DE102009006457A1

DE102009006457A1 - Fahrzeug mit Kabelüberwachungsvorrichtung und Verfahren zur Kabelüberwachung

Info

Publication number: DE102009006457A1
Application number: DE102009006457A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Birke; Michael Keller; Axel Rudorff; Hans-Peter Werner
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Kabelüberwachungsvorrichtung (1) und ein Verfahren zur Kabelüberwachung. Dazu weist das Fahrzeug mindestens ein isoliertes Ringkabel (2) mit angeschlossenen elektrischen Verbrauchern (3) auf. Das Ringkabel (2) ist an eine Versorgungsspannung (4) angeschlossen und gegenüber der Fahrzeugmasse (5) isoliert. An das Ringkabel (2) ist ein Sender (6) angeschlossen, der ein Trägerfrequenzsignal auf das Ringkabel (2) aufmoduliert. Mindestens ein Empfänger (7) wirkt mit dem Ringkabel (2) zum Empfang des aufmodulierten Trägerfrequenzsignals zur Überwachung des Ringkabels (2) zusammen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Kabelüberwachungsvorrichtung und ein Verfahren zur Kabelüberwachung. Dazu weist das Fahrzeug mindestens ein isoliertes Ringkabel mit angeschlossenen elektrischen Verbrauchern auf. Das Ringkabel ist an eine Versorgungsspannung angeschlossen und gegenüber der Fahrzeugmasse isoliert.
Derartige Ringkabel werden für zweite Bordnetze eingesetzt, wobei das zweite Bordnetz gegenüber dem ersten Bordnetz mit einer höheren Spannung arbeitet. Ein derartiges zweites Bordnetz wird vorzugsweise für Kraftfahrzeuge eingesetzt, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die einen Hybridantrieb aufweisen. Mit einem Hybridantrieb wird die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb eines Fahrzeugs bezeichnet. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb werden auch Hybridfahrzeuge genannt und weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine und eine elektrische Maschine auf, wobei die elektrische Maschine mit dem zweiten Bordnetz höherer Spannung zusammenwirkt.
Dabei ist die elektrische Maschine in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetz versorgung. Weiterhin weisen Hybridfahrzeuge mindestens einen zusätzlichen Energiespeicher auf.
Die Energie aus dem Energiespeicher kann zum Starten des Verbrennungsmotors für die elektrischen Verbraucher im Fahrzeug und für Beschleunigungsvorgänge genutzt werden, wobei der Verbrennungsmotor durch den günstigen Drehmomentverlauf des Elektromotors dadurch besonders effektiv unterstützt wird, zumal er in einem lastoptimierten Drehzahlbereich betrieben werden kann und der Elektromotor gerade bei niedrigen Drehzahlen das nötige Drehmoment bereitstellt.
Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie kommt aus der Umsetzung der chemischen Energie des Kraftstoffs über einen Verbrennungsmotor oder über eine Brennstoffzelle.
Zusätzlich kann der Energiespeicher durch Energierückgewinnung beim Bremsen wieder aufgeladen werden, indem die Möglichkeit geschaffen wird, die Bremsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und nicht als Verlustwärme an die Umgebung abzugeben. Diese Rekuperation oder Energierückgewinnung ist auch als Unterstützung des Bordnetzes denkbar und muss nicht zwangsläufig mit einem Energiespeicher für Hybridanwendungen kombiniert werden.
Hybridantriebe und Bordnetzunterstützungskonzepte erfordern deutlich leistungsfähigere Speicher mit höherem Energieinhalt und höheren Spannungen als die bekannten auf Blei basierenden Bordnetzbatterien. Vorzugsweise werden für die Speicherung in dem zweiten Bordnetz bei höherer Spannung Nickel-Metall-Hybridenergiespeicher und insbesondere Lithiumionenbatterien eingesetzt, da sie für die Speicherung zusätzlicher Energie mengen besonders geeignet sind. Auch Doppelschichtkondensatoren können als Zusatzspeicher vorteilhafter Weise in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden.
