DE102015016696A1

DE102015016696A1 - Kurzschlusserkennung durch Lichtsignal und Einleitung der Fahrzeugreaktion

Info

Publication number: DE102015016696A1
Application number: DE102015016696.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Schäffler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbordnetzanordnung (10) mit einem Hochvoltbordnetz (12), mindestens einer mit dem Hochvoltbordnetz (12) elektrisch koppelbaren Komponente (14, 16, 18) und einer Kurzschlussdetektionseinrichtung (22), welche dazu ausgelegt ist, einen Kurzschluss zu detektieren. Dabei umfasst die Kurzschlussdetektionseinrichtung (22) einen der Komponente (14, 16, 18) zugeordneten Lichtsensor (24) und ist dazu ausgelegt ist, den Kurzschluss in Abhängigkeit von einem durch den Lichtsensor (24) bereitgestellten Lichtsensorsignal (24a) zu detektieren.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hochvoltbordnetzanordnung und einem Verfahren zur Kurzschlussdetektion in einer Hochvoltbordnetzanordnung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeuge weisen bekanntermaßen ein Hochvoltbordnetz auf, mit welchem diverse Komponenten gekoppelt sein können. Solche Komponenten sind beispielsweise eine HV(Hochvolt)-Batterie, Wandlereinrichtungen, wie beispielsweise DC/DC-Wandler oder DC/AC-Wandler, elektrische Verbraucher, und je nach Kraftfahrzeugtyp beispielsweise eine Brennstoffzelle und/oder ein Elektromotor, welche über entsprechende Wandlereinrichtungen mit dem Hochvoltbordnetz gekoppelt sind.
Bei Hochvoltfahrzeuganwendungen besteht immer die Gefahr, dass es zu Kurzschlüssen im Hochvoltbordnetz kommt. Diese Kurzschlüsse können beispielsweise in Hochvoltkomponenten, die oft sehr komplex aufgebaut sind, auftreten. Um solche Kurzschlüsse zu detektieren, kann die HV-Batterie beispielsweise eine Hochvoltsicherung aufweisen, die im Falle eines Kurzschlusses auslöst. Unter Umständen kann jedoch der zeitliche Versatz zwischen dem Auftreten des Kurzschlusses und dem Auslösen der Hochvoltsicherung sehr groß sein, und zwischenzeitlich kann weiterhin ungehindert Energie von der Hochvoltbatterie in das Hochvoltsystem fließen, was zu großen Schäden im Hochvoltbordnetz führen kann und auch ein großes Gefährdungspotenzial darstellt.
Beispielsweise beschreibt die DE 103 33 674 A1 ein Lichtbogenüberwachungssystem in einem Bordnetz, bei dem Mittel zur Erkennung und Unterbrechung von an Verbindungsleitungen und Verbindungselementen, insbesondere Steckverbindern, in Spannungskreisen auftretenden seriellen Lichtbögen vorgesehen sind. Dabei ist dem jeweiligen Steckverbinder eine Schaltungsanordnung zugeordnet, mit deren Hilfe alle stromführenden Verbindungsleitungen des Steckverbinders einzeln kontrollierbar sind.
