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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltkomponente für ein Kraftfahrzeug, welche zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung – insbesondere einer Gleichspannung – für einen elektrischen Verbraucher, insbesondere für eine elektrische Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs, ausgebildet ist und ein Gehäuse aufweist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Hochvoltkomponente für ein Kraftfahrzeug, welche zum Betrieb mit einer elektrischen Spannung ausgebildet ist und ein Gehäuse aufweist, an und/oder in welchem eine Sensoreinrichtung zum Erkennen einer mechanischen Beschädigung der Hochvoltkomponente angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein System mit einer derartigen Hochvoltkomponente, wie auch ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltkomponente in einem Kraftfahrzeug.
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Das Interesse gilt vorliegend einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, sei es einem Hybridfahrzeug, sei es einem Elektrofahrzeug. In derartigen Kraftfahrzeugen wird die elektrische Energie beispielsweise mithilfe einer Hochvoltbatterie (auch unter der Bezeichnung „Traktionsbatterie” bekannt) und/oder mittels eines Brennstoffzellensystems erzeugt. Eine Hochvoltbatterie sowie ein Brennstoffzellenstapel sind sicherheitsrelevante Komponenten, die im Kraftfahrzeug ausschließlich an dafür vorgesehenen Stellen platziert werden dürfen. Diese Komponenten erzeugen nämlich eine Gleichspannung mit einer relativ hohen Amplitude, sodass sichergestellt werden muss, dass bei einer Beschädigung dieser Komponente die Fahrzeuginsassen, Hilfskräfte oder aber Servicekräfte nicht in Kontakt mit der elektrischen Spannung geraten. Die Amplitude der erzeugten Spannung liegt – zum Teil auch deutlich – oberhalb der so genannten „Sicherheitskleinspannung” von 60 Volt.
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Also sind die Platzierungsmöglichkeiten von Hochvoltkomponenten im Kraftfahrzeug begrenzt. Dies beruht darauf, dass die Hochvoltkomponente abgeschaltet bzw. von dem Bordnetz getrennt wird, wenn ein zentraler, für das Auslösen eines Airbags zuständiger Beschleunigungssensor des Kraftfahrzeugs einen Unfall erkennt. Die Hochvoltkomponente darf ausschließlich an solchen Stellen im Kraftfahrzeug platziert werden, an denen ausgeschlossen ist, dass die Hochvoltkomponente alleine beschädigt wird, ohne dass der zentrale Beschleunigungssensor einen Unfall erkennt und das Auslösen des Airbags bewirkt. Somit dürfen die Hochvoltkomponenten nicht an solchen Stellen platziert werden, an denen die Beschädigung der Hochvoltkomponenten bei leichten Unfällen möglich ist, die nicht zum Auslösen des Airbags führen.
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Eine Hochvoltkomponente in Form einer Hochvoltbatterie ist beispielsweise aus dem Dokument
US 2010/0044126 A1 bekannt. Die Hochvoltbatterie ist hier über einen Schalter mit einem Inverter verbunden. Die Erkennung eines Unfalls erfolgt mittels einer am Inverter angeordneten Erkennungseinrichtung, wobei die Erkennung auch anhand von Sensordaten eines zentralen Beschleunigungssensors plausibilisiert werden kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie zusätzliche Platzierungsmöglichkeiten einer Hochvoltkomponente der eingangs genannten Gattung in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Hochvoltkomponenten, durch ein System, durch ein Kraftfahrzeug sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Die Hochvoltkomponente gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist zum Erzeugen einer elektrischen Spannung – insbesondere einer Gleichspannung – für einen elektrischen Verbraucher, insbesondere eine elektrische Antriebseinrichtung, des Kraftfahrzeugs ausgebildet und weist ein Gehäuse auf. Erfindungsgemäß ist eine an und/oder in dem Gehäuse angeordnete Sensoreinrichtung vorgesehen, welche zum Erkennen einer mechanischen Beschädigung der Hochvoltkomponente dient.
