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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungskomponente für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens ein eine Hochspannung führendes Bauteil, ein Gehäuse, in dem das Bauteil angeordnet ist, und eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung des Gehäuses an einem Strukturteil des Kraftfahrzeugs. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Moderne Kraftfahrzeuge weisen häufig Hochspannungskomponenten mit jeweils wenigstens einem Bauteil auf, das eine Hochspannung, beispielsweise eine Spannung von über 48 V, insbesondere über 100 V, führt. Diese Hochspannungskomponenten sind meist Hochspannungsnetzen des Kraftfahrzeugs zugeordnet, deren Betriebsspannung höher ist als die eines Niedrigspannungsnetzes des Kraftfahrzeugs. Derartige Hochspannungskomponenten und gegebenenfalls Hochspannungsnetze sind dabei nicht nur für Hybrid-Kraftfahrzeuge und Elektrokraftfahrzeuge bekannt, sondern werden immer häufiger auch bei konventionellen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor vorgesehen, wenn Fahrzeugsysteme vorliegen, die Hochspannung führende Bauteile benötigen. Ein Beispiel für ein solches Fahrzeugsystem ist ein aktives Fahrwerk.
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Probleme können bei derartigen Hochspannungskomponenten, insbesondere den Bauteilen, dann auftreten, wenn Unfälle, insbesondere Kollisionen, auftreten. Dann kann es insbesondere dazu kommen, dass die Hochspannung führenden Bauteile freiliegen und/oder in Kontakt mit anderen Fahrzeugteilen kommen können, so dass die Hochspannung, die insbesondere die Berührschutzspannung übersteigen kann, eine Gefahr darstellt. Daher soll bei modernen Kraftfahrzeugen sichergestellt werden, dass die Hochspannungskomponenten bei einem Unfall ausgeschaltet werden oder so beschützt angeordnet sind, dass möglichst keine Berührprobleme auftreten.
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Hierzu ist es bekannt, die Hochspannungskomponenten in einem sogenannten „crashsicheren” Bereich des Kraftfahrzeugs anzuordnen, beispielsweise zwischen tragenden Kraftfahrzeugteilen. Häufig werden die Hochspannungskomponenten dennoch ausgeschaltet, wenn ein Unfall festgestellt wurde. Zur Feststellung einer Kollision ist beispielsweise bekannt, das Kraftfahrzeug mit Kollisionssensoren zu versehen, die globale Beschleunigungswerte des Kraftfahrzeugs aufnehmen und durch Auswertung derselben auf eine aufgetretene Kollision schließen lassen.
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Problematisch hierbei ist, dass die Bauräume zum Verbau von Hochspannungskomponenten durch die Anforderung des crashsicheren Bereichs sehr begrenzt sind. Allein das Auftreten globaler Kraftfahrzeugbeschleunigungen ist nicht immer ausreichend, um verlässlich auf einen aufgetretenen Unfall zu schließen, wenn lediglich lokale Beschädigungen auftreten, die jedoch auch der Sicherheit eines nicht crashsicher positionierten Bauteils, das Hochspannung führt, abträglich sein können. Dies erlaubt es nicht, Hochspannungskomponenten in exponierten Bereichen des Kraftfahrzeugs vorzusehen. Durch die stetige Zunahme der Anzahl von Hochspannungskomponenten wird es jedoch immer schwieriger, die große Anzahl an Bauteilen in Hochspannungskomponenten in crashsicheren Bereichen des Kraftfahrzeugs unterzubringen.
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In
DE 10 2012 001 594 A1 wurde eine Hochvoltkomponente für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, deren Gehäuse mit einer flächigen Sensoreinrichtung überdeckt ist, um Beschädigungen des Gehäuses zu erkennen. Dies erlaubt es jedoch nur, eine Beschädigung zu erkennen, falls der dort nicht das Gehäuse komplett umschließende Sensor unmittelbar beaufschlagt wird; zudem ist ein flächiger Sensor äußerst aufwendig zu realisieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst aufwandsarme und verlässliche Möglichkeit zur Detektion einer Beschädigung unmittelbar an einer Hochspannungskomponente anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Hochspannungskomponente der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Befestigungseinrichtung eine Entkopplungseinrichtung zur Körperschallentkopplung des Gehäuses von dem Strukturteil und einen mit dem Gehäuse körperschallgekoppelten Körperschallsensor zur Feststellung einer Beschädigung der Hochspannungskomponente aufweist.
