(57)【要約】【課題】  低電圧源から交差接続状態の低電圧配電線及び高電圧配電線を介して高電圧負荷（４２）に流れる電流をトリップし制限する。【解決手段】  自動車などの二電圧配電システム（１０）における過電圧保護回路（６０）は、低電圧源（４６）と低電圧配電線（７２）間に直列接続されたＰＴＣ装置（８０）と、ＰＴＣ装置と熱接触するとともに低電圧配電線と共通の電気帰線経路間に接続されたツェナーダイオードなどの電圧制限回路素子（８２）を含む。電圧制限は高電圧より低く低電圧より高くなるように設定される。低電圧配電線が高電圧配電線（３２）と交差接続されたときは、電圧制限回路素子は大電流を流して熱を発生し、発生された熱はＰＴＣ装置に伝えられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の帰線経路と、第１の電圧電位のエネルギーを第１の配電線を介して第１の負荷に供給する高電圧エネルギー源と、前記第１の電圧電位より低い第２の電圧電位のエネルギーを前記第１の配電線と物理的に近接した第２の配電線を介して第２の負荷に供給する低電圧エネルギー源とを備えた二電圧配電システムにおける過電圧保護回路であって、
前記第２の電圧源と前記第２の配電線間に直列に接続された正の温度係数（ＰＴＣ）電流制限装置と、
前記ＰＴＣ電流制限装置と熱接触するとともに前記第２の配電線と前記共通の帰線経路間に接続され、前記第１の電圧電位より低く前記第２の電圧電位より高くなるように設定された電圧限界を有する電圧制限回路素子とを備え、
前記第２の配電線が前記第１の配電線と交差接続された状態のクロスオーバーが発生したときは、前記電圧制限回路素子は大電流を流して熱を発生し、発生された熱は、前記ＰＴＣ電流制限装置に伝えられて、該ＰＴＣ電流制限装置が非トリップ状態からトリップ状態に切り替わることを促進すると共に、前記低電圧エネルギー源から前記第１の電圧配電線を介して流れる電流を危険ではない電流レベルに制限することを特徴とする過電圧保護回路。
【請求項２】
前記電圧制限回路素子は前記ＰＴＣ電流制限装置と熱接触したツェナーダイオードを含み、該ツェナーダイオードの逆向きのアバランシェ破壊電圧は前記第２の電圧電位よりも高く前記第１の電圧電位よりも低くなるように選択され、該ツェナーダイオードのカソード電極は前記第２の配電線に接続されるとともにアノード電極は前記共通帰線経路に接続されたことを特徴とする請求項１記載の二電圧配電システムにおける過電圧保護回路。
【請求項３】
前記ＰＴＣ電流制限装置は重合体の正の温度係数（ＰＰＴＣ）装置を含む請求項１記載の二電圧配電システムにおける過電圧保護回路。
【請求項４】
前記第１のエネルギー源と前記第１の配電線間に直列に接続された第１のヒューズを更に備え、前記クロスオーバーが発生すると、前記電圧制限回路素子は前記第１のヒューズをとばすのに充分な大電流を導電し、前記第１の配電線を前記第１のエネルギー源から遮断することを特徴とする請求項１記載の二電圧配電システムにおける過電圧保護回路。
【請求項５】
前記第２のエネルギー源と前記ＰＴＣ電流制限装置との間に直列に接続された第２のヒューズを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の二電圧配電システムにおける過電圧保護回路。
【請求項６】
前記ＰＴＣ電流制限装置と前記電圧制限回路素子は１つの回路モジュールとして構成されたことを特徴とする請求項５記載の二電圧配電システムにおける過電圧保護回路。
【請求項７】
前記回路モジュールは前記配電システム内にハードワイヤードされた請求項６記載の二電圧配電システムにおける過電圧保護回路。
【請求項８】
前記回路モジュールはプラグインコネクターを備えて前記配電システムのソケット内にプラグで接続される請求項６記載の二電圧配電システムにおける過電圧保護回路。
【請求項９】
前記配電システムは自動車内に設けられ、前記共通帰線経路は該自動車の導電性シャーシを含む請求項１記載の二電圧配電システムにおける過電圧保護回路。