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Anders als im Stand der Technik – dort werden die Unfälle mittels eines zentralen Beschleunigungssensors eines Airbags oder aber mithilfe eines am Inverter angebrachten Sensors detektiert – erfolgt die Erkennung erfindungsgemäß lokal direkt an der Hochvoltkomponente. Die Beschädigung der Hochvoltkomponente kann somit auch dann zuverlässig erkannt werden, wenn die gemessenen Beschleunigungswerte des zentralen Beschleunigungssensors nicht zu einem Auslösen der Airbags führen. Die Hochvoltkomponente kann somit an einer beliebigen Stelle im Kraftfahrzeug positioniert werden, und zwar bei gleichzeitiger Erhaltung der geforderten Sicherheit. Die Hochvoltkomponente kann auch in solchen Positionen im Kraftfahrzeug platziert werden, in denen die Beschädigung der Hochvoltkomponente – etwa aufgrund eines leichten Unfalls – nicht zum Auslösen der Airbags führt. Die Erkennung der Beschädigung der Hochvoltkomponente kann nämlich unabhängig von anderen im Kraftfahrzeug vorhandenen Sensoren erfolgen, und die Komponente kann auch dann abgeschaltet werden, wenn die Airbags nicht ausgelöst werden. Insgesamt werden somit zusätzliche Möglichkeiten für die Positionierung der Hochvoltkomponente im Kraftfahrzeug bereitgestellt, sodass weniger Einschränkungen bei der Anordnung unterschiedlichster Komponenten im Kraftfahrzeug gegeben sind.
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Unter einer Hochvoltkomponente wird bei dem ersten Aspekt der Erfindung insbesondere eine solche Komponente verstanden, die zum Erzeugen einer elektrischen Spannung – insbesondere einer Gleichspannung – mit einer relativ hohen Amplitude ausgebildet ist. Diese Amplitude kann größer als 20 V, insbesondere größer als 30 V, noch bevorzugter größer als 40 V, sein. Die Amplitude der bereitgestellten Spannung kann sogar größer als 100 V sein. Sie kann auch mehrere 100 V betragen. Gerade dann ist die Erkennung der mechanischen Beschädigung der Hochvoltkomponente aus Sicherheitsgründen erforderlich, damit die Hochvoltkomponente gegebenenfalls abgeschaltet und/oder entladen werden kann. Es wird somit verhindert, dass eine Person in Kontakt mit der elektrischen Spannung gelangt.
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Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Sensoreinrichtung ein flächig ausgeführtes Sensorelement aufweist, sei es ein piezoelektrisches Element, sei es ein elektrisch leitfähiges Element oder aber ein anderes Sensorelement. Bevorzugt ist das Sensorelement als plattenförmiges Element und/oder als eine dünne Folie ausgebildet. Das Sensorelement kann an einer Oberfläche des Gehäuses angebracht sein, sodass die Oberfläche zumindest bereichsweise mit dem Sensorelement abgedeckt ist. Hierdurch wird erreicht, dass die mechanische Beschädigung der Hochvoltkomponente besonders früh erkannt werden kann nämlich bereits bei einer mechanischen Änderung in der Struktur der Oberfläche des Gehäuses. Um die Erkennung der Beschädigung an jeder Stelle der Hochvoltkomponente zu ermöglichen, kann zumindest ein überwiegender Flächenbereich des Gehäuses – insbesondere sogar die gesamte Oberfläche des Gehäuses – mit dem Sensorelement ummantelt sein. Dann ist sichergestellt, dass die mechanische Beschädigung stets erkannt werden kann, ganz egal an welcher Stelle die Hochvoltkomponente beschädigt wird.
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Eine Hochvoltkomponente gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist zum Betrieb mit einer elektrischen Spannung ausgebildet und weist ein Gehäuse auf, an und/oder in welchem eine Sensoreinrichtung zum Erkennen einer mechanischen Beschädigung der Hochvoltkomponente angeordnet ist. Die Sensoreinrichtung weist ein flächig ausgeführtes Sensorelement auf, welches an einer Oberfläche des Gehäuses angebracht ist und die Oberfläche zumindest bereichsweise abdeckt, insbesondere zumindest überwiegend ummantelt.
