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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Trenneinrichtung, um einen elektrischen Stromkreis von einer Stromquelle zu trennen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Sicherheitseinrichtung.
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In bestimmten Kraftfahrzeugen werden während des Fahrbetriebs zum Beispiel durch Generatoren oder Brennstoffzellenaggregate, gegebenenfalls in Verbindung mit Wechselrichtern oder Gleichspannungswandlern, elektrische Wechselspannungen von mehr als 50 V oder Gleichspannungen von mehr als 120 V bereitgestellt. Insbesondere im Falle eines Unfalls können Spannungen auf diesem Spannungsniveau für Benutzer des Kraftfahrzeugs und/oder für Rettungskräfte eine latente Gefahr darstellen. Kraftfahrzeuge der genannten Art sind beispielsweise Fahrzeuge mit Kühlanlagen für das Transportgut oder Fahrzeuge mit Sonderausstattung, beispielsweise von Feuerwehren oder dem Katastrophenschutz. Ein ähnliches Gefahrenpotential geht von Fahrzeugen mit Elektroantrieben oder Hybridantrieben aus, deren Batteriespannung auch im Nichtfahrbetrieb weit über 100 V liegen können und bei denen die Batterie zudem über eine hohe Energiedichte verfügt. Im Falle eines Unfalls können die Spannungsführenden Leitungen und/oder Geräte beschädigt oder zerstört werden. Auf diese Weise können Fahrzeugteile oder Ausstattungsgegenstände im Fahrzeug unter die gefährliche Spannung gestellt werden. Ferner kann auch ein Bordnetz mit üblichen Spannungen von 12 oder 24 V Gleichspannung im Unfallfall ein Gefahrenpotential darstellen, insbesondere wenn durch Beschädigung von Leitungen beim Unfall die Gefahr einer Lichtbogenbildung ausgeht.
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Ob und wie sich eine bei Berührung gefährliche Spannung am und im Fahrzeug einstellt ist nicht kalkulierbar oder vorhersehbar. Für die Insassen im Fahrzeug sowie für Hilfe leistende Personen ist eine möglicherweise lebensgefährliche Situation durch einen Stromschlag nicht erkennbar. Eine Berührung des Unfallfahrzeugs kann also nicht nur für die Insassen, sondern auch für Passanten oder Rettungskräfte lebensgefährlich werden. Um dieses zu vermeiden, müssten notwendige Rettungsmaßnahmen gegebenenfalls ausgesetzt werden, unter Umständen bis eine den potentiell gefährlichen Stromkreis speisende Batterie sich entleert hat oder Treibstoff für einen Generator aufgebraucht ist.
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Zwar gibt es gesetzliche Vorgaben, dass Nutzfahrzeuge, die dem Transport gefährlicher Güter dienen, über einen Notschalter verfügen, der das Bordnetz spannungsfrei schaltet. Die Existenz und erst recht die Position eines solchen Schalters am Fahrzeug ist jedoch weder Rettungspersonal noch Passanten notwendigerweise bekannt. Zudem kann ein solcher Schalter im Falle eines Unfalls gegebenenfalls nicht mehr erreichbar sein. Außerdem ist eine Abschaltung von Zusatzstromerzeugern, z. B. Generatoren, nicht vorgesehen.
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Aus der Druckschrift
DE 101 39 360 C2 ist eine Trennung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs von der Batterie über eine Sprengkapsel bekannt. Die Auslösung dieser Sprengkapsel erfolgt entweder manuell oder über die bei einem Brand entstehende Hitze. Die manuelle Abschaltung ist dabei mit den gleichen Sicherheitsdefiziten behaftet, wie sie zuvor beschrieben sind. Die Auslösung über die Hitzeentwicklung ist dagegen auf Unfälle mit Brandfolge beschränkt.
