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Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Absicherung von elektrischen Strompfaden eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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In Kraftfahrzeugen werden sowohl einzelne Verbraucher als auch die einzelnen, die jeweiligen Strompfade bildenden elektrischen Leitungen durch Sicherungen vor unzulässigen Betriebszuständen abgesichert. Als unzulässige Betriebszustände können hierbei Kurzschluss-Ströme, Überlastströme sowie auch unerwünschte Lichtbögen auftreten.
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Zur Absicherung eines Strompfades gegenüber Kurzschluss-Strömen werden beispielsweise passive Schmelzsicherungen oder auch aktive, elektronisch ansteuerbare Sicherungselemente wie beispielsweise Thyristoren eingesetzt. Aus der
EP 1 155 919 B1 ist ein Bordnetz mit zwei Spannungsebenen zu entnehmen, welches speziell gegen einen Kurzschluss zwischen den beiden Spannungsebenen abgesichert ist.
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Weiter ist aus der
US 2008/0116851 A1 eine Sicherungseinrichtung zu entnehmen, bei der ein Strompfad über ein thermisches Sicherungselement abgesichert ist.
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Das Problem von Lichtbögen tritt erst ab einem gewissen Spannungswert auf. Bei herkömmlichen Kfz-Bordnetzen mit einer Bordnetz-Spannung von 12 V besteht keine Gefahr eines stabil brennenden Lichtbogens. Bei höheren Bordnetz-Spannungen sind jedoch besondere Schutzmaßnahmen erforderlich. In der
DE 101 49 458 C1 ist ein Bordnetz sowie ein Verfahren zum Schutz des Bordnetzes gegenüber einem seriellen Lichtbogen beschrieben. Hierzu wird ein Strompfad über zwei parallele Teilstränge geführt, in denen jeweils eine Sicherung angeordnet ist. Im Falle eines Leitungsdefektes, welcher für die Entstehung eines seriellen Lichtbogens ursächlich sein kein, fließt der Strom vollständig über den zweiten Teilpfad, so dass die Entstehung eines Lichtbogens vermieden ist. Gleichzeitig kann der Defekt im ersten Teilstrang erfasst werden.
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Ein weiteres Verfahren zum Schutz vor seriellen Lichtbögen ist beispielsweise in der
DE 101 32 952 A1 beschrieben. Hier wird eine über eine Versorgungsleitung an einer Steuereinheit anliegende Spannung überwacht.
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Auch aus der
DE 101 32 752 A1 ist ein Verfahren zum Schutz eines Leiters bei Auftreten eines Lichtbogens zu entnehmen. Hierzu ist eine zusätzliche an der eigentlichen Versorgungsleitung entlang geführte Detektionsleitung angeordnet, über die bei Auftreten eines Lichtbogens ein Detektionsstrom fließt.
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Weiterhin ist in der zum Anmeldezeitpunkt nicht veröffentlichten
DE 10 2012 019 996 A1 der Anmelderin eine weitere Vorrichtung zur Überwachung des Bordnetzes auf Lichtbögen beschrieben. Bei dieser ist eine Sensorleitung vorgesehen, die über einen Widerstand an eine Masseleitung angeschlossen ist. Die an der Sensorleitung anliegende Spannung wird überwacht. Lichtbögen sowohl in der Masseleitung als auch in einer Versorgungsleitung können hierdurch identifiziert werden.