【請求項１０】
交差接続により引き起こされる損傷から二電圧配電システムを保護するためのモジュールであって、該配電システムは、共通の帰線経路と、第１の電圧電位のエネルギーを第１の配電線を介して第１の負荷に供給する高電圧エネルギー源と、前記第１の電圧電位より低い第２の電圧電位のエネルギーを前記第１の配電線と物理的に近接した第２の配電線を介して第２の負荷に供給する低電圧エネルギー源とを備え、前記モジュールは過電圧保護回路を備え、該過電圧保護回路は、
前記第２の電圧源と前記第２の配電線間に直列に接続された正の温度係数（ＰＴＣ）電流制限装置と、
前記ＰＴＣ電流制限装置と熱接触するとともに前記第２の配電線と前記共通の帰線経路間に接続され、前記第１の電圧電位より低く前記第２の電圧電位より高くなるように設定された電圧限界を有する電圧制限回路素子とを備え、
前記第２の配電線が前記第１の配電線と交差接続された状態のクロスオーバーが発生したときは、前記電圧制限回路素子は大電流を流して熱を発生し、発生された熱は、前記ＰＴＣ電流制限装置に伝えられて、該ＰＴＣ電流制限装置が非トリップ状態からトリップ状態に切り替わることを促進すると共に、前記低電圧エネルギー源から前記第１の電圧配電線を介して流れる電流を危険ではない電流レベルに制限することを特徴とするモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気回路の保護構成に関し、特に、二電圧配電システムにおける電気保護回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過電流の発生から電気回路を保護するために、ヒューズ、回路ブレーカー、正の温度係数（ＰＴＣ）装置が使用されているが、特定のシステムが複数の回路を含む場合、状況は更に複雑になり、２つ以上の電圧でエネルギーを配電することになる。配電経路と接地帰線との間で直接的な短絡が発生した場合の他に、低電圧／高電流回路は、高電圧／低電流配電回路を用いてクロスオーバーに対して保護されねばならない。
【０００３】
二電圧配電システムの一例が、自動車の分野で提案されている。現在、自動車産業は、よく見られる１２ボルト（充電中は１４ボルト）の自動車電気システムに代わって、３６ボルト（交流充電中は４２ボルト）の公称バッテリー電位を有する配電システムを開発中である。高電圧規格は、電気ステアリングや電気ブレーカー、窓や座席の温暖器として公知の素子の他に、サスペンションシステム（懸架装置）、ドアーラッチソレノイド、窓や座席のモータ等々の、自動車内の新たに開発された電気的部品に対するさらに小さい配電線に、少ない電流で更なる電力を供給するであろう。４２ボルト方式の利点は、電流の低減、配線の小型化、質量及び体積の低減、燃料効率の改善、電気システムのコスト削減、車両のノイズや振動や騒音の低減、安定性の改善、進んだ技術を自動車に導入できることを含むことであるといわれている。
【０００４】
自動車産業は４２ボルト規格への移行を望んでいるが、直ちに完全な切替を行うことは実際的ではない。むしろ、少なくとも将来へのしばらくの間は、新しい自動車は、白熱灯などの現に存在する部品を利用するために、二電圧配電システムを有するであろう。白熱光照明は、電球の耐久性と光の焦点合わせの問題により、旧来の１２ボルト規格のまま維持されるであろう。
【０００５】
自動車が二電圧配電システムを備えるときは、回路保護システムは接地短絡に対して保護しなければならないだけでなく、高電圧側と低電圧側との間のクロスオーバーに対しても保護するように更なる保護部を設ける必要がある。高電圧と低電圧配電回線経路の両方のための第一の回路保護を設ける方式として、フューズが提案されていた。それでもなお、フューズは正確にクロスオーバーの発生時に火災などの大災害の発生を防止するために正確にサイズ設定することができない。クロスオーバーはどんな数の発生件数や条件からでも起こる可能性があるが、車両の衝突の結果から引き起こされることが最も多い。自動車メーカーは車両に「耐衝突性」を持たせる義務があったので、彼らは当然のことながら二電圧車両を巻き込む衝突の場合の火災に対する保護装置を備えることが期待されるであろう。
