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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers eines Fahrzeugbordnetzes gegen einen Fehlerstrom, wobei das Fahrzeugbordnetz eine erste Versorgungspotentialebene und eine zweite Versorgungspotentialebene umfasst und der Verbraucher über eine Hinleitung mit der ersten Versorgungspotentialebene und eine Rückleitung mit der zweiten Versorgungspotentialebene gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeugbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
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Bei gegenwärtigen Kraftfahrzeugen sind die verschiedenen Leitungen eines Fahrzeugbordnetzes, welche Verbraucher mit einer Energiequelle verbinden, mittels Schmelzsicherungen gegen zu hohe Ströme abgesichert. Schmelzsicherungen bieten jedoch lediglich einen Schutz der Leitung, jedoch keinen dezidierten Schutz von an die jeweilige Leitung angeschlossenen Verbrauchern. In den Leitungen oder Verbrauchern auftretende Fehlerströme, beispielsweise durch einen Defekt der Leitungen oder des Verbrauchers, können mit Hilfe einer Schmelzsicherung hingegen weder detektiert noch abgesichert werden.
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Bei herkömmlichen Fahrzeugen mit einer Karosserie aus Stahl wird üblicherweise keine gesonderte Masseleitung verlegt, sondern die Karosserie als eine der Versorgungspotentialebenen des Fahrzeugbordnetzes genutzt. Demgegenüber wird bei den neuerdings aus CFK gefertigten Karossen eine gesonderte Leitung zur Rückführung eines Bezugspotentials zu einem Energiespeicher erforderlich, da dort die nicht leitfähige Karosserie nicht als Versorgungspotentialebene genutzt werden kann. Fehlerströme können daher insbesondere bei Fahrzeugen mit einer CFK-Karosserie auftreten, da dort jeder Verbraucher über eine Hin- und Rückleitung an das Fahrzeugbordnetz angeschlossen ist und dort die Gefahr von Kurzschlüssen erhöht ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, welche den Schutz eines elektrischen Verbrauchers eines Fahrzeugbordnetzes gegen einen Fehlerstrom ermöglicht.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechendes Fahrzeugbordnetz anzugeben.
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Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem die an ein Kraftfahrzeugbordnetz angeschlossenen Verbraucher gegen einen Fehlerstrom gesondert geschützt sind.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1, ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß den Merkmalen des Anspruches 11 und ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruches 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers eines Fahrzeugbordnetzes gegen einen Fehlerstrom vorgeschlagen, wobei das Fahrzeugbordnetz eine erste Versorgungspotentialebene und eine zweite Versorgungspotentialebene umfasst und der Verbraucher über eine Hinleitung mit der ersten Versorgungspotentialebene und eine Rückleitung mit der zweiten Versorgungspotentialebene gekoppelt ist. Die erste Versorgungspotentialebene kann z.B. durch eine durch das Fahrzeug geführte Leitung bereitgestellt sein. Die erste Versorgungspotentialebene dient zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung von z.B. 12 V oder 48 V oder einer Spannung anderer Höhe in dem Fahrzeugbordnetz. Die zweite Versorgungspotentialebene kann z.B. durch eine durch das Fahrzeug geführte andere Leitung oder die Karosserie des Fahrzeugs bereitgestellt sein. Die zweite Versorgungspotentialebene dient zur Bereitstellung eines Bezugspotentials, z.B. eines Massepotentials.
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Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Hinleitung und/oder der Rückleitung ein steuerbares Schaltelement angeordnet ist, das im Normalfall leitend geschaltet ist und bei Auftreten eines Fehlerstroms durch eine Steuereinheit sperrend schaltbar ist, wobei ein von der Steuereinheit erzeugbares Auslösesignal zur Steuerung der Stellung des Schaltelements durch den Zustand eines ersten und/oder eines zweiten Aktuators festgelegt ist. Ein „Normalfall“ liegt vor, wenn in dem Fahrzeugbordnetz und/oder in dem Verbraucher kein Fehler vorliegt. Ein Fehlerstrom kann durch einen Fehler in dem Verbraucher hervorgerufen sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Fehlerstrom durch einen Fehler in dem Fahrzeugbordnetz, d.h. einer dem Fahrzeugbordnetz zuzurechnenden Leitung, hervorgerufen sein. Der Fehlerstrom kann z.B. durch einen Kurzschluss der Hinleitung mit der Rückleitung oder einer weiteren Versorgungspotentialebene oder -leitung hervorgerufen sein. Der Fehlerstrom kann auch durch einen Kurzschluss der Rückleitung mit einer weiteren Versorgungspotentialebene oder -leitung, z.B. einer anderen Masseleitung, hervorgerufen sein. Unter einer „Stellung des Schaltelements“ ist ein Leitendschalten oder Sperrendschalten des Schaltelements zu verstehen.