Des Weiteren beschreibt die DE 11 2010 002 582 T5 ein Störlichtbogenerkennungssystem mit einem faseroptischen Sensor zum Erkennen von Merkmalen eines Störlichtbogens und einem Prozessor zum Verarbeiten von zumindest zwei Merkmalen des Störlichtbogens.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Hochvoltbordnetzanordnung und ein Verfahren zur Kurzschlussdetektion bereitzustellen, welche eine möglichst schnelle Kurzschlussdetektion ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hochvoltbordnetzanordnung und ein Verfahren zur Kurzschlussdetektion mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Hochvoltbordnetzanordnung weist ein Hochvoltbordnetz, mindestens eine mit dem Hochvoltbordnetz elektrisch koppelbare Komponente und eine Kurzschlussdetektionseinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, einen Kurzschluss zu detektieren. Erfindungsgemäß umfasst die Kurzschlussdetektionseinrichtung einen der Komponente zugeordneten Lichtsensor und ist dazu ausgelegt den Kurzschluss in Abhängigkeit von einem durch den Lichtsensor bereitgestellten Lichtsensorsignal zu detektieren. Der Lichtsensor kann der Komponente beispielsweise dadurch zugeordnet sein, dass er an der Komponente und/oder zumindest zum Teil innerhalb eines Gehäuses der Komponente angeordnet ist. Die Erfindung hat den großen Vorteil, dass durch die Verwendung des Lichtsensors eine unmittelbare Detektion eines Kurzschlusses in der Komponente durch die Detektion des durch den Kurzschluss hervorgerufenen Lichtbogens möglich ist. Es muss also beispielsweise nicht gewartet werden, bis eine Hochvoltsicherung auslöst. Damit lassen sich Kurzschlüsse vorteilhafterweise deutlich schneller erkennen und damit auch entsprechende Sicherheitsmaßnahmen deutlich schneller einleiten.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die mindestens eine Komponente eine Wandlereinrichtung und/oder einen Energiespeicher und/oder eine Energiequelle und/oder einen elektrischen Verbraucher dar. Insbesondere können dabei Lichtsensoren auch in mehreren Komponenten, die mit dem Hochvoltbordnetz gekoppelt sind oder koppelbar sind, verbaut sein, sodass für jede Komponente eine besonders sichere Kurzschlussüberwachung bereitgestellt ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Hochvoltbordnetzanordnung einen mit dem Hochvoltbordnetz elektrisch koppelbaren Energiespeicher, insbesondere eine HV-Batterie, auf, wobei die Kurzschlussdetektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Lichtsensorsignal den Energiespeicher in einen mit dem Hochvoltbordnetz gekoppelten Zustand vom Hochvoltbordnetz elektrisch zu trennen. Dadurch kann vorteilhafterweise unverzüglich die HV-Batterie vom restlichen Hochvoltsystem getrennt werden und es kann verhindert werden, dass weiter Energie von der HV-Batterie in das Hochvoltsystem fließt. Dadurch lassen sich größere Schäden vermeiden und das Gefahrenpotenzial kann deutlich verringert werden. Auch kann das Signal an weitere betroffene Steuergeräte übermittelt werden.
Beispielsweise ist es auch besonders vorteilhaft, wenn die Kurzschlussdetektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Lichtsensorsignal ein, insbesondere optisches, Warnsignal auszugeben. Insbesondere kann im Bedien- und Anzeigekonzept eine rote Warnlampe gesetzt werden, die damit vorteilhafterweise den Fahrer des Kraftfahrzeugs informiert.
Ist das Kraftfahrzeug beispielsweise als Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet, welches die erfindungsgemäße Hochvoltbordnetzanordnung umfasst, kann als weitere Maßnahme beispielsweise auch das Brennstoffzellensystem vom Hochvoltbordnetz abgekoppelt werden und/oder die Medienzuführung zum Brennstoffzellensystem unterbunden werden.
Durch die optische Erfassung von Kurzschlusslichtbögen mittels Lichtsensoren wird damit vorteilhafterweise eine unmittelbare und besonders schnelle Erfassung von Kurzschlüssen sowie eine besonders schnelle Einleitung von entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen ermöglicht, welche den Schutz des Hochvoltsystems und der Hochvoltbatterie deutlich erhöhen, mehr Schutz gegen ein thermisches Event bieten und Sekundärschäden am Kraftfahrzeug abwenden können.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kurzschlussdetektion in einer Hochvoltbordnetzanordnung mit einem Hochvoltbordnetz und mindestens einer mit dem Hochvoltbordnetz elektrisch koppelbaren Komponente. Dabei wird ein Kurzschluss in Abhängigkeit von einem durch einen der Komponente zugeordneten Lichtsensor bereitgestellten Lichtsensorsignal detektiert.