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Eine weitere Anordnung zur Erkennung von Lichtbögen in einem Stromkreis ist in der
DE 10 2004 056 868 A1 beschrieben. Diese umfasst einen Halbleiterschaltkreis mit einem Stromsensor und mit einem Schaltmittel.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen effizienten Schutz eines Bordnetzes insbesondere bei Auftreten eines Lichtbogens zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird gemäß Erfindung gelöst durch eine Sicherungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Zur Absicherung eines elektrischen Strompfades in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, bevorzugt ein Gleichspannungs-Bordnetz, ist ein thermisches Sicherungselement angeordnet, über das der Strompfad abgesichert ist und im Auslösefall unterbrochen werden kann. Das thermische Sicherungselement ist dabei derart ausgelegt, dass bei einer Erwärmung beispielsweise durch einen Überstrom im Strompfad das Sicherungselement den Strompfad unterbricht. Zur Auslösung und/oder zur Aufrechterhaltung des ausgelösten Zustands, wenn also der Strompfad unterbrochen ist, ist weiterhin dem thermischen Sicherungselement ein steuerbares Heizelement zugeordnet, so dass der Strompfad bei Bedarf aktiv über das eigentlich ansteuerbaren Heizelement unterbrochen wird. Dadurch ist in einfacher Weise eine gezielte, aktive Steuerung und eine Unterbrechung des Strompfads mit Hilfe eines passiv wirkenden Elements ermöglicht.
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Das Sicherungselement ist daher vorzugsweise als rein passives Sicherungselement ausgebildet, welches bei einer thermischen Überlast bedingt durch eine elektrische Überlast automatisch auslöst. Das thermische Sicherungselement sorgt daher für die automatische Trennung des Strompfads bei einem Überstrom oder Kurzschluss-Strom.
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Dabei ist das Sicherungselement als ein reversibles Sicherungselement ausgebildet, welches bei Wegfall der thermischen Überlast den Strompfad wieder schließt. Hierdurch ist daher nach einem Auslösen kein Ersatz des Sicherungselements erforderlich.
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Das thermische Sicherungselement ist vorzugsweise als ein Bimetall ausgebildet, welches ein bewegliches Ende aufweist, das bei einer Temperaturänderung seine Position verändert. Durch diese Positionsänderung wird der Strompfad unterbrochen. Vorzugsweise sind unmittelbar am beweglichen Ende des Bimetalls Schaltkontakte ausgebildet, so dass das Bimetall selbst nach Art eines Schaltelements die Unterbrechung des Strompfades hervorruft. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, dass über das Bimetall ein separates Schaltelement über eine mechanische Koppelung angesteuert wird und erst dieses dann die Trennung des Strompfades veranlasst.
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Die Sicherungseinrichtung dient weiter zum Schutz des Leitungsnetzes vor Schäden durch Lichtbögen. Hierzu umfasst die Steuereinheit eine Einrichtung zur Detektion eines Lichtbogens. Diese Einrichtung ist hierbei insbesondere gemäß der Überwachungseinrichtung nach
DE 10 2012 019 996 A1 ausgebildet, auf die hiermit voll umfänglich verwiesen wird und deren Offenbarungsgehalt hiermit einbezogen wird. Die Steuereinheit ist nunmehr derart ausgebildet, dass bei Erkennen eines Lichtbogens das Heizelement zum Unterbrechen des Strompfades beheizt wird. Durch die Beheizung ist eine zuverlässige Unterbrechung im Lichtbogenfall gewährleistet. Bei Auftreten eines Lichtbogens besteht nämlich die Gefahr, dass ein passiv wirkendes Sicherungselement nicht oder nur mit unerwünschter Verzögerung auslöst.
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Ergänzend ist die Steuereinheit zur Erfassung einer Überlast, beispielsweise eines Kurzschluss-Stromes oder eines Überlaststroms ausgebildet. Im einfachsten Fall ist die Steuereinheit hierzu derart ausgebildet, dass sie eine Unterbrechung des Strompfades durch das thermische Sicherungselement erkennt und als Überlastfall bewertet. Vorzugsweise ist die Steuereinheit hierzu mit einer Sensorleitung mit dem Strompfad verbunden, über die insbesondere der Spannungswert abgegriffen wird. Ist dieser null, obwohl der Strompfad zugeschalten sein sollte, so wird dies als Überlastfall identifiziert.