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Eine Trennung des Bordnetzes von der Batterie mit einer manuellen Auslösung ist auch in der Druckschrift
DE 698 05 019 C2 beschrieben. Als Trennelement wird hier ein Relais eingesetzt. Auch dabei wird eine sichere Abstellschaltung bei Unfällen durch die manuelle Auslösung nicht gewährleistet.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichere Trennung von Stromkreisen von Stromquellen im Fall eines Unfalls eines Kraftfahrzeugs zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitseinrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Sicherheitseinrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Beschleunigungssensor aufweist und dazu eingerichtet ist, die Trenneinrichtung abhängig von gemessenen Beschleunigungswerten zu betätigen.
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Die gemessenen Beschleunigungswerte ermöglichen eine sichere Erkennung eines kritischen Betriebszustands des Fahrzeugs, insbesondere einer Fahrsituation, die zu einem Unfall führt oder geführt hat. Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung erlaubt so eine automatische Abschaltung von potentiell gefährlichen Stromkreisen unmittelbar bei oder nach dem Eintritt eines Unfalls.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Sicherheitseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die eine Trenneinrichtung aufweist, um einen elektrischen Stromkreis von einer Stromquelle zu trennen, weist die folgenden Schritte auf: Es wird mindestens ein Beschleunigungswert des Fahrzeugs durch einen Beschleunigungssensor gemessen und es wird die Trenneinrichtung betätigt, wenn der mindestens eine gemessene Beschleunigungswert vorgegebene Kriterien erfüllt. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie bei der zuvor beschriebenen Sicherheitsvorrichtung.
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Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen der Sicherheitseinrichtung bzw. des Betriebsverfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In Folgendem wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert.
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Die 1 zeigt eine mit einem Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeugs verbundene Sicherheitseinrichtung 10 für dieses Kraftfahrzeug.
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Die Sicherheitseinrichtung 10 befindet sich vorzugsweise in einem Schutzgehäuse der Schutzklasse IP 68. Über ein mehrpoliges, druckwasserdichtes Steckerteil 11 ist die Sicherheitseinrichtung 10 mit dem Bordnetz 1 verbunden. Die Anschlussleitungen sind individuell anforderungsspezifisch ausgelegt.
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Weiter ist ein Wechselrichter 3, der auch als DC/AC (direct current / alternating current) – Wandler bezeichnet wird, im Fahrzeug angeordnet. Dieser stellt eine Wechselspannung von 230 V bereit, mit der bestimmte, hier nicht dargestellte zweckspezifische Komponenten versorgt werden, z. B. in einem Rettungsfahrzeug. Gespeist wird der Wechselrichter 3 durch das Bordnetzes 1, das typischerweise eine Batterie 2 aufweist, durch die der Wechselrichter 3 auch bei nicht laufendem Motor des Fahrzeugs betrieben werden kann. Nach dem Stand der Technik ist ein solcher Wechselrichter unmittelbar oder ggf. über einen manuell zu betätigenden Schalter mit der ihn speisenden Stromquelle, dem Bordnetz 1, verbunden. Die zweckspezifischen Komponenten und ein Laststromkreis, über den sie mit dem Wechselrichter verbunden sind, könnten somit auch bei einem eventuellen Unfall mit der gefährlich hohen Spannung von 230 V beaufschlagt sein.
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Anmeldungsgemäß weist die Sicherheitseinrichtung 10 eine Trenneinrichtung 19 auf, über die der Wechselrichter 3 mit dem Bordnetz 1 verbunden ist und durch die er von diesem getrennt werden kann. Die Trenneinrichtung 19 umfasst dazu mindestens ein Schaltorgan, beispielsweise ein elektromagnetisches Schütz oder einen Halbleiterleistungsschalter. Im Normalzustand ist der Wechselrichter 3 über die Trenneinrichtung 19 mit dem Bordnetz 1 verbunden.
