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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerungsvorrichtung für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung für eine Hochvolt-Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeuges.
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Stand der Technik
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Insbesondere Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen Batteriesysteme mit hohen Systemspannungen und einen hohen Speicherdichte auf, um die benötigte Antriebsleistung bereitstellen zu können. Bei Unfällen und sonstigen Störungen kann von diesen Systemen und den Bordnetzen, die die entsprechende elektrische Energie verteilen, eine Gefahr sowohl für die Fahrzeuginsassen als auch Lösch- und Bergekräfte ausgehen, da diese den hohen Gleichspannungen ausgesetzt sein können. Deshalb werden in solchen Fahrzeugen Sicherungen, Relais oder sogenannte Schütze eingesetzt, um im Falle eines Unfalls oder eines anderen technischen Problems die Batteriesysteme vom Bordnetz sicher zu trennen. Dabei kommen unter anderem Schmelzsicherungen und pyrotechnische Schalter zum Einsatz. Schmelzsicherungen trennen nach einer gewissen Zeit den entsprechend geschützten elektrischen Leiter bei Kurzschlussströmen oberhalb eines Grenzwertes. Die genannten pyrotechnischen Schalter können von einem zentralen Steuergerät, beispielsweise gekoppelt mit dem Auslösen der Airbags, den so geschützten elektrischen Leiter trennen.
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So wird beispielsweise in der
DE102013209835A1 ein Trennmittel (pyrotechnischer Schalter) zur nicht-reversiblen Unterbrechung der leitfähigen Verbindung zwischen den Batteriemodulen bei einem Unfallereignis beschrieben. Die Trennmittel können als pyrotechnische Trenneinrichtungen ausgebildet sein. Die Auslösung der Trennelemente kann durch ein eigenes Steuergerät, über das Batteriesteuergerät oder das Airbag-Steuergerät vorgenommen werden. Die Versorgung des Steuergeräts kann über die Autobatterie und zusätzlich oder alternativ kann eine Energiespeicherung im Steuergerät beispielsweise durch geeignete Kondensatoren vorgesehen sein.
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Die
DE102011014343A1 offenbart eine Sicherungseinrichtung für eine Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeuges mit einem Leiterelement, das eine Sollbruchstelle aufweist und einem pyrotechnischen Sicherungselement mit einer Treibladung, die bei Auslösung die Sollbruchstelle des Leiterelements durchtrennt. Eine Steuereinrichtung, die zum Empfangen und Auswerten von Eingangssignalen eingerichtet ist, bestimmt mit Hilfe der Eingangssignale, ob die Treibladung ausgelöst wird. Die Steuereinrichtung kann im gleichen Gehäuse vorgesehen sein, wie das pyrotechnische Sicherungselement. Die Eingangssignale werden von einer externen Einrichtung, beispielsweise von Sensoren zur Detektion eines Unfalls, an die Steuereinrichtung gesendet. Nachteil dieser Lösung ist, dass bei Ausfall der Niedervolt-Spannungsversorgung die Sicherungseinrichtung nicht mehr funktioniert.
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Die dargestellten Lösungen haben den Nachteil, dass sie nicht vollkommen autark arbeiten können, wenn beispielsweise das Bordnetz bereits keinen Strom mehr liefert, aber die Batterie noch nicht allpolig abgetrennt ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Ansteuerungsvorrichtung ist es, Nachteile des bekannten Stands der Technik zumindest teilweise zu beheben und insbesondere unabhängig von Hilfs- oder Versorgungssystemen einsatzfähig zu sein.
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Die oben genannte Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ansteuerungsvorrichtung für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung für eine Hochvolt-Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeuges vorgestellt. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Hybrid-, Plug-in, Brennstoffzellen oder Elektrofahrzeug handeln. Die Ansteuerungsvorrichtung weist eine Sensoreinrichtung, eine Messeinrichtung, eine Steuerungseinrichtung sowie eine Versorgungsschnittstelle auf.
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Unter einer pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung kann eine sogenannte Pyro-Fuse oder Pyro-Sicherung verstanden werden. Eine derartige pyrotechnische Sicherungsvorrichtung umfasst eine Treibladung, die mit Hilfe eines Trennmittels oder eine Sollbruchstelle nutzend dazu ausgebildet ist, bei Aktivierung die Stromschiene zu trennen. Dies ist, wie eingangs dargestellt, beispielsweise bei Strömen oberhalb von 2000 Ampere erforderlich.
