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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Fahrzeug zum Erkennen einer Störung einer elektrischen Leitung, und insbesondere eine Vorrichtung, die Lichtbögen in einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug erkennt.
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Stand der Technik
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Die Anzahl der Stromverbraucher in modernen Fahrzeugen sowie deren Leistungsaufnahme steigt immer weiter an. Deshalb wird darüber nachgedacht, Fahrzeuge mit einem 48 V-Boardnetz auszustatten, welches in der Lage ist, verschiedene Verbraucher (Lasten) in dem Fahrzeug mit einer höheren Leistung bei gleichbleibender Stromstärke zu versorgen. Die Verwendung von 48 V führt jedoch zu dem Problem, dass sich im Schadensfall mit Kurzschluss stabile Lichtbögen ausbilden können, da 48 V über der Lichtbogen-Zündspannung liegt.
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Herkömmlicherweise werden elektrische Leitungen durch Schmelzsicherungen abgesichert. Da ein Lichtbogen jedoch als zusätzlicher Widerstand in der Leitung auftritt, wird der Kurzschlussstrom derart begrenzt, dass die Sicherung nicht auslöst.
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Im Allgemeinen wird zwischen zwei Arten von Lichtbögen unterschieden, nämlich seriellen und parallelen Lichtbögen, welche im Folgenden näher erklärt werden.
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1 zeigt ein Beispiel eines parallelen Lichtbogens, und insbesondere eine Schaltungsanordnung mit einer 48 V-Spannungsquelle sowie einen Stromstärkenverlauf über die Zeit. Parallele Lichtbögen treten parallel zur Last auf. Diese werden z. B. durch eine schadhafte Kabelisolierung verursacht, sodass ein Kurzschluss zur Karosserie oder zum bestehenden 12 V-Bordnetz entsteht. Beim parallelen Lichtbogen weist die Stromstärke eine Abfolge von Spikes auf, die mehrere hundert Ampere aufweisen. Da die Spikes jedoch kurz sein können, reicht der mittlere Strom oft nicht aus, die Sicherung auslösen zu lassen.
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2 zeigt ein Beispiel eines seriellen Lichtbogens, und insbesondere eine Schaltungsanordnung mit einer 48 V-Spannungsquelle sowie einen Stromstärkenverlauf über die Zeit. Serielle Lichtbögen treten in Reihe zur Last auf. Diese werden beispielsweise durch Kabelbruch oder bei Schäden an Steckverbindungen verursacht. Serielle Lichtbögen wirken wie ein zusätzlicher Widerstand im Stromkreis, sodass die Stromstärke im Vergleich zum intakten Zustand des Stromkreises reduziert ist. Folglich begrenzt ein serieller Lichtbogen den Laststrom derart, dass eine Sicherung nicht auslöst.
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Sowohl serielle als auch parallele Lichtbögen erzeugen sehr hohe Temperaturen, sodass ein stabiler Lichtbogen große Schäden an dem Fahrzeug verursachen kann. Folglich ist es wünschenswert, das Entstehen eines Lichtbogens frühzeitig zu erkennen. Es ist jedoch sehr schwierig, die Strombegrenzung durch einen seriellen Lichtbogen von Schwankungen der Stromabnahme durch die Last zu unterscheiden.
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Herkömmlich sind einige Techniken zur Erkennung von Lichtbögen bekannt. Da ein Lichtbogen Frequenzanteile im Kilohertz-Bereich erzeugt, gibt es Ansätze durch Auswertungen im Frequenzbereich der Stromstärke oder der Spannung (z. B. mit schneller Fourier-Transformation) den Lichtbogen zu erkennen. Eine solche Technik ist z. B. in
EP 2 040 348 A2 beschrieben. Je nach Last bleibt es aber schwierig, normale Signalanteile und durch Lichtbögen verursachte Signalanteile eindeutig zu unterscheiden. Weiterhin ist für eine solche Technik eine aufwendige und teure Hardware mit Signalprozessor nötig. Eine weitere bekannte Technik ist eine optische Detektion von Lichtbögen, die einen Lichtbogen durch einen ein Kabel umgebenden Lichtleiter detektiert (siehe z. B.
DE 10 2004 051 734 A1 ). Alle diese Techniken haben jedoch den Nachteil, dass sie einen relativ hohen Implementierungsaufwand erfordern und/oder eine Lichtbogenerkennung nicht zuverlässig durchführen.
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DE 10 2009 058 877 A1 betrifft ein Verfahren zum Prüfen von elektrischen Komponenten in einem Stromnetz, insbesondere in einem Gebäudestromnetz, bei dem von einer Prüfeinheit einPrüfkommando mittels einer Datenübertragung über das Stromnetz an eine oder mehrere elektrische Komponenten des Stromnetzes gesendet wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einfache und zuverlässige Vorrichtung zum Erkennen von Störungen einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erkennen einer Störung einer elektrischen Leitung zwischen einer Spannungsquelle und einer Last in einem Fahrzeug umfasst eine Signalerzeugungseinheit, die eingerichtet ist, ein Power-Line-Signal zu erzeugen und das Power-Line-Signal über die elektrische Leitung an eine externe Einrichtung zu übertragen, sowie eine Signalempfangseinheit, die eingerichtet ist, ein Antwortsignal von der externen Einrichtung zu empfangen, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, das Auftreten einer Störung zu erkennen, wenn die Signalempfangseinheit kein Antwortsignal von der externen Einrichtung empfängt.
