高電圧EVヒューズの実用化に向けた実証的研究
埼玉大学 大学院 理工学研究科准教授 山納 康
2022年3月11日

1研究背景地球温暖化等の環境問題
蓄電池の低コスト化

電気自動車の課題[1]• 航続距離の短さ• 充電時間の長さ

電気自動車の需要の拡大
解決策

二次電池の高電圧直流化

保護装置であるヒューズの高電圧化が必要

電気自動車用ヒューズ‥‥ 事故時には短絡電流を遮断できるとともに競技用電気自動車(1000 Vクラスも検討)

過電流に対しても規定の時間で溶断することが必要
2[1]小端 :「EV普及の動向と展望 気候変動対策の観点から」，自然エネルギー財団

研究背景（EV・HEVの高電圧化）
フォーミュラE用
競技用電気自動車
1000 Vクラス
2010年代2000年前半

電池種類：ﾆｯｹﾙ水素電池
容
量：5.75Ah
総電力量：0.58kWh
電池電圧：100.8V
従来の自動車
電池電圧：１２V

2000年代後半

電池種類：ﾘﾁｳﾑｲｵﾝ電池
量：66.7Ah
電池種類：ﾆｯｹﾙ水素電池 容
総電力量：24kWh
容量：6.5Ah
電池電圧：360V
総電力量：1.3kWh
電池電圧：201.6V

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従来技術とその問題点
既に実用化されているものは、DC400V～500VクラスのEV用ヒューズがあるが、◉ 高電圧化に起因する遮断性能の悪化が発生◉ 様々な事故電流への対応直流（DC）で高電圧の遮断が困難になりつつある。

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自動車用ヒューズに求められる性能
規格：自動車部品－ねじ締め形高電圧ヒューズ（JASO D 622）
で性能を規定自動車の直流高電圧システム（60V～450V）の駆動用・補機回路用として使用す
る定格電流400A以下，定格電圧450V，遮断容量2000Aのねじ締め形ヒューズ• 遮断容量性能• 溶断時間性能• 電圧降下• トランジェント電流断続耐久性

端子強度
温度上昇
耐熱衝撃

• 耐環境性（機械的負荷・気候負荷・化学負荷）
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遮断特性

• 500～4000Aの電流（立上り時定数2.0±0.5ms）を，回復電圧（直流１０００V）で遮断できること。
電圧１０００V

時間
５００～４０００A
電流悪い遮断性能の例
良い遮断性能の例

1ms

時間
遮断時の電圧・電流の波形例

6溶断時間試験～試験方法～✔定格電流と等しい電流は流し続けることができること。
✔定格電流を越えた電流が流れたときには決められた時間の範囲内で電流を遮断することができること。
本ヒューズが満たすべき溶断時間特性の範囲
JASO規格により規定される試験電流及び溶断時間[10]溶断時間 [s]試験電流[A]
定格電流の110 %定格電流の135 %定格電流の150 %定格電流の200 %定格電流の300 %定格電流の500 %: 60 A未満
H1, H2, H3, H4, J3
最小最大14400∞※
1503600
1010000.5
1000.1150.051.0: 60 A以上
J1, J5
最小最大14400
∞※
‐
‐
53600
13000.2
300.051.0[10] JASO規格[D]電装 No.622-11 :「自動車部品-ねじ締め形高電圧ヒューズ」

J2, J4
最小最大14400∞
1503600
20
1500
1300
0.2300.05
1.07ハイブリットヒューズ（二要素ヒューズ）

ハイブリッドヒューズエレメント

直流遮断特性
短絡電流(数千 A)

溶断時間特性
過電流(数十 A～数百 A)

電流密度の高い
P部が溶断

P部は放熱が良いためI部が溶断

8 /21

技術シース
高電圧化に対する直流遮断特性の向上
傾斜抵抗・放熱分布のヒューズ
ヒューズエレメントの熱計算
P部の放熱部の長さ
P部の幅と長さの最適化

直流遮断特性の向上

高電圧対応ハイブリッドヒューズエレメント① P部の放熱部の長さ② P部のくびれ部の幅③ P部の直列遮断点数

直流遮断特性の向上
高電圧化への対応

ハイブリッドヒューズエレメントの例

9直流用ヒューズの動作原理

10 /8

ヒューズの等価回路=+

ヒューズ発弧後は ≫⁄=( −+)⁄⁄: アーク電圧：ヒューズが溶断し、アークが発生
アーク電圧が上昇： ⁄=0となり、電流の増加が停止
電流が限流される：アークが消滅し、電流遮断完了