Um derartige Spannungen für das zweite Bordnetz zu erreichen, werden die einzelnen Zellen in der Regel seriell verschaltet, so dass beispielsweise für Nickel-Metall-Hybridenergiespeicher weit über 100 Einzelbatteriezellen seriell verbunden werden. Derartige Hochvoltleitungen bzw. Ringkabelsysteme müssen jedoch berührungsgeschützt ausgelegt werden. Dies ist insbesondere bei Einwirkungen von außen erforderlich, so dass beim Freilegen des leitenden Teils eines Ring- oder Hochvoltkabels eine hohe Personengefährdung ausgeht. Auch das Wartungs- und Montagepersonal ist entsprechend zu schützen.
Um die Hochvoltverkabelung bzw. ein Hochvoltringkabel zu überwachen, sind in das Kabel bzw. in die Ummantelung bisher Signalleitungen eingebaut, die als so genannte Pilotlinien in das Hochvoltkabel integriert sind. Wird die Signalleitung bei Beschädigung des Hochvoltkabels unterbrochen, so kann die anliegende Spannung abgeschaltet werden.
Ein derartiges System mit einer Sensordrahtschutzbeschaltung für Hochspannungskabel ist aus der Druckschrift DE 100 19 707 A1 bekannt. Bei einer derartigen Sensordrahtschutzbeschaltung für Hochspannungskabel ist die Sensorader bzw. die Pilotleitung am Kabelanfang und/oder Kabelende mit einem verzögerungsfrei ansprechenden Kurzschlussschalter verbunden, der einen voll elektronisch wirkenden Schutz sowohl für das Kabel gegen Isolationsdurchschlag der mitgeführten Sensorader als auch für das angeschlossene Sensordrahtmesssystem gegenüber Spannungen bildet. Derartige Isolationsdurchschläge können aus kurzen transienten Spannungsspitzen oder länger anstehenden Überspannungen aufgrund von Kurzschlussströmen des Kabelsystems resultieren.
Ein derartiges Konzept weist jedoch den Nachteil auf, dass der Gesamtaufbau des Kabels aufwendig, kompliziert und kostenintensiv ist, da in der Regel zwei Pilotlinienleitungen in die Ummantelung des Hochspannungskabels integriert werden müssen. Zusätzlich müssen im Stecker zusätzliche Anschlüsse für diese Pilotlinien vorgesehen werden, was höhere Kosten, einen weiteren Bauraum und erhöhte Anfälligkeit verursachen kann. Außerdem ist es möglich, dass nur die Pilotlinie unterbrochen wird, ohne dass eine Beschädigung des Hochvoltkabels vorliegt und umgekehrt. Da Pilotlinien und Hochvoltleitung in dem gemeinsamen Kabelaufbau geometrisch getrennt sind, ist eine derartige Fehldiagnose nicht auszuschließen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und ein Fahrzeug mit einer Kabelüberwachungsvorrichtung zu schaffen, das kostengünstig und Raum sparend in einem Fahrzeug untergebracht werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kabelüberwachung anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Fahrzeug mit Kabelüberwachungsvorrichtung und ein Verfahren zur Kabelüberwachung geschaffen. Dazu weist das Fahrzeug mindestens ein isoliertes Ringkabel mit angeschlossenen elektrischen Verbrauchern auf. Das Ringkabel ist an eine Versorgungsspannung angeschlossen und gegenüber der Fahrzeugmasse isoliert. An das Ringkabel ist ein Sender angeschlossen, der ein Trägerfrequenzsignal auf das Ringkabel aufmoduliert. Mindestens ein Empfänger wirkt mit dem Ringkabel zum Empfang des aufmodulierten Trägerfrequenzsignals zur Überwachung des Ringkabels zusammen.
