DE102017201488A1

DE102017201488A1 - Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen Energieverteilungsnetz

Info

Publication number: DE102017201488A1
Application number: DE102017201488.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Thanheiser; Michael Mürken; Achim Enthaler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-02-01
Also published as: DE102017201488B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen Energieverteilungsnetz (20), bei dem elektrische Energie von wenigstens einer Energiequelle (12, 14) bereitgestellt und von wenigstens einem Verbraucher (16) verbraucht wird, wobei ein Verbraucherstrom (26) des wenigstens einen Verbrauchers (16) erfasst, mit einem ersten Vergleichswert verglichen und, wenn der erfasste Verbraucherstrom (26) größer als der erste Vergleichswert ist, der Verbraucher (16) vom Energieverteilungsnetz (20) elektrisch getrennt wird, wobei eine elektrische Spannung am Energieverteilungsnetz (20) erfasst und ein Spannungssignal (28) bereitgestellt wird, aus dem Spannungssignal (28) ein erstes Mittelwertsignal (30) aufgrund einer ersten Mittelwertbildung und ein zweites Mittelwertsignal (32) aufgrund einer zweiten Mittelwertbildung ermittelt wird, ein Differenzsignal (34) aus dem ersten und dem zweiten Mittelwertsignal (30, 32) gebildet wird, das Differenzsignal (34) mit einem zweiten Vergleichswert verglichen und der elektrische Verbraucher (16) vom Energieverteilungsnetz (20) elektrisch getrennt wird, wenn zusätzlich das Differenzsignal (34) größer als der zweite Vergleichswert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen Energieverteilungsnetz, bei dem elektrische Energie von wenigstens einer elektrischen Energiequelle bereitgestellt wird und die bereitgestellte elektrische Energie von wenigstens einem elektrischen Verbraucher verbraucht wird, wobei ein Verbraucherstrom des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers erfasst, mit einem ersten vorgegebenen Vergleichswert verglichen und, wenn der erfasste Verbraucherstrom größer als der erste Vergleichswert ist, der elektrische Verbraucher vom Energieverteilungsnetz elektrisch getrennt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen Energieverteilungsnetz, bei dem elektrische Energie von wenigstens einer elektrischen Energiequelle bereitgestellt wird und die bereitgestellte elektrische Energie von wenigstens einem elektrischen Verbraucher verbraucht wird, mit einem Stromsensor zum Erfassen eines Verbraucherstroms des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers, einer ersten Vergleichseinheit zum Vergleichen des Verbraucherstroms mit einem ersten vorgegebenen Vergleichswert und zum Bereitstellen eines Ausschaltsignals, wenn der erfasste Verbraucherstrom größer als der erste Vergleichswert ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Energieverteiler für ein elektrisches Energieverteilungsnetz sowie ferner ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energieverteilungsnetz, einer an dem elektrischen Energieverteilungsnetz angeschlossenen elektrischen Antriebseinrichtung und einem ebenfalls an dem elektrischen Energieverteilungsnetz angeschlossenen elektrischen Energiespeicher.
Verfahren und Vorrichtungen zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen Energieverteilungsnetz sowie auch Energieverteiler für elektrische Energieverteilungsnetze und Kraftfahrzeuge mit Energieverteilungsnetzen sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Das Energieverteilungsnetz umfasst in der Regel eine Mehrzahl von elektrischen Leitungen, die dem Anschluss der wenigstens einen elektrischen Energiequelle und des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers dienen. Üblich ist es, die zumindest die elektrischen Leitungen hinsichtlich einer Überlastung, insbesondere bezüglich eines Kurzschlusses, zu überwachen.
In heutigen Kraftfahrzeugen erfolgt ein Leitungsschutz üblicherweise mittels Schmelzsicherungen, die als austauschbare Elemente eines Energieverteilers im Kraftfahrzeug vorgesehen sind. Diese besitzen ein entsprechend träges Verhalten zum Auslösen, das heißt, zum Trennen eines Kurzschlusses. Je nach Größe eines vorgegebenen Auslösungsstromes beziehungsweise Sicherungswertes erfolgt die Auslösung teilweise erst nach einigen Sekunden, wodurch sich ein signifikanter Einfluss auf das Energieverteilungsnetz, insbesondere des Kraftfahrzeugs, egeben kann. Deshalb wird vor allem bei automatisiert fahrenden Kraftfahrzeugen über den Einsatz von elektronischen Sicherungen nachgedacht. Diese bieten neben anderen Merkmalen ein deutlich schnelleres Reaktionsverhalten.
