ｖの搭載電源システムを備えた自動車では、正の電圧及び負の電圧の双方が絶縁線路（例えば正極線路１１及び負極線路１２）を介して多重に負荷へ供給され、共通のボディアースの使用が省略される。その背景として、正極ケーブル５０に生じうる損傷、例えばエッジの鋭いシャーシ部分による損傷の危険が挙げられ、このために直接に短絡が発生し、アーク発生の危機に陥りかねないことが挙げられる。こうした危険は、別個の正極線路１１と負極線路１２とを介して正の電圧及び負の電圧を分離して供給することにより、著しく低減される。この場合、短絡の危険は、図１，図３，図５に示されている２極ケーブル１０、すなわち、正極線路１１及び負極線路１２の双方を共通に案内するケーブル１０とは異なって、単極の正極ケーブル５０及び単極の負極ケーブル５１を使用することにより、いっそう低減できる。図示されているケーブル対のこうした単極の正極ケーブル５０及び負極ケーブル５１についてもアークを監視でき、これにより動作安全性がいっそう向上する。

アーク識別時に直流電流回路を遮断する本発明のアーク識別部が自動車に設けられる場合、４２Ｖ搭載電源システム又は４８Ｖ搭載電源システムのいずれであっても、シャーシを（一般に）負極として利用できるので、経済的に有利である。これにより、正極ケーブル５０のみを負荷１７へ案内して検出導体１３によって監視すればよく、これに対して負荷１７の負極端子は図８に示されているようにボディアースに設けることができる。上述したように、正極線路１１とボディアースとの間にアークが発生すると、このアークが検出導体によって直ちに検出され、直流電流回路の給電電圧が直接に遮断されるので、安全性が保証される。負極線路１２を省略できることにより、車両の電気配線のコストを著しく低減できる。さらに車両の重量も低減できる。ここで、図６に示されている正極ケーブル５０の修正形態では、検出導体１３は、好ましくは、ループ１３．３を介して端部側に接続された供給線路１３．１及び帰還線路１３．２により、正極ケーブル５０に沿って又は正極ケーブル５０内に図７に示されているように案内される。これにより、閉じた導体ループ又はリング状線路が形成される。

図８に示されている電子回路装置２０を有する実施形態では、ボディアース又はシャーシが負極を形成している。この場合、バッテリ６０は例えば２つの負荷９０，９１に給電している。帰還電流はボディアースを介して流れる。ただし、ボディアースを介して帰還電流が流れる場合、電流が局所的にどのように流れるかは定められない。例えば負極コンタクトを形成する負荷が２つのねじで車体にねじ止めされ、このねじが緊締されていない場合、２つのねじのどちらにアークが生じるかは予測できない。基本的に、車両フレーム又はシャーシなどの大面積の導体では、潜在的なアークの位置は検出導体には当たらない。しかし、アース結合部に沿って直列的にアークが発生する問題は根本的には存在する。この場合、図８のような装置が有利である。測定回路７０により、負荷９０，９１内に最大限まで進入するスタブ線路８０，８１を有する負荷９０，９１の全てに対して、全ての負荷がバッテリ６０に対して同じアースを有するかどうかが比較される。アーク閾値が約１８Ｖであるので、応答閾値は５Ｖから１０Ｖを超えるアース差に設定すれば充分である。このことはきわめて簡単に表示可能であり、効果も大きい。電子回路装置２０は好ましくはバッテリに密に接続されている。

図８の実施形態では、正極線路１１，１１’は、図７に示されているように構成可能である。これにより定義された状態で案内されるリング状線路が達成され、給電電圧に対する分配器ボックスが回避される。こうした配置では、正極線路が、全てのタイプのアーク、すなわち破断アーク及び短絡アークに対して保護される。車両フレームを介したアース線路は、破断アークに対して保護されるのみであるが、それで充分である。

給電電圧（例えば４８Ｖ）がリレー及び／又はパイロ技術を利用した安全装置などの分離装置によって遮断される場合、バッテリのほか、ジェネレータ又は照明装置も離脱させなければならないことに注意が必要である。評価電子回路及び遮断電子回路に接続された電子回路装置２０により、相互に監視し合う２つのマイクロプロセッサが設けられることで、高い安全基準が得られ、有利である。

４８Ｖ給電電圧での高電圧接続部はその多くがねじ止めされる。この場合有利には、密に隣接する検出導体の接続を、最初検出導体が分離され、その後ねじが操作されるように構成すると有利である。このようにすれば、こうしたねじが負荷のもとでは開放不能となることが保証される。差し込み接続の場合も同様に、差し込み時に密接する検出コンタクトが有利であり、これにより、負荷がかかっている場合の接続部は開放も閉鎖も不可能となる。

ラグジュアリーバスは、しばしば全体で１０ｋｍ超となるケーブル長さの２４Ｖケーブルを有する。こうした２４Ｖケーブルではきわめて実際的な危険が生じることがある。バスでしばしば生じる事故として、機関室燃焼の結果、機関室内の給電ケーブルの絶縁部が溶解し、線路が車両フレームに接触して、その後バスがアーク火炎に包まれることが挙げられる。このことについて、バスの機関動作時の技術的電圧は、２８Ｖとなる。