【０００６】
自動車内の保護装置としては、重合体の正の温度係数（ＰＰＴＣ）装置を使用することが知られている。（両方ともＷａｌｓｈに）共通に譲渡された米国特許５，６４５，７４６号公報と６，２２５，６１０号公報では、金属フューズの代わりにＰＰＴＣ装置を適用することが開示されている。１つの利点として、ＰＰＴＣ保護装置はリセット可能であり、高抵抗状態にトリップした後、物理的にアクセスして取り替える必要がなく、更に効率的で経済的な配線分配システムをもたらすことが知られている。米国特許'７４６号公報と'６１０号公報の開示は参照によりここに導入されている。
【０００７】
電源技術においては、ダイオードをＰＰＴＣ装置に熱結合し、ダイオードにおいて散逸により発生された熱はＰＰＴＣ装置に伝えられ、ＰＰＴＣ装置のトリップ速度を高めることが知られている。ダイオードをＰＰＴＣ装置と結合する一例が、共通に譲渡された米国特許６，５１９，７３１号公報（Thomas他）の図７の例に示され、その開示内容がここで参照により導入されている。
【０００８】
ＰＰＴＣ装置とダイオードは従来公知の組合せであるが、これらの素子は、二電圧配電システムにおけるクロスオーバーに対する効果的な回路保護を提供する目的では、今まで組み合わされたことがない。
【０００９】
【特許文献１】米国特許５，６４５，７４６号公報
【特許文献２】米国特許６，２２５，６１０号公報
【特許文献３】米国特許６，５１９，７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の一般的な目的は、二電圧配電システムにおけるクロスオーバーに対する効果的な回路保護構成を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、二電圧配電システムにおけるクロスオーバーに対する回路保護を提供する構成において、ＰＰＴＣ装置などの電流制限装置とツェナーダイオードなどの電圧制限装置とを組み合わせることである。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、二電圧配電システムを有する自動車において、クロスオーバーに対して保護するための保護回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の原理と態様によれば、電気保護回路は、限定するものではないが、自動車などの二電圧配電システム内に設けられる。配電システムは、共通の帰線経路を含み、限定するものではないが、自動車のシャシー（車台）、第１の電圧電位のエネルギーを第１の配電線を介して第１の負荷に供給する（限定はしないが３６ボルトバッテリーなどの）第１のエネルギー源と、上記第１の電圧電位よりも低い第２の電圧電位のエネルギーを、第１の配電線と物理的に近接した第２の配電線を介して第２の負荷に供給する（限定はしないが１２ボルトバッテリーなどの）第２のエネルギー源とを含むような構成である。保護回路は、第２の電圧源と第２の配電線との間に直列に接続された（限定はしないがＰＴＣ装置などの）電流制限装置と、該電流制限装置と熱接触した（限定はしないがツェナーダイオードなどの）電圧制限回路素子とを含む。電圧制限回路素子は第２の配電線と共通帰線経路との間にクロス接続され、それは前記第１の電圧電位よりも低く前記第２の電圧電位よりも高くなるように設定された電圧限界を有する。第２の配電線が第１の配電線と交差接続されると（例えば、配電システムに損傷をもたらす自動車の衝突などの場合）、電圧制限回路素子は大電流を導電して熱を発生し、発生された熱は電流制限装置に伝えられ、これにより電流制限装置は非トリップ状態からトリップ状態に切り替わり、第２のエネルギー源から第１のエネルギー源の電流だけを操作するようにサイズ設定された配線を介して流れる電流を、第２のエネルギー源の高い電流レベルではなく、危険ではないレベルに制限する。