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Ferner zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass ein Messmittel vorgesehen ist, das dazu ausgebildet ist, einen ersten Strom in der Hinleitung und einen zweiten Strom in der Rückleitung zu ermitteln und eine dem ersten und dem zweiten Strom entsprechende erste und zweite Information als erstes und zweites Ansteuersignal für die Ansteuerung des ersten und des zweiten Aktuators zur Festlegung deren Zustands bereitzustellen, wobei, wenn der erste und der zweite Strom gleich groß sind, der erste und der zweite Aktuator einen gleichen Zustand aufweisen, wodurch kein Auslösesignal erzeugt wird, und wobei, wenn der erste und der zweite Strom unterschiedlich groß sind, der erste und der zweite Aktuator einen unterschiedlichen Zustand aufweisen, wodurch das Auslösesignal erzeugt wird.
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Mit anderen Worten sieht die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung vor, den Strom in einer Leitung vor und nach dem Verbraucher zu messen und zu überprüfen, ob eine Differenz zwischen den beiden Strömen besteht. Liegt eine solche Differenz vor, so wird ein in der Hinleitung und/oder der Rückleitung angeordnetes steuerbares Schaltelement angesteuert, um den Verbraucher von der ersten Versorgungspotentialebene und/oder der zweiten Versorgungspotentialebene zu trennen. Die Umsetzung zur Ansteuerung des Schaltelements erfolgt mit Hilfe von einfachen Aktuatoren. Die Vorrichtung ermöglicht es dadurch, anhand des Ermittelns eines Differenzstromes Fehlerströme durch einen Verbraucher zu erkennen.
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Um die Genauigkeit der Steuereinheit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung optimieren zu können, sind der erste und der zweite Aktuator derart ausgebildet, dass diese bei gleichem erstem und zweitem Ansteuersignal ein identisches Verhalten der Veränderung ihres Zustands aufweisen. Dies bedeutet, solange der erste Strom und der zweite Strom, unabhängig von der absoluten Höhe, gleich groß sind, wird durch die Steuereinheit kein Auslösesignal erzeugt. Lediglich bei unterschiedlicher Höhe des ersten und des zweiten Stroms, welcher zu unterschiedlichen ersten und zweiten Ansteuersignalen führt, wird das Auslösesignal durch die Steuereinheit erzeugt.
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Der erste und/oder der zweite Aktuator können gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung Piezoaktuatoren sein, welche in Abhängigkeit einer an sie angelegten Spannung eine Längenänderung vollziehen. Fließt in der Hinleitung und in der Rückleitung ein gleich großer erster und zweiter Strom, so haben die Piezoaktuatoren gleiche Längenausdehnungen. Damit wird im Ergebnis kein Auslösesignal durch die Steuereinheit erzeugt. Sind der erste und der zweite Strom in der Hinleitung und der Rückleitung unterschiedlich groß, so ist die Längenänderung der Piezoaktuatoren unterschiedlich, wodurch das Auslösesignal durch die Steuereinheit erzeugt wird.
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Die erste und/oder die zweite Information, welche als erstes und zweites Ansteuersignal für die Ansteuerung des ersten und des zweiten Aktuators genutzt werden, sind zweckmäßigerweise eine Spannung.
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Die Steuereinheit kann ein mikro-mechanisches Bauelement umfassen, welches die mechanische(n) Bewegung(en) des ersten und des zweiten Aktuators in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Stroms in ein Auslösesignal umsetzt oder nicht.
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Das mikro-mechanische Bauelement kann einen drehbar gelagerten Balken umfassen, der abhängig von dem jeweiligen Zustand des ersten und des zweiten Aktuators einen ersten oder einen zweiten Endschalter oder keinen der beiden Endschalter des mikro-mechanischen Bauelements betätigt.
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Das Messmittel kann gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung einen ersten Messshunt und einen zweiten Messshunt umfassen, die in Abhängigkeit des durch sie fließenden ersten und zweiten Stroms ein jeweiliges Spannungssignal als erstes und zweites Signal als Ansteuersignal abgeben. Das Spannungssignal kann beispielsweise direkt an den ersten und den zweiten Aktuator angelegt werden, so dass die Vorrichtung keine Hilfsenergie benötigt.