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Die Sensoreinrichtung ist dazu ausgebildet, ein einen Betriebszustand der Spannungsversorgung und gleichzeitig oder alternativ einen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs repräsentierendes Sensorsignal zu erzeugen. So kann unter der Sensoreinrichtung ein Sensor verstanden werden, der ein physikalisches Phänomen in ein Sensorsignal wandelt. So kann es sich bei dem Sensorsignal um ein analoges oder digitales Sensorsignal handeln. Die Messeinrichtung ist dazu ausgebildet, das Sensorsignal zu erfassen, das heißt in ein digital weiter bearbeitbares Signal zu wandeln, und als ein Messsignal bereitzustellen. So kann die Messeinrichtung ausgebildet sein, analoge und gleichzeitig oder alternativ digitale Signale einzulesen und zu verarbeiten.
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Die Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, ein Steuersignal bereitzustellen, welches die pyrotechnische Sicherungseinrichtung ansteuert, das heißt insbesondere auslöst. Hierzu wird das Messsignal verarbeitet, um das Steuersignal zu erzeugen.
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Die Versorgungsschnittstelle ist mit einem externen Energiespeicher verbindbar. Dabei handelt es sich in einer Ausführungsform um einen externen Niedervolt-Energiespeicher. In einer alternativen Ausführungsform ist die Versorgungsschnittstelle mit der Hochvolt-Spannungsversorgung verbindbar oder verbunden. Dabei kann unter der Hochvolt-Spannungsversorgung ein Hochvolt-Energiespeicher und ein Verteilnetz zum Verteilen der Hochspannung verstanden werden. In bevorzugten Ausführungsformen ist zumindest ein Teil des Verteilnetzes als eine Stromschiene ausgeführt. So kann die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung an der Stromschiene angeordnet sein. So umfasst die Hochvolt-Spannungsversorgung in der Regel eine Stromschiene. Die Versorgungsschnittstelle ist dazu ausgebildet, die Messeinrichtung und die Steuerungseinrichtung zu versorgen.
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So wird mit der hier vorgestellten Ansteuerungsvorrichtung eine pyrotechnische Sicherung mit höchsten Ansprüchen an Zuverlässigkeit und Unabhängigkeit von externen Systemen geschaffen, insbesondere für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen
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In einer ersten, bevorzugten Ausführungsform umfasst die Versorgungsschnittstelle einen DC/DC-Wandler. Der DC/DC-Wandler wandelt die in der Hochvolt-Spannungsversorgung anliegende Spannung in eine für die Ansteuerungsvorrichtung verträgliche Niederspannung. Dabei stellt der DC/DC-Wandler zumindest bei einer Spannung größer 300 V im Bereich der Hochvolt-Spannungsversorgung, besser in einem Bereich größer 60 V, insbesondere vorteilhaft in einem Bereich ab 50 V eine Spannungsversorgung für die Ansteuerungsvorrichtung bereit. Dabei arbeitet der DC/DC-Wandler bis zu einer Spannung von 1000 V im Bereich der Hochvolt-Spannungsversorgung. Die DC-Spannung innerhalb der Ansteuerungsvorrichtung liegt im Bereich kleiner 12 V, vorzugsweise im Bereich kleiner 7 V insbesondere kleine 5,5 V. Die untere Grenze liegt vorzugsweise bei zwischen 2,7 V und 3,3 V.
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Da die Ansteuerungsvorrichtung zum Schutz der Hochvolt-Spannungsversorgung eingesetzt wird, ist es vorteilhaft, dass die Ansteuerungsvorrichtung den gesamten Hochvolt-Bereich abdeckt. Wenn die stromführenden Teile eine Spannung von unter 60 V aufweisen, ist die Gefahr für Menschen erheblich geringer und es gelten die Schutzvorschriften für den sogenannten Niedervolt-Bereich. Wenn die Ansteuerungsvorrichtung nun ihre Energieversorgung direkt über die Hochvolt-Spannungsversorgung realisiert, ist im systemkritischen Bereich die Funktionssicherheit gegeben. Vorteilhaft ist somit auch ein Schutz bei extrem langen Stillstandzeiten des Kraftfahrzeugs gegeben, beispielsweise mehrere Monate, in denen eine Niedervolt-Spannungsversorgung bereits nicht mehr arbeitet.
