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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Gleichspannungskreises eines Kraftwagens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Gleichspannungskreises eines Kraftwagens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.
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Bei modernen Kraftwägen werden vermehrt elektrische Antriebssysteme eingesetzt. Derartige elektrische Antriebssysteme werden üblicherweise mit Gleich- und Wechselspannungen bis zu etwa 430 V und Strömen bis zu 300 A betrieben. Bei Bussen und Lastkraftwagen können die elektrischen Antriebssysteme mit elektrischen Spannungen über 800 V betrieben werden.
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Wird bei einem Gleichspannungskreis, beispielsweise innerhalb der Hochvoltbatterie oder an weiterführenden Kabeln und Steckverbindern, eine elektrische Verbindung geöffnet, so können Lichtbögen entstehen. Bei Lichtbögen treten üblicherweise sehr hohe Temperaturen auf, welche zu entsprechenden Abbränden und/oder Verschweißungen der Leiterenden und der Umgebung führen können. Um Lichtbögen zu verhindern, werden an den vorgesehenen Trennstellen innerhalb des Gleichspannungskreises entsprechende Steckverbindungen verwendet. Hierbei sind Stecker mit voreilenden Hilfskontakten und einer sogenannten Interlock-Schleife Stand der Technik und auch Vorschrift. Die Gleichspannungstrennelemente und Schütze sind für die hohen Spannungen dimensioniert und sind damit entsprechend groß und aufwendig.
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Durch Fehler bzw. Frühausfälle oder im langjährigen Einsatz durch Ermüdung, Materialsetzung, Vibrationseinflüsse, Korrosion, Leiterbruch oder dergleichen können die Verbindungsstellungen versagen und eventuell auch gefährliche Szenarien entstehen.
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Diese können an den Steckverbindungen die Hochstromkontakte einschließlich deren Crimpverbindungen betreffen. Ebenso können Schraubverbindungen, Schweißverbindungen sowie Busbars oder dergleichen im gesamten Hochstrompfad betroffen sein. Übliche Überwachungssysteme, wie zum Beispiel das Batteriemanagementsystem, werden diesen Zustand – wenn überhaupt – erst bei dem Ausfall des Systems detektieren können. Die Schaltungen zur Überwachung der Zellen der Hochvoltbatterie und deren weitere vorhandene Messeinrichtungen sind üblicherweise durch eine zeitliche Integration der Signale bzw. durch weitere Filter nicht geeignet, derart hochfrequente Ereignisse zu detektieren.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
EP 1 646 101 A2 ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes eines Brennstoffzellenstapels bestehend aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten Einzelzellen. Dabei wird dem Brennstoffzellenstapel ein niederfrequentes Strom- oder Spannungssignal eingeprägt und das sich ergebende Spannungs- oder Stromsignal gemessen. Bei elektrischen Kurzschlüssen, Rissen oder Unterbrechungen kann dies mittels HF-Wellenanalyse von an den Schadstellen reflektierten Wellen detektiert werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässigere Vorrichtung zum Überwachen eines Gleichspannungskreises eines Kraftwagens bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen eines Gleichspannungskreises eines Kraftwagens umfasst eine Erfassungseinrichtung zum Erkennen einer fehlerhaften elektrischen Verbindungsstelle innerhalb des Gleichspannungskreises, wobei die Erfassungseinrichtung eine Empfangseinheit zum Erfassen von elektromagnetischen Wellen, die in Folge eines Funkens und/oder eines Lichtbogens an der fehlerhaften elektrischen Verbindungsstelle entstehen, umfasst.
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Die Vorrichtung dient insbesondere zur Überwachung eines Gleichspannungskreises eines Kraftwagens mit elektrischem Antriebssystem. Dieses elektrische Antriebssystem kann beispielsweise mittels einer Hochvoltbatterie gespeist werden. In dem Gleichspannungskreis können beispielsweise elektrische Spannung bis zu 430 V anliegen. Mit der Vorrichtung können fehlerhafte elektrische Verbindungsstellen innerhalb des Gleichspannungskreises erkannt werden. Solche fehlerhaften Verbindungsstellen können beispielsweise durch eine fehlerhafte Montage oder Frühausfälle entstehen. Ebenso können derartige fehlerhafte elektrische Verbindungsstellen Folge eines langjährigen Einsatzes durch Ermüdung, Materialfehler, Vibrationseinflüsse, Korrosion oder dergleichen entstehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in Folge der hohen Gleichspannungen an diesen fehlerhaften elektrischen Verbindungsstellen Funken oder Lichtbögen entstehen können, die hochfrequente elektromagnetische Wellen aussenden. Ähnliche Phänomene sind beispielsweise von dem Einfluss von nicht-entstörten Elektromotoren mit Kommutator oder von nicht-entstörten Zündanlagen am Kraftwagen auf Rundfunk- und Fernsehempfänger bekannt. Die Erfassungseinrichtung umfasst eine Empfangseinheit, beispielsweise in Form einer Antenne, die die elektromagnetischen Wellen, die in Folge der Funken bzw. Lichtbögen entstehen, empfangen kann. Somit können Rückschlüsse auf eine fehlerhafte elektrische Verbindung in dem Gleichspannungskreis gezogen werden. Durch die Vorrichtung kann ein potenziell gefährlicher Zustand rechtzeitig detektiert und angezeigt werden. Durch geeignete Maßnahmen wie Reparatur oder Austausch kann weiteren Gefahren vorgebeugt werden.