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Um beispielsweise eine größere Längenänderung des ersten und/oder des zweiten Aktuators aufgrund der von dem Messmittel bereitgestellten Spannungen erzeugen zu können, kann es zweckmäßig sein, zwischen dem Messmittel und dem ersten und/oder zweiten Aktuator einen jeweiligen Verstärker vorzusehen.
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Die Stellung, d.h. der Schaltzustand des steuerbaren Schaltelements kann reversibel oder irreversibel sein. Als steuerbares Schaltelement kann beispielsweise ein Relais eingesetzt werden. Das steuerbare Schaltelement kann auch durch einen Transistor, z.B. einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffektschalter (MOSFET) gebildet sein.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn das steuerbare Schaltelement in der Hinleitung und/oder der Rückleitung angrenzend an die erste Versorgungspotentialebene angeordnet ist. Darüber hinaus ist es für eine möglichst einfache Integration der Schutzvorrichtung in einem Kraftfahrzeug zweckmäßig, die Schutzvorrichtung mit ihren Komponenten angrenzend an die erste Versorgungspotentialebene anzuordnen.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Kraftfahrzeugbordnetz für ein Kraftfahrzeug, das eine erste Versorgungspotentialebene und eine zweite Versorgungspotentialebene sowie einen Verbraucher umfasst, der über eine Hinleitung mit der ersten Versorgungspotentialebene und eine Rückleitung mit der zweiten Versorgungspotentialebene gekoppelt ist. Das Kraftfahrzeugbordnetz zeichnet sich dadurch aus, dass der Verbraucher zu seinem Schutz gegen einen Fehlerstrom mit einer Vorrichtung der hier beschriebenen Art gekoppelt ist.
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Es ist zweckmäßig, dass bei einem Kraftfahrzeugbordnetz, das eine Mehrzahl an Verbrauchern umfasst, jeder der Verbraucher zu seinem Schutz mit einer Vorrichtung der hier beschriebenen Art gekoppelt ist.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetz gelöst.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes mit einem gegen das Auftreten eines Fehlerstroms geschützten Verbrauchers;
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2 eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer exemplarischen Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung, wobei kein Fehlerfall vorliegt; und
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3 eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer exemplarischen Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung, wobei ein Fehlerfall vorliegt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugbordnetzes 3 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeugbordnetz 3 umfasst eine erste Versorgungspotentialebene 4 sowie eine zweite Versorgungspotentialebene 5. Die erste Versorgungspotentialebene 4 kann z.B. durch eine durch das Fahrzeug geführte Leitung bereitgestellt sein, welche mit einem ersten Pol einer Batterie und/oder einem Generator verbunden ist. An der ersten Versorgungspotentialebene wird beispielsweise eine Versorgungsspannung in Höhe von 12 V oder 48 V bereitgestellt. Die zweite Versorgungspotentialebene 5 kann ebenfalls durch eine durch das Fahrzeug geführte Leitung bereitgestellt sein, wie dies beispielsweise bei Fahrzeugen mit einer Karosserie aus CFK erforderlich ist. Bei herkömmlichen Fahrzeugen mit einer Karosserie aus Stahl kann die zweite Versorgungspotentialebene durch die Karosserie des Fahrzeugs selbst, aber auch durch eine eigene Leitung, bereitgestellt sein. Die zweite Versorgungspotentialebene ist mit einem anderen Pol der Batterie und/oder des Generators verbunden.
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Das Kraftfahrzeugbordnetz umfasst lediglich beispielhaft einen einzigen Verbraucher 2, welcher wiederum lediglich beispielhaft durch die Serienschaltung eines Widerstands und einer Induktivität repräsentiert ist. Ein erster Anschluss des Verbrauchers 2 ist über eine Hinleitung 6 mit der ersten Versorgungspotentialebene 4 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss des Verbrauchers 5 ist über eine Rückleitung 7 mit der zweiten Versorgungspotentialebene 5 gekoppelt.
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In der Hinleitung 6 ist ein steuerbares Schaltelement 12 angeordnet. Das steuerbare Schaltelement 12 kann ein Halbleiterschaltelement oder ein Relais sein. Grundsätzlich kann als steuerbares Schaltelement jedes beliebige Schaltelement zum Einsatz kommen, das in einem Normalfall leitend geschaltet ist und erst bei Auftreten eines Fehlerstroms sperrend schaltbar ist. Dabei ist es unerheblich, ob das steuerbare Schaltelement 12 lediglich einmalig betätigbar ist oder reversibel ausgeführt ist. Das steuerbare Schaltelement 12 ist vorzugsweise möglichst nahe an der ersten Versorgungspotentialebene 4 angeordnet. Dies bedeutet, eine das steuerbare Schaltelement 12 mit der ersten Versorgungspotentialebene 4 verbindende Leitung ist möglichst kurz, um im Bereich dieses Leiterstücks einen Fehlerfall, der zu einem Fehlerstrom führt, auszuschließen.
