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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Gestell aus einem metallischen Werkstoff und eine Karosserie umfasst, welche im Wesentlichen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gefertigt ist.
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Üblicherweise bilden bei Fahrzeugen ein Fahrgestell und eine Karosserie das elektrische Bezugspotential, d. h. die elektrische Masse, für Signal- und Betriebsspannungen. In der Regel sind das Gestell und die Karosserie aus Aluminium und/oder Stahl gefertigt und dienen als Rückleiter für das physische Bordnetz des Fahrzeugs. Da die Karosserie nahezu die gesamte räumliche Ausdehnung des Fahrzeugs abdeckt, bedeutet dies, dass zur elektrischen Versorgung einer beliebigen Komponente des Fahrzeugs, die mit der Karosserie leitend verbunden ist, dieser Komponente eine potentialführende Leitung zugeordnet sein muss. Die „rückleitende” Leitung bzw. die masseverbindende Leitung bildet die Karosserie selbst.
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Ein derartiges Bordnetzkonzept macht einen besonderen Kurzschlussschutz erforderlich. Kommt es beispielsweise zum Abscheuern einer potentialführenden Leitung, entsteht über der Karosserie bzw. über mit der Karosserie für einen Fahrzeugnutzer zugängliche verbundene Karosserieteile ein Kurzschluss mit hohen Stromflüssen.
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Bei einem Fahrzeug mit einer Karosserie aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff kann es dazu kommen, dass bei Abscheuern bzw. Kontaktierung einer potentialführenden Leitung das Potential an der Karosserie abfällt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug zu beschreiben, das ein Gestell aus einem metallischen Werkstoff und eine Karosserie umfasst, welche im Wesentlichen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gefertigt ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß dient das Gestell als elektrische Masse des Fahrzeugs und es ist zumindest ein metallisches Anbauteil in den kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff der Karosserie integriert oder an den kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff der Karosserie angebracht und es weist das Fahrzeug zumindest einen elektrisch leitenden Pfad auf, welcher das zumindest eine metallische Anbauteil der Karosserie mit dem Gestell niederohmig verbindet.
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Der niederohmige elektrische Pfad ist beispielsweise ein metallischer Leiter und bevorzugt als eine elektrische Kabelleitung ausgebildet. Diese wird i. f. als Masseverbinder bezeichnet. Im Gegensatz zu einem metallischen Leiter ist der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff als ein nicht niederohmiger Leiter zu betrachten. Das metallische Anbauteil ist selbst kein elektrischer Verbraucher im Fahrzeug.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Abschnitt eines Kabelbaums des Fahrzeugs durch das metallische Anbauteil geführt und/oder an dem metallischen Anbauteil angebracht, wobei das zumindest eine metallische Anbauteil eine elektrische Verbindung mit dem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff der Karosserie aufweist.
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Beispielsweise ist das Anbauteil unter Ausbildung eines direkten elektrischen Kontakts mit der Karosserie verbunden.
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Ferner bedeutet dies, dass ein Abschnitt eines Zweiges des Kabelbaums des Fahrzeugs im Bereich des metallischen Anbauteils der Karosserie befindlich ist. Beispielsweise kann der Kabelbaum in diesem Abschnitt berührend mit dem Anbauteil verbunden sein oder durch das Anbauteil geführt sein.
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Nach einer Variante der Erfindung umfasst das Fahrzeug eine elektrische Spannungsquelle und es ist in einem elektrischen Pfad zwischen der elektrischen Spannungsquelle und dem Abschnitt des Kabelbaums ein Überstromabschaltelement befindlich. Dies kann eine Schmelzsicherung oder eine elektronische/elektrische Überstromabschaltung (i. f. Überstromsicherung) sein.
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Falls durch mechanische Einflüsse an dem kritischen Abschnitt des Kabelbaums ein Schaden entsteht, z. B. Aufscheuern einer isolierenden Kunststoffummantelung des Kabelbaums oder Kabelbruch, kann es zu einen leitenden Verbindung zwischen dem potentialführenden Kabelbaum und dem metallischen Anbauelement kommen. Über den Masseverbinder besteht eine niederohmige leitende Verbindung vom Anbauelement zur Masse des Fahrzeugs, die einen elektrischen Kurzschluss von der Spannungsquelle des Fahrzeugs zur Masse des Fahrzeugs ermöglicht. Diesen elektrischen Pfad sichert die Überstomabschaltung, indem bei Auslösen der Sicherung der beschriebene Kurzschlussstromkreis aufgetrennt wird.
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Gemäß einer Variante der Erfindung ist das zumindest eine metallische Anbauteil in sich mechanisch beweglich oder relativ zu der Karosserie bewegbar. Beispielsweise ist das zumindest eine metallische Anbauteil ein Scharnier oder ein Sitzrahmen.