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Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung zum Analysieren der mit der Erfassungseinrichtung erfassten elektromagnetischen Wellen auf. Zur Auswertung der elektromagnetischen Wellen kann die Auswerteeinrichtung eine entsprechende Signalauswertung, beispielsweise mittels eines Softwarealgorithmus, durchführen. Damit können der zeitliche Verlauf, die Frequenz und/oder die Wellenform der elektromagnetischen Welle untersucht werden und damit auf das Vorhandensein von Funken bzw. Lichtbögen an den fehlerhaften Verbindungsstellen geschlossen werden.
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In einer weiteren Ausführung umfasst die Vorrichtung eine mit der Auswerteeinrichtung gekoppelte Anzeigeeinrichtung. Somit kann das Vorhandensein einer fehlerhaften elektrischen Verbindung außen am Kraftwagen oder im Innenraum des Kraftwagens angezeigt werden. Beispielsweise kann eine entsprechende Anzeige innerhalb des Kombiinstruments des Kraftwagens erfolgen. Damit wird der Fahrer sofort auf eine fehlerhafte elektrische Verbindungsstelle im Gleichspannungskreis des Kraftwagens hingewiesen.
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Bevorzugt ist die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 1 und 100 MHz zu erfassen. Auch die Empfangseinheit, die beispielsweise als Antenne ausgebildet ist, kann dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 1 und 100 MHz zu erfassen. Somit kann eine breitbandige Erfassungseinrichtung bereitgestellt werden, mit der Funken bzw. Lichtbögen an den Verbindungsstellen erfasst werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung in einem Gehäuse einer mit dem Gleichspannungsnetz gekoppelten Hochvoltbatterie angeordnet. Das Gehäuse der Batterie ist meist aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit aus einem Metall gefertigt oder entsprechend abgeschirmt. Somit können Fehldetektionen der Erfassungseinrichtung durch äußere Einflüsse weitestgehend ausgeschlossen werden.
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Bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung mit einer Überwachungseinrichtung der Hochvoltbatterie gekoppelt. Eine solche Überwachungseinrichtung kann beispielsweise das Batteriemanagementsystem sein. Mit dem Batteriemanagementsystem kann eine mit der Erfassungseinrichtung erfasste fehlerhafte Verbindungsstelle zentral ausgewertet und an eine Anzeigeeinrichtung weitergeleitet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Erfassungseinrichtung, die Auswerteeinrichtung und die Überwachungseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform für eine Hochvoltbatterie können die Erfassungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung in der Überwachungseinrichtung bzw. dem Batteriemanagement integriert sein. Dabei können die Erfassungseinrichtung, die Auswerteeinrichtung und die Überwachungseinrichtung in dem Gehäuse der Hochvoltbatterie integriert sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Erfassungseinrichtung mit dem Gleichspannungsnetz kapazitiv gekoppelt. Um die Vorrichtung für Verbindungen oder Komponenten außerhalb der Hochvoltbatterie anwenden zu können, sind entsprechend geeignete Adaptionen oder eine spezielle elektromagnetische Ankopplung erforderlich. Zu diesem Zwecke eignet sich insbesondere eine kapazitive Ankopplung der Erfassungseinrichtung an das Gleichspannungsnetz.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen eines Gleichspannungskreises eines Kraftwagens, bei dem eine fehlerhafte elektrische Verbindungsstelle innerhalb des Gleichspannungsnetzes erkannt wird, umfasst das Erfassen von elektromagnetischen Wellen, die in Folge eines Funkens und/oder eines Lichtbogens an der fehlerhaften elektrischen Verbindungsstelle entstehen. Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Überwachen eines Gleichspannungskreises eines Kraftwagens.