Dieses Fahrzeug hat mit der erfindungsgemäßen Kabelüberwachungsvorrichtung den Vorteil, dass Kosten und Raumbedarf durch Wegfall der Pilotlinienleitungen vermindert werden, die sonst bei der Herstellung des Hochvoltkabels ein aufwendiges Integrieren von Pilotleitungen in die Ummantelung erfordern. Ferner kann in vorteilhafter Weise die Kontaktzahl der Stecker von bisher vier Kontaktsteckern auf lediglich drei reduziert werden. Als Sendekonzept kann ein Rechteckgenerator beispielsweise mit 100 Hz genauso eingesetzt werden, wenn auf der Empfangsseite ein entsprechender Empfänger die 100 Hz im Takt der Sendefrequenz aufnimmt. Bei Ausbleiben des 100 Hz Rechtecksignals kann das Ringkabelpotential freigeschaltet werden.
Erfindungsgemäß wird nun dieses Signal auf das Hochvoltringkabel aufmoduliert. Der für die Signalübertragung benötigte geschlossene Ring, der im Stand der Technik durch die zwei Pilotlinienkabel realisiert wurde, wird im Falle des Hochvoltringkabels durch ein positives Stromkabel gegenüber der Fahrzeugmasse ersetzt. Somit wird mit dieser Erfindung eine entscheidende Kosten- und Bauraumreduzierung sowie eine Erhöhung der Zuverlässigkeit bezüglich Ausfallwahrscheinlichkeiten erreicht.
Ist das Ringkabel geschlossen, so kann bei einer Unterbrechung das Trägerfrequenzsignal trotz der Unterbrechung evtl. noch zum Empfänger gelangen. Um dieses auszuschließen, wird vorzugsweise vorgesehen, dass das Ringkabel einen Anfang und ein Ende aufweist, wobei an dem Anfang der Sender für das aufzumodulierende Signal angeordnet ist und an dem Ende der Empfänger des aufmodulierten Signals zur Verfügung steht. In diesem Fall kann kein aufmoduliertes Signal mehr empfangen werden, wenn das Ringkabel gegenüber der Masse kurzgeschlossen oder unterbrochen ist.
Dabei können vorzugsweise der Anfang und das Ende des Ringkabels benachbart angeordnet sein, so dass ein Steuergerät den Sender und den Empfänger aufweist und Verbindungsleitungen zu dem Anfang und dem Ende des Ringkabels besitzt. Weiter ist es möglich, mehrere Empfänger an dem Ringkabel verteilt anzuordnen, vorzugsweise an jenen Stellen, an denen Verbraucher an das Ringkabel angeschlossen sind, so dass sich ein Fehler leichter eingrenzen lässt. Da das Ringkabel eine höhere Spannungsversorgung für einen zweiten Bordnetzkreis vorsieht, die höher ist als die üblichen 12 V für Pkw und 24 V für Lkw, sind an diesem Ringkabel Energiespeicher angeordnet, die für höhere Spannungsversorgungen ausgelegt sind, wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren oder seriell zusammen geschaltete Lithiumionenbatteriezellen.
Ein Verfahren zur Kabelüberwachung mindestens eines Ringkabels in einem Fahrzeug weist die folgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst werden ein Trägerfrequenzsender und ein Modulator bereitgestellt, der auf das Trägersignal ein Überwachungssignal aufmoduliert, wobei das modulierte Trägersignal direkt in das Ringkabel zur Überwachung eingespeist wird. Außerdem wird ein Trägerfrequenzempfänger mit einem Demodulator bereitgestellt, der das Trägersignal empfängt und das Überwachungssignal vom Trägersignal demoduliert. Schließlich wird immer dann die Kabelüberwachungsvorrichtung eingeschaltet, wenn der Motor des Fahrzeugs gestartet wird, und abgeschaltet, wenn der Fahrzeugmotor ausgeschaltet wird. Die in einem Zusatzspeicher evtl. noch gespeicherte Energie wird vorzugsweise nach Abschalten des Fahrzeugmotors über einen DC/DC- Wandler dem Akkumulator des ersten Niedervoltbordnetzes zugeführt, um sicherzustellen, dass bei Wartungs- und Installationsarbeiten das Ringkabelpotential frei ist. Dazu kann ein entsprechendes Steuergerät den DC/DC-Wandler auch nach Abschalten des Fahrzeugmotors für eine begrenzte Zeit ansteuern.