Problematisch erweist sich hierbei jedoch die Detektion des Kurzschlusses und eine Unterscheidung eines solchen Ereignisses von einem regulär auftretenden Stromimpuls. Üblicherweise wird hier mittels einer Strommessung und eines Vergleichs mit einem fest vorgegebenen Vergleichswert der relevante Verbraucher abgeschaltet, wenn der mittels des Stromwerts erfasste Wert des elektrischen Stromes größer als der Vergleichswert ist. Um elektrische Leitungen wirksam vor einem Kurzschluss schützen zu können und gleichzeitig effizient unter Ausnutzung einer gewissen Überlastreserve betreiben zu können, sind als Trenneinheit in der Regel elektronische Halbleiterschalter vorgesehen, die vergleichsweise groß ausgebildet sein müssen. Dadurch wird eine elektronische Absicherung unwirtschaftlich.
Aus der DE 10 2011 121 604 A1 sowie auch aus der DE 10 2007 052 963 A1 ist bereits bekannt, dass zum Zwecke des Auslösens der Trenneinheit beziehungsweise des Trennens des Verbrauchers vom Energieverteilungsnetz eine Stromanstiegsgeschwindigkeit als zusätzliches Kriterium zur Erkennung eines Kurzschlusses herangezogen werden kann. Auch wenn sich dieser Stand der Technik bewährt hat, so erweist sich die Durchführung doch als vergleichsweise aufwendig. Die Bestimmung der dafür benötigten mathematischen Ableitung ist auf digitalen Rechnereinheiten aufwendig und numerisch problematisch, insbesondere weil im Kraftfahrzeugbereich eine Rechnereinheit in der Regel lediglich eine begrenzte Rechenleistung zur Verfügung zu stellen vermag.
Darüber hinaus ist aus der DE 10 2014 214 501 A1 eine Betriebsstrategie bei Kurzschlüssen in Mehrspannungsbordnetzen bekannt. Hierbei geht es jedoch um die Erkennung von Kurzschlüssen zwischen unterschiedlichen Bordnetzen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus, zum Beispiel zwischen einem 12-V-Bordnetz und einem 48-V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen. Diese Offenbarung betrachtet nicht einen Kurzschluss innerhalb eines Bordnetzes.
Ferner offenbart die WO 2009/011748 A1 ein Verfahren zum Deaktivieren von fehlerhaften Batteriezellen. Hierbei geht es explizit um die Erkennung von internen Zellkurzschlüssen bei Hochvoltbatterien als elektrischen Energiespeichern von Kraftfahrzeugen. Hierzu werden eine Spannungsmessung und ein Vergleich mit einem vorgegebenen Spannungsschwellwert durchgeführt. Eine Spannungsänderung selbst wird nicht ausgewertet. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Hochvoltbatterien ist die Lehre der WO 2009/011748 A1 ferner darauf gerichtet, langsame Selbstentladungsvorgänge (Weak Short Circuit) erkennen zu können. Kurzschlüsse, welche durch Fehlfunktionen von Verbrauchern verursacht werden, können hiermit nicht erkannt werden.
Schließlich offenbart die EP 1 289 094 A1 einen Kurzschlussdetektor, der eingesetzt wird, um eine Isolationsüberwachung bei einer Hochvoltbatterie durchzuführen. Mittels dieser Lehre kann ein Kurzschluss zwischen einem Batteriepol der Hochvoltbatterie und einem elektrischen Bezugspotential, insbesondere einer Karosserie des Kraftfahrzeugs, erkannt werden. Ein Kurzschluss im Bereich der durch die Hochvoltbatterie bereitgestellten Gleichspannung ist hiermit jedoch nicht erfassbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurzschlussdetektion in einem Energieverteilungsnetz, insbesondere einem Energieverteilungsnetz eines Kraftfahrzeugs, zu verbessern.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Energieverteiler sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass eine elektrische Spannung am Energieverteilungsnetz erfasst und ein Spannungssignal bereitgestellt wird, aus dem Spannungssignal ein erstes Mittelwertsignal aufgrund einer ersten Mittelwertbildung und ein zweites Mittelwertsignal aufgrund einer von der ersten Mittelwertbildung unterschiedlichen zweiten Mittelwertbildung ermittelt wird, ein Differenzsignal aus einer Differenz des ersten und des zweiten Mittelwertsignals gebildet wird, das Differenzsignal mit einem zweiten vorgebbaren Vergleichswert verglichen wird und der elektrische Verbraucher dann vom Energieverteiler elektrisch getrennt wird, wenn zusätzlich das Differenzsignal größer als der zweite Vergleichswert ist.