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Die Erfindung schlägt mithin vor, in die Hochspannungskomponente einen Bruchsensor bzw. Beschädigungssensor zu integrieren, der als ein Körperschallsensor ausgebildet ist. Nachdem ferner vorgeschlagen wird, das Gehäuse der Hochspannungskomponente schallgedämpft am Kraftfahrzeug zu lagern, wird die Körperschallübertragung vom Kraftfahrzeug auf die Hochspannungskomponente vermieden, so dass die Hochspannungskomponente letztlich als ein geschlossenes System betrachtet werden kann, das bedeutet, die Wechselwirkung zwischen dem Kraftfahrzeug, konkret dem Strukturteil, an dem das Gehäuse befestigt ist, und der Hochspannungskomponente im normalen Fahrbetrieb wird minimiert. Auf diese Weise ist es möglich, die Hochspannungskomponente unabhängig von dem Kraftfahrzeug auszulegen, so dass zusätzliche Crashversuche eingespart werden können.
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Während des Beschädigungsvorgangs kann der Körperschallsensor mithin diese Beschädigung vermessen und somit lokal feststellen, wenn beispielsweise ein Bruch des Gehäuses und/oder der Befestigung und/oder anderer Komponenten stattfindet. Durch die körperschallgekoppelte Verbindung mit dem Gehäuse kann der Körperschallsensor, unabhängig von seiner konkreten Anordnung, Beschädigungen an der gesamten Hochspannungskomponente verlässlich feststellen. Somit ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Sicherheit der Feststellung einer Beschädigung der Hochspannungskomponente zu erhöhen und Hochspannungskomponenten können bei Bedarf in exponierter Lage des Kraftfahrzeugs positioniert werden, beispielsweise unter dem Kotflügel. Eine Beschädigung des Bauteils bzw. der Hochspannungskomponente kann unmittelbar an dieser gemessen werden und es können entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise können Körperschallschwingungen im hörbaren Schallbereich, beispielsweise im Bereich von 100 Hz bis 20 KHz, im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrachtet werden kann.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an der Befestigungseinrichtung wenigstens eine Sollbruchstelle vorgesehen ist, insbesondere durch eine Querschnittsverengung eines länglichen Befestigungselements der Befestigungseinrichtung. Durch das Vorsehen einer solchen Sollbruchstelle kann ein definierter Bruch der Befestigung realisiert werden, so dass die Auslegung des Körperschallsensors und/oder der Auswertung der Sensordaten des Körperschallsensors gezielt auf eine erwartete Erschütterung bei Beschädigungen an der Sollbruchstelle abgestellt werden kann. Beispielsweise können Sollbruchstellen an Befestigungsschrauben als Befestigungselementen der Befestigungseinrichtung vorgesehen werden. Die Festigkeit des Gehäuses kann zweckmäßigerweise mit der Festigkeit der Sollbruchstellen abgestimmt realisiert werden, so dass bei einer Beaufschlagung des Gehäuses mit Kräften ein Abbrechen der Befestigung ermöglicht wird. Das Brechen der Sollbruchstelle, insbesondere der Verschraubung, kann über die Körperschallentstehung beim Bruch selber mittels des Körperschallsensors vermessen werden.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es selbstverständlich auch denkbar ist, andere Beschädigungen der Hochspannungskomponente zu vermessen, insbesondere, wenn ein Vorsehen von Sollbruchstellen nicht möglich ist oder nicht gewünscht ist. Auch eine Deformation des Gehäuses und dergleichen können durch den bei der Beschädigung auftretenden Körperschall selbstverständlich vermessen werden.
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Zweckmäßigerweise kann die Entkopplungseinrichtung wenigstens einen zwischen dem Gehäuse und dem Strukturteil und/oder zwischen einem dem Gehäuse abgewandten, flächigen Abschlusselement an einem Befestigungselement der Befestigungseinrichtung und dem Strukturteil anzuordnendes Dämpfungselement, insbesondere einen Gummidämpfer, aufweisen. Die Entkopplung kann also über geeignete Dämpfungseinrichtungen, beispielsweise Gummidämpfer, erreicht werden, wobei jedoch auch andere elastische Dämpfungselemente denkbar sind. So kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, sowohl ein insbesondere integral mit dem Befestigungselement ausgebildetes flächiges Abschlusselement über einen Gummidämpfer gegen das Strukturteil schallzudämpfen, als auch ein Dämpfungselement auf der gegenüberliegenden Seite des Strukturteils zwischen dem Strukturteil und dem Gehäuse anzuordnen. Dabei kann das Befestigungselement, welches zweckmäßigerweise als Schraube ausgebildet ist, bei der das flächige Abschlusselement durch den Schraubenkopf gebildet wird, durch eine Durchgangsöffnung des Strukturteils geführt werden, was sowohl freitragend geschehen kann als auch durch ein weiteres, sich beispielsweise um das Befestigungselement in der Durchgangsöffnung erstreckendes Dämpfungselement geschehen kann. Gummidämpfer sind hier besonders bevorzugt, da sie nicht nur für eine Schallbedämpfung sorgen, sondern auch bei einem berührungslos durch das Strukturteil geführten Befestigungselement durch die Reibungskräfte ein Verrutschen vermeiden, durch das das Befestigungselement in Kontakt mit dem Strukturteil kommen könnte.
