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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung elektrischer Fehlerzustände in Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Anwendung von Spannungen oberhalb der heute üblichen 12 V (Nominalwert der Batteriespannung) bzw. 14 V (Nominalwert der Ladespannung). Ein wichtiger und schwer zu erkennender Fehlerzustand ist dabei das Auftreten von Lichtbögen. Dieser Fehlerzustand und eine Reihe weiterer Fehlerzustände werden durch das beschriebene Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erkannt.
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Der Anreiz oder auch der Zwang zur Anwendung höherer Spannungen in Kraftfahrzeugen ist dadurch begründet, dass vermehrt Verbraucher höherer Leistung in Fahrzeuge integriert werden, was bei einer Spannung von 12/14 V zu entsprechend hohen Strömen, großen Leitungsquerschnitten und hohen Verlusten führt. Eine wichtige Anwendung in diesem Zusammenhang ist z. B. die Rekuperation mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie. Um diese Rekuperation in einem vernünftigen Leistungsbereich von ca. 10 kW durchzuführen ergäben sich auf Basis von 14 V Ströme von ca. 700 A, was schwer zu handhaben ist; auf Basis einer Spannung von 50 V beträgt der Strom nur 200 A, was deutlich leichter gehandhabt werden kann. Aufgrund dieser Fakten werden Automobilhersteller in der Zukunft vermehrt höhere Spannungen anwenden
- • bei Leistungen bis ca. 10 kW im Bereich bis 60 V, da bis zu dieser Grenze keine Maßnahmen zum Berührschutz vorzusehen sind
- • bei größeren Leistungen auch höhere Spannungen bis zu einigen 100 V, wobei der Berührschutz beachtet werden muss.
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In allen genannten Fällen besteht die Möglichkeit für Fehlerfälle durch Lichtbögen, die bei der heutigen Spannungslage von 12 V/14 V aus physikalischen Gründen nicht möglich sind. In stationären Netzen wird zwar auch mit Spannungen weit oberhalb dieser Grenze gearbeitet, dabei handelt es sich aber dabei, im Unterschied zum Automobil, um Wechselspannungen, wobei das Erlöschen der Lichtbögen durch die Nulldurchgänge begünstigt wird.
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Die Lichtbögen können parallel zur Spannungsquelle auftreten (paralleler Lichtbogen), also direkt vom Pluspol der Spannungsquelle zur Masse oder aber in Reihe mit einem Verbraucher (serieller Lichtbogen). In beiden Fällen kann die Überwachung durch eine Sicherung versagen, da durch die Sicherung nur der Strom überwacht und nur dann abgeschaltet wird, wenn der Nennstrom nennenswert und für längere Zeit überschritten wird. Parallele Lichtbögen können aber durchaus einen Strom führen, der unterhalb des Nennstromes eines Stromkreises liegt, serielle Lichtbögen haben generell einen Strom unterhalb des Nennstromes, da ein Verbraucher in Reihe liegt. Trotzdem kann beim Auftreten von Lichtbögen eine Leistung frei werden, die eine erhebliche Gefahr für das Fahrzeug und seine Insassen darstellt und durch einen Brand zum Totalverlust führen kann, wenn nicht rechtzeitig abgeschaltet wird.
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Im Stand der Technik finden sich einige Hinweise auf das geschilderte Problem wie z. B. in
- [1] Seubert: 42 V Bordnetzspannung Stand der Umsetzung und nächste Schritte ANALOG '03, Heilbronn, 11.–12. September 2003
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In diesem Dokument wird das Problem beschrieben und Möglichkeiten zur Abschaltung angegeben, nämlich über Halbleiterschalter und aktive Sicherungen. Es wird allerdings keine Angabe zur Erkennung des Fehlerfalles gemacht.
- [2] Leoni in Team, Ausgabe 2/2003, Seite 6
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Hier findet sich eine Lösung des beschriebenen Problems, die darin besteht, dass parallel zu allen Leitungen mit erhöhter Spannung eine Sensierungsader läuft. Diese Ader hat eine Isolation mit einem niedrigen Schmelzpunkt. Beim Auftreten eines Lichtbogens wird davon ausgegangen, dass diese Isolation schmilzt, die Ader elektrischen Kontakt zu benachbarten Adern bekommt und diese Änderung des Potenzials zur Erkennung genutzt werden kann. Problematisch an dieser Lösung ist die Unsicherheit der Detektion, die notwendige Überwachung, ob alle Sensierungsadern angeschlossen sind und die Tatsache, dass Fehler erst dann erkannt werden, wenn erheblicher Schaden entstanden ist.