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Vorteilhaft ist bei dem Einsatz eines DC/DC-Wandlers dieser im B+-Pfad der Hochvolt-Spannungsversorgung angeordnet, das heißt mit diesem verbunden oder verbindbar. Somit steht wie bereits oben ausgeführt, zu den entscheidenden Zeitpunkten genug Energie zur Verfügung und das System wird an der optimalen Stelle abgesichert. Dies schließt vorteilhaft eine Anordnung der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung in dem gleichen Pfad mit ein.
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Ferner kann die Ansteuerungsvorrichtung ein Gehäuse aufweisen. Dann sind die Sensoreinrichtung, die Messeinrichtung und die Steuerungseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse weist zumindest die Versorgungsschnittstelle und eine Steuerschnittstelle als Außenanschlüsse auf. An der Steuerschnittstelle liegt das Steuersignal zum Ansteuern der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung an. So ist die Steuerschnittstelle mit der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung verbindbar. Die Versorgungsschnittstelle ist mit dem externen Energiespeicher verbindbar. So kann die Ansteuerungsvorrichtung einfach in ein System integriert werden. Dabei sind die Komponenten vor Umwelteinflüssen geschützt. Auch ein EMV-Schutz ist somit leicht umsetzbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung in die Messeinrichtung integriert. So können die Sensoreinrichtung und die Messeinrichtung auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein. So kann eine besonders integrierte Lösung geschaffen werden, mit kurzen Signalwegen und kostengünstig herstellbar.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Steuerungseinrichtung auch auf der Leiterplatte angeordnet. So können die Sensoreinrichtung, die Messeinrichtung und die Steuerungseinrichtung beispielsweise in SMD-Bauweise realisiert werden. Teile der Ansteuerungsvorrichtung können in einen ASIC integriert sein. So kann eine kompakte Ansteuerungsvorrichtung erstellt werden.
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Ferner kann die die Sensoreinrichtung als ein Gyro-Sensor, ein 2D-Beschleunigungssensor, ein 3D-Beschleunigungssensor, ein Airbag-Sensor, ein Temperatursensor, ein Spannungssensor oder ein Stromsensor ausgebildet sein. Mittels eines Gyrosensors beziehungsweise Gyrometer oder einem Beschleunigungssensor können viele Fahrzustände, insbesondere ein (Teil-)Crash sensiert werden. So kann auf einen Unfall sehr schnell reagiert werden. Wenn der Sensor als Stromsensor ausgebildet ist, so können Überströme sehr schnell erkannt werden und umgehend die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung ausgelöst werden. Bei einer Strommessung kann mit einem Stromschwellwert verglichen werden, sodass beispielsweise ab 2000 A sicher ausgelöst wird. Mit einem Spannungssensor kann einfach auf Unterspannung überprüft werden, um beispielsweise den Hochvolt-Energiespeicher vor Unterspannungen zu schützen. Sinnvoll ist auch eine Kombination einer Strom- und einer Spannungsmessung, beispielsweise mittels eines kombinierten Strom-Spannungs-Sensors. Hierbei werden eine DC/DC-Wandlung und Komparatoren in den Sensor integriert. Eine Temperaturmessung – um vor Überhitzung zu schützen – kann direkt mittels eines Temperatursensors oder abgeleitet aus zwei Strommessungen erfolgen. Dabei kann die erste Strommessung innerhalb der Ansteuerungsvorrichtung und die zweite im Bereich des Hochvolt-Energiespeichers oder alternativ der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung nachgeordnet, insbesondere einem Verbraucher nachgeordnet angeordnet sein. Aus den beiden Strommessungen kann eine Temperatur bestimmt werden. Weiterhin können so Kriechströme detektiert werden und frühzeitig die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung angesteuert werden. Durch die schnelle Reaktionsfähigkeit kann die Sicherheit erhöht werden.