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Unter einer Hochvoltkomponente wird bei dem zweiten Aspekt der Erfindung insbesondere eine solche Komponente verstanden, die zum Betrieb mit einer elektrischen Spannung – insbesondere einer Gleichspannung – mit einer relativ hohen Amplitude ausgebildet ist. Diese Amplitude kann größer als 20 V, insbesondere größer als 30 V, noch bevorzugter größer als 40 V, sein. Die Amplitude der Spannung kann sogar größer als 100 V sein. Sie kann auch mehrere 100 V betragen. Die Hochvoltkomponente gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann auch eine passive Komponente sein, welche nicht zum Erzeugen bzw. Bereitstellen der elektrischen Spannung dient, sondern etwa mit der elektrischen Spannung betrieben wird und/oder zur Übertragung der elektrischen Energie ausgebildet ist.
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Die mit Bezug auf die Hochvoltkomponente gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die Hochvoltkomponente gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und umgekehrt. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind für beide Aspekte der Erfindung verwendbar:
In einer Ausführungsform ist die Hochvoltkomponente eine Komponente einer Brennstoffzelleneinrichtung. Die Hochvoltkomponente kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel sein. Eine derartige Hochvoltkomponente stellt in alternativen Antriebssystemen – etwa bei elektrischen Antrieben – die elektrische Energie bereit. Ein Brennstoffzellenstapel kann nämlich eine elektrische Gleichspannung mit einer relativ hohen Amplitude erzeugen, sodass zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind.
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Alternativ kann die Hochvoltkomponente auch eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sein. Auch bei einer derartigen Hochvoltbatterie müssen im Elektrofahrzeug Maßnahmen getroffen sein, die gewährleisten, dass die Fahrzeuginsassen nicht in Kontakt mit der elektrischen Spannung geraten, nämlich insbesondere bei einem Unfall. Auch hier erweist sich somit die Erkennung der mechanischen Beschädigung als besonders vorteilhaft. Weil in einer solchen Fahrzeugbatterie bekanntlich relativ viel Energie gespeichert ist, kann die Fahrzeugbatterie – im Gegensatz zu einem Brennstoffzellenstapel – nicht rasch entladen oder intern abgeschaltet werden. Bei einer Fahrzeugbatterie können somit Maßnahmen getroffen werden, durch welche die Sicherheit auf eine andere Art und Weise gewährleistet werden kann. Es kann bei dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass nach Erkennen einer Beschädigung einzelne Batteriezellen der Fahrzeugbatterie voneinander elektrisch entkoppelt werden, so dass die Fahrzeugbatterie in eine Vielzahl von „unschädlichen” Batterien unterteilt wird, die keine Gefahr darstellen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Sensoreinrichtung nach Erkennen der mechanischen Beschädigung ein elektrisches Abschaltsignal ausgibt, aufgrund dessen die Hochvoltkomponente abgeschaltet (also von anderen Komponenten elektrisch getrennt) und/oder elektrisch vollständig entladen wird. Dann ist die Gefahr ausgeschlossen, dass bei einer Beschädigung der Hochvoltkomponente andere Fahrzeugteile – etwa die Fahrzeugkarosserie – mit elektrischen Bauteilen der Hochvoltkomponente in Kontakt gelangen. Somit ist auch das Risiko eines Stromschlags ausgeschlossen.
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Die Erkennung der mechanischen Beschädigung der Hochvoltkomponente mithilfe der Sensoreinrichtung kann grundsätzlich auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen. Auch die Sensoreinrichtung selbst kann unterschiedlich ausgestaltet werden. Vorliegend sind beispielsweise folgende Ausführungsformen vorgesehen:
Die Sensoreinrichtung kann einen mechanischen Druck messen, der auf das Gehäuse der Hochvoltkomponente ausgeübt wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung beispielsweise ein piezoelektrisches Sensorelement aufweisen, mittels welchem der Druck gemessen wird. Das piezoelektrische Sensorelement gibt dann ein elektrisches Signal aus, welches abhängig von dem mechanischen Druck ist. Dieses elektrische Signal kann dann durch eine Recheneinheit der Sensoreinrichtung ausgewertet werden, und die mechanische Beschädigung kann anhand dieses elektrischen Signals erkannt werden. Die Messung des mechanischen Drucks ermöglicht eine zuverlässige und wirkungsvolle Erkennung der mechanischen Beschädigung mit geringem technischen Aufwand.