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Diese Vorrichtung nutzt folglich ein Power-Line-Signal, um eine Störung zu erkennen. Power-Line-Kommunikation wird dazu verwendet, Signale von einem Steuergerät an eine Steuervorrichtung einer Last über eine elektrische Versorgungsleitung zu übertragen. Ein in der Versorgungsleitung auftretender Lichtbogen würde jedoch bewirken, dass das Power-Line-Signal nicht mehr korrekt übertragen werden kann, wodurch der Lichtbogen detektiert werden kann. Somit kann die Vorrichtung das Auftreten einer Störung dadurch erkennen, dass die Power-Line-Kommunikation nicht mehr möglich ist. Insbesondere kann diese Idee ohne zusätzlichen Aufwand in einem vorhandenen Power-Line-Kommunikationssystem implementiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform überträgt die Signalerzeugungseinheit ein Power-Line-Signal zeitperiodisch an die externe Einrichtung. Somit kann das Auftreten einer Störung schnell erfasst werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist auf der Leitung ein Schalter vorgesehen und die Auswerteeinrichtung öffnete den Schalter, wenn das Auftreten einer Störung erkannt wird. Folglich ist es möglich, den störungsbehafteten Teil der elektrischen Leitung schnell spannungsfrei zu schalten, um das Ausbilden eines stabilen Lichtbogens zu unterbinden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, weist die Spannungsquelle eine Spannungsversorgung mit einer Spannung über einer Lichtbogenzündspannung auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung ausführlich anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt schematisch einen parallelen Lichtbogen und den dabei auftretenden zeitlichen Stromstärkenverlauf.
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2 zeigt schematisch das Auftreten eines seriellen Lichtbogens und den damit verbundenen zeitlichen Stromstärkenverlauf.
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3 zeigt eine Vorrichtung zum Erkennen einer Störung einer elektrischen Leitung mittels Power-Line-Kommunikation gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung einer Ausführungsform
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben. Es wird angemerkt, dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als die Erfindung einschränkend angesehen werden sollte.
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3 zeigt eine Vorrichtung zum Erkennen einer Störung einer elektrischen Leitung zwischen einer Spannungsquelle 2 und einer Last 3 in einem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist die Spannungsquelle 2 beispielweise als 48 V-Spannungsquelle ausgestaltet. Weiterhin ist zwischen der Spannungsquelle 2 und der Last 3 ein Schalter 4 angeordnet. Die Last 3 wird mittels einer Steuerung 6 gesteuert, die Steuersignale über die elektrische Leitung von einer Vorrichtung 1 empfängt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Signalerzeugungseinheit 11, eine Signalempfangseinheit 12 und eine Auswerteeinrichtung 13.
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Die Signalerzeugungseinheit 11 ist eingerichtet, ein Power-Line-Signal zu erzeugen und das Power-Line-Signal über die elektrische Leitung an die Steuerung 6 zu übertragen. Bei der Power-Line-Kommunikation werden bevorzugt vorhandene Stromleitungen zusätzlich zur Übertragung von Daten verwendet. Die Signale werden dabei auf eine oder mehrere Trägerfrequenzen zusätzlich auf die Leitung moduliert. Dabei kann es sich um analoge oder digitale Signale handeln.
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Die Signalempfangseinheit 12 ist eingerichtet, ein Antwortsignal von der Steuerung 6 zu empfangen. Vorteilhafterweise sendet die Signalerzeugungseinheit zeitperiodisch einen Ping oder ein ähnliches Signal zur Steuerung 6 der Last. Die Auswerteeinrichtung 13 ist eingerichtet, das Auftreten einer Störung zu erkennen, wenn die Signalempfangseinheit 12 kein Antwortsignal von der Steuerung 6 empfängt. Mit anderen Worten erkennt die Auswerteeinrichtung 13 das Auftreten einer Störung, wenn kein gültiges Signal zurückkommt.
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Insbesondere wird die Power-Line-Kommunikation zwischen der Vorrichtung 1 und der Steuerung 6 durch das Auftreten eines Lichtbogens auf der elektrischen Leitung unterbrochen. Die modulierten Power-Line-Signale können nicht durch den Lichtbogen übertragen werden. Somit ist die Vorrichtung 1 in der Lage, das Auftreten eines seriellen Lichtbogens zu erkennen, da ein serieller Lichtbogen unmittelbar zu einer Unterbrechen der aufmodulierten Signalabfolge auf der Versorgungsleitung führt. Die Signalerzeugungseinheit 11 und die Signalempfangseinheit 12 können dabei einen Domain-Controller bilden.
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In einer Abwandlung der in 3 gezeigten Ausführungsform ist es möglich, dass die Power-Line-Signale, die von der Vorrichtung 1 an die Steuerung 6 gesendet werden, nur zur Erkennung einer Störung dienen. Mit anderen Worten enthalten die Power-Line-Signale keine zur Steuerung der Last relevanten Informationen. Sie dienen lediglich zur Lichtbogenerkennung. Die Ansteuerung der Last 3 kann weiterhin über dedizierte CAN-Leitungen erfolgen. In diesem Fall können für die Lichtbogenerkennung vorteilhafterweise Chirp-Signale mit einer großen Bandbreite verwendet werden.
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In der vorhergehenden Beschreibung wurde die Vorrichtung als Teil eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, dass das Konzept der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch anwendbar ist auf alle anderen Versorgungsnetze, bei welchen eine Spannung bzw. Leistung derart hoch sein kann, dass ein Lichtbogen auftreten kann.
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Insbesondere erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Variationen der Vorrichtung und des Verfahrens der Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Ferner wurde die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben, die jedoch nur zum verbesserten Verständnis der Erfindung dienen sollen, und diese nicht einschränken sollen. Der Fachmann erkennt auch sofort, dass viele verschiedene Kombinationen der Elemente zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Deshalb wird der Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gekennzeichnet.
