KR101990412B1 - 아크를 탐지하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 전압을 운반하고 감시될 직류 회로의 도체를 따라 발생되는 아크를, 탐지 도체에 의해 직류 회로에서 탐지하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 직류 회로의 전위에 관련된 전압 신호는 직렬 저항을 거쳐 인커플링 포인트에서 탐지 도체에 결합되고, 이러한 전압 신호는 탐지 도체의 아웃커플링 포인트에서 결합되며, 직렬 저항 전의 전압 신호는 아웃커플링 포인트에서의 전압 신호와 비교되고, 아웃커플링 포인트에서의 전압 신호가 특정된 양보다 더 직렬 저항 전의 전압 신호로부터 벗어난다면 아크가 있는 것으로 추정된다. 또한, 본 발명은 이러한 방법을 행하기 위한 장치에 관한 것이다. 이러한 방법 및 장치는 직류 회로에서 아크를 신속하고 신뢰할 수 있게 탐지하는 것을 가능하게 한다.

Description

아크를 탐지하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR DETECTING ARCS}
본 발명은 DC 회로 도체를 따라 라우트(route)되고, 전압을 운반하며 감시되는 탐지 도체를 가지는, DC 회로에서 아크를 탐지하기 위한 방법에 관한 것이고, 또한 그러한 방법을 행하기 위한 장치에 관한 것이다.
이러한 타입의 방법 및 장치는 DE 101 32 750 A1에 개시되어 있다. 이러한 참조 문헌은 모터 차량에서 전선에 관한 퓨즈 어레이(fuse array)를 설명한다. 이 경우, 복도체(twin conductor)가 감시될 도체 또는 감시될 와이어링 하니스(wiring harness)를 따라 라우트된다. 복도체의 2개의 라인은 절연(insulation)에 의해 서로 분리되고, 상이한 전위에 의해 접촉된다. 감시될 라인/와이어링 하니스에서의 단락은 절연이 녹게 하고, 복도체의 도체들이 접촉하게 한다. 그 결과, 도체들 사이에 아크(arc) 탐지를 위해 탐지되고 평가되는 전류가 흐른다. 이러한 알려진 실시예에서는, 하나의 전형적인 실시예에 따라 하나의 도체가 미리 결정된 전위와 접촉하고 두 번째 도체가 그라운드(ground)에 접촉한다. 또 다른 전형적인 실시예에서는, 분압기에 의해 전위차가 생성되고, 이 경우 제1 저항을 거쳐 제1 저항의 앞 끝단(front end)에서 복도체의 제1 도체로 전압이 공급된다. 복도체들 모두는 그것들의 끝단에서 제2 저항에 연결된다. 제2 도체의 앞 끝단은 제3 저항을 거쳐 그라운드에 연결된다. 이러한 알려진 퓨즈 배열은 탐지 도체의 2개의 도체가 단락의 경우에 감시될 전기 선을 따라 그것들이 전기적으로 접촉하게 되는 방식으로 라우트되도록, 설계된다.
DE 10 2012 019 996 A1은 아크에 관한 라인 네트워크를 감시하기 위한 방법을 설명한다. 이를 위해 제1 저항과 그라운드 라인을 거쳐 그라운드에 센서 라인이 연결된다. 센서 라인에서의 전압 증가가 평가된다. 이는 아크에 의해 그라운드 라인이 중지될 때, 또는 아크 후 감시될 라인 네트워크의 전압을 운반하는 라인과의 전기적 접촉이 일어날 때 발생할 수 있다. 이러한 알려진 설계는 기본 상태에서 전류가 없는 능동형 안전 시스템이고, 결함(fault)의 경우에 전류 흐름을 가져온다.
오늘날, 승객 차량의 전기 시스템은 12V로 작동한다. 그에 반해, 42V 또는 48V의 전기 시스템은, 특히 개선된 회복 가능성으로 인한 CO2 감소의 형태로 또는 차량 무게의 가능한 감소의 형태로 상당한 장점을 제공한다. 따라서, 제공된 전압들은 60V에서 시작하는 접촉 보호 범위 아래에 있고, 특별한 안전 예방책을 요구한다.
전압이 증가하게 되면, 아크 형성의 위험이 증가한다. 아크는, 예를 들면 플러스 케이블과 마이너스 케이블 사이 또는 높아진 전송 저항 부근에서의 전류 경로를 따라 상이한 전위에 있는 2개의 구성 요소 사이에서 일어날 수 있다. 높아진 전송 저항은, 예를 들면 부식된 접촉점들에 의하거나 손상된 전기 도체로 인해 야기된다. 12V의 전압이 여전히, 42V 또는 48V가 공급된 차량들에 관해, 아크의 필요한 방전 전압 아래에 있는데 반해, 그러한 아크 형성의 증가된 위험이 존재하는데, 이는 대략 20V로 안정되고, 따라서 차량에 관한 상당한 화재 위험과, 그에 다른 사람에 대한 위험을 나타낸다. 이 경우, 전기 컨슈머(consumer)들과 그것들의 피드 라인을 감시하기 위해 제공되는 퓨즈들은 반응하지 않거나 지연된 방식으로만 반응하는데, 이는 상이한 전위를 갖는 2개의 구성 요소 사이의 아크에서 발생하는 전류가 직접적인 단락에 비해 낮고, 전류 경로를 따라 존재하는 아크에서는 심지어 연결된 컨슈머의 정상적인 작동에 비례하여 감소될 수 있기 때문이다.
참조 문헌 DE 10132752B4는 아크가 발생할 때 도체를 보호하기 위한 방법 및 장치를 개시하였다. 이 경우, 절연된 탐지 라인은 감시될 공급 라인을 따라 라우트된다. 만약 아크가 발생하면, 탐지 라인의 절연이 녹고 탐지 라인과 공급 라인 사이에 직접적인 접촉이 발생한다. 이는 탐지 라인에서의 전류 흐름을 만들어내고, 이는 아크를 탐지하기 위해 사용되는 것이다. 이 경우 단점은, 아크의 특색을 이루는 전류 흐름을 만들기 위해, 탐지 라인과 공급 라인 사이의 직접적인 접촉이 요구된다는 점이다. 이는 기체의 대응하는 생성이 발생할 때, 절연 재료가 갑작스럽게 불이 날 수 있는 아크의 제어되지 않은 뜨거운 구역에서 일어난다. 반면에 공급 라인과 탐지 라인은 아크의 구역에서 서로로부터 분리될 수 있고, 그 결과 전류 흐름이 일어나지 않거나, 신뢰 가능하게 평가될 수 있는 범위 아래로 전류가 떨어진다. 이 경우, 130°와 180°사이에 있는 녹는 점을 갖는 특별한 절연 재료의 사용을 위한 기준(reference)이 제공되고, 이는 아크의 경우에 제어된 방식으로 흘러간다. 하지만, 아크의 부근에서는 1000℃보다 상당히 큰 온도가 발생하고, 이는 절연 재료가 해체되게 한다. 또 다른 단점은 그 시스템이 정상적인 작동 동안에는 전류가 없고, 결함의 경우에는 탐지 가능한 전류를 운반하는 능동형 안전 시스템이라는 사실에 있다. 예를 들면 탐지 라인의 부식된 접촉으로 인한, 안전 시스템에서의 결점은, 결함의 경우에 아크의 발생에도 불구하고 전류가 탐지 라인에서 흐르는 것이 가능하지 않고, 따라서 아크가 탐지되지 않은 채로 남아 있다는 사실을 초래할 수 있다. 이를 회피하기 위해, 복잡하고 그에 따라 비싼 접촉물(contact)이 요구된다. 자동차 분야에서의 능동형 안전 회로에 관한 안전 표준을 따르기 위해서는, 예를 들면 탐지 라인의 저항을 감시함으로써, 이러한 회로를 지속적으로 체크하는 것이 필수적이다. 이는 또한 매우 복잡하고 해당 비용과 관계된다.
