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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einer ersten Hochvoltkomponente, einer zweiten Hochvoltkomponente, einer elektrischen Verbindungsleitung zum Koppeln der beiden Hochvoltkomponenten sowie einer Schirmvorrichtung zum Schirmen der elektrischen Verbindungsleitung. Überdies betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit Bordnetz. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen einer solchen Schirmvorrichtung.
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Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, umfassen ein Bordspannungsnetz, welches beispielsweise durch ein 12 V-Netz repräsentiert sein kann, sowie ein Hochvoltnetz, in dem die elektrischen Hochvoltkomponenten Energie miteinander austauschen. Dieser Energieaustausch erfolgt über elektrische Hochvoltverbindungsleitungen, welche als geschirmte Leitungen verlegt werden, um die Vorschriften über die elektromagnetische Verträglichkeit einzuhalten. Dabei kann es zur Reduzierung der elektromagnetischen Störstrahlung vorteilhaft sein, den Schirm auf beiden Seiten anzuschließen, d. h. mit den Gehäusen der beiden Hochvoltkomponenten, welche durch die zugehörige elektrische Hochvoltverbindungsleitung kontaktiert werden, zu verbinden.
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Durch diese Anordnung erhält die Bordmasse einen Parallelzweig, so dass im Falle einer schlechten oder gar unterbrochenen Masseverbindung nicht zu vernachlässigende Ströme über den genannten Schirm fließen. Insbesondere kann der Schirm bei Überschreiten des zulässigen Stroms irreversibel geschädigt werden. Beispielsweise kann ein defektes Hauptmasseband die Ursache einer derartigen Überlastung darstellen.
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Gemäß dem Stand der Technik wird hier der Spannungsabfall an der Masseleitung konstant überwacht und bei Erreichen einer fest voreingestellten Spannungsschwelle nach einer ebenso fest voreingestellten Zeitdauer die Ausgangsleistung von der Bordnetzquelle reduziert oder abgeschaltet.
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Mit fest definierter Spannungsschwelle und Abschaltzeit kann die Überwachung nur für jeweils einen Belastungsfall optimiert werden. Dadurch besteht entweder die Gefahr eines zu frühen Eingriffs und damit einer Reduzierung der Systemrobustheit oder eines zu späten Eingriffs mit der Gefahr einer Schädigung der Schirmvorrichtung.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine robuste Hochvoltschirmüberwachung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die zuverlässig eine Beschädigung der Hochvoltschirmeinrichtung verhindert.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bordnetz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Bordnetz für ein Kraftfahrzeug umfasst eine erste Hochvoltkomponente, eine zweite Hochvoltkomponente, sowie eine elektrische Verbindungsleitung zum Koppeln der beiden Hochvoltkomponenten, wobei eine Schirmvorrichtung zum Schirmen der elektrischen Verbindungsleitung zwischen den beiden Hochvoltkomponenten vorhanden ist. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Hochvoltkomponente um eine Hochvoltbatterie handeln, welche die Energie in dem Hochvoltnetz bereitstellt. Bei der zweiten Hochvoltkomponente kann es sich beispielsweise um einen Antriebsstromrichter handeln, welcher einen Elektromotor für einen Fahrantrieb speist. Es kann sich aber auch um einen DC/DC-Wandler handeln, um das Hochvoltnetz mit dem Bordspannungsnetz zu koppeln, welches beispielsweise durch ein übliches 12 V-Kraftfahrzeugsystem repräsentiert wird. Weiterhin weist das Bordnetz eine Überwachungsvorrichtung auf, wobei die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Wert, welcher einen Strom über die Schirmvorrichtung repräsentiert, durch Messung des Spannungsabfalls über die Schirmvorrichtung zu ermitteln und daraus ein Steuersignal abzuleiten, welches dazu geeignet ist, den Strom durch die Schirmvorrichtung zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Bordnetz zeichnet sich dadurch aus, dass die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Steuersignal bereitzustellen, welches eine zeitliche Abhängigkeit von der Höhe des ermittelten Werts der Strombelastung aufweist.