Die für die erfindungsgemäße Hochvoltbordnetzanordnung genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Hochvoltbordnetzanordnung und ihren Ausgestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch weitere Verfahrensschritte.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Hochvoltbordnetzanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hochvoltbordnetzanordnung 10 umfasst ein Hochvoltbordnetz 12 und diverse mit diesen gekoppelten Komponenten. Diese Komponenten stellen beispielsweise eine HV-Batterie 14 und Wandlereinrichtungen dar. Eine der Wandlereinrichtungen ist als DC/DC-Wandler 16 ausgebildet, welcher die Hochvoltspannung auf eine 12 Volt-Spannung wandelt, um mit dieser Niedervoltspannung beispielsweise diverse Niedervoltverbraucher zu versorgen. Eine weitere Wandlereinrichtung ist als DC/AC-Wandler 18 ausgebildet, welcher mit der als Elektromotor 20 ausgebildeten Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Darüber hinaus kann die Hochvoltbordnetzanordnung 10 noch weitere, nicht dargestellte Komponenten, wie beispielsweise Hochvoltverbraucher, ein Brennstoffzellensystem, ein Ladegerät, und dergleichen aufweisen.
Darüber hinaus weist die Hochvoltbordnetzanordnung 10 einen Kurzschlussdetektionseinrichtung 22 auf. Diese umfasst zum einen Lichtsensoren 24, die in Hochvoltkomponenten, hier exemplarisch im DC/DC-Wandler 16 und im DC/AC-Wandler 18, der Hochvoltbordnetzanordnung 10 verbaut sind, aber auch in anderen mit dem Hochvoltbordnetz 12 gekoppelten Komponenten verbaut sein können. Zum anderen umfasst die Kurzschlussdetektionseinrichtung 22 eine Hochvolttrenneinheit 26 mit einer Steuereinrichtung 26a zum Ansteuern von Schaltelementen, insbesondere Schützen 26b, über welche die HV-Batterie 14 mit dem Hochvoltbordnetz 12 koppelbar und von diesem elektrisch trennbar ist. Hierbei ist exemplarisch nur ein Schütz 26b dargestellt, bevorzugt ist jedoch ein jeweiliger Batteriepol über einen solchen Schütz 26b mit dem Hochvoltbordnetz 12 koppelbar und von diesem trennbar.
Kommt es nun zu einem Kurzschluss in einer der Hochvoltkomponenten, insbesondere dem DC/DC-Wandler 16 oder dem DC/AC-Wandler 18, so verursacht dieser in der Komponente einen Lichtbogen, welcher nun vorteilhafterweise unmittelbar durch den entsprechenden Lichtsensor 24 der betreffenden Komponente optisch erfasst wird. Das Lichtsensorsignal 24a wird unmittelbar an die HV-Trenneinheit 26 übermittelt, woraufhin die Steuereinheit 26a die Schütze 26b entsprechend ansteuert, um die HV-Batterie 14 vom Hochvoltbordnetz 12 zu trennen. Durch die Lichtsensoren 24 lässt sich somit ein Kurzschluss in einer jeweiligen Komponente unmittelbar erkennen, sodass die Aktion der schnellstmöglichen Trennung herbeigeführt werden kann, da der Lichtsensor 24 das Unterbrechungssignal direkt an die HV-Trenneinheit 26 weiterleitet. Dadurch wird unverzüglich die HV-Batterie 14 vom restlichen Hochvoltsystem getrennt, und damit die Energiezufuhr von der HV-Batterie 14 zum Hochvoltbordnetz 12 unmittelbar unterbunden. Zudem kann das Lichtsensorsignal 26a ebenfalls an die betroffenen Steuergeräte in den jeweiligen Komponenten übermittelt werden, sodass auch hier unverzüglich entsprechende Sicherheitsmaßnahmen, wie das Abschalten der betreffenden Komponenten, eingeleitet werden können.