【００１４】
他の態様では、本発明は、クロスコネクションにより発生する損傷から二電圧配電システムを保護するように意図された上述のような電気的保護回路を有するモジュールまたは装置を提供する。
【００１５】
本発明のこれら及びその他の目的、利点、態様及び特徴は、添付の図面に参照して記載された好ましい実施形態の詳細な説明を考慮することで、更に充分に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
例えば自動車の二電圧配電システム１０が、図によって概略全体構成に図示されている。そこでは、配電構成は、従来のように自動車の金属シャーシ１２により少なくとも一部に設けられた電圧帰線経路を含む。高電圧（３６ボルト）バッテリー１４は、例えば、導線１６によりシャーシの接地線１２に接続された負端子と、導線１８により高電圧フューズブロック２０に接続された正端子とを有する。導線１８とシャーシ１２間には高電圧起動モータ２１と高電圧交流発電機２３が接続されてもよい。交流発電機２３が作動状態のときは、高電圧配電システムは公称４２ボルトの最大充電レベルで定格設定されている。
【００１７】
高電圧フューズブロック２０は、典型的には、例えば３アンペアから５５アンペア以上の異なる電流操作容量の複数のフューズを含む。３つのフューズ２２，２４，２６が示されているが、高電圧フューズブロック２０における高電圧フューズの個数は、それよりも多くてもよいし少なくてもよい。フューズ２２は、例えば、絶縁性高電圧導線３２を介して第１の高電圧負荷４２に接続され、また第２の高電圧負荷４３にも接続されてエネルギーを供給している。フューズ２４は、絶縁性高電圧導線３４を介して第３の高電圧負荷４４に接続されてエネルギーを供給している。フューズ２６は、絶縁性高電圧導線３６を介して第４の高電圧負荷に接続され、この例では、第４の高電圧負荷は、例えば１４ボルトの適当な充電電圧で低電圧（１２ボルト）バッテリ４６に充電電流を供給する直流／直流（ＤＣ−ＤＣ）コンバータ３８として図示されている。各例では、高電圧フューズ２２，２４または２６は、過度の加熱から導線３２，３４，３６をそれぞれ保護するようにサイズ設定され、さもなければ過電流により熱的な危険状態となってしまう。高電圧フューズ２２，２４，２６は、例えば、従来の金属フューズ、温度ヒューズまたは回路ブレーカーなどである。
【００１８】
図では低電圧バッテリー４６を含んでいるが、いくつかのシステムでは、低電圧の供給は、例えばＤＣ−ＤＣ切替コンバータ３８などの出力電圧調整コンバータシステムにより全体的に供給されてもよい。
【００１９】
本実施例では、低電圧バッテリー４６は、導線４８によりシャーシ帰線１２に接続された負端子と、導線５０によりＤＣ−ＤＣコンバータの充電出力線３６及び低電圧フューズブロック５２に接続された正端子とを有する。低電圧フューズブロック５２はフューズ５４，５６，５８などの複数の低電圧フューズを含んでもよく、各フューズは特定の低電圧負荷と該特定負荷に導く導線サイズに関して選択された電流操作能力を有するものである。３つの低電圧フューズが示されているが、実際のフューズブロックはそれよりも多くの個数または少ない個数のフューズを有してもよい。バッテリー４６により供給される電圧は高電圧源のものより低いので、負荷に対する等価電力出力のためには、より高い電流が供給されねばならず、このことは低電圧回路網の配電線の径は高電圧配電回路網のものより大きくなりがちである。低電圧フューズ５４，５６，５８は、例えば、従来の金属フューズ、温度ヒューズまたは回路ブレーカーなどである。
【００２０】
全ての低電圧回路が本発明の原理による保護回路を備えることが好ましい。図示の例では３つの保護回路６０，６４，６８が示されているが、回路６０だけがその内部の概略回路構成が詳細に図示されている。従って、回路６４や６８などの他の低電圧側の保護回路は、例示の保護回路６０で示すものと同じ素子及び回路構成を有していることは、当業者に理解されるであろう。
【００２１】