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In einer Ausführungsform weist die Messeinrichtung eine Sensorschnittstelle auf. Die Sensorschnittstelle ist dazu ausgebildet, ein weiteres Sensorsignal eines zur Ansteuerungsvorrichtung extern angeordneten Sensors einzulesen. Dabei kann unter dem weiteren Sensorsignal nicht nur ein Signal eines Sensors verstanden werden, sondern vielmehr auch ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal. So kann es sich um ein Signal eines Steuergerätes, beispielsweise eines Airbag-Steuergerätes oder eines übergeordneten Steuergerätes des Kraftfahrzeugs, handeln. Bei dem Sensorsignal kann es sich um das Signal eines Umfeldsensors oder einer vorausschauenden Sensorik handeln. So kann bereits vor dem Eintritt eines Auslöseereignisses darauf reagiert werden. Das Messsignal repräsentiert auch das weitere Sensorsignal. So kann das Messsignal eine Mehrzahl von Sensorsignalen repräsentieren. Unter dem weiteren Sensorsignal kann auch ein externes Ansteuersignal verstanden werden. So kann im Prinzip eine redundante Ansteuerung realisiert werden. Je nach Aufbau der Steuerungseinrichtung wird das externe Ansteuerungssignal verarbeitet oder mit dem Steuersignal der Steuerungseinrichtung verodert und dann an der Steuerschnittstelle ausgegeben.
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In einer Ausführungsform umfasst die Ansteuerungsvorrichtung einen eigenen Energiespeicher. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Spannungsversorgung über einen Niedervolt-Energiespeicher beziehungsweise das Niedervolt-Bordnetz erfolgt, um die Funktionstüchtigkeit zu gewährleisten – auch wenn der Niedervolt-Energiespeicher leer ist, oder die elektrische Verbindung zu diesem unterbrochen ist, die Hochvolt-Spannungsversorgung aber noch im Hochvolt-Bereich Spannung führt.
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Der Energiespeicher ist dazu ausgebildet, die Steuerungseinrichtung und die Messeinrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen. Weiterhin ist der Energiespeicher ausgebildet, die für die pyrotechnische Sicherungseinrichtung notwendige Auslöseenergie bereitzustellen. In einer optionalen Ausführungsform stellt der Energiespeicher über die Messeinrichtung auch der Sensoreinrichtung die zum Betrieb notwendige elektrische Energie zur Verfügung. In dieser Ausführungsform ist die Versorgungsschnittstelle ausgebildet, den Energiespeicher der Ansteuerungsvorrichtung mittels der anliegenden elektrischen Energie des externen Energiespeichers zu laden. In einer Variante werden die Messeinrichtung und die Steuerungseinrichtung über den Energiespeicher der Ansteuerungsvorrichtung versorgt. So kann die Versorgung auch indirekt erfolgen.
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Je nach Ausführungsform des Energiespeichers kann dieser teilweise oder komplett zusätzlich auf der Leiterplatte integriert werden. Ferner kann zumindest eine Energiespeichermanagementeinrichtung als Teil des Energiespeichers auf der Leiterplatte integriert sein.
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Die vorgestellte Ansteuerungsvorrichtung ist vorteilhafterweise unabhängig von externen Energiequellen, da die für den Betrieb und für das Auslösen der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung notwendige Energie vorgehalten wird und zusätzlich die Sensoreinrichtung zusammen mit der Steuerungseinrichtung die notwendige Information zum Betrieb bereitstellt. So wird eine redundante Energieversorgung geschaffen. Die eigene, parametrierbare Steuereinheit ermöglicht einen Einsatz in unterschiedlichen Systemen.
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Die Steuerungseinrichtung kann in einer optionalen Weiterbildung ausgebildet sein, alternativ den Energiespeicher oder den externen Energiespeicher auf die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung zu schalten. So kann angepasst an einen konkreten Anwendungsfall die Auslöseenergie für die pyrotechnische Sicherungseinrichtung von einem der Energiespeicher bereitgestellt werden.
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Ferner kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet sein, den Energiespeicher zu überwachen. So kann ein Ladevorgang des Energiespeichers über die an der Versorgungsschnittstelle anliegende elektrische Energie optimal gesteuert werden.
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Der Energiespeicher kann zumindest einen Kondensator, einen Akku oder eine Brennstoffzelle umfassen. In einer optionalen Weiterbildung kann der Energiespeicher eine Kombination aus zumindest zwei der genannten Komponenten umfassen. So kann beispielsweise ein Kondensator mit einem Akku kombiniert werden. Der Kondensator kann kurzfristig und für eine kurze Dauer eine hohe Energiedichte bereitstellen, wohingegen der Akku die notwendige elektrische Energie über einen langen Zeitraum speichern kann. Beispielsweise kann der Akku dann auch verwendet werden, um den Kondensator immer wieder zu laden und somit die Verfügbarkeit des Systems zu verbessern. So können die Vorteile verschiedener Energiespeichertechnologien kombiniert und genutzt werden.