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Die Sicherheitseinrichtung 10 weist weiter einen integrierten Beschleunigungssensor 16 auf, der in jeweils beiden (positiven und negativen) Richtungen Beschleunigungswerte (g-Werte) in allen drei Raumrichtungen X, Y und Z ermittelt. Diese Beschleunigungswerte werden kontinuierlich an einen Mikrocontrollers (µP) 15 übertragen, der dazu eingerichtet ist, diese Werte zu erfassen und auszuwerten. Wenn die Werte außerhalb eines vorgegebenen, als unkritisch angesehenen Wertebereichs liegen, erkennt der Mikrocontroller 15, dass vermutlich ein kritischer Betriebszustand, insbesondere eine kritische Fahrsituation, des Fahrzeugs vorliegt. Als Reaktion darauf wird über die Trenneinrichtung 19 die Verbindung zwischen dem Bordnetz 1 und dem Wechselrichter 3 getrennt und so das Auftreten gefährdender Spannung in dem Laststromkreis und den zweckspezifischen Komponenten verhindert. Alternativ zum unkritischen Wertebereich kann natürlich auch ein kritischer Wertebereich angegeben werden und überwacht werden, ob die gemessenen Werte innerhalb des kritischen Bereichs liegen.
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Es kann vorgesehen sein, die Beschleunigungswerte in die drei Raumrichtungen X, Y und Z separat mit den vorgegebenen Wertebereichen zu vergleichen. Dabei können sich die Wertebereiche für die verschiedenen Raumrichtungen unterscheiden. Ebenso ist es möglich, einen Mittel- oder Summenwert der Beschleunigungswerte zu betrachten. Die Mittelung oder Aufsummierung kann dabei für die verschiedenen Raumrichtungen unterschiedlich gewichtet erfolgen.
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Es sind zudem Meldelinien vorgesehen, die über von dem Mikrocontroller 15 gesteuerten Transistoren Signale über das Steckerteil 11 abgeben können. Eine der Meldeleitungen kann beispielsweise parallel zur Trenneinrichtung 19 von der Software des Mikrocontrollers 15 angesteuert werden, um den Status der Trenneinrichtung 19 im Fahrzeuginnenraum zu signalisieren. Die andere Meldeleitung kann beispielsweise einen korrekten Arbeitszustand der Sicherheitseinrichtung 10 selbst signalisieren. Auch ist es möglich, dass eine der Meldelinien zur Abgabe einer Warnmeldung eingesetzt wird, die eine Annäherung einer der überwachten Größen an die jeweilige Grenze des vorgegebenen Wertebereichs signalisiert. Die Transistoren arbeiten bevorzugt in einer "open collector" Konfiguration mit einem Reihenschutzwiderstand.
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Die Sicherheitseinrichtung 10 weist intern eine spannungsstabilisierte Stromversorgungsschaltung 14 auf, der ein EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)-Filter 12 vorgeschaltet ist, mit dessen Hilfe leitungsgebundene elektrische Störgrößen in beiden Richtungen eliminiert werden. Die interne Stromversorgungsschaltung 14 generiert aus einem breiten Eingangsspannungsbereich zwei hochstabile Versorgungsspannungen, z.B. 3,3V und 5V, zur sicheren Versorgung der Komponenten der Sicherheitseinrichtung 10.
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Neben einer Abschaltung aufgrund der gemessenen Beschleunigungswerte können zusätzlich weitere Parameter des Fahrzeugs überwacht werden, anhand derer eine eventuell kritische Fahrsituation identifiziert werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird über einen Spannungsteiler 13 die Eingangsspannung der Sicherheitseinrichtung 10, also die Spannung im Bordnetz 1, abgegriffen und einem Eingang des Mikrocontrollers 15 zur Spannungsmessung zugeführt. Der Mikrocontrollers 15 ist dazu eingerichtet, eine kontinuierliche Kontrolle der Spannung im Bordnetz innerhalb eines einstellbaren Arbeitsbereichsfensters vorzunehmen. Die Spannungswerte des Arbeitsbereichsfensters hängen von der anwenderbezogenen Aufgabenstellung ab. Die Höhe der Spannung im Bordnetz 1 ist ein Indikator für den Betriebszustand des Fahrzeugs. Eine Abweichung von dem vorgegebenen Arbeitsbereichsfenster kann bereits auf eine kritische Situation hinweisen, die so von dem Mikrocontroller 15 mithilfe von im Mikrocontroller 15 integrierter Software erkannt werden kann. Wiederum kann vorgesehen sein, als Reaktion auf das Erkennen der kritischen Fahrsituation hin die Trenneinrichtung 19 zu aktivieren.
