DE10132952B4

DE10132952B4 - Verfahren zum Schutz eines Leitungsnetzes bei Auftreten eines seriellen Lichtbogens

Info

Publication number: DE10132952B4
Application number: DE2001132952
Authority: DE
Inventors: Joachim Neubert
Original assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Current assignee: LEONI BORDNETZ-SYSTEME GMBH, 90402 NUERNBERG, DE
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: DE10132952A1

Abstract

Verfahren zum Schutz eines Leitungsnetzes bei Auftreten eines seriellen Lichtbogens, insbesondere zum Schutz eines 42V-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, bei dem zumindest eine Last (12) über eine eine Zuleitung (4A) und eine Rückleitung (4B) aufweisende Versorgungsleitung (4, 4A, 4B) mit einer Spannungsquelle (6) verbunden ist, wobei die Spannung zwischen der Zuleitung (4A) und der Rückleitung (4B) von einer Steuereinheit (2) überwacht wird und wobei bei einem Spannungsabfall der überwachten Spannung im Bereich einer Lichtbogenbrennspannung der über die Versorgungsleitung (4, 4A, 4B) fließende Strom zumindest reduziert wird, um den Lichtbogen zu löschen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Leitungsnetzes bei Auftreten eines seriellen Lichtbogens, insbesondere zum Schutz eines 42V-Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges.
In heutigen Kraftfahrzeug-Bordnetzen beträgt die Bordnetzspannung üblicherweise 12V. Aufgrund dieser geringen Spannung tritt bei einem Leitungsdefekt, also einer Unterbrechung der Leitung, kein Lichtbogen auf, der die beiden Leitungsenden der schadhaften Leitungen überbrückt.
Neue Konzepte sehen vor, die Bordnetzspannung im Kraftfahrzeug auf 42V anzuheben. Da ab etwa einer Betriebsspannung von 16V Lichtbögen auftreten können, besteht in einem solchen 42V-Bordnetz die Gefahr von seriellen Lichtbögen. Unter einem seriellen Lichtbogen wird hierbei das Überbrücken der Leitungsenden einer defekten und/oder unterbrochenen Leitung verstanden. Entsteht ein Lichtbogen, so besteht zudem die Gefahr, dass sich ein stabiler Betriebspunkt des Lichtbogens einstellt und der Lichtbogen daher kontinuierlich weiter brennt.
Aufgrund der bisherigen Auslegung der Bordnetzspannung auf 12V sind bisher keine Verfahren zum Schutz eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes vor Lichtbögen bekannt.

Aus der DE 100 17 238 A1 ist eine Kurzschlusslichtbogendetektion für ein Flugzeug zu entnehmen, bei dem ein Leitungsstrom auf charakteristische Rauschsignale überwacht wird.

Gemäß der älteren Anmeldung DE 101 05 457 A1 ist für ein sicheres Stecken einer Sicherung bei einem Kraftfahrzeug und der Vermeidung eines Lichtbogens beim Stecken der Sicherung ein Trennen einer Last vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein serieller Lichtbogen erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass die Betriebsspannung einer Versorgungsleitung von einer Steuereinheit überwacht und bei einem vorgegebenen Spannungsabfall im Bereich einer Lichtbogenbrennspannung der über die Versorgungsleitung fließende Strom zumindest reduziert wird, um den Lichtbogen zu löschen.

Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass mit dem Auftreten eines Lichtbogens ein Spannungsabfall einer gewissen Höhe verbunden ist. Zur Erkennung eines Lichtbogens ist nunmehr vorgesehen, die an der Steuereinheit anliegende Spannung zu überwachen. Überschreitet der Spannungsabfall einen für einen Lichtbogen notwendigen Mindestwert, so wird das als das Auftreten eines Lichtbogens identifiziert und es wird der über die Versorgungsleitung fließende Strom zumindest so weit begrenzt und reduziert, dass der Lichtbogen gelöscht wird. Mit dem derartigen Verfahren ist daher eine „rückwärtige" Überwachung der Versorgungsleitung ermöglicht, d.h. es besteht die Möglichkeit, die zu der Steuereinheit führende Versorgungsleitung von der Steuereinheit aus rückblickend zu überwachen.

Der vorgegebene Spannungsabfall, der als Indiz für das Auftreten eines Lichtbogens ausgewertet wird, liegt im Bereich einer Lichtbogenbrennspannung und insbesondere bei mindestens 16V. Bei einer Lichtbogenbrennspannung von mindestens 16V ist bei einem 42V-Bordnetz ein stabiles Brennen des Lichtbogens ermöglicht.

Um den Verdrahtungsaufwand möglichst gering zu halten und einen möglichst einfachen Schaltungsaufbau zu gewährleisten, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die anliegende Spannung in der Steuereinheit selbst überwacht wird und hierzu über einen Spannungsmesser erfasst und mit einem Spannungsreferenzwert verglichen wird.