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Vorzugsweise ist der Körperschallsensor auf einer fest mit dem Gehäuse verbundenen, insbesondere auch das Bauteil tragenden Leiterplatte angeordnet. Nachdem Leiterplatten in den Hochspannungskomponenten ohnehin häufig vorhanden sind, um das wenigstens eine Bauteil zu tragen, gegebenenfalls gemeinsam mit weiteren elektronischen, beispielsweise der Steuerung dienenden Komponenten, ist es zweckmäßig, auch den Körperschallsensor, insbesondere wenigstens teilweise in Halbleitertechnologie, auf der Leiterplatte zu realisieren. Die Leiterplatte selbst wird mit dem Gehäuse der Hochspannungskomponente fest verbunden, so dass der Körperschall gut zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte übertragbar ist.
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Der Körperschallsensor kann beispielsweise als ein kapazitiver Sensor ausgebildet sein. Derartige kapazitive Sensoren lassen sich äußerst kleinbauend realisieren, beispielsweise unter Verwendung einer Mikromechanik, und nehmen hochqualitative Sensordaten auf, durch deren Auswertung Beschädigungen der Hochspannungskomponente bzw. der Befestigungseinrichtung/des Gehäuses leicht detektiert werden können. Grundsätzlich sind selbstverständlich auch andere Arten von Körperschallsensoren denkbar, beispielsweise auf hydraulischen und/oder pneumatischen Wechselwirkungen basierende Sensoren oder auch piezoelektrische Sensoren, die beispielsweise auf Halbleiterbasis und somit vollständig auf einer Leiterplatte realisiert werden können, und dergleichen.
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Die Auswertung der Sensorsignale kann entweder an der Hochspannungskomponente selber oder aber an einer anderen Position im Kraftfahrzeug erfolgen. Im erstgenannten Fall kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Hochspannungskomponente eine Steuereinheit zur Auswertung der Signale des Körperschallsensors und zur Deaktivierung der Hochspannungskomponente bei Feststellung einer Beschädigung aufweisen. Dabei kann die Steuereinheit zweckmäßig auch auf der bereits genannten Leiterplatte angeordnet sein, was die hoch integrierte Ausbildung der Hochspannungskomponente weiter verbessert. Die Steuereinheit kann auch zur Steuerung des Bauteils und/oder weiterer Komponenten der Hochspannungskomponente selbst ausgebildet sein.
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Sollen die Sensordaten des Körperschallsensors außerhalb der Hochspannungskomponente ausgewertet werden, insbesondere in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs, kann die Schnittstelle der Hochspannungskomponente diesbezüglich beispielsweise um eine entsprechende Signalleitung erweitert werden, über die die Sensordaten des Körperschallsensors an die auswertende Stelle übermittelt werden können.
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Neben der Hochspannungskomponente betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens eine Hochspannungskomponente der erfindungsgemäßen Art. Sämtliche Ausführungen bezüglich der Hochspannungskomponente lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchem mithin die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung, in der das Kraftfahrzeug ein zur Auswertung der Signale des Körperschallsensors und zur Deaktivierung der Hochspannungskomponente bei Feststellung einer Beschädigung ausgebildetes Steuergerät aufweist. Dabei kann es sich beispielsweise um ein ohnehin wenigstens einem Sicherheitssystem zugeordnetes Steuergerät handeln, beispielsweise ein Airbag-Steuergerät, in welchem alle unfallrelevanten Daten des Kraftfahrzeugs zentral verarbeitet und gehandhabt werden. Eine Auswertung außerhalb der Hochspannungskomponente kann zweckmäßig sein, wenn ein zentraler Überblick über aufgetretene Beschädigungen und gegebenenfalls daraus resultierende Deaktivierungen gegeben werden sollen, oder aber auch dann, wenn die Hochspannungsversorgung der Hochspannungskomponente über eine extern zur Hochspannungskomponente vorgesehene Schalteinrichtung oder dergleichen deaktiviert werden muss.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 das Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Hochspannungskomponente, und
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3 eine konkrete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochspannungskomponente.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, welches ein Niedrigspannungsnetz und ein Hochspannungsnetz, dessen Spannung höher als die des Niedrigspannungsnetzes ist, aufweist. Im Hochspannungsnetz liegen bei der Hochspannung des Hochspannungsnetzes zu betreibende Bauteile 2 vor, die in erfindungsgemäßen Hochspannungskomponenten 3 angeordnet sind. Über eine Schnittstelle sind die Hochspannungskomponenten 3 mit einem Steuergerät 4 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden, hier einem Airbag-Steuergerät, welches auch Sensorsignale eines innerhalb der Hochspannungskomponente 3 angeordneten Körperschallsensors auswertet, um festzustellen, ob eine Beschädigung an der entsprechenden Hochspannungskomponente 3 vorliegt, welche dann in einem derartigen Fall außer Betrieb genommen und strom-/spannungsfrei geschaltet werden kann.