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Ein Fehlerstrom kann durch einen Fehler in dem Verbraucher 2 hervorgerufen sein. Der Fehlerstrom kann beispielsweise durch einen Kurzschluss der Hinleitung 6 mit der Rückleitung 7 oder einer weiteren Versorgungspotentialebene oder -leitung (nicht gezeigt) hervorgerufen sein. Der Fehlerstrom kann auch durch einen Kurzschluss der Rückleitung 7 mit einer weiteren Versorgungspotentialebene oder -leitung (nicht gezeigt) hervorgerufen sein. Bei der weiteren Versorgungspotentialebene oder -leitung kann es sich beispielsweise um eine andere Masseleitung des Kraftfahrzeugbordnetzes des Kraftfahrzeugs handeln.
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Wie beschrieben, ist das steuerbare Schaltelement 12 im Normalfall leitend geschaltet. Normalfall bedeutet dabei, dass kein Fehlerstrom durch den Verbraucher und/oder in der Hin- und/oder Rückleitung 6, 7 vorliegt. Bei Auftreten eines Fehlerstroms durch den Verbraucher 2 und/oder einer der Hin- oder Rückleitungen 6, 7 ist das steuerbare Schaltelement durch eine Steuer- und Auswertevorrichtung 23 sperrend schaltbar. Die Steuerung der Stellung des Schaltelements 12 ist durch ein von der Steuer- und Auswertevorrichtung 23 erzeugbares Auslösesignal festgelegt. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 23 wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
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Das Auslösesignal wird in Abhängigkeit eines durch den Hinleiter 6 fließenden ersten Stroms I1 und eines durch den Rückleiter fließenden zweiten Stroms I2 ermittelt. Als Messmittel zur Gewinnung des ersten und des zweiten Stroms I1 und I2 werden ein Messshunt 8 in der Hinleitung 6 und ein Messshunt 9 in der Rückleitung 7 verwendet. In einer dem Fachmann bekannten Weise wandeln die Messshunts 8, 9 die durch sie fließenden Ströme I1 und I2 in eine jeweilige Spannung um, welche als erstes und zweites Ansteuersignal s1 und s2 durch die Steuer- und Auswertevorrichtung 23 zur Ermittlung des Auslösesignals verarbeitet werden.
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Wenn der erste und der zweite Strom I1 und I2 gleich große Ströme sind, wird durch die Steuer- und Auswertevorrichtung 23 kein Auslösesignal erzeugt. Dies bedeutet, das steuerbare Schaltelement 12 verbleibt leitend geschaltet. Erst wenn der erste und der zweite Strom I1, I2 unterschiedlich groß sind, wird durch die Steuer- und Auswertevorrichtung 23 ein Auslösesignal für das steuerbare Schaltelement 12 erzeugt, wodurch dieses die Hinleitung 6 auftrennt.
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Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird nun die Ausgestaltung der Steuer- und Auswertevorrichtung 23 näher erläutert. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 23 umfasst einen ersten Aktuator 10, einen zweiten Aktuator 11 sowie eine Steuereinheit 13. Der erste Aktuator 10 erhält die von dem Messshunt 8 erzeugte Spannung als erstes Ansteuersignal s1. Entsprechend hierzu wird der durch den Messshunt 9 fließende zweite Strom I2 in eine Spannung gewandelt, welche als zweites Ansteuersignal s2 dem zweiten Aktuator 11 zugeführt wird. Bei dem ersten Aktuator 10 und dem zweiten Aktuator 11 handelt es sich vorzugsweise um Piezoaktoren 21, 22, welche in Abhängigkeit der an sie angelegten Spannungen eine unterschiedliche Längenausdehnung aufweisen. Bei gleichem ersten Strom I1 und zweiten Strom I2 entsprechen das erste und das zweite Ansteuersignal s1, s2 aufgrund der jeweils gleichen Spannung einander, so dass die Piezoaktoren 21, 22 eine gleiche Längenausdehnung aufweisen.