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Die vorstehenden Erläuterungen betreffend die Ansteuerungsvorrichtung gelten für ein Verfahren entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Ferner kann die Vorrichtung in einen ASIC integriert sein.
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Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Block-Darstellung einer Ansteuerungsvorrichtung für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine weitere schematische Block-Darstellung der Ansteuerungsvorrichtung für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt eine schematische Block-Darstellung einer Ansteuerungsvorrichtung für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante der Ansteuerungsvorrichtung für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Im Folgenden wird die erfinderische Idee der vorliegenden Erfindung anhand der Figur und zumindest einem Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansteuerungsvorrichtung 100 für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung 102 handelt es sich um eine Sicherungsvorrichtung 102 für eine Hochvolt-Spannungsversorgung 104 eines Kraftfahrzeugs 106. Dabei soll unter einer Hochvolt-Spannungsversorgung 104 eine Spannungsversorgung mit mind. 48 V, insbesondere aber größer 480 V verstanden werden. Bei dem Kraftfahrzeug 106 handelt es sich in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel um ein Kraftfahrzeug 106, welches zumindest über einen elektrischen Antrieb verfügt, wie beispielsweise ein Hybrid-, Plug-in-, Brennstoffzellen- oder Elektrofahrzeug.
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Pyrotechnische Sicherungseinrichtungen 102 sind bekannt. Über eine entsprechende Ansteuerung kann eine Stromschiene oder ein Stromleiter der Spannungsversorgung 104 durchtrennt werden. Die hier dargestellte Ansteuerungsvorrichtung 100 umfasst eine Sensoreinrichtung 108, eine Messeinrichtung 110, eine Steuerungseinrichtung 112, einen Energiespeicher 114 sowie eine Versorgungsschnittstelle 128. Die Sensoreinrichtung 108 erfasst einen Betriebszustand 116 der Spannungsversorgung 104 des Kraftfahrzeugs 106 oder direkt einen Betriebszustand 116 des Kraftfahrzeugs 106 und stellt dann ein diesen Betriebszustand 116 repräsentierendes Sensorsignal 118 bereit. Das Sensorsignal 118 wird von der Messeinrichtung 110 erfasst und als das Sensorsignal 118 repräsentierenden Messsignal 120 der Steuerungseinrichtung 112 bereitgestellt. Eine Aufgabe der Steuerungseinrichtung 112 ist es, das Messsignal 120 auszuwerten und ein Steuersignal 122 zur Ansteuerung der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung 102 basierend auf der Auswertung des Messsignals 120 bereitzustellen.
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Der Energiespeicher 114 dient zur Energieversorgung der Einrichtungen der Ansteuerungsvorrichtung 100, das heißt insbesondere zum Bereitstellen elektrischer Energie 124 für die Steuerungseinrichtung 112 und die Messeinrichtung 110. So stellt der Energiespeicher 114 auch ausreichend Auslöseenergie 126 für die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung 102 bereit. Die Auslöseenergie 126 wird in Form des Steuersignals 122 von der Steuerungseinrichtung 112 bereitgestellt.
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Über die Versorgungsschnittstelle 128 wird die Ansteuerungsvorrichtung mit elektrischer Energie 124 versorgt. So wird der Energiespeicher 114 über die Versorgungsschnittstelle 128 geladen. Auch die Messeinrichtung 110 und die Steuerungseinrichtung 112 werden direkt oder indirekt über die Versorgungsschnittstelle 128 mit elektrischer Energie 124 versorgt. So werden die Einrichtungen der Ansteuerungsvorrichtung 100 in einem ersten Ausführungsbeispiel direkt versorgt, in einem alternativen Ausführungsbeispiel dient die Versorgungsschnittstelle 128 nur zum Laden des Energiespeichers 114 und die anderen Einrichtungen der Ansteuerungsvorrichtung 100 werden dann von dort mit elektrischer Energie 124 versorgt.