Wie bereits oben erwähnt, wird vorzugsweise das Trägerfrequenzsignal in einen Anfang des Ringkabels eingespeist und an einem Ende des Ringkabels wird das Trägerfrequenzsignal empfangen und demoduliert. Auch ist es möglich, als Überwachungssignal das reine Trägerfrequenzsignal als Impuls in das Ringkabel einzuspeisen und permanent zu überwachen, ob der Trägerfrequenzsignalimpuls den Empfänger erreicht. Vorzugsweise wird jedoch ein moduliertes Trägerfrequenzsignal gebildet, das von einem Steuergerät erzeugt und über eine Verbindungsleitung in einen Anfang des Ringkabels eingespeist wird und in dem Steuergerät über eine weitere Verbindungsleitung am Ende des Ringkabels schließlich empfangen wird. Dazu sind sowohl der Sender als auch der Empfänger im Steuergerät angeordnet, das über zwei Verbindungsleitungen zu dem Anfang und dem Ende des Ringkabels verfügt und das Trägerfrequenzüberwachungssignal in das Ringkabel beispielweise am Anfang einspeisen und am Ende über einen Empfänger zur Überwachung nachweisen kann.
Als Modulationsverfahren wird eine Amplitudenmodulation, eine Frequenzmodulation oder eine Pulscodemodulation vorgesehen. Vorzugsweise wird eine Amplitudenmodulation eingesetzt, bei der die aufmodulierte Frequenz deutlich geringer ist als die Trägerfrequenz. Dabei kann die Trägerfrequenz f_T zwischen 3 kHz ≤ f_T ≤ 300 kHz oder vorzugsweise zwischen 30 kHz ≤ f_T ≤ 100 kHz liegen. Dementsprechend liegt die aufmodulierte Frequenz f_M zwischen 1/1000 f_T ≤ f_M ≤ 1/4 f_T.
Um den Ort einer Unterbrechung des Ringkabels eines Kurzschlusses auf dem Ringkabel oder den Ort anderer plötzlich auftretender Stromspitzen einzugrenzen, ist es vorgesehen, entsprechende Widerstandserfassungssensoren für das Ringkabel ortsfest in dem Fahrzeug zu installieren.
Die Erfindung wird nun anhand einer beigefügten Figur näher erläutert.
Die 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Kabelüberwachungsvorrichtung 1 mit einem Ringkabel 2, das einen Anfang 8 und ein Ende 9 aufweist. An dem Ringkabel 2 hängen unterschiedliche Verbraucher 3, die beispielsweise Elektromotoren, Servomotoren, Pumpen oder Kompressoren, Elektroventile, Signaleinrichtungen oder andere Komfortgeräte umfassen können. Auch ist es vorgesehen, eventuell eine Motorvorheizung über das zweite Hochvoltbordnetz zu betreiben. In bezug auf die Pumpen sind es vorzugsweise Aggregate, die der Luftfederung oder der Ölförderung oder der Kühlwasserförderung dienen.
Durch die höhere Spannungsversorgung kann gewährleistet werden, dass der Querschnitt der Ringleitung 2 geringer ist, um die entsprechende Leistung für die Verbraucher zu transportieren. Über eine Verbindungsleitung 11 zwischen einem Steuergerät 10 und dem Anfang der Ringleitung wird ein Trägerfrequenzsignal, das von einem Sender 6 erzeugt wird, auf das Ringkabel 2 aufmoduliert und kann über eine Verbindungsleitung 12, die am Ende 9 des Ringkabels 2 angeordnet ist, von einem entsprechenden Empfänger 7 in dem Steuergerät 10 empfangen werden, so dass die Funktionsfähigkeit des Ringkabels 2 ständig überprüft werden kann, ohne dass zusätzliche Pilotleitungen im Mantel des Ringkabels unterzubringen sind.