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Weiter können externe Geräte oder Sensoren 4a–4e im Bordnetz 1 angeordnet sein, die weitere Messwerte erfassen, die zur Ermittlung eines möglicherweise kritischen Betriebszustands des Fahrzeugs mit ausgewertet werden. Zum Anschluss dieser externe Geräte oder Sensoren 4a–4e an die Sicherheitseinrichtung 10 sind beispielsweise Adress- und Datenleitungen oder Signalleitungen vorgesehen, die ebenfalls über das Steckerteil 11 geführt sind. Beispielhaft sind in der 1 eine Spannungsmesseinrichtung 4a für den Laststromkreis (i. e. die 230 V Wechselspannung), eine Strommesseinrichtung 4b im Laststromkreis, eine Isolationsmesseinrichtung 4c für den Laststromkreis, eine Leckstrommesseinrichtung 4d für den Laststromkreis vorhanden. In der Figur sind die verschiedenen Sensoren 4a–4d durch die von ihnen vorgenommenen Messungen symbolisiert: Spannung „U“, Strom „I“, Isolationswiderstand „<R“ und Leck- oder Ableitestrom „∆I“. Daneben können weitere Sensoren 4e vorgesehen sein. Auch im Bezug auf die von diesen externen Geräten oder Sensoren 4a–4e gemessenen Messwerte können in der Sicherheitseinrichtung unkritische Wertebereiche hinterlegt sein, wobei Abweichungen aktueller Messwerte von den unkritischen Wertebereichen zu einer Aktivierung der Trenneinrichtung 19 führen. Es versteht sich, dass die im gezeigten Ausführungsbeispiel externen Geräten oder Sensoren 4a–4e auch in die Sicherheitseinrichtung 10 integriert werden können.
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Zur aufgabenspezifischen Anpassung der Sicherheitseinrichtung 10 ist eine Schnittstelle 17 vorhanden, über die den Mikrocontroller 15 steuernde Software eingelesen und im Mikrocontroller 15 gespeichert wird. Zudem kann es vorgesehen sein, dass über die Schnittstelle 17 auch Messwerte, z.B. des Beschleunigungssensors 16, ausgelesen werden können. Hierdurch wird es möglich, nach einer Auslösung Messwerte zu analysieren und gegebenenfalls die Sicherheitseinrichtung 10 über eine Anpassung der Software und/oder der vorgegebenen Wertebereiche zu optimieren.
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Weiter ist eine Reset-Vorrichtung 18 vorgesehen, die es möglich, intern oder von extern nach einer Auslösung, z. B. nach einem fehlerhaften Ansprechen (Schlaglochfahrt), die Sicherheitseinrichtung 10 von Hand zu aktivieren (Neustart).
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Die Sicherheitseinrichtung 10 kann, wie dargestellt, als separate Einheit ausgeführt sein. Ebenso ist es möglich, sie in eine Stromquelle, z. B. einen Wechselrichter oder ein Brennstoffzellenaggregat, zu integrieren.
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Es wird angemerkt, dass über die dargestellte Sicherheitseinrichtung 10 anstelle des Wechselrichters 3 auch beliebige andere Stromkreise von der sie speisenden Stromquelle, also vorliegend dem Bordnetz 1 und der Batterie 2, getrennt werden können. Auch ist denkbar, das gesamte Bordnetz eines Fahrzeugs von einer Batterie oder einem Generator zu trennen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bordnetz
- 2
- Batterie
- 3
- Wechselrichter
- 4a–e
- externes Gerät oder Sensor
- 10
- Sicherheitseinrichtung
- 11
- Steckerteil
- 12
- EMV-Filter
- 13
- Spannungsteiler
- 14
- Stromversorgungsschaltung
- 15
- Mikrocontroller
- 16
- Beschleunigungssensor
- 17
- Schnittstelle
- 18
- Reset-Vorrichtung
- 19
- Trenneinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10139360 C2 [0005]
- DE 69805019 C2 [0006]