Wird der vorgegebene Spannungsabfall überschritten, so wird vorzugsweise eine von der Steuereinheit mit Strom versorgte Last abgeschaltet. Dadurch wird der über die Steuereinheit fließende Strom reduziert. Sind mehrere Lasten an der Steuereinheit angeschlossen, so werden diese sukzessive abgeschaltet, und zwar zumindest so weit, bis ein kritischer Lichtbogenstrom unterschritten wird und der Lichtbogen gelöscht wird. Aufgrund der Leitungsunterbrechung, die für das Entstehen des Lichtbogens verantwortlich ist, ist die gesamte Steuereinheit stromlos, sobald der Lichtbogen gelöscht ist.

Alternativ oder zusätzlich zur Lastabschaltung ist bevorzugt eine Unterbrechung der Versorgungsleitung durch eine Sicherung vorgesehen. Auch diese Maßnahme führt zum Löschen des Lichtbogens und vermeidet dadurch Folgeschäden beispielsweise aufgrund der hohen Temperaturen bei Auftreten eines Lichtbogens.

Zweckdienlicherweise ist zur Aktivierung oder Auslösung der Sicherung vorgesehen, dass bei Überschreiten des vorgegebenen Spannungsabfalls von der Steuereinheit ein Signal, insbesondere ein Bussignal, an eine Sicherungsdose übermittelt wird, in der die Sicherung enthalten ist.