限流ヒューズの遮断波形概略図

電源電圧を超える動作過電圧が必要

新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術の問題点であった、直流・高電圧での遮断性能を改良することに成功した。
• ヒューズエレメントを電流－伝熱連成計算を基に設計し，固有電流に合わせてP部を調整して，同時発弧を起させ，高い動作過電圧を得ることに成功した。
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電流－伝熱の連成計算に基づくエレメントの設計【通知コメントに基づく開発計画の見直し】
ヒューズエレメントの設計時に，電流―伝熱連成シミュレーションを適用
事前に遮断試験の大電流が通電されたときの温度分布を計算
ヒューズエレメントの形状に関する設計パラメータを最適化
モデルに電流を流した際の発熱・伝熱を計算し，温度分布をシミュレートする
温度[℃]

1100

電流

0電流

直列方向長さ[2mm/div]
温度分布（グラフ）

シミュレーションモデル

温度分布が均一になるエレメントを作製する
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温度分布（グラデーション）シミュレーションのモデル図• ヒューズリンク
1.
2.
3.
4.
5.

ヒューズエレメント
消弧砂
内キャップ
外キャップ
端子部をそれぞれ模擬• ヒューズエレメント
P部の遮断部の細部まで模擬

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＜電流－伝熱の連成計算の適用①＞

HCEX5-0

HCEX5-1

時定数 2.0ms 2000A 通電後溶融直前のP部温度ヒューズ内部のアーク放電の様子(a) 部分的なアーク発弧の様子/8(b) 適切な傾斜抵抗値分布の場合のアーク発弧の様子

遮断時のアーク放電の様子
電流は左から右に流れている。ヒューズエレメント全体にアーク放電が発生しているほど動作過電圧が高く、電流遮断が良くなる。この場合、左図は中心が発弧していないが、右図は全体に発弧している。

ヒューズリンクの一例と遮断試験の様子

EV用ヒューズリンクの例

ヒューズの配線と配置および防爆ボックス
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学外遮断試験場の遮断試験の様子

DC1000V, 固有電流2000Aでの遮断試験結果

実規模の遮断容量を持つ遮断設備（学外設備）における電圧DC 1000V，遮断電流2000A遮断試験において，良好に遮断できることの確認

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種々の固有電流（500A～4000A）での遮断試験結果
1000V
4000A
（HCEX5)1000V
500A（HCEX8)実規模の遮断容量を持つ遮断設備（学外設備）における電圧DC 1000V，遮断電流500A～4000A遮断試験において，良好に遮断できることの確認

18溶断時間特性
本ヒューズが満たすべき溶断時間特性の範囲（日本自動車協会規格より）溶断時間試験の結果，日本自動車規格（JASO規格）を満たす溶断時間内で溶断できることを確認済み。
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想定される用途 ①• 直流利用の電化機器適用事例 ： エレクトロモビリティ(ハイブリッド車、電気自動車、電動航空機、電動船舶、電気鉄道)

データセンターの送配電設備
電力系統の送配電システム
新規活用事例 ： 限流機能付遮断器のヒューズとして利用（2021年度NEDO未踏チャレンジ2050）

ここで使用
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想定される用途 ②• 過電流からの保護が必要となる電力システム
や電化機器
ヒューズ・遮断器

21実用化に向けた課題• 現在、高電圧直流電圧について日本自動車規格相当の試験（遮断試験・溶断時間試験）を満たすところまで開発済み。今後、環境負荷試験を進める。
• 定格電流の増加・大容量化について実験データを取得していく。
• 実用化に向けて、ヒューズ筒の碍管をセラミックからFRPに対応した技術を確立する必要もあり。
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企業への期待• 大容量・定格電流の増加は、ヒューズエレメン
トの並列化の技術により克服できると考えている。
• 自動車用の遮断試験設備を持つ、企業との共同研究を希望。
• また、直流電化製品を開発中の企業には、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ハイブリッドサブストレート
ヒューズエレメント• 出願番号：特許 第6435105• 出願人：埼玉大学，宇都宮電機製作所，ﾈﾓﾄ･ｾﾝｻｴﾝｼﾞﾆｱﾘﾝｸﾞ，双信電機• 発明者：山納康，勝又信顕，堀内大輔，石川雄三，安藤朗，伊藤康行
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お問い合わせ先
国立大学法人 埼玉大学
オープンイノベーションセンター
産学官連携推進部門
ＴＥＬ 048－858 － 3849
e-mail coic-sangaku＠ml.saitama-u.ac.jp

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