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Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Steuersignal um ein binäres Signal, welches dazu geeignet ist, einen Verbraucher oder eine Quelle vom Bordnetz zu trennen. Des Weiteren beinhaltet das binäre Steuersignal eine zeitliche Verzögerung in Abhängigkeit der zuvor ermittelten Strombelastung der Schirmvorrichtung.
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In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich um ein Steuersignal, welches dazu geeignet ist, den Leistungsfluss innerhalb des Bordnetzes zu steuern.
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Die Erfindung weist somit den Vorteil auf, dass einerseits die Schwelle für ein Abschalten bei einer länger andauernden Strombelastung niedriger gewählt werden kann, andererseits aber bei kurzfristiger Einwirkung von hohen Strömen auf den Schirm keine vorzeitige Abschaltung oder sonstige Eingriffe in das Bordnetz erforderlich sind. Ausgehend von einer stromfreien Schirmvorrichtung ergibt sich beispielsweise zu jedem Strommesswert eine zugehörige Zeitdauer, für welche diese Strombelastung an dem Schirm anliegen darf. Somit ergibt sich gleichzeitig eine hohe Fehlertoleranz sowie eine Vermeidung der Schädigung der Schirmvorrichtung durch einen Überstrom.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Bordnetz als erste Hochvoltkomponente beispielsweise eine Hochvoltbatterie und als zweite Hochvoltkomponente beispielsweise einen Stromrichter zum Ansteuern eines Antriebsmotors oder auch einen Stromrichter in Form eines DC/DC-Wandlers zum Laden einer Bordnetzbatterie. Bevorzugt ist dieser DC/DC-Wandler dazu ausgelegt, das von der Überwachungsvorrichtung erzeugte Steuersignal auszuwerten und dementsprechend seinen Leistungsfluss anzupassen. Damit kann die Schirmung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zuverlässig überwacht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Schirmvorrichtung an mindestens zwei Stellen mit der Bordmasse des Bordnetzes verbunden. Beispielsweise handelt es sich bei diesen beiden Stellen um zwei unterschiedliche Kontaktpunkte, einmal an der Fahrzeugkarosserie und zum anderen im Bereich des Motors, wobei beide Massenetze über ein Hauptmasseband miteinander verbunden sind. Dabei kann das Gehäuse der ersten Hochvoltkomponente mit der Fahrzeugmasse direkt verbunden sein und das Gehäuse der zweiten Hochvoltkomponente direkt mit der Motormasse. Die Erfindung ermöglicht somit im Fall eines fehlerhaften Hauptmassebands eine zuverlässige Detektion einer zu hohen Strombelastung der Schirmvorrichtung.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug kann das erfindungsgemäße Bordnetz umfassen. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Bordnetzes ermöglicht eine Erhöhung der Robustheit gegenüber transienten Strömen auf der Schirmvorrichtung infolge der variablen Toleranzschwelle.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Überwachen einer Schirmvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Fahrzeug eine erste Hochvoltkomponente, eine zweite Hochvoltkomponente sowie eine elektrische Verbindungsleitung, welche die erste und die zweite Hochvoltkomponente miteinander koppelt, aufweist, und die elektrische Verbindungsleitung mit einer Schirmvorrichtung ausgerüstet ist. Infolge einer schlechten Masseverbindung kann sich in dieser Schirmvorrichtung ein Stromfluss ausbilden, welcher durch eine Messung des Spannungsabfalls über die Schirmvorrichtung erfasst wird. Aus dem ermittelten Messwert wird ein Steuersignal abgeleitet, welches eine zeitliche Abhängigkeit von der Höhe des Messwerts aufweist. Dieses Steuersignal wird zur Reduzierung des Stroms über die Schirmvorrichtung bereitgestellt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens ergibt sich, wenn als Kriterium für eine erforderliche Abschaltung eine Kennlinie mit einem zeitabhängigen Verlauf zugrunde gelegt wird. Diese Kennlinie wird in der Überwachungsvorrichtung vorzugsweise als Tabelle hinterlegt. Alternativ ist auch eine Berechnung mittels einer Funktion und zugehöriger Parameter möglich. Somit wird für jeden erfassten Strombelastungswert individuell eine zulässige Dauer für die aktuell anliegende Strombelastung ermittelt.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ergibt sich dadurch, dass die zurückliegende Strombelastung bei der Ermittlung der zulässigen Strombelastung berücksichtigt wird. Damit lässt sich eine Beschädigung der Schirmvorrichtung zuverlässig vermeiden, auch wenn vor einem Stromanstieg in der Schirmvorrichtung bereits ein von null verschiedener Stromfluss vorgelegen hat.