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Um entsprechend die Einrichtungen der Ansteuerungsvorrichtung 100 mit elektrischer Energie 124 versorgen zu können, ist die Versorgungsschnittstelle 128 mit einem externen Niedervolt-Energiespeicher 130 verbindbar.
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Ziel der Sensoreinrichtung 108 ist das Erfassen von Fahrzeugzuständen, die ein Abschalten der Spannungsversorgung 104 des Kraftfahrzeugs 106 erfordern. Dies sind insbesondere Unfallszenarien, in denen sonst für Fahrzeuginsassen oder Retter eine Gefahr von den anliegenden Strömen und Spannungen ausgeht. So wird zum einen die Spannungsversorgung 104 direkt überwacht und auf der anderen Seite aus Bewegungsinformation (Beschleunigung/Verzögerung, Drehbewegung) ein entsprechender Fahrzeugzustand abgeleitet. Wie weiter unten noch ausgeführt wird, kann auch zusätzlich auf Informationen aus anderen Fahrzeugsteuergeräten als Zusatzinformation zurückgegriffen werden, um die Sicherheit noch weiter zu erhöhen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuerungseinrichtung 100 direkt mit der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung 102 verbunden. So wird eine sehr kompakte Lösung geschaffen, die zusätzlich den Vorteil aufweist, dass direkt an der Sicherungsvorrichtung 102 eine Auslöseentscheidung getroffen wird und somit keine zusätzlichen Kabel, die defekt sein können, eine Auslösung der Sicherungsvorrichtung 102 verhindern. Aus Platzgründen kann eine zur pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung 102 abgesetzte Montage im Kraftfahrzeug 106 erforderlich sein. Dabei wird auf kurze Signalwege geachtet.
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2 zeigt eine weitere schematische Darstellung der Ansteuerungsvorrichtung 100 für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um eine Weiterentwicklung der in 1 gezeigten Ansteuerungsvorrichtung 100 handeln.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ansteuerungsvorrichtung 100 ein Gehäuse 240 auf. In dieser Variante sind vorzugsweise die Einrichtungen der Ansteuerungseinrichtung 100, das heißt die Sensoreinrichtung 108, die Messeinrichtung 110, die Steuerungseinrichtung 112 und der Energiespeicher 114 sind in dem Gehäuse 240 angeordnet. Die die Versorgungsschnittstelle 128 ist als ein Außenanschluss an dem Gehäuse angeordnet, um die Ansteuerungsvorrichtung 100 mit dem externen Energiespeicher 130 zu verbinden. Weiterhin weist das Gehäuse 240 vorzugsweise einen weiteren Außenanschluss in Form einer Steuerschnittstelle 248, um die Ansteuerungsvorrichtung 100 mit der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 102 zu verbinden.
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Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung 108 in einem Ausführungsbeispiel in die Messeinrichtung 110 integriert. So umfasst die Messeinrichtung 110 die Sensoreinrichtung 108. Dies wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass die Messeinrichtung 110 und die Sensoreinrichtung 108 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 242 angeordnet sind. Um trotzdem einen gewissen Grad an Modulrarität zu realisieren, ist in einer Variante vorgesehen, die Sensoreinrichtung 108 steckbar auszuführen. So kann in der Herstellung der verwendete Sensor an die Applikation angepasst werden. So sind als Sensoreinrichtung beispielsweise Gyro-Sensoren, Beschleunigungssensoren, Stromsensoren oder eine Spannungsmessung vorgesehen. Selbstverständlich können auch Sensoren in der Sensoreinrichtung kombiniert werden, um beispielsweise Strom und Spannung zu erfassen, oder eine Strommessung mit einer Beschleunigungsmessung zu kombinieren.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen auch die Steuerungseinrichtung 112 auf der Leiterplatte 242 zu integrieren, um Kostenvorteile zu realisieren und auch um die Ansteuerungsvorrichtung 100 besonders kompakt auslegen zu können.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die pyrotechnische Sicherung 100 in der Lage einen Stromleiter der Spannungsversorgung 104 zu durchtrennen und den hierbei entstehenden Lichtbogen zu löschen. Die enthaltene Pyrotechnik wird über einen Zündstrom gezündet. Dieser muss für eine definierte Zeit fließen. Die Messeinrichtung 110 detektiert verschiedene Parameter, wie Stromfluss oder Beschleunigung und gibt diese Informationen über eine geeignete Schnittstelle an die Steuerungseinrichtung 112 weiter. Die Steuerungseinrichtung 112 wertet die Informationen von der Messeinrichtung 110 aus und überwacht die Sicherheit des Systems. Sobald die definierten Grenzen des Systems überschritten werden, ist die Steuerungseinrichtung 112 in der Lage die Pyrotechnik zu zünden. Hierfür wird die Steuere Steuerungseinrichtung 112 eine Energiequelle 114, 130 auf den Zünder zuschalten. Die definierten Grenzen des Systems können hierbei je nach Anwendung frei definiert werden.