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zeigt eine typische Anordnung in einem Kraftfahrzeugbordnetz, in dem neben der Spannung von 12 V/14 V eine weitere, höhere Spannung benutzt wird. Die Bezeichnung der höheren Spannungsebene mit 42 V ist nur beispielhaft zu sehen; natürlich sind hier auch andere Spannungen denkbar. Auf der Seite mit der höheren Spannung befinden sich in diesem Beispiel ein Generator, eine Batterie, ein Verbraucher und ein DC/DC-Wandler. Die Erregung des Generators kann abgeschaltet oder heruntergeregelt werden, so dass der Generator keine elektrische Energie mehr erzeugt; die 42 V-Batterie ist mit einem Schalter versehen, z. B. einem Halbleiterschalter oder einer sogenannten Pyrofuse, also einer Sicherung, die durch ein äußeres Signal ausgelöst werden kann. Wichtig ist in diesem Zusammenhang nur, dass Abschaltmechanismen bestehen; welcher Art die Abschaltelemente sind ist nicht relevant und nicht Inhalt dieser Patentschrift. Die Abschaltmechanismen dürfen im Sinne dieses Verfahrens auch zentral sein, d. h. bei Erkennen eines Fehlers werden alle angeschlossenen Komponenten abgeschaltet. Wie zentral oder dezentral im Fehlerfalle abgeschaltet wird, muss der Entwickler hauptsächlich von der gewünschten Verfügbarkeit abhängig machen.
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Im Beispiel der ist an das Netz mit höherer Spannung ein DC/DC-Wandler angeschlossen, der das übrige Bordnetz versorgt. Von diesem Bordnetz ist nur die Batterie und ein beispielhafter 12 V-Verbraucher mit vorgeschalteter Sicherung eingetragen.
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zeigt nun die wesentlichen Fehlerfälle, die auftreten können und in Zusammenhang mit der höheren Spannungsebene stehen. Diese sind
- 1. ein paralleler Lichtbogen zwischen der höheren Spannungsebene und der Masse
- 2. ein serieller Lichtbogen im Verlauf eines Verbrauchers der höheren Spannungsebene, egal, ob der Lichtbogen vom Verbraucher zur Masse (wie im Bild gezeichnet) oder im sonstigen Verlauf der Leitungsführung stattfindet
- 3. ein Lichtbogen zwischen der höheren Spannungsebene und der 14 V-Ebene
- 4. ein Lichtbogen zwischen der höheren Spannungsebene und einem Verbraucher; in ist diesem Verbraucher eine Sicherung vorgeschaltet; dies kann aber auch ein Steuergerät sein.
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Alle diese beschriebenen Fehlerfälle führen nun nicht zwangsläufig dazu, dass ein Sicherungselement anspricht und den Fehler abschaltet; im Falle des seriellen Lichtbogens (2) ist dies sogar ausgeschlossen. Die Aufgabenstellung besteht also darin, ein Verfahren zu finden, das alle Fehlerfälle erkennt und mit Hilfe dieser Information geeignete Abschaltungen vorgenommen werden können.
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Das Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Das Prinzip hierfür zeigt . In diesem Bild sind in schematischer Form 3 Komponenten (10, 20, 30) gezeigt, die an ein Netz mit erhöhter Spannung (50) angeschlossen sind. Die originären Teile dieser Komponenten (11, 21, 31) sind ebenfalls nur schematisch eingezeichnet. Diese originären Teile können einen Generator, eine Batterie, einen Verbraucher, ein Steuergerät, einen DC/DC-Wandler oder eine sonstige Funktion darstellen. Wichtig ist, dass in dieses Verfahren alle Komponenten integriert werden, die an das Netz mit erhöhter Spannung angeschlossen sind. Im Beispiel von oder wären dies der 42 V-Generator, die 42 V-Batterie, der 42 V-Verbraucher und der DC/DC-Wandler. Ausgelassen werden kann eine Komponente nur in Sonderfällen, wenn entsprechende Ersatzwerte in die Berechnung eingefügt werden können.
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Jede an die erhöhte Spannung (50) angeschlossene Komponente erhält an Ihrem Spannungseingang zusätzliche Komponenten mit deren Hilfe die Messung der Spannung und des Stromes am Eingang der Komponente möglich ist. In ist dies mit einem Shuntwiderstand für die Strommessung, Instrumentierungsverstärkern für die Spannungs-(12, 22, 32) und Strommessung (13, 23, 33), einem zweikanaligen A/D-Wandler (14, 24, 34) und einem Businterface (16, 26, 36) angedeutet. Die gemessenen Daten werden, vorzugsweise über einen Bus wie z. B. CAN oder LIN, an eine Fehlerdetektionsschaltung (40) übertragen. Vorzugsweise werden schon vorhandene Busverbindungen genutzt. In der Schaltung zur Fehlerdetektion wird überwacht, dass die von allen Komponenten gemeldete Spannung soweit gleich ist, dass sich alle Spannungen im Bereich U1 +/– Utol bewegen, wobei U1 die Spannung einer ausgewählten Komponente ist, z. B. diejenige des Generators und Utol eine zulässige Toleranz. Weiterhin wird überwacht, dass die Summe aller Ströme bei vorzeichenrichtiger Addition 0 +/– Itol ist, wobei Itol die Toleranz darstellt. Die Schaltung zur Fehlerdetektion kann in eine geeignete Komponente integriert werden.