Zusätzlich ist es vorgesehen, dass, wenn von der Kurzschlussdetektionseinrichtung 22 ein Kurzschluss detektiert wurde, auch ein Warnsignal an den Fahrer, zum Bespiel in Form einer roten Warnlampe im Bedien- und Anzeigekonzept, ausgegeben wird. Weist die Hochvoltbordnetzanordnung 10 beispielsweise auch ein Brennstoffzellensystem oder ein aktuell zum Laden der HV-Batterie 14 mit dem Hochvoltbordnetz 12 gekoppeltes Ladegerät auf, so können auch diesbezüglich entsprechende Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden, beispielsweise die Deaktivierung und Abkopplung des Brennstoffzellensystems oder die Unterbrechung des Ladevorgangs.
Insgesamt wird so eine Hochvoltbordnetzanordnung und ein Verfahren zur Kurzschlussdetektion bereitgestellt, welche es durch die optische Erfassung von Kurzschlüssen mittels Lichtsensoren ermöglichen, Kurzschlüsse gleich bei ihrer Entstehung zu erfassen und dadurch besonders schnell Sicherheitsmaßnahmen einzuleiten. Dadurch werden ein deutlich erhöhter Schutz des Hochvoltsystems und der Hochvoltbatterie sowie ein Schutz gegen ein thermisches Event und vor Sekundärschäden am Kraftfahrzeug bereitgestellt.
Bezugszeichenliste

10: Hochvoltbordnetzanordnung
12: Hochvoltbordnetz
14: HV-Batterie
16: DC/DC-Wandler
18: DC/AC-Wandler
20: Elektromotor
22a: Kurzschlussdetektionseinrichtung
24: Lichtsensor
24a: Sensorsignal
26: HV-Trenneinheit
26a: Steuereinrichtung
26b: Schütz
28: Lichtbogen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10333674 A1 [0004]
DE 112010002582 T5 [0005]

Claims

Hochvoltbordnetzanordnung (10) mit einem Hochvoltbordnetz (12), mindestens einer mit dem Hochvoltbordnetz (12) elektrisch koppelbaren Komponente (14, 16, 18) und einer Kurzschlussdetektionseinrichtung (22), welche dazu ausgelegt ist, einen Kurzschluss zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussdetektionseinrichtung (22) einen der Komponente (14, 16, 18) zugeordneten Lichtsensor (24) umfasst und dazu ausgelegt ist, den Kurzschluss in Abhängigkeit von einem durch den Lichtsensor (24) bereitgestellten Lichtsensorsignal (24a) zu detektieren.
Hochvoltbordnetzanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Komponente (14, 16, 18) eine Wandlereinrichtung (16, 18) und/oder einen Energiespeicher (14) und/oder eine Energiequelle und/oder einen elektrischen Verbraucher darstellt.
Hochvoltbordnetzanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbordnetzanordnung (10) einen mit dem Hochvoltbordnetz (12) elektrisch koppelbaren Energiespeicher (14), insbesondere eine HV-Batterie (14), aufweist, wobei die Kurzschlussdetektionseinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Lichtsensorsignal (24a) den Energiespeicher (14) in einem mit dem Hochvoltbordnetz (12) gekoppelten Zustand vom Hochvoltbordnetz (12) elektrisch zu trennen.
Hochvoltbordnetzanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussdetektionseinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Lichtsensorsignal (24a) ein, insbesondere optisches, Warnsignal auszugeben.
Verfahren zur Kurzschlussdetektion in einer Hochvoltbordnetzanordnung (10) mit einem Hochvoltbordnetz (12) und mindestens einer mit dem Hochvoltbordnetz (12) elektrisch koppelbaren Komponente (14, 16, 18), dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurzschluss in Abhängigkeit von einem durch einen der Komponente (14, 16, 18) zugeordneten Lichtsensor (24) bereitgestellten Lichtsensorsignal (24a) detektiert wird.