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2 zeigt das Grundprinzip einer erfindungsgemäßen Hochspannungskomponente 3 genauer. Diese weist ein Gehäuse 5 auf, in dem das Bauteil 2 vorgesehen ist. Das Gehäuse 5 ist über eine Befestigungseinrichtung 6 mit einem Strukturteil 7 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Damit kein Körperschall zwischen der Hochspannungskomponente 3 und dem Strukturteil 7 übertragen werden kann, die Hochspannungskomponente 3 mithin diesbezüglich entkoppelt realisiert ist, ist ferner eine Entkopplungseinrichtung 8 vorgesehen. Die Entkopplungseinrichtung 8 minimiert die Körperschallübertragung zwischen dem Strukturteil 7 und den übrigen Komponenten der Hochspannungskomponente 3, insbesondere dem Gehäuse 5 und einem mit dem Gehäuse 5 körperschallgekoppelten Körperschallsensor 9. Nimmt der Körperschallsensor 9 mithin Sensordaten auf, die auf eine Beschädigung hindeutende Frequenzmuster enthalten, ist von einer Beschädigung an der Hochspannungskomponente 3 selbst insbesondere im Bereich des Gehäuses 5 oder der Befestigungseinrichtung 6, auszugehen.
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3 zeigt hierzu eine mögliche konkrete Ausgestaltung einer Hochspannungskomponente 3. Dabei ist das Bauteil 2 auf einer Leiterplatte 9 vorgesehen, welche über Schrauben 10 fest, mithin körperschallleitend, mit dem Gehäuse 5 verbunden ist, welches vorliegend als ein Aluminium-Druckguss-Gehäuse ausgebildet ist. Auf der Leiterplatte 11 ist vorliegend auch der Körperschallsensor 9 realisiert, der vorliegend als kapazitiver Sensor ausgebildet ist. Somit können alle Körperschallanregungen des Gehäuses 5 über den Körperschallsensor 9 genauso vermessen werden, wie Körperschallanregungen der Befestigungseinrichtung 6, auf welche nun näher eingegangen wird. Die Befestigungseinrichtung 6 umfasst als Befestigungselemente vorliegend zwei Schrauben 12, die fest verbunden in das Gehäuse 5 eingeschraubt sind und jeweils eine Sollbruchstelle 13 aufweisen, an der ihr Durchmesser verjüngt ist. Die Festigkeit des Gehäuses 5 und die Sollbruchstellen 13 sind aufeinander abgestimmt, so dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch bei einer Druckbelastung des Gehäuses 5 bevorzugt ein Bruch an der Sollbruchstelle 13 auftritt, was besonders einfach über den Körperschallsensor 9 zu detektieren ist. Selbstverständlich kann die Auswertung der Sensordaten des Körperschallsensors 9 dennoch auch in diesem Ausführungsbeispiel derart erfolgen, dass Beschädigungen des Gehäuses 5 selber, beispielsweise Deformationen, erkannt werden.
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Um die Befestigungseinrichtung 6 und somit die gesamte Hochspannungskomponente 3 von dem Strukturteil 7 des Kraftfahrzeugs zu entkoppeln, weist die Entkopplungseinrichtung 8 vorliegend als Gummidämpfer 14 ausgebildete Dämpfungselemente auf, die jeweils zwischen dem Gehäuse 5 und dem Strukturteil 7 bzw. zwischen einem Schraubenkopf 15 als flächiges Abschlusselement der Schrauben 12 und dem Strukturteil 7 vorgesehen sind. Die Schraube 12 selber kann hierbei entweder berührungslos durch eine Durchgangsöffnung im Strukturteil 7 geführt sein, es ist jedoch auch denkbar, ein weiteres Dämpfungselement zwischen der Schraube 12 als Befestigungselement der Befestigungseinrichtung 6 und dem Strukturteil 7 vorzusehen, um hier eine Körperschallübertragung möglichst weitgehend zu vermeiden.
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Soll in einer modifizierten Ausführungsform die Auswertung der Sensordaten des Körperschallsensors 9 innerhalb der Hochspannungskomponente 3 erfolgen, kann auf der Leiterplatte 11 auch eine Steuereinheit realisiert sein, die zur Auswertung der Sensordaten des Körperschallsensors 9 und zum Deaktivieren der Hochspannungskomponente 3, insbesondere des Bauteils 2, bei Detektion einer Beschädigung ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012001594 A1 [0006]