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Ein Scharnier einer Seitentür des Fahrzeugs ist als Beispiel für metallisches Anbauteil anzugeben, durch welches elektrische Leitungen in Form eines Zweiges des Kabelbaums geführt sind, um elektrische Verbraucher im Bereich der Seitentür wie etwa einen Fensterheberantrieb elektrisch zu versorgen. Der Abschnitt des Kabelbaums, der räumlich im Bereich des Türscharniers geführt wird, unterliegt einer erhöhten mechanischen Belastung z. B. durch Reibung. Diesbezüglich ist dieser Abschnitt des Kabelbaums als kritisch zu betrachten und es ist vorteilhaft, das zugehörige Anbauteil direkt elektrisch zu kontaktieren.
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Nach einer Ausführung der Erfindung ist das Gestell im Wesentlichen aus Aluminium gefertigt.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Üblicherweise bilden bei Fahrzeugen ein Fahrgestell und eine Karosserie das elektrische Bezugspotential, d. h. die elektrische Masse, für Signal- und Betriebsspannungen. In der Regel sind das Gestell und die Karosserie aus Aluminium und/oder Stahl gefertigt und dienen als Rückleiter für das physische Bordnetz des Fahrzeugs. Da die Karosserie nahezu die gesamte räumliche Ausdehnung des Fahrzeugs abdeckt, bedeutet dies, dass zur elektrischen Versorgung einer beliebigen Komponente des Fahrzeugs, die mit der Karosserie leitend verbunden ist, dieser Komponente eine potentialführende Leitung zugeordnet sein muss. Die „rückleitende” Leitung bzw. die masseverbindende Leitung bildet die Karosserie selbst.
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Ein derartiges Bordnetzkonzept macht einen besonderen Kurzschlussschutz erforderlich. Kommt es beispielsweise zum Abscheuern einer potentialführenden Leitung, entsteht über der Karosserie bzw. über mit der Karosserie für einen Fahrzeugnutzer zugängliche verbundene Karosserieteile ein Kurzschluss mit hohen Stromflüssen.
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Bei aktuellen technologisch hoch fortschrittlichen Fahrzeugen mit einer Karosserie aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (carbonfaserverstärktem Kunststoff, CFK) kann die Karosserie aufgrund des komplexen elektrischen Leitfähigkeitsverhaltens kein stabiles elektrisches Bezugspotential und keinen Rückleiter für elektrische Ladungen bilden. Dies erfordert ein geschicktes elektrisches Leiterkonzept für das physische Bordnetz eines Fahrzeugs mit einer CFK-Karosserie (i. f. CFK-Fahrzeug).
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei Fahrzeugen mit einer metallischen Karosserie nach dem Stand der Technik ist die Kontaktierung elektrischer Verbraucher wie z. B. einer Bordnetzbatterie vergleichsweise einfach. Da die Karossiere elektrischen Strom niederohmig leitet, kann die Karosserie als Zuleiter oder als Ableiter für den elektrischen Verbraucher dienen, sofern dieser elektrisch leitend mit der Karosserie verbunden ist. Demzufolge ist bei einem Gleichspannungsbordnetz nur eine separate elektrische Zuleitung für den elektrischen Verbraucher notwendig, um diesen elektrisch zu versorgen. Beispielsweise ist in einem herkömmlichen Fahrzeug in der Regel der Minuspol einer Bordnetzbatterie direkt mit einem Massebolzen an der Karosserie verbunden, der Pluspol der Batterie ist über eine elektrische Leitung mit dem Ausgang eines Gleichstromgenerators verbunden.
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Kommt es bei einem Fahrzeug nach dem Stand der Technik z. B. zu einem Kabelbruch und entsteht eine leitende Verbindung zwischen der Bruchstelle und Karosserieteilen, kommt es über der Karosserie zu einem Kurzschluss. Dieser Kurzschluss wird nach dem Stand der Technik über verschiedene Maßnahmen abgesichert.
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Bei einem Fahrzeug mit einer Karosserie aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und mit einem Fahrgestell aus einem metallischen Werkstoff ist eine andere Bordnetzarchitektur vorteilhaft.
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Eine CFK-Karosserie weist in Abhängigkeit von der räumlichen Orientierung der die CFK-Struktur bildenden Fasern und in Abhängigkeit von den die Fasern verbindenden Klebeverbindungen eine insgesamt niedrigere und komplexer beschreibbare elektrische Leitfähigkeit und einen dementsprechend höheren Leitungswiderstand (in der Größenordnung bis zu Megaohm) auf wie eine niederohmige metallische Karosserie. Ein elektrischer Verbraucher wird in einem Gleichspannungsbordnetzes eines CFK-Fahrzeugs vorteilhafterweise mit zwei elektrischen Zuführungen versorgt, also einer elektrischen Zuleitung und einer elektrischen Rückleitung, die einen Massekontakt herstellt.