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Die zuvor in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen gelten sinngemäß für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren.
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Im Folgenden ist die Erfindung detaillierter anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug; und
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2 ein Diagramm mit einer beispielhaften Kennlinie, welche den Zusammenhang zwischen gemessenem Spannungsabfall und zulässiger Einwirkungsdauer beschreibt.
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In 1 ist ein Bordnetz 20 gezeigt, das beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, Anwendung findet. Beispielsweise kann das Bordnetz ein 12 V-System enthalten, welches nachfolgend genauer erläutert wird. Zu diesem 12 V-System gehören z. B. neben einer 12 V-Batterie 11 sowie einem Starter 13, gegebenenfalls einem Generator 14, diverse Verbraucher 12 und 15. Während Batterie 11 und Verbraucher 12 im vorliegenden Beispiel eine direkte Verbindung zu einer Fahrzeugmasse 9, hier einer Karosserie, haben, sind der Starter 13 und der Generator 14 sowie die Verbraucher 15 im Motorraum einer Motormasse 10 zugeordnet. Die beiden Massen 9 und 10 sind über ein Hauptmasseband 7 miteinander verbunden. Pluspole der Batterie 11 sowie der Verbraucher 12 und 15 sowie des Starters 13 und des Generators 14 sind über eine Plus-Leitung 8 miteinander verbunden.
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Somit sind in dem beispielhaften 12 V-Sytem der Verbraucher 15, der Starter 13 sowie der Generator 14 in einer Parallelschaltung angeordnet zwischen der Motormasse 10 und der Plus-Leitung 8. Ebenso sind die 12 V-Batterie 11 und der Verbraucher 12 in einer Parallelschaltung angeordnet zwischen der Fahrzeugmasse 9 und der Plus-Leitung 8. Über das Hauptmasseband 7 sind die Motormasse 10 und Fahrzeugmasse 9 elektrisch niederohmig gekoppelt.
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Das beispielhafte Bordnetz umfasst weiterhin einen Hochvoltteil 21 mit einer Hochvoltkomponente 1 sowie einer Hochvoltkomponente 2, welche über eine Hochvoltverbindungsleitung 3 miteinander verbunden sind. Die Hochvoltverbindungsleitung 3 ist ausgerüstet mit einem Schirm 4, welcher vorzugsweise mit den beiden Gehäusen der Hochvoltkomponenten 1 und 2 verbunden ist. Weiterhin sind die Gehäuse der Hochvoltkomponenten 1 und 2 jeweils mit einer der Massen 9, 10 an einem geeigneten Kontaktierungspunkt 17, 16 verbunden. Im Falle der Hochvoltkomponente 1 besteht eine Verbindung zur Fahrzeugmasse 9, im Falle der Hochvoltkomponente 2 besteht eine Verbindung zur Motormasse 10. Somit ergibt sich in dem beispielhaften Bordnetz über die Kontaktierungspunkte 17, 16 ein Parallelpfad zu dem Hauptmasseband 7, welcher die Gehäuse der ersten und zweiten Hochvoltkomponente 1, 2 und den Schirm 4 beinhaltet. Bei der Hochvoltkomponente 1 kann es sich beispielsweise um eine Hochvoltbatterie handeln. Die Hochvoltkomponente 2 stellt beispielsweise einen Stromrichter zum Speisen eines Antriebs dar oder einen DC/DC-Wandler zum Laden der 12 V-Batterie 11. Allgemein können unter einer Hochvoltkomponente beliebige elektronische Komponenten verstanden werden, deren Versorgungsleitungen ein von dem 12 V-System verschiedenes Massenbezugssystem aufweisen.