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Der Energiespeicher 114 wird von der Steuerungseinrichtung 112 auf den Zünder der Pyrotechnik, das heißt der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 102 zugeschaltet, um die pyrotechnische Sicherung 102 zu aktivieren. Der Energiespeicher 114 dient auch als Versorgung für die Steuerungseinrichtung 112 und die Messtechnik 108, 110. Der Energiespeicher 114 kann durch die externe Energiequelle 130 aufgeladen werden. Als Energiespeicher können Kondensatoren für die kurzzeitige Überbrückung von Ausfallen in der externen Versorgung oder Batteriezellen für einen langfristigen Betrieb der Stand-Alone Lösung benutzt werden.
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Der Vorteil des hier dargestellten Ausführungsbeispiels ist der modulare Aufbau der Gesamtkomponente. So besitzt die pyrotechnische Sicherung alle elektrischen, wie mechanischen Schnittstellen, um mit und ohne zusätzlichen Modulen betrieben werden zu können. Je nach Anwendungsfall wird die pyrotechnische Sicherung mit einem Modul erweitert, welches Messtechnik 108, 110, Steuerungseinrichtung 112 und/oder Energiespeicher enthalt.
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In 1 und 2 erfolgt die Spannungsversorgung über die Niedervolt-Spannungsversorgung 130 des Kraftfahrzeugs 106. Ein eigener Energiespeicher 114 stellt die Funktionstüchtigkeit sicher. Alternativ kann eine Spannungsversorgung über die Hochvolt-Spannungsversorgung 104 erfolgen, was in den folgenden Figuren exemplarisch dargestellt ist. Dabei wird auf eine Beschreibung von Teilkomponenten, die in beiden Varianten genutzt werden, verzichtet, um die Lesbarkeit zu erhöhen. Diese werden aber explizit mit eingeschlossen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansteuerungsvorrichtung 100 für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Ansteuerungsvorrichtung 100 umfasst eine Sensoreinrichtung 108, eine Messeinrichtung 110, eine Steuerungseinrichtung 112 sowie eine Versorgungsschnittstelle 128. Wie bereits in der Beschreibung zu 1 ausgeführt, ist die Sensoreinrichtung 108 bevorzugt in die Messeinrichtung 110 integriert.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Versorgungsschnittstelle 128 einen DC/DC-Wandler, der mit der Spannungsversorgung 104 verbunden ist, welches in dem Ausführungsbeispiel eine Hochvolt-Spannungsversorgung 104 ist. Im Normalbetrieb stellt die Hochvolt-Spannungsversorgung 104 eine Spannung von bis zu 1000 VDC bereit. Sicherungstechnisch wird vom Hochvoltbereich ab einer Spannung von 60 VDC gesprochen. So ist es eine Aufgabe der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 102, eine Absicherung zwischen 60 VDC und 1000 VDC bereitzustellen. Daraus ergibt sich der Arbeitsbereich des DC/DC-Wandlers, der diesen Bereich abdecken muss. Um einen zusätzlichen Sicherheitspuffer zu integrieren, erstreckt sich in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Arbeitsbereich des DC/DC-Wandlers bis zu einer unteren Grenze von 50 VDC.
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Durch den Arbeitsbereich des DC/DC-Wandlers 360 im kompletten Bereich der Hochvolt-Spannungsversorgung 104 wird sichergestellt, dass die Ansteuerungsvorrichtung 100 immer funktionstüchtig ist, wenn eine für Menschen gefährliche Spannung anliegt. So wird die Sicherheit des Gesamtsystems Kraftfahrzeug 106 erheblich gesteigert – insbesondere in Unfallsituationen oder damit vergleichbaren Situationen.