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Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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Die Fig. zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Überwachen eines Gleichspannungskreises 12 eines Kraftwagens. Der Kraftwagen weist bevorzugt ein elektrisches Antriebssystem auf. Der Gleichspannungskreis 12 wird mittels einer Hochvoltbatterie 14 gespeist. Die Hochvoltbatterie 14 umfasst mehrere Einzelzellen 16, die elektrisch in Serie geschaltet sind. Mit der Hochvoltbatterie 14 können beispielsweise elektrische Gleichspannungen mit bis zu 430 V bereitgestellt werden.
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Der Gleichspannungskreis 12 weist in dem hier gezeigten Beispiel eine fehlerhafte elektrische Verbindungsstelle 18 auf. Die fehlerhafte elektrische Verbindungsstelle 18 ist vorliegend durch lose Kontakte zwischen den Einzelzellen 16 der Hochvoltbatterie 14 gegeben. Durch die hohe elektrische Gleichspannung in dem Gleichspannungskreis 12 können an der fehlerhaften elektrischen Verbindungsstelle 18 bzw. an den losen Kontakten ein Funke und/oder ein Lichtbogen auftreten. Dabei können auch zeitlich aufeinanderfolgend mehrere Funken bzw. Lichtbögen auftreten. In Folge der Funkenbildung bzw. durch die Lichtbögen entstehen hochfrequente elektromagnetische Wellen, die vorliegend schematisch dargestellt sind.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine Erfassungseinrichtung 22 zum Erfassen der elektromagnetischen Wellen 20, die in Folge eines Funkens und/oder eines Lichtbogens entstehen können. Zum Erfassen der elektromagnetischen Wellen 20 umfasst die Erfassungseinrichtung 22 eine Empfangseinheit 24 in Form einer Antenne. Die Erfassungseinrichtung 22 und die Empfangseinheit 24 können dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Wellen 20 den Frequenzbereich zwischen 1 und 100 MHz zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung 22 ist mit einer Auswerteeinrichtung 26 elektrisch verbunden. Die Auswerteeinrichtung 26 dient der Analyse der mit der Erfassungseinrichtung 22 erfassten elektromagnetischen Wellen 20. Mit der Erfassungseinrichtung kann der zeitliche Verlauf, die Frequenz und/oder die Wellenform der elektromagnetischen Wellen 20 analysiert werden. Mit der Auswerteeinrichtung 26 können die elektromagnetischen Wellen auf entsprechende Grenzwerte oder vorgegebene Signalformen hin untersucht werden. Damit kann zuverlässig ein Lichtbogen oder ein Funken an einer Verbindungsstelle nachgewiesen werden. Somit kann eine fehlerhafte elektrische Verbindungsstelle 18 zuverlässig nachgewiesen werden.
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Wenn mit der Auswerteeinrichtung 26 eine fehlerhafte elektrische Verbindungsstelle 18 in dem Gleichspannungskreis 12 erkannt wurde, kann ein entsprechendes Signal an eine Überwachungseinrichtung 28 übermittelt werden. Die Überwachungseinrichtung 28 ist elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 26 verbunden. Die Überwachungseinrichtung 28 kann beispielsweise das Batteriemanagementsystem der Hochvoltbatterie 14 sein. Die Überwachungseinrichtung 28 ist mit entsprechenden Messeinrichtungen der Batteriezellen 16 der Hochvoltbatterie 14 verbunden. Dies ist vorliegend durch die Pfeile 30 gekennzeichnet. Des Weiteren ist die Überwachungseinrichtung 28 mit einer Anzeigeeinrichtung 32 gekoppelt. Die Anzeigeeinrichtung 32 kann beispielsweise im Kombiinstrument des Kraftwagens angeordnet sein. Somit kann dem Fahrer das Vorliegen einer fehlerhaften elektrischen Verbindungsstelle 18 innerhalb des Gleichspannungskreises 12 signalisiert werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Erfassungseinrichtung 22, die Auswerteeinrichtung 26 und die Überwachungseinrichtung 28 in einem gemeinsamen Gehäuse 34 angeordnet. Das Gehäuse 34 ist vorliegend das Gehäuse der Hochvoltbatterie 14. Das Gehäuse 34 der Hochvoltbatterie 14 ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet oder weist eine entsprechende elektromagnetische Schirmung auf. Somit können Störeinflüsse, die die Erfassung der elektromagnetischen Wellen 20 mit der Erfassungseinrichtung 22 beeinflussen könnten, vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Gleichspannungskreis
- 14
- Hochvoltbatterie
- 16
- Einzelzelle
- 18
- Verbindungsstelle
- 20
- elektromagnetische Wellen
- 22
- Erfassungseinrichtung
- 24
- Empfangseinheit
- 26
- Auswerteeinrichtung
- 28
- Überwachungseinrichtung
- 30
- Pfeile
- 32
- Anzeigeeinrichtung
- 34
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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