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Als elektrische Masse dient in einem Fahrzeug mit CFK-Karosserie ein Fahrgestell, das bevorzugt aus Aluminium hergestellt ist.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn weiteren Bauteilen des Fahrzeugs eine separate Masseverbindung zugeordnet ist. Dies betrifft metallisch leitende Anbauteile, die einerseits in die CFK-Struktur der Karosserie integriert sind oder mit dieser verbunden sind und die ihrem wesentlichen Bestimmungszweck nach elektrisch passive Komponenten des Fahrzeugs bilden. Dies betrifft beispielsweise bewegliche metallische Teile, welche mit der CFK-Karosserie in direktem Materialkontakt sind. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann ein Scharnier für eine Kofferraumheckklappe angeführt werden. Diesem Bauteil kommt ausschließlich ein mechanischer Bestimmungszweck im Fahrzeug zu. Geschickterweise ist diesem Bauteil eine separate niederohmige elektrische Verbindung zu einer Masse des Fahrzeugs zugeordnet.
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Die elektrische Verbindung (i. f. Masseverbindung) kann als elektrische Leitung ausgeführt sein, die von dem Kofferraumscharnier zu einem Massepunkt des Fahrgestells reicht. Mit dem Kofferraumscharnier kann die Masseverbindung mittels eines Crimp-, Löt- oder Schraubkontakts verbunden sein.
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Mechanisch-metallische Anbauteile bei einem Fahrzeug mit einer CFK-Karosserie sind wie das beispielhafte Kofferraumscharnier bevorzugt beweglich oder bewegbar und sind häufig Teil von Verlegewegen für Kabelbaumzweige, d. h. für spannungsführende Leiter des physischen Bordnetzes. D. h. Kabelbaumzweige sind an den Anbauteilen durchgeführt oder vorbeigeführt. Die Abschnitte der Kabelbaumzweige, die im Bereich dieser Durchführungen befindlich sind, sind einer erhöhten mechanischen Belastung durch Scheuern, Abscheren oder Bruch bei einem Crash des Fahrzeugs ausgesetzt.
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Die Masseverbindung hat den besonderen Effekt, dass diese bei einem aufgescheuerten Kabelbaum im Bereich des Anbauteils und bei einem möglichen elektrischen Kontakt des Anbauteils mit dem spannungsführenden Leiter einen Kurzschluss zwischen dem aufgescheuerten Kabelbaum und der Masse des Fahrzeugs herstellt.
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Der Kurzschluss kann eine der Spannungsquelle unmittelbar nachgeschaltete und im elektrischen Pfad des betreffenden Kabelbaums befindliche Überstromsicherung zum Auslösen bringen.
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Ohne eine solche Masseverbindung würde das Potential zwischen der Masse des Fahrzeugs und dem Anbauteil an der dazwischenliegenden CFK-Struktur abfallen und einen geringen Kriech- und Leckstrom über der Karosserie zur Folge haben. Dieser liegt unterhalb der Auslösegrenze der Überstromsicherung, da der Kriechstrom geringere Stromstärken aufweist als ein von einem elektrischen Verbraucher über den betreffenden Kabelbaum gezogener Verbrauchsstrom.
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Die Masseverbindung ermöglicht eine sichere Abschaltung bzw. einen Schutz der Leitungen im Kabelbaum durch Ableitung von Leckströmen über der CFK-Karosserie. Dies ist bei einem Fehlerstrom im Kabelbaum durch eine mechanische Beschädigung, sofern die mechanische Beschädigung den Kabelbaum im Bereich des Anbauteils betrifft, zutreffend. Die Wahrscheinlichkeit einer mechanischen Beschädigung im Bereich eines metallischen Anbauteils ist erhöht, da metallischen Anbauteile eine hervorragenden Eignung für bewegliche Karosserieelemente aufweisen und metallische Anbauteile im Falle eines Crashs aufgrund der Neigung zur Ausbildung von scharfen Schnittkanten bei Deformation ein zusätzliches Gefahrenpotential darstellen.
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Vorteilhaft ist auch, dass die Masseverbindung der Anbauteile die CFK-Karosserie mit der elektrischen Masse auf besonders kostengünstige Weise verbindet. So kann eine auftretende elektrostatische Aufladung der CFK-Karosserie zur elektrischen Masse abgeleitet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19643005 A1 [0004, 0020]
- DE 102008004202 A1 [0004, 0020]