バスでの解決手段は、今日のトラックのコンセプトでの想定と同様に、２４Ｖ又は３６Ｖ又は４８Ｖの定格電圧を有するバスにおいて、該当する給電線路の１％から２％を構成するのみで、上述した措置を利用した保護を行うことである。こうしたバスでは、残りの部分が、１２Ｖバッテリ及び２個又は３個に分散された１２Ｖ補助バッテリによって駆動可能となる。バスの該当する給電線路に対して２４Ｖを用い、バスの残りの部分に対して１２Ｖを用いた始動コンフィグレーションが有利である。なぜならこれらのコンポーネントが全て既に存在しているからである。

Claims (13)

1. 少なくとも、直流電流回路の、電圧を供給している監視すべき導体に沿って案内されている検出導体（１３）により、前記直流電流回路でのアークを識別する方法において、
   前記直流電流回路の電位を基準としてジェネレータ（２２）で形成された電圧信号を、前置抵抗（２４）を介して入力位置（２１．１）で前記検出導体（１３）へ入力し、
   前記電圧信号を前記検出導体（１３）の出力位置（２１．２）で再び取り出し、
   前記前置抵抗（２４）上流の電圧信号と前記出力位置（２１．２）での電圧信号とを比較し、
   前記出力位置（２１．２）での電圧信号が前記前置抵抗（２４）上流の電圧信号に対して設定値よりも大きく偏差する場合にアークを結論する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記電圧信号として、直流電圧信号又は交流電圧信号又は交流電圧を重畳した直流電圧信号を用いる、
   請求項１に記載の方法。
3. アークが識別された場合に、前記直流電流回路への給電電圧を遮断する、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも、直流電流回路の、電圧を供給している監視すべき導体に沿って案内されている検出導体（１３）により、前記直流電流回路でのアークを識別する装置において、
   前記検出導体（１３）は、入力位置（２１．１）で、前置抵抗（２４）を介して、電圧信号を出力する信号源（２２）に接続されており、
   前記信号源（２２）の前記電圧信号は、監視すべき前記直流電流回路の電位を基準としており、
   前記信号源（２２）から出力された電圧信号と、前記検出導体（１３）の出力位置（２１．２）に出力された電圧信号とが比較器（２３）へ供給され、
   前記装置には、前記出力位置（２１．２）に生じた電圧信号が前記信号源（２２）から出力された電圧信号に対して設定値を超えて偏差する場合にアークを識別する処理装置が配属されている、
   ことを特徴とする装置。
5. 前記検出導体（１３）は閉じた導体ループとして構成されており、
   前記入力位置（２１．１）及び前記出力位置（２１．２）は前記導体ループの端部に配置されている、
   請求項４に記載の装置。
6. 前記検出導体（１３）は、監視すべき前記直流電流回路のコンタクト位置（１５．１，１５．２）で同様にコンタクトとして構成されている、及び／又は、
   前記検出導体（１３）のコンタクトが、コンタクト位置を開放するための遅延回路を有するインタロック回路として構成されている、
   請求項４又は５に記載の装置。
7. 前記検出導体（１３）は、前記直流電流回路の負荷（１７）を通して又は該負荷（１７）に沿って、案内されている、及び／又は、
   前記検出導体（１３）は、前記直流電流回路のケーブル（１０，５０，５１）を通して又は該ケーブル（１０，５０，５１）に沿って、案内されている、
   請求項４から６までのいずれか１項に記載の装置。
8. 前記前置抵抗（２４）は、１０Ωから１００００Ωまでの領域、又は、１００Ωから１００００Ωまでの領域、又は、３００Ωから３０００Ωまでの領域にある、
   請求項４から７までのいずれか１項に記載の装置。
9. 前記信号源（２２）は、交流電圧源として、又は、直流電圧源として、又は、直流電圧オフセットを重畳した交流電圧源として、構成されている、
   請求項４から８までのいずれか１項に記載の装置。
10. 前記処理装置は、アークが識別された場合に前記直流電流回路の給電電圧を遮断する分離装置を駆動するように構成されている、
    請求項４から９までのいずれか１項に記載の装置。
11. 前記検出導体（１３）は、少なくとも一部の領域が絶縁された状態で構成されている、及び／又は、
    前記検出導体（１３）は、少なくとも一部の領域が絶縁部なしで構成されている、
    請求項４から１０までのいずれか１項に記載の装置。
12. 前記直流電流回路の負荷（１７）はその一方側がボディアースに置かれており、
    給電電圧（１６）は、前記検出導体（１３）によって監視される正極線路（１１）を介して前記負荷（１７）へ供給される、
    請求項４から１１までのいずれか１項に記載の装置。
13. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法及び請求項４から１２までのいずれか１項に記載の装置の使用であって、
    ２４Ｖから６０Ｖの電圧領域の直流電流回路を監視するための、又は、２４Ｖから６０Ｖの電圧領域の自動車内の直流電流回路を監視するための、使用。

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