참조 문헌 DE10150377A1은 센서의 신호 라인들에서의 단락 탐지를 위한 방법 및 장치를 설명한다. 이를 위해, 센서 신호 외에, 직렬 저항을 거쳐 정적인 기준 전위가 감시될 신호 라인에 인가된다. 직렬 저항 후 신호 라인에서의 정적인 전위가 미리 결정된 범위 바깥쪽에 있을 때에는 단락이 존재한다. 이 방법은 본질적으로 파워 없이 작동되고, 신호 곡선이 대응하는 고임피던스(high-impedance) 방식으로 탐지되고 평가되는 신호 라인들에 관해서만 사용될 수 있다. DC 회로에서의 컨슈머의 공급 라인들은 정적인 기준 전위와 오버레이(overlay)될 수 없는데, 이는 이렇게 하는 것이 바로 컨슈머의 변경된 파워 소비를 초래하고, 기준 전압원의 제안된 파워로 인해 감시될 정적인 전위의 변화를 야기하기 때문이다.
DE 19935439A1은 절연체에 의해 분리되는 적어도 2개의 연결기 요소를 갖는 센서 라인을 개시하였다. 이러한 절연체는 온도 증가와 같은 외부 영향에 의해 변경될 수 있는 전기 전도도를 가지는 재료로 구성된다. 예를 들면, 화재로 인해 센서 라인의 구역에서의 온도가 증가하면, 도체 요소들은 전도성이 된 절연체에 의해 단락된다. 이러한 단락이 탐지되고 그것에 의해, 잠재적인 화재 원인이 탐지된다. 이러한 방법의 단점은 절연체를 위해 특별한 플라스틱이 요구된다는 점인데, 이러한 플라스틱은 더 높은 온도(T≥80℃)에서는 전도성이다. 또 다른 단점은 어떠한 전도성 양상도 만들어지지 않도록, 아크에서 발생하는 높은 온도에서는 이러한 플라스틱도 붕괴된다는 사실에 있다. 그러므로 아크 탐지는 설명된 센서 라인으로는 가능하지 않다.
DE10132752B4에 관련되어 이미 설명된 것처럼, DE19935439A1으로부터 알려진 장치는 정상 작동 동안에는 전류가 없고, 결함의 경우에 탐지되어야 할 전류를 운반하는 능동형 안전 시스템을 불리하게 구성한다. 그러므로 예를 들면, 탐지 라인의 부식된 접촉으로 인한 안전 시스템에서의 결점은 또한, 결함의 경우에 도체 요소들 사이의 전도성 연결에도 불구하고, 탐지 라인에서의 어떠한 전류 흐름도 가능하지 않고, 따라서 그러한 결함이 탐지되지 않은 채로 있게 되다는 사실을 초래한다. 그러므로 이러한 장치는 자동차 분야에서 사용하기 위해 공인될 수 없다.
본 발명의 목적은 DC 회로에서 아크를 신뢰 가능하고, 비싸지 않게 탐지하는 것을 허용하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 대응하는 장치를 제공하는 것이다.
이러한 방법에 관한 본 발명의 목적은, DC 회로의 전위라고 부르는 전압 신호가, 직렬 저항을 거쳐 인커플링(incoupling) 포인트에서 탐지 도체에 접속되며, 전압 신호는 탐지 도체의 아웃커플링(outcoupling) 포인트에서 다시 이어지고, 직렬 저항 앞의 전압 신호는 아웃커플링 포인트에서의 전압 신호와 비교되고, 아웃커플링 포인트에서의 전압 신호가 직렬 저항 앞의 전압 신호로부터 미리 결정된 양보다 더 벗어날 때 아크가 발생했다는 결론이 도출된다는 점에서 달성된다. 정상적인 작동 동안에, 탐지 도체는 어떠한 전하도 운반하지 않거나, 높은 임피던스 전압 측정으로 인해 약간의 전하만을 운반한다. 따라서, 직렬 저항 전과 후의 전압 신호는 적어도 거의 같다. 만약 그것에 수반하는 매우 높은 온도로 인해 아크가 발생하면, 이는 즉시 아크의 부근에서 이온화된 그리고 따라서 전도성인 공기를 만들게 된다. 예를 들면 감시될 케이블과 같이, 절연 재료들의 연소 생성물이 또한 이러한 이온화된 공기에 기여한다. 이러한 이온화된 공기는 탐지 도체로부터의 전류의 흐름을 가능하게 한다. 전류 흐름이 발생할 때에는, 탐지 도체의 아웃커플링 포인트에서의 전압이 감소하도록 직렬 저항을 거친 전압 강하가 증가한다. 이는 직렬 저항 전의 전압 신호와 아웃커플링 포인트에서의 전압 신호를 비교함으로써 탐지되고, 그 결과 아크가 탐지된다.
직렬 저항의 알맞은 선택을 통해, 심지어 이온화된 공기를 통한 탐지 도체의 비교적 낮은 전류 부하(load)를 가지고, 아크가 생성될 때 초기에 이미 탐지하는 것이 가능하도록 아웃커플링 포인트에서의 전압의 상당한 변화가 이루어진다.
또 다른 상당한 장점은 아크 인지가 수동형 안전 시스템의 형태로 구현된다는 사실에 있다. 탐지 도체의 전압이 없는 상태가 그 다음 제공되는 단계들에 의해 아크로서 탐지된다. 만약 그러한 전압이 없는 상태가, 예를 들면 부식된 접촉물 또는 차단된 탐지 도체로 인한 것과 같이 또 다른 결함으로 인해 발생한다면, 이들 단계가 또한 취해지고, 완전한 안전이 이루어진다. 그러므로 차단이 계속해서 체크되는 계속해서 닫힌 탐지 회로가 존재하고, 차단이 있는 경우, 제공된 안전 단계들의 실행을 시작한다. 따라서 이러한 방법은 예를 들면 모터 차량에 적용 가능한 안전에 관련된 구성 요소의 페일 세이프티(fail safety)에 관한 요구 조건을 충족시키는 것을 가능하게 한다. 안전한 상태가 스위치 오프된 상태이므로 1년마다 10-10개의 결함이 발생하는 결함 비율(fault rate)이 달성 가능하다.
본 발명의 또 다른 장점은 아크 안쪽의 불리한 상황에서는 발생하지 않는, DC 회로의 탐지 도체와 또 다른 도체 사이의 직접적인 접촉이 요구되지 않는다는 사실에 있다. 평가를 위해서는, 탐지 도체가 아크의 이온화된 구역을 통해 라우트된다. 하지만, 동시에 탐지 도체에서는 전압 변경이 일어나는데, 심지어 2가지 경우 모두에서 아크의 신뢰 가능한 탐지가 가능하게 되도록, 직접적인 접촉이 있는 경우에도 그러하다.