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Die Spannung der Hochvolt-Spannungsversorgung 104 wird von dem DC/DC-Wandler auf die Arbeitsspannung der Ansteuerungsvorrichtung 100 gewandelt. Diese liegt in einem Bereich zwischen 2,7 VDC und 12 VDC, wobei in bevorzugten Ausführungsbeispielen die Arbeitsspannung der Ansteuerungsvorrichtung 100 in einem Bereich von 2,7 VDC und 5,5 VDC oder 7 VDC liegt. Ein engerer Arbeitsbereich liegt zwischen 3,3 VDC und 5,5 VDC, wobei auch ein Spannungswert von beispielsweise 3,3 VDC oder 5 VDC fest einstellbar sein kann.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der DC/DC-Wandler 360 mit einer mit dem Plus-Pol des Hochvolt-Speichers 362 verbundenen Stromschiene der Hochvolt-Spannungsversorgung verbunden, beziehungsweise in diese parallel eingeschleift, um die Ansteuerungsvorrichtung mit elektrischer Energie 124 zu versorgen.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Sensoreinrichtung 108 oder dem Sensor 246 um einen Beschleunigungssensor oder einen kombinierten Strom-Spannungssensor. Mittels des kombinierten Strom-Spannungs-Sensors und einer nachgeschalteten Komparatorschaltung in der Steuerungseinrichtung 112 kann einfach eine Überwachung auf einen Strom größer 2000 A und gleichzeitig eine Unterspannung von beispielsweise 400 VDC, 300 VDC oder den Ende des Hochvoltbereichs von 60 VDC überwacht werden. Selbstverständlich können diese Schwellwerte applikationsspezifisch angepasst werden. Der Zweck ist dabei, einen Kurzschluss in der Spannungsversorgung 104 sicher zu erkennen.
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Durch die Auswertung eines zweiten Stromsignals können Leckströme oder problematische Temperaturanstiege ausgewertet werden, die zu einer Auslöseentscheidung führen können.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante der Ansteuerungsvorrichtung 100 für eine pyrotechnische Sicherungsvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Ansteuerungsvorrichtung 100 kann es sich um eine Variante der in den vorangegangenen Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele von Ansteuerungsvorrichtungen 100 handeln.
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Die Hochvolt-Spannungsversorgung 104 ist als eine Stromschiene 104 ausgeführt. Die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung 102 ist an der Stromschiene 104 angeordnet. Die Ansteuerungsvorrichtung 100 ist ebenfalls direkt an der Stromschiene 104 angeordnet. So sind die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung 102 und die Ansteuerungsvorrichtung 100 über die Stromschiene 104 sowie über eine Steuersignalleitung 422 verbunden. Die Steuersignalleitung 422 ist mit der nicht dargestellten Steuerschnittstelle 248 mit der Ansteuerungsvorrichtung 100 verbunden, um das von der Ansteuerungsvorrichtung 100 bereitgestellte Steuersignal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung 102 an diese zu übertragen. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung 102 und die Ansteuerungsvorrichtung 100 unmittelbar benachbart an der Stromschiene angeordnet.
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In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, ist zwischen der pyrotechnischen Sicherungsvorrichtung 102 und der Ansteuerungsvorrichtung 100 eine Verbindungsschnittstelle angeordnet, um beide Komponenten im Servicefall einzeln oder gemeinsam tauschen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Ansteuerungsvorrichtung
- 102
- pyrotechnische Sicherungsvorrichtung
- 104
- Spannungsversorgung
- 106
- Kraftfahrzeug
- 108
- Sensoreinrichtung
- 110
- Messeinrichtung
- 112
- Steuerungseinrichtung
- 114
- Energiespeicher
- 116
- Betriebszustand
- 118
- Sensorsignal
- 120
- Messsignal
- 122
- Steuersignal
- 124
- elektrische Energie
- 126
- Auslöseenergie
- 128
- Versorgungsschnittstelle
- 130
- externer Energiespeicher (Niedervolt-Energiespeicher)
- 218
- weiteres Sensorsignal
- 240
- Gehäuse
- 242
- Leiterplatte
- 244
- Sensorschnittstelle
- 246
- Sensor
- 248
- Steuerschnittstelle
- 360
- DC/DC-Wandler
- 362
- Hochvolt-Speicher
- 422
- Steuersignalleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013209835 A1 [0003]
- DE 102011014343 A1 [0004]