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Die Längenausdehnung der Piezoaktoren 21, 22 wird als mechanische Größe der Steuereinheit 13 zugeführt. Die Steuereinheit 13 ist ein mikro-mechanisches Bauelement 14, welches dem Prinzip nach einen ersten Endschalter 15, einen zweiten Endschalter 16 sowie einen um ein Drehgelenk 18 drehbaren Balken 17 umfasst. Das Drehgelenk 18 ist dabei in der Mitte zwischen dem ersten Endschalter 15 und dem zweiten Endschalter 16 angeordnet. Die freien, beweglichen Enden der Piezoaktoren 21, 22 wirken dabei auf die freien Enden des Balkens 17.
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Weisen die Piezoaktoren 21, 22 eine gleiche Längenausdehnung auf, wie dies bei gleichen Strömen I1, I2 der Fall ist, so wird an dem Drehgelenk 18 kein Drehimpuls ausgelöst, da beide von den Piezoaktoren 21, 22 erzeugten Kräfte gleich groß sind. Dadurch ergibt sich weder an dem ersten Endschalter 15 noch an dem zweiten Endschalter 16 ein Kontakt, wodurch kein Auslösesignal erzeugt wird. Dies ist in 2 dargestellt.
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3 zeigt die Darstellung der 2 beim Vorliegen eines Fehlerfalles. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Stromfluss durch den Messshunt 8 größer als der Stromfluss durch den Messshunt 9. Damit ist der Spannungsabfall am Messshunt 8 größer als am Messshunt 9. Das entsprechend erzeugte Ansteuersignal s1 führt zu einer größeren Längenausdehnung des Piezoaktors 21 im Vergleich zu dem Piezoaktor 22. Hierdurch ergibt sich ein Drehimpuls an dem Balken 17, so dass das Ende des Balkens 19 mit dem ersten Endschalter 15 in Kontakt gerät. Dadurch wird das Auslösesignal erzeugt, wodurch das steuerbare Schaltelement 12 geöffnet wird.
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Die hier beschriebene Ausgestaltungsvariante weist den Vorteil auf, dass zur Realisierung der Schutzvorrichtung keine Hilfsenergie benötigt wird.
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Für den Fall, dass die von den Messshunts 8, 9 aufgrund des durch sie fließenden Stroms erzeugte Spannung nicht groß genug ist, um eine ausreichende Längenänderung der Piezoaktoren 21, 22 zu erzeugen, kann es zweckmäßig sein, das von den Messshunts 8, 9 erzeugte Spannungssignal Verstärkern 19, 20 zuzuführen, welche die jeweilige Spannung verstärken und dann den Piezoaktoren 21, 22 zuführen.
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Anstelle der hier beschriebenen Piezoaktoren 21, 22 können als erster und zweiter Aktuator 10, 11 auch andere Aktoren zum Einsatz kommen.
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Ebenso braucht das mikro-mechanische Bauelement 14 nicht in der hier beschriebenen Weise ausgeführt werden. Vielmehr sind auch anderen Ausgestaltungsvarianten denkbar.
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In einer alternativen Ausgestaltung könnte anstelle der Aktuatoren 10, 11 und des mikro-mechanischen Bauelements 14 z.B. auch eine Abwandlung dahingehend erfolgen, dass die Steuer- und Auswertevorrichtung 23 durch einen Komparator gebildet ist, dem die von den Messshunts 8, 9, oder optional den Verstärkern 19, 20, zugeführte Spannung zum Vergleich zugeführt wird. Wird durch einen solchen Komparator ein von null abweichendes Ergebnis festgestellt, so kann ein elektrisches Ansteuersignal zur Ansteuerung des ansteuerbaren Schaltelements 10 abgegeben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schutzvorrichtung
- 2
- Verbraucher
- 3
- Fahrzeugbordnetz
- 4
- erste Versorgungspotentialebene
- 5
- zweite Versorgungspotentialebene
- 6
- Hinleitung
- 7
- Rückleitung
- 8
- Messshunt
- 9
- Messshunt
- 10
- erster Aktuator
- 11
- zweiter Aktuator
- 12
- steuerbares Schaltelement
- 13
- Steuereinheit
- 14
- mikro-mechanisches Bauelement
- 15
- erster Endschalter
- 16
- zweiter Endschalter
- 17
- Balken
- 18
- Drehgelenk
- 19
- Verstärker
- 20
- Verstärker
- 21
- Piezoaktor
- 22
- Piezoaktor
- 23
- Steuer- und Auswertevorrichtung
- I1
- erster Strom
- I2
- zweiter Strom
- s1
- erstes Ansteuersignal
- s2
- zweites Ansteuersignal