따라서 아크가 있는 경우, 탐지 도체는 신뢰 가능한 방식으로 전기적으로 충전되고, 그 전압 신호를 DC 회로의 전위라고 부른다. 이는 마이너스 전위일 수 있지만, 또한 플러스 전위일 수 있고, 그 결과 마이너스 전위와 플러스 전위 사이에 있는 전위 또는 DC 회로의 작동 전압일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 변형예에 따르면, DC 전압 신호, AC 전압 신호, 또는 AC 전압이 위에 놓이는 DC 전압 신호가 전압 신호로서 사용될 수 있다. DC 전압 신호는 감시될 DC 전압 시스템에서 쉽고 저렴하게 만들어질 수 있다. 그에 반해, AC 전압은 신뢰 가능한 탐지라는 장점을 제공한다. 아크의 일정하지 않은 상태에서는, 접지(ground)로부터 DC 회로의 전압 신호 또는 공급 전압의 전압까지의 임의의 DC 전압들이 탐지 도체에서 발생할 수 있고, 이는 DC 전압 신호에 기초한 잘못된 탐지의 일을 복잡하게 한다. 하지만, AC 전압은 아마도 위에 놓인 DC 전압들과는 명확히 구별될 수 있고, 신뢰 가능하게 평가될 수 있다. 이 경우, 정현파 형태의 전압이 제공될 수 있지만, 톱니파 전압, 델타 전압, 및 구형파 전압과 같은 임의의 다른 AC 전압들이 또한 제공될 수 있다. 그 선택은 방해 전압을 신뢰 가능하게 제외시키기 위해, 위상(phase)-선택적 및/또는 주파수-선택적 방식으로 행해질 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예의 일 변형예에 따르면, DC 회로의 파워 공급(power supply)은 아크가 탐지될 때 중단될 수 있다. 이는 아크의 즉각적인 소멸(extinguishing)을 초래하여, 더 상당한 손상을 회피하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 장치에 관한 본 발명의 목적은, 탐지 도체가 전압 신호를 출력하는 신호 소스에 직렬 저항을 거쳐 인커플링 포인트에서 연결되고, 상기 신호 소스의 전압 신호는 감시될 DC 회로의 전위를 가리키며, 전압원에 의한 전한 신호 출력과 탐지 도체의 아웃커플링 포인트에서의 전압 신호 출력은 비교기에 공급되고, 상기 장치는 만약 아웃커플링 포인트에서 존재하는 전압 신호가 미리 결정된 양보다 더 신호 소스에 의한 출력인 전압 신호로부터 벗어난다면 아크를 탐지하는 처리 장치와 연관된다는 점에서 달성된다. 따라서 이러한 장치는 탐지 도체로부터 시작하여 아크의 부근에서 이온화된 공기에 의해 가능하게 되는 전류 흐름이 직렬 저항 전의 전압 신호가 일정하게 남아 있으면서 아웃커플링 포인트에서 전압 신호의 변경을 초래하는 전술한 방법을 행하는 것을 가능하게 한다. 전압 신호들의 비교는 비교기에서의 차이 측정에 의해 행해질 수 있다. 대안적으로, 직렬 저항 전과 아웃커플링 포인트에서의 전압 신호들은 또한 별개로 탐지된 다음 비교될 수 있다. 처리 장치는 전자 회로의 형태로 제공될 수 있거나, 비교기에 의해 결정된 전압 차이를 탐지한 다음 아크 발생 여부를 결정하는 처리 장치로서 마이크로프로세서가 제공될 수 있다. 아크 존재에 관한 결정 기준으로서, 전압 신호가 아웃커플링 포인트에서 더이상 존재하지 않고, 따라서 미리 결정된 양이 전압 신호의 양에 대응한다는 사실을 선택하는 것 또한 가능하다.
탐지 도체와 DC 회로의 도체 사이의 아크의 이온화된 공기를 통한 전류 흐름을 가능하게 하기 위해, 신호 소스의 전압 신호는 감시될 DC 전압 회로의 전위를 참고해야 한다.
본 발명의 바람직한 일 변형예에 따르면, 탐지 도체는 인커플링 포인트와 아웃커플링 포인트가 도체 루프의 끝단에 위치하는 닫힌 도체 루프로서 구현된다. 예를 들어, 인커플링 포인트로부터 시작하여 DC 회로의 도체를 운반하는 케이블을 감시하기 위해서는, 탐지 도체가 케이블을 따라 피드(feed)를 가지고 연장한 다음 케이블의 처음에서 인커플링 포인트로의 리턴(return)을 거쳐 케이블을 따라 되돌아올 수 있다. 이러한 배치는 케이블의 한쪽 끝단에 인커플링 포인트와 아웃커플링 포인트를 두는 것을 가능하게 하여, 신호 소스, 직렬 저항, 및 비교기를 가지는 전자 회로에 대한 간단한 연결을 허용한다. 이 경우, 피드와 리턴 모두 감시될 도체를 따라 위치하거나, 케이블 상에 위치하여, 발생하는 아크의 부근에 탐지 도체의 적어도 일부가 신뢰 가능하게 위치하는 것을 가능하게 한다. 신호 소스의 전압 신호는 탐지 도체의 인커플링 포인트에서 직렬 저항을 거쳐 결합된다. 탐지 도체의 끝단에서는, 아웃커플링 포인트에서 전압 신호가 골라내어지고 비교기에 공급된다. 아크가 발생하면, 아크에서 발생하는 이온들이 탐지 도체의 끝단에 존재하는 전압 신호에서 아크가 명확히 탐지될 수 있는 방식으로 전압 신호를 왜곡시킨다.
감시될 DC 회로의 접촉점에서, 전체 길이에 걸쳐 DC 회로의 도체를 감시할 수 있게 하기 위해, 탐지 도체는 또한 접촉물(contact)로서 구현될 수 있고/있거나 탐지 도체의 접촉물이 특히 느린(lagging) 접촉물 또는 이끄는(leading) 접촉물과 같은 지연(delay) 장치를 갖는 인터로크 회로로서 구현될 수 있다. 그러므로 탐지 도체는, 예를 들면 추가의 플러그 접촉물의 형태로 된 DC 회로의 플러그로 통합될 수 있다. 따라서 내부에 형성된 아크에 관한 전술한 플러그와 같은 DC 회로의 접촉점들을 감시하는 것 또한 가능하다. 탐지 도체의 접촉물이 지연 장치를 갖는 인터로크 회로로서 구현된다면, 그러한 접촉점에 관한 안전 기준을 증가시키는 것이 가능하다. 이러한 종류의 인터로크 회로에서는, 우선 예를 들면 DC 회로의 메인(main) 플러그가 열릴 수 있기 전에, 나사를 풀어서 탐지 도체의 접촉물의 맞물림을 푸는 것이 필수적이다. 플러그가 분리되기 전에, DC 회로는 차단된다. 만약 이렇게 하는 것이 잊은 단계라면, 탐지 도체를 여는 것은 DC 회로가 스위치 오프되게 한다. 이는, 예를 들면 상용 차량의 트레일러로의 전기적 접속에 타당한데, 이는 이렇게 하는 것이 메인 플러그가 분리되기 전에 파워 공급을 신뢰 가능하게 스위치 오프하기 때문이다.
전체 DC 회로에서 아크를 탐지할 수 있게 하기 위해서는, 탐지 도체가 DC 회로의 컨슈머들을 통해, 또는 컨슈머들과 함께 라우트되는 것 및/또는 케이블들을 통해 또는 DC 회로의 케이블들과 함께 탐지 도체가 라우트되는 것이 가능하다. 이 경우, 탐지 도체는 예를 들어 컨슈머의 하우징 내부에 유리하게 놓이는데, 이는 하우징 내부의 공기가 아크가 있는 경우 즉시 이온화되어, 아크의 매우 신속한 탐지를 허용하기 때문이다. 큰 감시 구역을 얻기 위해서, 탐지 도체는 예를 들어 센서 플레이트의 형태로, 컨슈머들의 부근에서 서로 맞게 큰 영역으로 구현될 수 있다. 감시될 가능한 컨슈머들은 에어컨 압축기, 교류 발전기, 스타터(starter), 구동 전자기기(drive electronics), 또는 동력 조향(power steering) 유닛을 포함한다. 아크에 관해 컨슈머를 감시할 때에는, 이들이 대개는 아크의 신속한 탐지와 파워 공급의 대응하는 스위칭 오프를 가지고 완전한 파괴가 회피될 수 있는 높은 품질과 그에 따른 고가인 구성 요소인 것이 유리하다. DC 회로의 케이블들을 통해 또는 케이블들과 함께 탐지 도체를 라우트함으로써, 그것들이 아크를 형성하는지를 감시하는 것이 가능하다.
탐지 도체와 기준 전위 사이의 아크 내부에서 만들어지는 저항 및 직렬 저항은 결합하여 분압기를 만든다. 직렬 저항의 적절한 선택을 통해, 분압기는 아크 내부의 예상된 저항이 발생할 때, 아웃커플링 포인트에서의 전압 신호의 최대 변경이 발생하도록 구현될 수 있다. 이는, 예를 들면 100Ω과 10000Ω 사이와 같이 10Ω과 10000Ω(10㏀) 사이의 범위, 바람직하게는 300Ω과 3000Ω 사이의 범위에 직렬 저항이 있음으로써 달성될 수 있다. 예를 들어 1000Ω의 직렬 저항을 가지고, 아웃커플링 포인트에서의 붕괴 전압 신호의 도움으로, 비교에 의해 그리고 따라서 그에 맞게 높은 저항에 의해 여전히 약간만 이온화되는 기체가 존재하면서, 아크들이 생성되는 중일 때 그러한 아크들을 이미 탐지하는 것이 가능하다. 버스들과 같은 차량에서는, 감시한 비교적 큰 케이블 길이가 존재한다. 탐지 도체에서 높은 파워(power)를 달성하기 위해서는, 예를 들면 10Ω 내지 50Ω의 범위에 있는 직렬 저항을 가지고 작업하는 것이 유리할 수 있다.