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Die Fehlerfälle (1), (3) und (4) werden durch eine Stromsumme angezeigt, die verschieden von 0 ist. Egal welchen Weg der Fehlerstrom nimmt, führt er dazu dass die berechnete Stromsumme von 0 abweicht. Der Fehlerfall (2) wird durch die Messung und den Vergleich der Spannungen detektiert.
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Nun ist es für ein System im Kraftfahrzeug wichtig, dass es robust funktioniert. Störungen bei der Messung und Toleranzen der Bauteile können dazu führen, dass die Messergebnisse vom Idealfall (alle Spannungen gleich, Stromsumme ist 0) abweichen. Hier ist es wichtig, die Toleranzen so zu wählen, dass das System robust funktioniert, d. h.
- • keine Abschaltung bei kleineren Messfehlern und Fehlern unterhalb einer Schwelle vorgenommen wird; statt dessen wird bei kleineren Fehlern nur ein Diagnoseeintrag gemacht, dem die Werkstatt später nachgehen kann
- • sofortige Abschaltung bei gefährlichen Fehlern.
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Beantwortet wird die Fragestellung durch den Anspruch 2. Dabei wird von jeder Komponente die aufgenommene oder abgegebene Leistung durch Multiplikation von Strom und Spannung berechnet. Die Fehlerdetektionsschaltung summiert alle Werte. Die Abschaltung erfolgt erst dann, wenn die Differenzleistung die Toleranz Ptol überschreitet. Auf diese Art gelingt es, die Abweichungen von Spannung und Strom gemeinsam zu bewerten. Gleichzeitig hat man hiermit ein Maß für die verloren gegangene Leistung, die an der Fehlerstelle freigesetzt wird.
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Aufbauend auf die Lösungen von Anspruch 1 und 2 wird mit Anspruch 3 vorgeschlagen, nicht nur die momentanen Werte von Differenzspannung und Stromsumme oder Leistungssumme als Abschaltkriterium heranzuziehen, sondern den zeitlichen Verlauf dieser Größen. Damit wird die Robustheit des Systems gefördert, da kurzfristige Störungen ausgeblendet werden können. Benutzt man die Leistungssumme, so kann man durch Aufintegration in einem Rechenmodell die verloren gegangene Energie berechnen, was als Grenze zur Vermeidung von Brandfällen geeignet erscheint.
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Nun kann es beim Auftreten hoher Ströme vorkommen, dass in normalen, d. h. fehlerfreien Betriebszuständen Differenzen bei Spannung oder Leistung auftauchen, die gemäß der Auslegung des Bordnetzes auftreten dürfen, weil die Spannungsabfälle auf den Leitungen der Auslegung entsprechen. Im einfachsten Falle kann man dann die Toleranzen erhöhen, um keine Fehlauslösungen zu bekommen. Dies führt allerdings dazu, dass die Spannungs- oder Leistungsdifferenzen in allen Betriebszuständen akzeptiert werden, was unter Umständen gefährlich sein kann. Günstiger ist es dann, wenn man gemäß Anspruch 4 ein Leitungsmodell hinterlegt, welches die Berechnung der Spannungsabfälle und damit auch der Leistungsdifferenzen gestattet. Hiermit wird die Genauigkeit der Berechnung deutlich gesteigert.
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Neben der Detektion von Lichtbögen können mit dem Verfahren auch weitere Fehler detektiert werden. Dies ist in Anspruch 5 formuliert. Dabei wird ein schadhafter Anschluss einer Komponente mit dem Verfahren dadurch detektiert, dass die Spannung an dieser Komponente von den übrigen Spannungen abweicht. zeigt dies am Beispiel einer schadhaften Massestelle. Im Falle einer völligen Trennung der Komponente vom Bordnetz wird keine Nachricht mehr an die Fehlerdetektionsschaltung versendet. Auch in diesem Falle kann dies zu Fehlererkennung genutzt werden.
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Einen weiteren Fehlerfall zeigt . Gemäß Anspruch 6 wird auch ein Fehlerfall erkannt, bei dem eine gemeinsame Masseverbindung mehrerer Komponenten gebrochen ist. Dies gilt sowohl, wenn beide Komponenten an die höhere Spannungsebene angeschlossen sind, als auch für den im Bild gezeigten Fall für Komponenten auf verschiedenen Spannungsebenen. In beiden Fällen weicht die in der Komponente gemessene Spannung von der Spannung der übrigen Komponenten dieser Spannungsebene ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Seubert: 42 V Bordnetzspannung Stand der Umsetzung und nächste Schritte ANALOG '03, Heilbronn, 11.–12. September 2003 [0005]
- Leoni in Team, Ausgabe 2/2003, Seite 6 [0006]