低電圧フューズ５４は、保護回路６４を通り、低電圧絶縁線６６を介して低電圧負荷７４と接続し、低電圧フューズ５６は、保護回路６８を通り、低電圧絶縁線７０を介して低電圧負荷７４と接続し、フューズ５８は、保護回路６０を通り、低電圧絶縁線７２を介して低電圧負荷７８と接続している。負荷４２，４３，４４，７４，７６，７８は、白熱灯、小型モータ、ソレノイド、加熱コイル、ポンプ等の自動車内で見られる任意の電気素子を含んでもよい。例えば、負荷４２は高効率かつ低質量で高電圧（４２ボルト）の車両の左ドアーの窓用モータであり、負荷４３は車両の右ドアーの同等の窓用モータであってもよく、また、負荷７８は低電圧でかつ高電流用の白熱灯回路であってもよい。高電圧導線３２，３４，３６が低電圧線６６，７０，７２から分離した電線配置であるかどかにかかわらず、高電圧線と低電圧線は、自動車のどの特定場所においても互いに近接して配置される可能性がある。
【００２２】
線３２と線７２を含む電線に衝撃を与える自動車の衝突により、太い破線Ｃ−Ｃで示す電位的に非常に危険な交差接続が潜在的に起こり得る。図中の破線Ｃ−Ｃで示すようなクロスオーバーまたは交差接続が発生すると、充分な電流が最初は高電圧配電サブシステムから低電圧サブシステムに流れることができる。フューズ２２は通常は線３２を過電流から保護するようにサイズ設定されており、フューズはとぶことができる。しかし、たとえフューズ２２がとんだとしても、より高レベルの電流が、低電圧源４６からフューズ５８と大径の電圧線７２を通って小径の高電圧線３２に流れ込むことができ、さもなければ好ましくないクロスオーバーまたは交差接続Ｃ−Ｃの現場またはその近傍で（例えば火災などの）発熱事故となる可能性がある。保護回路６０は、それがなければ交差接続Ｃ−Ｃによって引き起こされたであろうこのような好ましくない加熱事故の発生を防止するであろう。同様に、その他の保護回路６４と６８は、例示のシステム１０内における他の高電圧回路から低電圧回路への交差接続の可能性に対して保護している。構成例１０では３つだけの保護回路６０，６４，６８が示されているが、例えば、自動車の特定の適用においては、もっと多数の好適にサイズ設定された保護回路が使用可能である。
【００２３】
保護回路６０（と回路６４及び６８）は、基本的にはＰＴＣ装置８０と、限定しないがツェナーダイオード８２などの電圧制限回路素子を備えている。装置８２の制限電圧は、（例えば１４ボルトの）低電圧レベルよりも高く、高電圧レベルよりも低く（例えば４２ボルトよりも低く）なるように選択または設定される。この本実施例では、ツェナーダイオードの逆向きアバランシェの破壊電圧は好ましくは約２０ボルトである。保護回路６０はまた有効な熱伝導路８４を有し、これにより電圧制限素子８２で発生された熱は、双方向矢印線８４で示すようにＰＴＣ装置に直接伝えられる。
【００２４】
車両の衝突事故の場合のように、高電圧線３２と低電圧線７２間で交差接続Ｃ−Ｃが発生すると、電圧制限装置８２は大電流を高電圧線３２から車両帰線経路１２に伝えて導通し始める。導電された電流レベルはヒューズ２２をトリップまたはとばすのに充分であるべきであるが、最初の交差接続の発生時には、電圧制限素子８２はかなりの熱を発生する。この熱は熱経路８４を介して電流制限装置８０に効果的に伝えられ、それの動作のトリップモードを促進する。高電圧フューズ２２のトリップまたはふきとばし後に、ツェナーダイオードは動作を止め、電流制限装置８０は、低電圧／高電流源４６から小径の高電圧線３２を介して流れる電流を安全レベルに制限することにより、第１次の過電流保護機能の役割を引き受けている。
【００２５】