신호 소스가 AC 전압원, DC 전압원, 또는 DC 전압 오프셋이 위에 놓인 AC 전압원로서 구현되는 것이 가능하다. AC 전압원의 사용은 아크 발생시 DC 회로로부터 탐지 도체로 전송될 수 있는 DC 전압과의 간단한 구분의 장점을 제공한다. 하지만, DC 전압원들은 감시될 DC 회로 환경에서 만들어내기가 더 간단하고 비용이 덜 든다.
아크의 발생으로 인한 더 많은 손상을 회피하는 것을 가능하게 하기 위해, 회로 차단기의 트리핑(tripping)에 의한 아크의 탐지에 반응하도록 처리 장치가 설계되는 것이 가능하고, 이러한 회로 차단기는 DC 회로의 파워 공급을 차단한다. 파워 공급을 차단하기 위해, 헤비-듀티(heavy-duty) 회로 차단기가 사용될 수 있고, 이러한 회로 차단기는 예를 들면 DC 회로로부터 모터 차량의 배터리 또는 발전기(generator)를 분리한다. 이들은 회로 차단기 자체에서 발생하는 아크 없이, 강력한 전류가 있는 단락 상태하에서도, 신뢰 가능하게 전환하도록 설계된다. 헤비-듀티 회로 차단기는 헤비-듀티 분리 릴레이(disconnect relay), 전자 회로 차단기, 또는 파이로테크닉(pyrotechnic) 퓨즈들의 형태로 제공될 수 있다. 헤비-듀티 회로 차단기는 배터리 상에 또는 배터리 내에 또는 발전기 상에 또는 발전이 내에 직접 위치할 수 있다.
본 발명의 가능한 변형예들에 따르면, 탐지 도체는 적어도 일부 영역들에서 절연되는 것으로 구현되고/구현되거나 탐지 도체가 적어도 일부 영역들에서 절연 없이 구현된다. 절연된 탐지 도체는 감시될 DC 회로 도체와의 부주의한 단락의 위험없이 직접 접촉하게 놓일 수 있다. 만약 아크가 발생하면, 절연은 파괴되고 이온화되며, 따라서 전도성 공기가 형성된다. 가려지지 않은(bare) 탐지 도체를 가지고서는, 절연이 반드시 먼저 탈 필요는 없고, 따라서 아크 발생시 매우 신속한 반응 속도를 초래한다. 유리하게, 예를 들어 도체 루프로서 구현된 탐지 도체의 피드(feed)와 같은, 탐지 도체의 일부가 절연될 수 있고, 예를 들어 복귀(return)시 탐지 도체의 또 다른 부분이 2가지 장점이 결합될 수 있도록 가려지지 않은 채로 될 수 있다. 가려지지 않은 탐지 도체를 가지고서는, 다른 전압을 운반하는 구성 요소 또는 정상적인 아크가 없는 작동 동안에 지면(ground)과 접촉하지 않게 하는 주의가 이루어져야 한다. 일 실시예에서, 탐지 도체는 감시될 케이블과 함께 튜브(tube)에서 라우트될 수 있다.
가려지지 않은 탐지 도체는 또한 특히 컨슈머들 내부에서 유리하다. 만약 아크가 컨슈머의 하우징 내부에서 발생하면, 이온화되고 따라서 전도성인 기체가 즉시 내부 전체에 존재한다. 가려지지 않은 탐지 도체가 사용되면, 그것이 형성된 이온화된 공기에 매우 신속하게 반응하도록, 탐지 도체의 절연이 반드시 먼저 탈 필요가 없다. 컨슈머들을 감시하기 위해 가려지지 않은 탐지 도체를 사용하는 것은 탐지 도체의 절연을 태우기에 충분히 높은 온도가 하우징 전체에 걸쳐 존재하지 않기 때문에, 또한 유리하다. 절연된 탐지 도체와는 대조적으로, 가려지지 않은 탐지 도체는 심지어 하우징에서의 공기가 충분히 이온화되는 한, 컨슈머의 하우징 내부의 매우 높은 온도를 갖는 구역을 통해 라우트되지 않더라도 반응한다.
본 발명의 또 다른 변형예에 부합하게, 한쪽에서는 DC 회로의 컨슈머들이 차량 그라운드(ground)에 연결되고, 공급 전압이 탐지 도체들에 의해 감시되는 플러스 라인들을 거쳐 컨슈머들에게 운반되는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 아크 감시 없이, 42V 또는 48V의 전기 시스템을 구비한 모터 차량들에서의 컨슈머는 분리된 플러스 라인과 마이너스 라인을 거쳐 전기적으로 공급을 받는다. 12V의 전기 시스템에서 흔히 그러하듯이 마이너스 폴(pole)로서 공유된 차량 그라운드를 사용하는 것은 전압을 운반하는 라인들과 그라운드 사이에 아크 형성의 상당한 위험으로 인해 제공되지 않는다. 본 발명에 따른 아크 탐지와, 아크가 탐지될 때 DC 회로의 파워 공급의 중단으로, 아크 형성과 따라서 차량 화재의 유발(triggering)의 위험 증가없이, 공유된 차량 그라운드를 제공하는 것이 다시 한번 가능하다. 이러한 조치에 의해, 모터 차량의 와이어링 하니스에 관한 비용과 모터 차량의 무게 모두를 상당히 감소하는 것이 가능하다.
이러한 방법 및 장치는, 예를 들어 24V와 60V 사이와 같이, 20V와 60V 사이의 전압 범위에서 DC 회로를 감시하거나, 예를 들어 24V와 60V 사이와 같이, 20V와 60V 사이의 전압 범위, 바람직하게는 40V와 50V 사이의 전압 범위에서 모터 차량의 DC 회로를 감시하기 위해 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 전형적인 실시예에 기초하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 탐지 도체를 구비한 양극 케이블을 자른 단면의 개략적인 정면 사시도.
도 2는 DC 회로의 컨슈머와 케이블에서 아크를 탐지하기 위한 전자 조립체의 개략적인 도면.
도 3은 아크가 없는 DC 회로가 정상으로 작동하는 동안, 비교를 위한 신호 곡선이 있는, 도 1의 케이블을 도시하는 도면.
도 4는 아크가 발생할 때, 도 3으로부터의 비교를 위한 신호 곡선이 있는, 도 1의 케이블을 도시하는 도면.
도 5는 탐지 도체를 감시하기 위한 통합된 안전 회로가 있는, 아크를 탐지하기 위한 전자 조립체를 도시하는 도면.
도 6은 단극 플러스 케이블과 단극 마이너스 케이블이 있는 케이블 쌍을 도시하는 도면.
도 7은 플러스 라인과 나란히 있는 탐지 도체를 구비한 단극 케이블(플러스 라인)을 도시하는 도면.
도 8은 전자 조립체를 구비한 회로에 관한 또 다른 전형적인 실시예를 도시하는 도면.
도 1은 탐지 도체(13)를 구비한 양극 케이블(10)을 자른 단면의 개략적인 정면 사시도이다. DC 회로의 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12)이 절연된 케이싱(14) 안쪽에 위치하고 있다. 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12) 외에, 탐지 도체(13)의 피드(13.1)와 리턴(13.2)이 절연된 케이싱(14) 안쪽에 위치하고 있다. 도 2 및 도 5에 도시된 것처럼, 피드(13.1)와 리턴(13.2)은 탐지 도체(13)가 도체 루프를 구성하도록, 케이블(10)의 끝단에서 서로 연결된다.
케이블(10)은 모터 차량의 48V 전기 시스템의 부분이고, 도 2에 도시된 전기 컨슈머(17)에 전기 에너지를 공급하기 위해 사용된다. 또 다른 구현예에서는, 탐지 도체(13)가 케이싱(14) 바깥쪽에서 돌아다닐 수 있거나, 예를 들면 나선형 형태로 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(14) 둘레에서 연장할 수 있거나, 네트(net) 또는 스크린(screen)의 형태로 구현될 수 있다. 탐지 도체(13)는 또한 케이블(10) 둘레 또는 플러스 라인(11) 또는 마이너스 라인(12) 둘레에서 관(tube)으로 운반될 수 있다. 간섭 거리를 개선하기 위해, 꼬인 이중선(double line)의 형태로 탐지 도체(13)가 구현되는 것이 또한 가능하다. 2개의 탐지 도체(13)를 제공하고, 따라서 여분의(redundant) 시스템을 달성하는 것이 또한 가능하다.