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Ergänzend oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung zum Messen einer elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise so aussehen, dass ein elektrisch leitfähiges Sensorelement an dem Gehäuse der Hochvoltkomponente angebracht ist und die elektrische Leitfähigkeit dieses Sensorelements gemessen wird. Ein derartiges Sensorelement kann beispielsweise in Form eines elektrisch leitfähigen Gitters bereitgestellt sein. Wird dieses Sensorelement aufgrund der Beschädigung der Hochvoltkomponente in seiner mechanischen Struktur verändert, so ändert sich auch die elektrische Leitfähigkeit. Diese Veränderung der Leitfähigkeit kann dann gemessen und im Hinblick auf die Beschädigung der Hochvoltkomponente ausgewertet werden. Auch diese Möglichkeit sorgt für eine zuverlässige Erkennung der mechanischen Beschädigung der Hochvoltkomponente ohne viel Aufwand.
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Ergänzend oder alternativ kann mit der Sensoreinrichtung auch ein Isolationswiderstand – also ein ohmscher Widerstand – des Gehäuses der Hochvoltkomponente gemessen werden. Ändert sich der Isolationswiderstand des Gehäuses, so ist dies ein Zeichen für eine mechanische Beschädigung der Hochvoltkomponente, was durch die Sensoreinrichtung erkannt werden kann.
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Die Erkennung der mechanischen Beschädigung kann ergänzend oder alternativ auch durch Überwachung eines an dem Gehäuse angebrachten Luftpolsters erfolgen.
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Wie bereits ausgeführt, kann die Sensoreinrichtung nach Erkennen der mechanischen Beschädigung ein elektrisches Abschaltsignal ausgeben, aufgrund dessen die Hochvoltkomponente abgeschaltet und/oder elektrisch entladen wird. Diese Abschaltung bzw. Entladung kann mithilfe einer Abschalteinrichtung vorgenommen werden, welche in die Hochvoltkomponente integriert – hier erfolgt eine interne Abschaltung der Hochvoltkomponente – oder aber als eine separate Komponente bereitgestellt werden kann. Die Abschalteinrichtung kann also Bestandteil der Hochvoltkomponente sein.
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Erfindungsgemäß wird darüber hinaus ein System bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Hochvoltkomponente sowie eine genannte Abschalteinrichtung aufweist, welche aufgrund eines Abschaltsignals der Sensoreinrichtung die Hochvoltkomponente abschaltet und/oder elektrisch entlädt. Bei diesem System ist die Abschalteinrichtung bevorzugt eine von der Hochvoltkomponente verschiedene Komponente.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist ein erfindungsgemäßes System auf.
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Die obige Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltkomponente in einem Kraftfahrzeug gelöst. Durch die Hochvoltkomponente wird eine elektrische Spannung – insbesondere eine Gleichspannung – im Kraftfahrzeug erzeugt. Es wird eine mechanische Beschädigung der Hochvoltkomponente mittels einer an und/oder in einem Gehäuse der Hochvoltkomponente angeordneten Sensoreinrichtung erkannt, und es erfolgt ein Abschalten und/oder elektrisches Entladen der Hochvoltkomponente aufgrund eines elektrischen Abschaltsignals der Sensoreinrichtung nach Erkennen der Beschädigung.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäßen Hochvoltkomponenten vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße System, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in schematischer und höchstabstrakter Darstellung ein System mit einer Hochvoltkomponente gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
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2 in schematischer und höchstabstrakter Darstellung ein System mit einer Hochvoltkomponente gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Ein in 1 dargestelltes System 1 beinhaltet eine Hochvoltkomponente 2 sowie eine Abschalteinrichtung 3. Die Hochvoltkomponente 2 weist zwei Anschlüsse 4, 5 auf, welche mit der Abschalteinrichtung 3 elektrisch gekoppelt sind. Über die Abschalteinrichtung 3 kann die Hochvoltkomponente 2 beispielsweise mit einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, verbunden sein. Beispielsweise ist die Hochvoltkomponente 2 über die Abschalteinrichtung 3 mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs gekoppelt, nämlich beispielsweise einem Elektromotor. Diese Verbindung kann auch unter Vermittlung eines Inverters erfolgen.
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Die Hochvoltkomponente 2 kann eine Hochvoltbatterie oder aber ein Brennstoffzellenstapel sein. Sie erzeugt eine elektrische Gleichspannung, welche eine relativ hohe Amplitude aufweist, etwa 100 V oder 150 V oder 200 V oder sogar höher.