最も好ましくは、電流制限装置８０は、本発明の譲り受け人であるタイコーエレクトロニックスコーポレーションにより作製され供給されるレイケムポリスイッチＴＭＲＧＥ６００装置などの重合体ＰＴＣ（ＰＰＴＣ）装置である。ポリスイッチＴＭＲＧＥ６００装置は導線構成の部品であり、１０．２アンペアの公称トリップ電流と６アンペアの公称保持電流を有する。他のＰＰＴＣ装置は、導線構成または表面装着構成のいずれであっても、ＰＴＣ装置８０として使用可能である。ＰＴＣ装置８０は、トリップ電流が到達されたときに、それの高抵抗の電流制限状態にトリップするように選択される。ＰＴＣ装置８０はＰＴＣ装置８０の温度と逆関係の時間内にそれのトリップ状態に到達する。熱は電圧制限素子８２からＰＴＣ装置８０に伝えられているのでトリップ時間は削減され、危険または破滅的な（火災などの）加熱事故がおこるより充分前に、ＰＴＣ装置８０はそれの保護モードに迅速にトリップする。一旦電力（電流）がＰＴＣ装置８０から除去されて欠陥が取り除かれると、ＰＴＣ装置８０は、当該技術で公知であり認められているように、冷却して自動的に低抵抗の非トリップ状態にリセットされる。あるシステムでは、ＰＴＣ装置８０はそれに接続した低電圧ヒューズ５８の必要性をなくすことが可能であり、一方、他のシステムでは、追加の回路保護のために設けることができる。ＰＰＴＣ装置は例えば回路６０などの各保護回路内で使用の電流制限装置８０として好ましいが、セラミックのＰＴＣ装置、温度ヒューズ、回路ブレーカー等の他の熱検知装置も使用可能である。また、ＰＰＴＣ装置は、自動リセットの特徴とそのような装置で得られる利点を提供するために、高電圧ヒューズ２２，２４，２６の代わりに使用してもよい。
【００２６】
電圧制限素子を提供するためには、現今ではツェナーダイオード８２が好ましいが、好適に偏倚されたトランジスタ、ＦＥＴ、ＳＣＲ、トライアック等の他の回路素子や、パワー演算増幅器や電圧調整回路などのモノリシック回路も使用されて効果的な電圧制限を行い、低電圧レベルと高電圧レベル間の中間の電圧レベルで高電流を与えるように適用可能である。電圧制限素子の電流操作／電力散逸（加熱）容量は、低電圧配電回路の電流操作能力と線サイズと、物理的に直近の高電圧配電回路および線などとの関連で設定される。
【００２７】
保護回路６０，６４，６８は単一の３端子モジュールとして形成されることが最も好ましく、該モジュールは低電圧ヒューズブロック５２におけるまたはその近傍における低電圧配電システム内に配線可能であり、またはそれらは車両点検工程のような回路ずれ点検や取り替えを可能にするプラグインモジュールであってもよい。分離した電気部品はモジュール内に結合可能であり、または、部品は、ここに参照によりすでに導入された例えばThomas等の米国特許６，５１８，７３１号公報により提案されたように、組み合わせることもできる。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態を説明したことで、本発明の目的は充分に達成されたと認められ、多くの構成的変形および本発明の広く異なる実施形態と適用例が本発明の精神と請求範囲から外れることなく提示していることは、当業者に理解されるであろう。従って、ここでの開示および説明は純粋に図示されたものであり、いかなる限定の意味にも意図されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の原理による複数の保護回路を有する２電圧配電システムを備えた自動車の高レベル電気回路概略ブロック図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  二電圧配電システム、    １４  高電圧源、    ２０  高電圧ヒューズブロック、    ３２，３４，３６  高電圧線、３８    ＤＣ−ＤＣコンバータ、    ４２，４３，４４  高電圧負荷、    ４６  低電圧源、    ５２  低電圧ヒューズブロック、    ６０，６４，６８  保護回路、    ６６，７０，７２  低電圧線、    ７４，７６，７８  低電圧負荷、    ８０  ＰＴＣ装置、    ８２  電圧制限素子
【図１】
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【外国語明細書】
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