탐지 도체(13)는, 예를 들면 전기 저항이 증가된 채로 결함에서는 플러스 라인(11) 또는 마이너스 라인(12)을 따라 또는 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12) 사이에 존재하는 전류 경로를 따라 발생할 수 있는 종류의 아크를 탐지하기 위해 사용된다. 그러한 아크는 20V의 전압에서 시작하는 안정적인 방식으로 타오르고, 차량에 심각한 손상을 야기할 수 있다. 아크에 관해 필요한 방전 전압 아래에 있는 전압을 갖는 현재 사용중인 12V 전기 시스템으로부터 42V 또는 48V 전기 시스템으로의 전환이 이루어지면, 그러한 아크 형성의 위험이 상당히 상승한다. 예를 들면, 높아진 전기 저항으로 인해 플러스 라인(11) 또는 마이너스 라인(12)의 부식된 접촉점에서 아크가 발생하면, 케이블(10)을 보호하기 위해 제공된 퓨즈가 반응하지 않도록, 플러스 라인(11) 또는 마이너스 라인(12)을 통한 전류 흐름이 일반적으로 감소한다. 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12) 사이에 아크가 발생하면, 사실상 전류 흐름이 상당히 더 커지게 되지만, 여전히 퓨즈의 지연된 반응을 이끌어낼 수 있는 범위에 있다.
만약 아크가 발생하면, 부근의 공기가 이온화되고, 따라서 전도성이 있게 된다. 아크 부근에 있는 절연 재료는 열적으로 붕괴되고, 이온화된 대기의 형성에 기여한다.
탐지 도체(13)에 의해 아크들이 탐지되도록 하기 위해서는, 아크가 발생할 때, 도체가 아크에 의해 만들어진 이온화된 구역 곳곳에 존재하도록, 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12)에 가깝게 탐지 도체(13)가 라우트되는 것이 필수적이다. 이는, 예를 들면 케이블(10)의 전술한 실시예의 변형예에 의해 이루어질 수 있다.
도 2는 DC 회로의 컨슈머(17)와 케이블(10)에서 아크를 탐지하기 위한 전자 조립체(20)의 개략적인 도면이다.
전자 조립체(20)는 신호 소스(22), 직렬 저항(24), 및 비교기(23)를 포함한다. 신호 소스(22)는 직렬 저항(24)에 연결되고, 신호 라인(25)을 거쳐 비교기(23)에 연결된다. 직렬 저항(24)은 도 1과 연계되어 이미 소개된 탐지 도체(13)의 피드(13.1)의 헐거운 끝단에서 인커플링 포인트(21.1)에 연결된다. 탐지 도체(13)의 리턴(13.2)은 아웃커플링 포인트(21.2)를 거쳐 비교기(23)에 연결된다. 탐지 도체(13)의 피드(13.1)와 리턴(13.2)은 마찬가지로, 도 1에서 이미 도시된 케이블(10)에서 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12)과 함께 라우트된다. 이 경우, 플러스 라인(11)은 입력측에서 공급 전압(16)에 연결되고, 마이너스 라인(12)은 도시되지 않은 파워 공급의 마이너스 전위(18)에 연결된다. 전기 컨슈머(17)는 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12) 사이에서 연결되고, 케이블(10)을 거쳐 전기 에너지가 공급된다.
전기 컨슈머(17)의 중간 부근에서는, 탐지 도체(13)의 루프(13.3)가 라우트되고, 이러한 루프(13.3)는 탐지 도체(13)가 닫힌 도체 루프를 형성하도록, 탐지 도체(13)의 피드(13.1)와 리턴(13.2)을 연결시킨다. 케이블(10)을 따라서, 플러그-인(plug-in) 접촉의 형태로 제1 접촉점(15.1)과 제2 접촉점(15.2)이 구현된다. 접촉점(15.1, 15.2)은 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12)에 관한 접촉을 형성하고 또한 탐지 도체(13)의 피드(13.1)와 리턴(13.2)에 관한 접촉을 형성한다.
신호 소스(22)와 비교기(23)는 DC 회로를 구비한 공유된 기준 전위(26)를 참조하고, 이 경우는 DC 회로의 마이너스 전위(18)를 참조한다. 대안적으로, 공급 전압(16) 또는 DC 회로의 임의의 기준 전압이 기준 전위(26)로서 제공될 수 있다.
신호 소스(22)는 인커플링 포인트(21.1)에서 직렬 저항(24)을 거쳐, 탐지 도체(13)의 피드(13.1)에 전압 신호를 공급한다. 전압 신호는 접촉점(15.1, 15.2)을 거쳐, 루프(13.3)로 운반되고, 루프(13.3)에서, 리턴(13.2)과 접촉점(15.1, 15.2)을 거쳐, 다시 아웃커플링 포인트(21.2)로 운반된다. 비교기(23)는 직렬 저항(24) 전에 측정점(MP127.1)과, 탐지 도체(13)의 끝단에서 측정점(MP227.2)에서 존재하는 전압 신호들의 고(high)-임피던스 측정을 행하고, 그것들을 비교한다. 만약 어떠한 아크도 존재하지 않는다면, 탐지 도체(13)의 도체 루프는 오로지 비교기(23)의 측정 전류에 의해서만 충전된다. 그에 따라, 직렬 저항(24) 전과, 아웃커플링 포인트(21.2)에서, 낮은 오차 허용도로 동일한 전압 신호가 존재하도록, 직렬 저항(24)을 통한 전압 강하는 무시할 수 있다. 비교기(24)는 전압 신호들이 동일한 것을 인지한 다음, 마이크로프로세서의 형태와 같은, 도시되지 않은 처리 장치가 케이블(10), 접촉점들(15.1, 15.2), 또는 컨슈머(17) 부근에는 어떠한 아크도 존재하지 않는다고 결정한다. 하지만, 만약 아크가 발생하면, 아크 부근의 대기가 이온화되고 따라서 전도성을 가지게 된다. 탐지 도체(13)는 그것이 이러한 이온화된 구역을 통해 라우트되도록 위치가 정해진다. 신호 소스(22)와 DC 회로의 공유된 기준 전위(26) 때문에, 탐지 도체(13)로부터 DC 회로로 전류가 흐른다. 그 결과, 직렬 저항(24)을 통한 전압 강하가 증가하여, 아웃커플링 포인트(21.2)에서의 전압 신호가 직렬 저항(24) 전의 전압 신호에 비례하여 감소한다. 이는 비교기(23)에 의해 결정된다. 만약 전한 신호들 사이의 차이가 미리 결정된 허용 가능한 양보다 크다면, 처리 장치가 아크를 탐지한다.
바람직하게, 전압 신호로서 AC 전압이 제공되는데, 이는 이러한 AC 전압이 예를 들면 아크가 있는 경우 DC 회로로부터 탐지 라인으로 전달될 수 있는 정류의 기존의 DC 전압들과는 명확히 구별될 수 있기 때문이다. 직렬 저항(24)은 아크에서 탐지 도체(13)의 예상된 전류 부하(current load)를 가지고, 직렬 저항(24)에서 더 높은 전압 강하가 이루어지고, 따라서 직렬 저항(24) 전의 전압 신호와 아웃커플링 포인트(21.1)에서의 전압 신호 사이의 더 큰 전압 차이가 만들어지도록 선택된다. 유리하게는 300Ω과 3000Ω 사이의 범위에 있는 직렬 저항(24)이 제공된다. 아크가 생성되고 있을 때, 대기의 이온화가 비교적 경미할 때에는, 이러한 종류의 직렬 저항(24)이 이미 상당한 전압 강하를 생기게 하고, 따라서 아웃커플링 포인트(21.1)와 그로 인해 측정 포인트(MP227.2)에서의 전압 신호의 명확히 탐지 가능한 변화가 이루어진다. 직렬 저항(24)의 대응하는 선택으로 인해, 탐지 도체(13)에서의 전압 신호가 완전히 붕괴되고, 이는 비교기(23)에 의해 명확히 탐지 가능하다.