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Die Hochvoltkomponente 2 weist ein Gehäuse 6 auf,, an welchem die Anschlüsse 4, 5 angebracht und in welchem nicht dargestellte Aktivbauteile der Hochvoltkomponente 2 untergebracht sind. Das Gehäuse 6 kann beispielsweise aus Kunststoff bereitgestellt sein und ist somit aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet.
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Zum Erkennen einer mechanischen Beschädigung der Hochvoltkomponente 2 bzw. des Gehäuses 6 weist die Hochvoltkomponente 2 eine Sensoreinrichtung 7 auf, welche ein Sensorelement 8 sowie eine Recheneinheit 9 aufweist. Das Sensorelement 8 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 in Form eines elektrisch leitfähigen Gitters bereitgestellt, welches an einer Oberseite des Gehäuses 6 angebracht ist, nämlich auf einer Oberfläche 10 des Gehäuses 6. Das Sensorelement 8 ist also ein großflächiges Element, welches hier in Form einer dünnen Folie sowie in Form eines Gitters ausgebildet ist. Durch das Sensorelement 8 ist die gesamte Oberseite des Gehäuses 6 abgedeckt. Es kann hier auch vorgesehen sein, dass zumindest eine weitere Seite bzw. Wand des Gehäuses 6 mit dem Sensorelement 8 abgedeckt ist. Mit dem Sensorelement 8 kann sogar das gesamte Gehäuse 6 vollständig ummantelt sein.
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Das Sensorelement 8 ist mit der Recheneinheit 9 elektrisch verbunden, welche die elektrische Leitfähigkeit des Sensorelements 8 misst. Wird das Gehäuse 6 bzw. die Hochvoltkomponente 2 mechanisch beschädigt, so ändert sich auch die elektrische Leitfähigkeit, was durch die Recheneinheit 9 erkannt werden kann. Erkennt die Recheneinheit 9 eine mechanische Beschädigung, so gibt sie ein Abschaltsignal 11 an die Abschalteinrichtung 3 ab, aufgrund dessen die Hochvoltkomponente 2 abgeschaltet, also von der Antriebsvorrichtung elektrisch getrennt wird. Ergänzend oder Alternativ kann die Hochvoltkomponente 2 auch vollständig elektrisch entladen werden.
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Ein System 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in 2 dargestellt. Grundsätzlich entspricht das System 1' gemäß 2 dem gemäß 1, sodass nachfolgend lediglich die Unterschiede dazwischen näher erläutert werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind mindestens zwei Sensorelemente 8', 8'' auf der Oberfläche 10' des Gehäuses 6' bereitgestellt, welche mit der Recheneinheit 9' elektrisch verbunden sind. Die Sensorelemente 8', 8'' sind hier piezoelektrische Elemente, welche einen mechanischen Druck messen. Auch hier ist die Oberfläche 10' mit den Sensorelementen 8', 8'' bereichsweise abgedeckt, wobei auch möglich ist, dass die gesamte Oberfläche 10' – also das gesamte Gehäuse 6' – mit einem einzigen piezoelektrischen Sensorelement vollständig ummantelt ist. Die Sensorelemente 8', 8'' sind in Form einer dünnen Folie oder einer Platte ausgebildet, welche an der Oberfläche 10' anliegt. Die Sensorelemente 8', 8'' geben an die Recheneinheit 9' elektrische Signale ab, welche abhängig von dem mechanischen Druck sind, der auf das Gehäuse 6' ausgeübt wird. Erkennt die Recheneinheit 9', dass der mechanische Druck beispielsweise einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, so kann dies als eine mechanische Beschädigung der Hochvoltkomponente 2' interpretiert werden. In diesem Falle wird das Abschaltsignal 11' ausgegeben, und die Hochvoltkomponente 2' wird abgeschaltet und/oder entladen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- System
- 2, 2'
- Hochvoltkomponente
- 3, 3'
- Abschalteinrichtung
- 4, 4', 5, 5'
- Anschlüsse
- 6, 6'
- Gehäuse
- 7, 7'
- Sensoreinrichtung
- 8, 8', 8''
- Sensorelemente
- 9, 9'
- Recheneinheit
- 10, 10'
- Oberfläche
- 11, 11'
- Abschaltsignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0044126 A1 [0004]