Anstelle der Fahrzeugmasse 5 als Rückleiter kann auch ein Doppelringkabel mit einer Hin- und einer Rückleitung eingesetzt werden, das jedoch dann zweiadrig auszuführen ist und damit das Gesamtgewicht des Fahrzeugs erhöht. Andererseits muss bei der in 1 gezeigten Kabelüberwachungsvorrichtung sichergestellt sein, dass sowohl die Verbraucher als auch das Steuergerät 10 einen niederohmigen Masseanschluss zur Fahrzeugmasse 5 aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10019707 A1 [0010]

Claims

Fahrzeug mit Kabelüberwachungsvorrichtung (1) aufweisend: – mindestens ein isoliertes Ringkabel (2) im Fahrzeug mit angeschlossenen elektrischen Verbrauchern (3), wobei – das Ringkabel (2) an eine Versorgungsspannung (4) angeschlossen ist und gegenüber der Fahrzeugmasse isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass an das Ringkabel (2) ein Sender (6) angeschlossen ist, der ein Trägerfrequenzsignal auf das Ringkabel (2) aufmoduliert, und dass mindestens ein Empfänger (7) mit dem Ringkabel (2) zum Empfang des aufmodulierten Trägerfrequenzsignals und zur Überwachung des Ringkabels (2) zusammenwirkt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringkabel (2) einen Anfang (8) und ein Ende (9) aufweist, wobei an dem Anfang (8) der Sender (6) für das aufzumodulierende Signal angeordnet ist und an dem Ende (9) der Empfänger (7) des aufmodulierten Signals angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfang (8) und das Ende (9) des Ringkabels (2) benachbart angeordnet sind und ein Steuergerät (10) den Sender (6) und den Empfänger (7) sowie Verbindungsleitungen (11, 12) zu dem Anfang (8) und dem Ende (9) des Ringkabels (2) aufweist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Empfänger (7) an dem Ringkabel (2) verteilt angeordnet sind.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Verbraucher (3), der an das Ringkabel (2) angeschlossen ist, einen Empfänger (7) aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringkabel (2) eine höhere Spannungsversorgung vorsieht, als das mit einem 12 V- oder 24 V-Akkumulator betriebene übrige Bordnetz.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anfang (8) und Ende (9) des Ringkabels (2) Widerstandserfassungssensoren aufweisen.
Verfahren zur Kabelüberwachung mindestens eines Ringkabels (2) in einem Fahrzeug, das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Trägerfrequenzsenders (6) und eines Modulators, der auf das Trägersignal ein Überwachungssignal aufmoduliert, wobei das modulierte Trägersignal direkt in das Ringkabel (2) zur Überwachung eingespeist wird; – Bereitstellen eines Trägerfrequenzempfängers (7) und eines Demodulators, der das Trägersignal empfängt und das Überwachungssignal von dem Trägersignal demoduliert; – Einschalten der Kabelüberwachungsvorrichtung (1) mit dem Motorstart des Fahrzeug und Abschalten der Kabelüberwachungsvorrichtung (1) mit Ausschalten des Fahrzeugmotors.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Anfang (8) des Ringkabels (2) das Trägerfrequenzsignal eingespeist wird und an einem Ende (9) des Ringkabels (2) das Trägerfrequenzsignal empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Überwachungssignal das Trägerfrequenzsignal als Impuls in das Ringkabel (2) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein moduliertes Trägerfrequenzsignal von einem Steuergerät (10) erzeugt und über eine Verbindungsleitung (11, 12) in einen Anfang (8) des Ringkabels (2) eingespeist wird und in dem Steuergerät (10) über eine weitere Verbindungsleitung (12) am Ende des Ringkabels empfangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Modulationsverfahren eine Amplitudenmodulation, eine Frequenzmodulation oder eine Pulscodemodulation vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägerfrequenz eine Frequenz f_T zwischen 3 kHz ≤ f_T ≤ 300 kHz, vorzugsweise 30 kHz ≤ f_T ≤ 100 kHz vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als aufmodulierte Frequenz f_M eine Frequenz zwischen 1/1000 f_T ≤ f_M ≤ 1/4 f_T vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur örtlichen Eingrenzung einer Unterbrechung des Ringkabels (2) Widerstandserfassungssensoren vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrzeug ein Kraftfahrzeug verwendet wird.