전형적인 실시예에서의 이러한 탐지 도체(13)는 케이블(10)에서의 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(13)과 함께 라우트된다. 이 경우, 탐지 도체(13)는 마찬가지로 접촉점(15.1, 15.2)에서의 접촉에 의해 연결된다. 루프(13.3)는 컨슈머(17) 상에서 또는 컨슈머(17) 내에서 직접 라우트된다. 이 경우, 탐지 도체(13)는 센서 플레이트(plate)의 형태로 구현됨으로써, 컨슈머(17)의 부근에서 큰 면적을 가지고 구현될 수 있다. 이러한 식으로, 접촉점들(15.1, 15.2)과 컨슈머(17)에서 케이블(10)을 따라 아크를 탐지하는 것이 가능하다.
아크가 탐지되면, DC 회로의 파워 공급이 차단된다. 이를 위해, DC 회로에는 헤비-듀티(heavy-duty) 회로 차단기(circuit breaker)가 제공되고, 이러한 회로 차단지는 예를 들면 DC 회로로부터 배터리 및/또는 발전기(generator)를 분리시킨다. 헤비-듀티 회로 차단기는 릴레이(relay), 전자 회로 차단기, 또는 파이로테크닉 퓨즈의 형태로 제공될 수 있다. 이 경우, 헤비-듀티 회로 차단기는 배터리 상에 또는 배터리 내에 직접 위치할 수 있거나, 발전기 내에 직접 위치할 수 있다.
도시된 장치는 수동형(passive) 안전 시스템이다. 수동형 안전 시스템은 현재 상태가 안전한 상태라는 사실을 그 특징으로 한다. 만약 예상된 전류가 흐르지 않게 되는 결함이 생기면, 그러한 수동형 안전 시스템은 결함 모드로 전환된다. 이 경우, 안전 시스템은 아크를 탐지하고, 만약 아웃커플링 포인트(21.2)에서 전압 신호를 변경하는 잘못이 탐지 도체(13)에서 발생한다면, DC 회로의 공급 전압(16)을 스위치 오프한다. 그러므로 시스템은 어떠한 경우에도 안전한 상태로 되돌아간다. 탐지 도체(13)의 폐쇄 회로가 존재하고, 이는 작동하는 동안 중지를 위해 지속적으로 확인되고, 안전 모드에서 중지되는 경우에 스위치 오프된다. 이는 능동형 안전 시스템에 비해 상당한 장점을 제공하는데, 이는 기본 상태에서는 전류가 없고, 결함의 경우에 전류 흐름을 초래하기 때문이다. 이러한 종류의 능동형 시스템에서는, 센서 시스템의 접촉의 전이 저항과 파워 연결을 지속적으로 그리고 따라서 노동 집약적으로 감시하는 것이 필수적이다. 이러한 수동형 안전 시스템에 의해, 매년 10-10개의 결함의 범위에서 매우 낮은 결함 비율을 달성하는 것이 가능하다. 이는 자동차 안전 회로들에 관한 적용 가능한 요구 조건에 따른 증명을 가능하게 한다.
도시되지 않은 구현예의 변형예에 따르면, 비행(flying) 연결을 가지고, 예를 들면 세미-트레일러(semi-trailer)에서의 전기 접속시, 탐지 도체(13)는 인터로크(interlock) 회로로서 구현될 수 있다. 이러한 종류의 인터로크 회로를 가지고, 탐지 도체(13)의 본 경우에서는 처음에, DC 회로의 메인 연결이 분리될 수 있기 전에 센서 라인이 차단되는 것이 필수적이다. 이는 메인 연결기가 분리되기 전에 전류가 없는 상태로 DC 회로가 믿을 수 있게 전환되는 것을 허용한다.
도 3은 아크가 없는 DC 회로의 정상적인 작동 동안에 비교를 위해 신호 곡선(30, 31)을 갖는 도 1에 이미 도시된 케이블(10)을 보여준다. 이 경우, 신호 곡선인 MP130은 직렬 저항(24) 전의 측정 포인트인 MP127.1에서, 도 2에 도시된 신호 소스(22)의 출력 신호에 대응한다. 신호 곡선인 MP231은 측정 포인트인 MP227.2에서 존재하고, 탐지 도체(13)의 리턴(13.2)의 끝단에서의 아웃커플링 포인트(21.2)에서 발생하는 전압 신호에 대응한다.
신호 소스(22)의 출력 신호로서, 예를 들면 20㎐와 50㎐ 사이의 범위에 있는 주파수를 갖는 AC 전압이 제공된다. 플러스 라인(11)에 의해 도입될 수 있는 종류의 간섭의 경우에서의 간섭 전압 차이를 가능한 크게 유지하기 위해, AC 전압의 가장 높은 가능한 진폭이 선택된다. 이러한 전형적인 실시예에서는, AC 전압의 진폭이 48V인 DC 회로의 전압 위에 있다.
신호 곡선인 MP130을 갖는 신호 소스(22)의 전압 신호는 측정 포인트인 MP127.1로부터 시작하여, 직렬 저항(24)과 인커플링 포인트(21.1)를 거쳐, 탐지 도체(13)의 피드(13.1)에 결합되고, 도 2에 따른 이러한 피드에 의해, 케이블(10)과 루트(13.3)를 따라 리턴(13.2)에 운반되며, 아웃커플링 포인트(21.2)에서 탐지 도체(13)와 결합이 해제된 다음 측정 포인트인 MP227.2로 운반된다. 비교기(23)는 측정 포인트인 MP127.1에서의 신호 곡선인 MP130과 측정 포인트인 MP227.2에서의 신호 곡선인 MP231을 비교한다. 이 경우, 탐지 도체(13)가 전기적으로 충전되지 않도록, 탐지 도체(13)의 코스를 따라서 어떠한 아크도 존재하지 않는다. 그러므로 탐지 도체(13)의 끝단에서의 신호 곡선인 MP231은 그것의 진폭뿐만이 아니라, 위상 및 주파수에서 직렬 저항(24) 전에 측정 포인트인 MP127.1에서의 신호 곡선인 MP130에 대응한다. 그럴 경우, 도시되지 않은 처리 장치가 어떠한 아크도 존재하지 않는다고 결정한다.
도 4는 아크가 발생할 때, 도 3으로부터의 비교를 위해 신호 곡선(30, 31)을 가지고 도 1에 도시된 케이블(10)을 보여준다. 만약 예를 들어, 도 2에 도시된 컨슈머(17) 또는 케이블 안쪽에서 아크가 발생하면, 탐지 도체(13)로부터 DC 회로로 전류가 흐른다. 그러므로 직렬 저항(24)을 거쳐 신호 소스(22)에 의해 전압 신호 출력에서 강하가 발생하도록, 탐지 도체(13)가 전기적으로 충전된다. 이러한 전형적인 실시예에서는, 탐지 도체(13)가 아크의 이온화된 대기를 통해 단락에 의해 강력하게 충전되어, 탐지 도체(13)의 끝단에서의 전압 신호는 신호 곡선인 MP231에 따라 완전히 붕괴된다. 도 2에 도시된 비교기(23)는 직렬 저항(24) 전의 신호 곡선인 MP130과 탐지 도체(13)의 끝단에서의 신호 곡선인 MP231 사이의 차이를 측정하고, 탐지된 차이에 기초하여, 도시되지 않은 처리 장치가 DC 회로에서 아크를 탐지한다.
도 5는 탐지 도체(13)의 감시 및 유지를 위해 통합된 안전 회로(40)를 가지고, 도 2에 도시된 아크를 탐지하기 위한 전자 조립체(20)를 보여준다. 도 2에 이미 도시된 구성 요소들에는 동일한 참조 번호가 제공된다. 도시를 간단하게 하기 위해, 도 2에서와는 다르게, DC 회로의 구성 요소들은 도시되어 있지 않다. 예를 들면, 이러한 DC 회로는 모터 차량의 48V 전기 시스템의 부분이다.
전자 조립체(20)는 또한 유지 및 진단 유닛(40)을 포함한다. 파워 공급(41)으로부터 시작하여, 이러한 유닛은 제1 릴레이(42), 저항(43), 및 제2 릴레이(45)를 포함한다.