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Hierbei steuert die Steuereinheit in einem solchen Fall, also bei Erkennung eines Überlastfalls, das Heizelement aktiv an, so dass für die Dauer der Aktivierung und Ansteuerung des Heizelements eine Unterbrechung des Strompfades aufrechterhalten wird. Dadurch wird vermieden, dass aufgrund der Reversibilität des thermischen Sicherungselements bei einem Abkühlen der Strompfad wieder geschlossen wird. Erst wenn ein entsprechendes Freigabe-Signal vorliegt, wird die Stromzufuhr und damit die Aktivierung des Heizelements abgebrochen und der Strompfad wieder geschlossen.
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Die Sicherungseinrichtung ist zudem in einem Leistungsverteiler integriert, welcher eine Stromverteilerschiene aufweist, welche versorgungsseitig mit einer Stromquelle, insbesondere KFZ-Batterie und abgangsseitig mit mehreren Lastpfaden verbunden ist. Ein derartiger Leistungsverteiler ist üblicherweise unmittelbar im Nachgang zur Stromquelle, insbesondere Batterie in einem Kraftfahrzeug angeordnet, beispielsweise innerhalb einer sogenannten Vorsicherungsdose. Über diesen Leistungsverteiler wird die über die Batterie bereit gestellte elektrische Leistung auf die verschiedenen Verbraucher- oder Lastkreise im Kraftfahrzeug verteilt. Über den Leistungsverteiler fließen dabei typischerweise Ströme im Bereich von mehreren zehn Ampere bis zu einigen hundert Ampere.
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Die Stromverteilerschiene ist dabei vorzugsweise nach Art eines Stanzbleches oder Stanzgitters ausgebildet, welches insbesondere mehrere Abgangslaschen aufweist, die die einzelnen Lastpfade bilden und an denen jeweils eine verbraucherseitige Versorgungsleitung beispielsweise durch eine Steckverbindung anschließbar ist. In den einzelnen Abgangslaschen sind dabei zweckdienlicherweise jeweils Sicherungselemente, insbesondere jeweils ein derartiges hier beschriebenes thermisches Sicherungselement integriert. Eine Integration von Schmelzsicherungen in derartigen Abgangslaschen ist beispielsweise in der
DE 20 2011 002 884 U1 beschrieben.
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Im Hinblick auf eine möglichst kompakte und einfache Ausgestaltung ist das jeweilige thermische Sicherungselement direkt auf einer solchen Stromverteilerschiene angebracht. Dabei ist das zweckdienlicherweise als Bimetall ausgebildete thermische Sicherungselement mit seinem einen Ende stoffschlüssig mit der Stromverteilerschiene verbunden, insbesondere verschweißt oder auch aufgelötet.
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Zur Absicherung des jeweiligen Strompfades innerhalb des Leistungsverteilers ist in zweckdienlicher Weiterbildung ausschließlich das hier beschriebene thermische Sicherungselement vorgesehen, so dass ein reversibles Trennen des Strompfads ermöglicht ist. Es sind daher keine üblicherweise beispielsweise als Schmelzsicherungen ausgebildete Stecksicherungselemente angeordnet, die nach einem Auslösen einen Austausch erfordern. Hierdurch wird der besondere Vorteil erzielt, dass auf eine Zugänglichkeit der Sicherungselemente nicht geachtet werden muss und damit konstruktiv insgesamt die Sicherungseinrichtung einfacher ausgebildet sein kann.
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Durch die hier beschriebene Sicherungsanordnung ist daher insgesamt ein passiver, reversibel wirkender thermischer Schalter zur Unterbrechung eines jeweiligen Strompfads im Überlastfall bereitgestellt, mit der Möglichkeit der aktiven Unterbrechung des jeweiligen Strompfades bei Detektion eines Lichtbogens. Durch die Integration dieser Sicherungseinrichtung in den Leistungsverteiler entfällt zudem die Notwendigkeit von austauschbaren Stecksicherungen, wodurch insgesamt die konstruktiven Anforderungen reduziert sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen:
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1 eine Sicherungseinrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Absicherung eines Strompfades sowie
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2 eine stark vereinfachte Darstellung eines Leistungsverteilers, in den eine derartige Sicherungseinrichtung integriert ist.