Um zu überprüfen, ob tatsächlich ein Lichtbogenfehler vorliegt, wird zweckdienlicherweise versucht, die Versorgungsleitung erneut mit Strom zu beaufschlagen und die Steuereinheit mit Strom zu versorgen, nachdem der über die Versorgungsleitung fließende Strom zumindest reduziert wurde. Denn ein Spannungsabfall im Bereich von 16 bis 26V kann in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz sowohl durch normale Betriebszustände, beispielsweise beim Starten des Motors, oder durch andere Fehlerquellen, beispielsweise ein Kurzschluss, hervorgerufen sein. In diesen Fällen besteht in der Regel die Möglichkeit, die Steuereinheit wieder über die Versorgungsleitung zu aktivieren und in Betrieb zu nehmen. Mit dieser Maßnahme wird sicher erkannt, ob ein Lichtbogenfehlerfall mit einer Leitungsunterbrechung vorgelegen hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in stark vereinfachten Darstellungen:
1 eine ausschnittsweise Darstellung eines Kraftffahrzeug-Bordnetzes in einer Blockbilddarstellung, und
2 eine vergrößerte Darstellung des Bordnetzes nach 1 im Bereich einer Steuereinheit.
Nach den 1 und 2 ist eine Steuereinheit 2 über eine Versorgungsleitung 4 an eine Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie 6 angeschlossen. Die Versorgungsleitung 4 umfasst dabei eine von der Batterie 6 kommende Zuleitung 4A und eine zur Batterie 6 führende Ableitung 4B. Zwischen der Batterie 6 und der Steuereinheit 2 ist in die Zuleitung 4A eine Vorsicherungsdose 8 geschaltet, in der Sicherungen für das Leitungsnetz angeordnet sind. Neben der zu der Steuereinheit 2 führenden Versorgungsleitung 4 gehen von der Vorsicherungsdose 8 weitere Versorgungsleitungen 10 zu anderen Verbrauchern im Bordnetz ab, die hier nicht dargestellt sind. Von der Steuereinheit 2, die auch als Kontrollbox bezeichnet werden kann, werden mehrere Lasten 12 angesteuert und geschaltet.
Das in 1 ausschnittsweise dargestellte Leitungsnetz ist insbesondere Teil eines 42V-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Ein derartiges Bordnetz ist üblicherweise hierarchisch aufgebaut und es erfolgt eine erste Leistungsverteilung durch die Vorsicherungsdose 8 und eine weitere Leistungsverteilung durch die Steuereinheit 2 auf die unterschiedlichen Lasten 12. Die Lasten 12 sind beispielsweise ein Blinker-Relais, das Abblend- und das Aufblendlicht.
Falls in der Versorgungsleitung 4 und zwar sowohl in der Zuleitung 4A als auch in der Ableitung 4B, ein Leitungsdefekt in Form einer Leitungsunterbrechung auftritt, so besteht aufgrund der hohen Spannung von 42V die Gefahr des Auftretens eines Lichtbogens. Ob ein derartiger Lichtbogen auftritt, hängt neben der anliegenden Spannung auch vom Abstand ab, der über den Lichtbogen zwischen den beiden Leitungsenden der schadhaften Leitung überbrückt werden muss, sowie die Eigenschaften der Kontakte an den Leitungsenden, die Leitungsmaterialien usw. Unter bestimmten Randbedingungen wird ein stabiler Lichtbogen auftreten, d.h. der Lichtbogen wird kontinuierlich brennen. Aufgrund der beim Lichtbogen entstehenden hohen Temperaturen führt dies zu einer hohen Gefährdung und kann unter Umständen zu einem Brand führen. In 1 sind in der Zuleitung 4A sowie in der Ableitung 4B jeweils durch Kreuze markiert die jeweiligen Stellen eines möglichen Leitungsdefekts angedeutet, die jeweils innerhalb der Zu- bzw. Ableitung 4A, B zu einem seriellen Lichtbogen führen können.
Zum Überwachen des Bordnetzes ist vorgesehen, dass die über die Zu- und Ableitung 4A, B an der Steuereinheit 2 anliegende Spannung in der Steuereinheit 2 überwacht und ausgewertet wird. Hierzu ist, wie der 2 zu entnehmen ist, in der Steuereinheit 2 ein als Spannungskomparator 14 ausgebildeter Spannungsmesser vorgesehen, welcher die an der Steuereinheit 2 anliegende Spannung mit einem Spannungsreferenzwert vergleicht. Wird auf diese Weise ein Spannungsabfall in der Versorgungsleitung 4 im Bereich zwischen etwa 16V und 26V detektiert, d.h. fällt die Spannung in der Versorgungsleitung von 42V auf einen Wert zwischen etwa 26V und 16V ab, so geht vom Spannungskomparator 14 ein Signal an eine Kontrolleinheit 16. Von der Kontrolleinheit 16 werden Schalter 18 angesteuert, über die die einzelnen Lasten 12 geschaltet werden. Sind die Schalter 18 geschlossen, so sind die Lasten 12 über die Versorgungsleitung 4 mit der Batterie 6 verbunden und es fließt ein Strom über die Versorgungsleitung 4 zu den Lasten 12. Die Kontrolleinheit 16 dient auch zum normalen Schalten der Lasten.
Wird nun ein Spannungsabfall detektiert, der den vorbestimmten Wert von 16V überschreitet, so werden vorzugsweise die einzelnen Lasten 12 über die Kontrolleinheit 16 sukzessive abgeschaltet, wodurch der über die Versorgungsleitung 4 fließende Strom reduziert wird. Dies führt dazu, dass der über den Lichtbogen an der schadhaften Stelle fließende Strom, der sogenannte Lichtbogenstrom, einen bestimmten kritischen Wert unterschreitet. Dadurch erlischt der Lichtbogen. Die Steuereinheit 2 wird in diesem Fall aufgrund der Leitungsunterbrechung stromlos. Eine Wiederinbetriebnahme der Steuereinheit 23 ist ausgeschlossen.
Um zu überprüfen, ob tatsächlich ein Lichtbogen vorgelegen hat, wird anschließend versucht, die Steuereinheit 2 wieder mit Strom zu versorgen. War der Spannungsabfall durch eine andere Ursache, beispielsweise durch das Starten des Motors oder durch einen temporären Kurzschluss ausgelöst, so ist die Versor gungsleitung 4 weiterhin intakt und die Steuereinheit 2 kann wieder in Betrieb genommen werden. Falls dies nicht gelingt, so ist dies ein sicheres Indiz für eine Leitungsunterbrechung in der Versorgungsleitung 4 und dass tatsächlich ein Lichtbogen vorgelegen hat.
Alternativ oder zusätzlich zu der Abschaltung der Lasten 12 über die Kontrolleinheit 16 ist gemäß 1 vorgesehen, dass von der Steuereinheit 2 über eine Datenleitung 20 ein Datensignal, insbesondere ein Bussignal, an die Vorsicherungsdose 8 übermittelt wird und dort die Aktivierung der der Versorgungsleitung 4 zugeordneten Sicherung auslöst, so dass die Steuereinheit 2 von der Batterie 6 getrennt ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist sowohl die Einrichtung zur Spannungsüberwachung, insbesondere der Spannungskomparator 14, als auch die Kontrolleinheit 16 zur Schaltung der Lasten 12 unmittelbar in der Steuereinheit 12 integriert. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau erzielt. Alternativ zu dieser Ausgestaltung kann sowohl die Spannungsüberwachung als auch die Abschaltung der Lasten von außerhalb der Steuereinheit 2 vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Schutz eines Leitungsnetzes bei Auftreten eines seriellen Lichtbogens, insbesondere zum Schutz eines 42V-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, bei dem zumindest eine Last (12) über eine eine Zuleitung (4A) und eine Rückleitung (4B) aufweisende Versorgungsleitung (4, 4A, 4B) mit einer Spannungsquelle (6) verbunden ist, wobei die Spannung zwischen der Zuleitung (4A) und der Rückleitung (4B) von einer Steuereinheit (2) überwacht wird und wobei bei einem Spannungsabfall der überwachten Spannung im Bereich einer Lichtbogenbrennspannung der über die Versorgungsleitung (4, 4A, 4B) fließende Strom zumindest reduziert wird, um den Lichtbogen zu löschen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Spannung über einen Spannungsmesser (14) erfasst und mit einem Spannungsreferenzwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem über die Steuereinheit (2) eine Last (12) mit Strom versorgt wird, der bei Überschreiten des vorgegebenen Spannungsabfalls abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei Überschreiten des vorgegebenen Spannungabfalls durch eine Sicherung die Versorgungsleitung (4, 4A, 4B) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem bei Überschreiten des vorgegebenen Spannungsanfalls von der Steuereinheit (2) ein Signal an eine Sicherungsdose (8) zur Auslösung der Sicherung übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zu Prüfzwecken versucht wird, die Versorgungsleitung (4, 4A, 4B) erneut mit Strom zu beaufschlagen, nachdem der über sie fließende Strom zumindest reduziert wurde.