파워 공급(41)은 제1 릴레이(42)를 거쳐 저항(43)에 연결될 수 있고, 이러한 저항(43)의 반대쪽 끝단은 인커플링 포인트(21.1)를 거쳐 탐지 도체(13)의 피드(13.1)에 연결된다. 탐지 도체(13)의 끝단은 아웃커플링 포인트(21.2)를 거쳐 제2 릴레이(45)에 연결되고, 이러한 제2 릴레이(45)는 스위칭되었을 때 그라운드(19)로의 연결을 만들어낸다. 탐지 도체(13)의 시작과 끝에서는 측정 포인트(44.1, 44.2)가 제공된다.
아크 탐지 장치의 접촉에 대한 유지를 수행하기 위해, 특히 부식으로 인한 높은 전이 저항을 방지하기 위해, 유지 및 진단 유닛(40)이 사용된다. 그러한 높은 전이 저항 스캔(scan)은, 예를 들면 접촉점(15.1, 15.2)에 위치한 탐지 도체(13)의 접촉에서 발생한다. 모터 차량의 엔진이 스위치 오프된 후와 같이, DC 회로가 스위치 오프된 후에는, 예를 들면 30초와 같은, 미리 결정된 시간의 길이에 걸쳐 릴레이(42, 45)가 닫힌다. 이때, 제1 릴레이(42), 피드(13.1), 루프(13.3), 내부에 접촉점(15.1, 15.2)이 있는 탐지 도체(13)의 리턴(13.2)을 거쳐 파워 공급(16)으로부터 재생성 전류가 흐르고, 제2 릴레이(45)를 거쳐 그라운드(19)에 흐른다. 이 경우 재생성 전류는, 예를 들면 파워 공급(41)과 저항(43)의 적절한 선택을 통해 1암페어로 설정된다. 이와 같이 간헐적으로 인가된 재생성 전류는 접촉의 크리핑(creeping) 부식을 믿을 수 있게 방지한다. 이 경우, 예를 들면 500mΩ보다 큰, 측정 포인트(44.1, 44.2)에서의 전이 저항이, 탐지 도체(13)의 전체 길이에 걸쳐 테스트된다. 그럼에도 불구하고, 만약 더 높은 전이 저항이 존재한다면, 대응하는 결함 메시지가 발생되고, 수리 가게 또는 드라이버가 미리 유지보수 통지를 수신한다. 그렇더라도, 본 발명의 수동형 안전 시스템을 가지고 안전이 보장되는데, 이는 높아진 전이 저항의 존재가 있는 경우에서도 아크가 계속해서 탐지되기 때문이다. 높은 전이 저항은 잘못된 아크 탐지만을 가져오고, 이는 유지 및 진단 유닛(40)에 의해 회피될 수 있다.
도 6은 단극 플러스 케이블(50)과 단극 마이너스 케이블(51)이 있는, 본 발명의 구현의 일 변형예에서의 케이블 쌍을 보여준다. 플러스 라인(11)과, 탐지 도체(13)의 피드(13.1)가 플러스 케이블(50)의 케이싱(14) 안쪽에서 라우트된다. 마이너스 라인(12)과, 탐지 도체(13)의 리턴(13.2)이 마이너스 케이블(50)의 케이싱(14) 안쪽에서 라우트된다. 플러스 케이블(50)과 마이너스 케이블(51)의 끝에서의 피드(13.1)와 리턴(13.2)은 도 2 및 도 5에 도시된 루프(13.3)에 연결되어 닫힌 도체 루프를 형성한다.
현재 계획 단계에 있는 42V 또는 48V의 전기 시스템을 구비한 모터 차량들에서는, 절연된 라인들(예컨대, 플러스 라인들(11))과 마이너스 라인들(12)을 거쳐 양의 전압과 음의 전압 모두가 종종 컨슈머들에게 운반되고, 공유된 차량 그라운드의 사용은 생략된다. 이 뒤에 있는 이유는, 예를 들면 몸체의 날카롭게 된 테두리 부분에 맞닿아 플러스 케이블(50)이 아마도 손상되어 아크 발생 위험이 있는 직접적인 단락을 초래할 수 있는 위험 때문이다. 이러한 위험은 분리된 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12)을 거쳐 양의 전압과 음의 전압을 개별적으로 공급함으로써 상당히 감소된다. 플러스 라인(11)과 마이너스 라인(12) 모두가 함께 라우트되는 도 1, 도 3, 및 도 5에 도시된 양극 케이블(10)들에 비해, 이 경우에는 분리된 단극 플러스 케이블(50)과 단극 마이너스 케이블(51)의 사용을 통해 단락의 위험이 더 감소될 수 있다. 도시된 케이블 쌍을 가지고, 아크에 관해 단극 플러스 케이블(50)과 마이너스 케이블(51)을 감시하여, 운용 신뢰도를 더 증가시키는 것이 또한 가능하다.
만약 모터 차량이 아크가 탐지될 때 DC 회로의 차단이 이루어지는, 본 발명에 따른 아크 탐지기를 구비하는 경우에는, 심지어 42V의 전기 시스템이나 48V의 전기 시스템에서도, 마이너스 폴(pole)로서 경제적으로 유리한 방식으로 몸체가 사용될 수 있다(대체로). 그 결과, 플러스 케이블(50)을 컨슈머(17)로 라우트하고, 컨슈머(17)의 네거티브 연결이 도 8에 도시된 것처럼, 차량 그라운드에 연결되면서, 탐지 도체(13)로 그것을 감시하는 것만이 필수적이다. 전술한 바와 같이, 만약 플러스 라인(11)과 차량 그라운드 사이에 아크가 발생하면, 탐지 도체가 이를 즉시 탐지하고, DC 회로의 파워 공급이 즉시 중단되어, 안전을 보장한다. 마이너스 라인(12)을 제거하면, 모터 차량의 전기 배선을 위한 비용을 상당히 감소시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 모터 차량의 무게를 감소시키는 것이 가능하다. 도 6에 도시된 플러스 케이블(50)의 개조시, 탐지 도체(13)는, 바람직하게는 도 7에 도시된 것처럼, 플러스 케이블(50)과 나란히 또는 플러스 케이블(50)에서 루프(13.3)를 거쳐 한쪽 끝에서 연결되는 그것의 피드(13.1)와 리턴(13.2)과 함께 탐지 도체(13)가 라우트된다. 그 결과, 닫힌 도체 루프 또는 닫힌 루프 네트워크가 존재한다.
도 8에 도시된 전자 조립체(20)를 갖는 전형적인 실시예에서는, 차량 그라운드 또는 몸체가 마이너스 폴을 구성한다. 이 경우, 배터리(60)가, 예를 들면 2개의 컨슈머(90, 91)에 동력을 공급한다. 리턴 전류는 차량 그라운드를 거쳐 흐른다. 하지만 차량 그라운드를 거쳐 흐르는 리턴으로는 전류가 국부적으로 흐르게 되는 방식이 규정되지 않는다. 예를 들면, 마이너스 접촉을 만들기 위해, 2개의 나사를 가지고 차량 그라운드에 컨슈머가 나사 조임이 이루어지면, 이들 2개의 나사 중 어느 것이 아크가 발생하게 되는 것인지를 예측하는 것이 가능하지 않다. 기본적으로, 차량 프레임이나 몸체와 같은 큰 면적을 가지는 도체로는, 탐지 라인에 의해 잠재적인 아크의 위치를 더이상 우연히 발견할 수 없다. 하지만, 지면 연결을 따라 일련의 아크가 생기는 문제가 남아 있다. 이 경우, 도 8에 도시된 것과 같은 조립체가 유리하다. 만약 가능하다면 컨슈머들(90, 91)로 연장하는 스터브(stub) 라인들(80, 81)을 구비한 컨슈머(90, 91) 각각에 관해서는, 모든 컨슈머가 배터리(60)에 대해 반드시 동일한 그라운드를 가지게 하기 위한 비교를 측정 장치(70)가 수행한다. 아크 임계치가 대략 18V에 있으므로, 5 내지 10V보다 큰 지면 차이로 응답 임계치(response threshold)를 설정하는 것이 충분하다. 이는 증명하기가 매우 쉽고 매우 효과적이다. 전자 조립체(20)가 배터리에 가깝게 연결되는 것이 바람직하다.