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In 1 ist stark vereinfacht und ausschnittsweise eine Sicherungseinrichtung 2 als Teil eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug dargestellt. In der 1 ist zur Illustration des Prinzips der Sicherungseinrichtung 2 lediglich ein als Lastpfad 4 ausgebildeter Strompfad mit einem Verbraucher 5 dargestellt. In den Lastpfad 4 ist als thermisches Sicherungselement 6 ein Bimetall geschalten, welches im Normalbetrieb stromdurchflossen ist.
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Dem thermischen Sicherungselement 6 ist eine Heizeinrichtung 8, beispielsweise ein PTC-Element oder auch eine Heizwendel, zugeordnet, welche über eine Steuereinheit 10 bei Bedarf gezielt ansteuerbar ist. Das Sicherungselement und die Heizeinrichtung 8 bilden eine Sicherungseinheit 9, die gegenüber der Umgebung vorzugsweise innerhalb eines Gehäuses gekapselt ist. Die Steuereinheit 10 umfasst eine Auswerte- und Ansteuerelektronik, die nachfolgend als Steuerelektronik 12 bezeichnet wird und beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildet ist. Die Steuerelektronik 12 erfasst eingangsseitig Signaldaten und veranlasst in Abhängigkeit dieser Signaldaten eine bedarfsabhängige Ansteuerung der Heizeinrichtung 8. Die Steuerelektronik 12 steht über eine Sensorleitung 14 mit dem Lastpfad 4 im Nachgang zu dem Sicherungselement 6 in Verbindung und greift dort insbesondere einen Spannungswert ab.
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Die Steuereinheit
10 weist weiterhin eine Einrichtung
16 zur Detektion eines Lichtbogens auf, welche wiederum signaltechnisch mit der Steuerelektronik
12 verbunden ist. Die Einrichtung
16 ist beispielsweise gemäß der
DE 10 2012 019 996 A1 oder gemäß einer anderen bekannten Lichtbogen-Detektionseinrichtung ausgebildet.
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Im Falle eines Lichtbogens wird dieser von der Einrichtung 16 erfasst. Die von der Einrichtung 16 bereitgestellten Signale werden von der Steuerelektronik 12 ausgewertet. Im Falle eines Lichtbogens veranlasst die Steuerelektronik 12 eine Aktivierung des Heizelements 8, indem dieses mit einem Heizstrom versorgt wird, so dass durch die Erwärmung des Bimetalls 6 der Lastpfad 4 unterbrochen wird und der Lichtbogen zuverlässig erlischt.
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Aufgrund der Ausbildung als thermisches Sicherungselement 6 unterbricht dieses den Lastpfad 4 automatisch auch bei Auftreten eines Überstroms, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses oder eines sonstigen Defektes. Auch hier erfolgt eine Unterbrechung des Lastpfades 4. Diese Unterbrechung wird von der Steuerelektronik aufgrund des geänderten Spannungswertes erfasst, der über die Sensorleitung 14 abgegriffen ist. Auch in diesem Fall wird vorzugsweise das Heizelement 8 aktiviert, so dass das Bimetall 6 weiterhin in der geöffneten Stellung verharrt und der Strompfad nicht wieder geschlossen wird.
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Für beide Fälle – Lichtbogen sowie Überlast – gilt, dass das Heizelement 8 erst dann wieder deaktiviert wird, wenn ein entsprechendes Freigabesignal vorliegt. Nach Ausschalten des Heizelements 8 kühlt das Sicherungselement 6 ab und schließt den Lastpfad 4 wieder reversibel.