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Zur besseren Übersicht ist in der schematischen Darstellung nur eine elektrische Verbindungsleitung 3 zwischen den beiden Hochvoltkomponenten 1 und 2 eingezeichnet sowie eine Schirmvorrichtung 4. Tatsächlich ist eine derartige Hochvoltverbindung durch mindestens zwei Leitungen gebildet, die einzeln oder gemeinsam geschirmt sein können. Die Überwachungseinrichtung 5 ist eingangsseitig elektrisch gekoppelt an die Motormasse 10 sowie an die Fahrzeugmasse 9 und misst somit den Spannungsabfall zwischen den Gehäusen der Hochvoltkomponente 2 und der Hochvoltkomponente 1 bzw. über dem Hauptmasseband 7, vorzugsweise an den Kontaktierungspunkten 17, 16. Am Ausgang der Überwachungseinrichtung 5 steht ein Ausgangssignal 6 zur Weiterverarbeitung bereit, welches Informationen über einen für die Schirmvorrichtung schädlichen Betrieb enthält.
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2 zeigt den Verlauf einer beispielhaften Kennlinie 22, welche dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt. Hierbei ist eine Zeitdauer t, die einer Ausschaltverzögerung entspricht, in waagrechter Richtung aufgetragen sowie ein Spannungsabfall US an der Schirmvorrichtung in senkrechter Richtung. Die Kennlinie 22 gibt dabei die Korrelation zwischen diesen beiden Größen wieder. Dabei werden die zugrunde liegenden Parameter für unterschiedliche Typen der Schirmvorrichtung 8 individuell ermittelt.
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Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden beispielhaft ein zeitlicher Ablauf beschrieben.
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Für einen Strom I über einen Zeitverlauf t gelte: I(t) = I0 = 0 für t < 0; I(t) = I1 für t ≥ 0.
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Der Strom I1 erzeugt über der Schirmvorrichtung einen Spannungsabfall US1 = I1·RS, wobei RS den Wert des ohmschen Widerstands der Schirmvorrichtung darstellt.
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Zu diesem Wert US1 wird nun anhand der Kennlinie 22 eine zugehörige Ausschaltverzögerung bzw. Zeitdauer t1 ermittelt, welche bei einer Belastung der Schirmvorrichtung mit einem konstanten Strom der Höhe I1 noch einen sicheren Betrieb der Schirmvorrichtung gewährleistet. Bei dem vorteilhaften Erzeugen eines binären Signals 6 am Ausgang der Überwachungsvorrichtung 5 ergibt sich demzufolge eine Pegeländerung für Schaltzwecke zum Zeitpunkt t1. Speziell kann es sich um eine Zustandsänderung eines binären Signals 6 bei einem Toggle-Zeitpunkt tt = t1 handeln. Dieses binäre Signal ist beispielsweise zum Abschalten einer Komponente des Kraftfahrzeugs geeignet.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens berücksichtigt auch einen von null verschiedenen Strom I0. Beispielsweise wird dann zur Ermittlung der zulässigen Zeitdauer t1 in Abhängigkeit des Werts von I0 eine jeweils andere Kennlinie 22 verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erste Hochvoltkomponente
- 2
- Zweite Hochvoltkomponente
- 3
- Hochvoltverbindungsleitung
- 4
- Schirmvorrichtung
- 5
- Überwachungseinrichtung
- 6
- Ausgangssignal
- 7
- Hauptmasseband
- 8
- Plus-Leitung
- 9
- Fahrzeugmasse
- 10
- Motormasse
- 11
- 12 V-Batterie
- 12
- Verbraucher
- 13
- Starter
- 14
- Generator
- 15
- Verbraucher
- 16
- Kontaktierungspunkt (Motormasse)
- 17
- Kontaktierungspunkt (Fahrzeugmasse)
- 20
- Bordnetz
- 21
- Hochvoltteil
- 22
- Kennlinie
- t
- Ausschaltverzögerung bzw. Zeitdauer
- US
- Spannungsabfall an der Schirmvorrichtung
- t1
- Ausschaltverzögerung bzw. Zeitdauer bei Strom I1
- US1
- Spannungsabfall an der Schirmvorrichtung bei Strom I1