도 8에 따른 전형적인 실시예에서는, 플러스 라인(11, 11')이 도 7에 도시된 것처럼 구현될 수 있다. 이는 규정된 닫힌 루프 네트워크를 달성하고 공급 전압에 관한 분배기 상자(distributor box)에 관한 필요성을 회피한다. 이러한 조립체에서는, 플러스 라인이 모든 타입의 아크, 즉 회로 차단(circuit-breaking) 아크와 단락 아크에 대한 보호를 가진다. 차량 프레임을 거친 그라운드 라인은 회로 차단 아크에 대해서만 보호되지만 이는 충분하다.
릴레이 및/또는 파이로테크닉 퓨즈와 같은 회로 차단기에 의해 공급 전압(예를 들면 48V의)을 스위치 오프할 때에는, 배터리 외에, 발전기 또는 교류 발전기(alternator)를 분리하는 것이 또한 필수적이라는 점이 주목되어야 한다. 서로 감시하는 2개의 마이크로프로세서를 제공함으로써, 평가 및 차단(shut-off) 전자 기기와 관련되어 전자 조립체(20)를 가지고 높은 안전 표준이 유리하게 달성된다.
48볼트의 공급 전압에서의 많은 높은 전류 연결이 나사로 연결된다. 이 경우, 나사가 작용하기 전에 먼저 탐지 도체가 분리되도록, 가깝게 인접한 탐지 라인의 접촉을 구현하는 것이 유리하다. 이는 부하가 걸려 있을 때(under load)에는 나사가 풀릴 수 없다는 사실을 달성한다. 플러그 접촉으로, 부하가 걸려 있을 때 접촉이 열리거나 닫힐 수 없도록, 플러깅(plugging) 동안 동일한 방식으로, 래깅(lagging) 탐지 접촉이 유리하다.
고급 버스들은 종종 모두 합해서 종종 10㎞를 넘는 길이를 갖는 24볼트의 케이블 길이를 가진다. 이러한 24볼트의 케이블은 매우 실제적인 위험 소스를 구성한다. 버스에서의 빈번한 작은 사고는 엔진 구획에서의 화재가 엔진 구획에서의 파워 케이블들의 절연이 녹게 만들어, 이들 라인이 차량 프레임과 접촉하게 되고, 아크가 버스로 하여금 불바다에 휩싸이게 한다는 점이다. 이러한 점에서, 버스의 엔진이 돌아가고 있을 때 서브의 기술적 전압(technical voltage)이 28볼트까지 이르고, 비교를 위해, 예를 들어 장갑판과 함께 용접이 이루어질 때, 아크 용접시 30볼트가 사용된다는 점을 명심하는 것이 필수적이다.
이때 객차 개념에서 또한 고려되는 것처럼 버스들에서의 한 가지 해결책은, 버스들에서 24볼트, 36볼트, 또는 48볼트의 공칭 전압을 갖는 관련된 공급 라인들의 1 내지 2%만을 구현하고, 따라서 위에서 설명된 측정에 의한 보호를 제공하는 것이다. 그러한 버스들에서, 버스의 나머지는 12볼트에서 작동될 수 있고, 2 또는 3개의 분배된(distributed) 12볼트의 백업(backup) 배터리를 가지고 작동될 수 있다. 관련된 공급 라인에 관한 24볼트와, 버스의 나머지에 관한 12볼트를 갖는 시작(starting) 구성은 이들 모든 구성 요소가 이미 존재하기 때문에 유리하다.

Claims (13)

  1. 탐지 도체(13)를 가지고, DC 회로에서 아크를 탐지하는 방법으로서,
    상기 탐지 도체(13)는 적어도 전압을 운반하고 감시되는, 상기 DC 회로의 도체를 따라 라우트되고,
    상기 DC 회로의 전위를 나타내고 신호 소스(22)에 의해 만들어지는 전압 신호는, 직렬 저항(24)을 거쳐 인커플링(incoupling) 포인트(21.1)에서 상기 탐지 도체(13)에 접속되며, 상기 전압 신호는 상기 탐지 도체(13)의 아웃커플링(outcoupling) 포인트(21.2)에서 다시 접속되고, 상기 직렬 저항(24) 앞의 전압 신호는 상기 아웃커플링 포인트(21.2)에서의 전압 신호와 비교되고, 상기 아웃커플링 포인트(21.2)에서의 전압 신호가 상기 직렬 저항(24) 앞의 전압 신호로부터 미리 결정된 양보다 더 벗어날 때 아크가 발생했다는 결론이 도출되는 것을 특징으로 하는 탐지 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    전압 신호로서 DC 전압 신호, AC 전압 신호, 또는 AC 전압이 오버레이(overlay)되는 DC 전압 신호가 사용되는 것을 특징으로 하는 탐지 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 DC 회로의 파워 공급은 아크가 탐지될 때 중단되는 것을 특징으로 하는 탐지 방법.
  4. 탐지 도체(13)를 가지고, DC 회로에서 아크를 탐지하는 장치로서,
    상기 탐지 도체(13)는 적어도 전압을 운반하고 감시되는, 상기 DC 회로의 도체를 따라 라우트되고,
    상기 탐지 도체(13)는 전압 신호를 출력하는 신호 소스(22)에 직렬 저항(24)을 거쳐 인커플링 포인트(21.1)에서 연결되고, 상기 신호 소스(22)의 전압 신호는 감시될 상기 DC 회로의 전위를 나타내고, 상기 신호 소스(22)에 의한 전압 신호 출력과 상기 탐지 도체(13)의 아웃커플링 포인트(21.2)에서의 전압 신호 출력이 비교기(23)에 공급되고, 만약 상기 아웃커플링 포인트(21.2)에 존재하는 전압 신호가 미리 결정된 양보다 더 상기 신호 소스(22)에 의한 전압 신호 출력으로부터 벗어난다면 상기 장치가 아크를 탐지하는 처리 장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 탐지 도체(13)는 닫힌 도체 루프로서 구현되고, 상기 인커플링 포인트(21.1)와 상기 아웃커플링 포인트(21.2)는 상기 도체 루프의 끝단에 위치하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  6. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    감시될 상기 DC 회로의 접촉점들(15.1, 15.2)에서, 상기 탐지 도체(13)는 마찬가지로 접촉물(contact)로서 구현되거나, 또는 상기 탐지 도체(13)의 접촉물은 상기 접촉점의 개방(opening)을 위한 지연 장치를 구비한 인터로크(interlock) 회로로서 구현되는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  7. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 탐지 도체(13)는 상기 DC 회로의 컨슈머(17)를 통해 또는 컨슈머(17)와 나란히 라우트되거나, 또는 상기 탐지 도체(13)는 상기 DC 회로의 케이블들(10, 50, 51)을 통해 또는 케이블들(10, 50, 51)과 나란히 라우트되는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  8. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 직렬 저항(24)은 10Ω과 10000Ω 사이 또는 100Ω과 10000Ω 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  9. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 신호 소스(22)는 AC 전압원, DC 전압원, 또는 오버레이된 DC 전압 오프셋을 갖는 AC 전압원으로서 구현되는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  10. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 처리 장치는 상기 DC 회로의 파워 공급을 중지시키는 회로 차단기를 트리핑(tripping)함으로써 아크의 탐지에 반응하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  11. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 탐지 도체(13)는 적어도 하나의 영역에서 절연되도록 구현되거나, 또는 상기 탐지 도체(13)는 적어도 하나의 영역에서 절연 없이 구현되는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  12. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 DC 회로의 컨슈머(17)는 한쪽에서는 차량 그라운드에 연결되고, 탐지 도체(13)들에 의해 감시되는 플러스 라인(11)들을 거쳐 공급 전압(16)이 상기 컨슈머(17)에 운반되는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  13. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    24V와 60V 사이의 전압 범위에 있는 DC 회로를 감시하거나, 또는 24V와 60V 사이의 전압 범위에 있는 모터 차량에서의 DC 회로를 감시하는 것을 특징으로 하는 탐지 방법.
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