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Eine derartige Sicherungseinrichtung 2 ist zweckdienlicherweise in einem Leistungsverteiler 18 integriert, wie er stark vereinfacht in 2 skizziert ist. Ein solcher Leistungsverteiler 18 umfasst üblicherweise eine als Stanzgitter- oder Stanzblech ausgebildete Stromverteilerschiene 20, welche einen Kontaktanschluss 22, im einfachsten Fall ein Schraubloch, zum Anschluss einer von einer Stromquelle kommenden Versorgungsleitung aufweist. Die Stromverteilerschiene 20 weist mehrere Abgangslaschen 24 auf, die jeweils einen Lastpfad 4 definieren. An diese Abgangslaschen 24 ist beispielsweise über Kontaktstecker eine jeweilige elektrische Leitung eines Verbraucherkreises angeschlossen.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist unmittelbar an jeder Abgangslasche 24 eine jeweilige Sicherungseinheit 9 angeordnet. Alternativ oder ergänzend zur Integration derartiger Sicherungseinheiten 9 in die Abgangslaschen 24 besteht auch die Möglichkeit, einen Einspeisepfad in die Stromverteilerschiene 20 mit einer derartigen Sicherungseinheit 9 abzusichern.
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Eine jede der Sicherungseinheiten 9 steht mit der gemeinsamen Steuereinheit 10 in Verbindung, welche die einzelnen Steuereinheiten 9 gemeinsam oder auch individuell ansteuern kann.
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Das als Bimetall ausgebildete Sicherungselement 6 ist in hier nicht näher dargestellter Weise mit seinem einen Befestigungsende unmittelbar mit der Stromverteilerschiene 20 untrennbar, insbesondere stoffschlüssig durch Schweißen oder Löten verbunden. Das andere bewegliche Ende des Bimetalls 6 bildet dem gegenüber einen Schaltkontakt mit entsprechenden Kontaktflächen aus, welche reversibel geöffnet und wieder geschlossen werden können.
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Durch die hier beschriebene Sicherungseinrichtung ist in besonders effektiver Weise durch die Kombination der Sicherungseinheit 9 mit der Einrichtung 16 zur Detektion eines Lichtbogens der gleichzeitige Schutz eines jeweiligen Strompfades 4 vor einer Überlast als auch bei Auftreten von Lichtbögen in einem Bordnetz mit Spannungen größer 20 Volt gegeben. Durch die unabhängige Beheizbarkeit des thermischen Sicherungselements 6 ist ein gezieltes Öffnen des jeweiligen Strompfades 4 durch die Steuereinheit 10 ermöglicht. Gleichzeitig wird beispielsweise während der Dauer eines Kurzschlusses die Unterbrechung des Strompfades 4 durch die aktive Beheizung des Heizelements 8 sichergestellt. Durch die Integration eines reversibel arbeitenden Sicherungselements 6 ist im Auslöse- und Fehlerfall kein Austausch von defekten Komponenten wie beispielsweise bei herkömmlichen Schmelzsicherungen erforderlich. Durch die unmittelbare Integration des Sicherungselements 6 in die Stromverteilerschiene 20 sind darüber hinaus auch keine Steckverbindungen oder sonstigen lösbaren Verbindungen erforderlich, um das Sicherungselement in den jeweiligen Strompfad einzubinden. Vielmehr ist die Sicherungseinheit 9 integraler Bestandteil eines modifizierten, die Stromverteilerschiene 20 bildenden Stanzgitter-Blechteils.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Sicherungseinrichtung
- 4
- Lastpfad
- 5
- Verbraucher!!
- 6
- Sicherungselement
- 8
- Heizelement
- 9
- Sicherungseinheit
- 10
- Steuereinheit
- 12
- Steuerelektronik
- 14
- Sensorleitung
- 16
- Einrichtung zur Lichtbogenerfassung
- 18
- Leistungsverteiler
- 20
- Stromverteilerschiene
- 22
- Kontaktanschluss
- 24
- Abgangslasche