Vorrichtungsseitig wird für eine gattungsgemäße Vorrichtung insbesondere vorgeschlagen, dass diese einen Spannungssensor zum Erfassen einer elektrischen Spannung am Energieverteilungsnetz und zum Bereitstellen eines Spannungssignals, einen ersten Mittelwertbildner zum Ermitteln eines ersten Mittelwertsignals aus dem Spannungssignal aufgrund einer ersten Mittelwertbildung, einen zweiten Mittelwertbildner zum Ermitteln eines zweiten Mittelwertsignals aus dem Spannungssignal aufgrund einer von der ersten Mittelwertbildung unterschiedlichen zweiten Mittelwertbildung, einen Differenzbildner zum Bilden eines Differenzsignals aus einer Differenz des ersten und des zweiten Mittelwertsignals, eine zweite Vergleichseinheit zum Vergleichen des Differenzsignals mit einem zweiten vorgebbaren Vergleichswert und eine Logikeinheit aufweist, die ausgebildet ist, das Ausschaltsignal dann bereitzustellen, wenn zusätzlich das Differenzsignal größer als der zweite Vergleichswert ist.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Energieverteilers wird vorgeschlagen, dass dieser eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren eines Kurzschlusses im elektrischen Energieverteilungsnetz aufweist.
Kraftfahrzeugseitig wird bezüglich eines gattungsgemäßen Kraftfahrzeugs insbesondere vorgeschlagen, dass dessen elektrisches Energieverteilungsnetz einen Energieverteiler gemäß der Erfindung oder eine Vorrichtung zum Detektieren eines Kurzschlusses im elektrischen Energieverteilungsnetz gemäß der Erfindung aufweist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass in einem Energieverteilungsnetz, insbesondere einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, ein Kurzschluss einen charakteristischen Spannungseinbruch zur Folge hat. Insbesondere in Verbindung mit einem elektronischen Energieverteiler kann dieser Kurzschluss detektiert und eine entsprechende Reaktion ausgeführt werden, zum Beispiel durch Abschalten des entsprechenden Kanals beziehungsweise Verbrauchers, bei dem der Kurzschluss aufgetreten ist, und zwar beispielsweise mittels einer Trenneinheit oder dergleichen, die mittels des Abschaltsignals steuerbar ist. Dadurch hat der Kurschluss somit nur noch Auswirkungen auf einen Teil des Energieverteilungsnetzes beziehungsweise Bordnetzes und nicht mehr auf das Gesamtsystem.
Durch die zusätzliche Nutzung der elektrischen Spannung des Energieverteilungsnetzes als Abschaltkriterium im Sinne der Erfindung kann die Kurzschlusserkennung deutlich effizienter gestaltet werden. In Verbindung mit einem Einsatz in zum Beispiel elektronischen Potentialverteilern als Energieverteiler kann eine kanalselektive Erkennung und -abschaltung realisiert werden. Es ist also möglich, jeden an den Energieverteiler angeschlossenen Verbraucher einzeln hochgenau hinsichtlich eines möglichen Kurzschlusses überwachen zu können. Der zu überwachende Verbraucher beziehungsweise die zu überwachende Leitung, an die der Verbraucher angeschlossen ist, kann dadurch deutlich besser ausgenutzt werden, weil mit der Erfindung die Möglichkeit geschaffen ist, erheblich genauer zwischen einem betriebsbedingten Überlastfall und einem fehlerhaften Kurzschluss unterscheiden zu können. Dies hat natürlich auch Vorteile hinsichtlich der Auslegung und Dimensionierung des Energieverteilungsnetzes, weil sich durch die bessere Ausnutzung des Energieverteilungsnetzes Einsparmöglichkeiten ergeben.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Energieverteilungsnetz um ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, welches eine Hochvoltbatterie umfasst. Hochvolt meint insbesondere eine Gleichspannung, die durch eine Norm, wie der ECE R 100 oder dergleichen, vorgegeben ist, beispielsweise eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V. Gemäß dieser Norm sind besondere Maßnahmen zum Schutz von Personen vor elektrischem Schlag vorzusehen.
Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, insbesondere als Elektrofahrzeug, als Hybridfahrzeug oder dergleichen ausgebildet. Bei einem Hybridfahrzeug ist vorgesehen, dass dieses neben einer elektrischen Antriebseinrichtung für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb auch eine Antriebseinrichtung nutzen kann, die Energie durch die Verbrennung eines Brennstoffs gewinnt, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine eine Brennstoffzelle und/oder dergleichen. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Kraftwagen, vorzugsweise ein Personenkraftwagen.
Die elektrische Energiequelle ist vorzugsweise durch einen elektrischen Energiespeicher gebildet, der bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug elektrische Energie für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb zur Verfügung stellt. Die elektrische Energiequelle zeichnet sich dadurch aus, dass elektrische Energie abgegeben wird. Dagegen ist ein Verbraucher, insbesondere elektrischer Verbraucher, dazu ausgelegt, elektrische Energie aufzunehmen und zur Bereitstellung einer vorgegebenen Funktionalität zu nutzen. Ein Verbraucher kann somit zum Beispiel die elektrische Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs im Motorbetrieb sein. Die elektrische Energiequelle kann darüber hinaus aber auch ein elektrischer Generator, eine Brennstoffzelle, ein Windrad und/oder dergleichen sein. Als elektrische Verbraucher kommen jegliche elektrische Einrichtungen in Betracht, die elektrische Energie nutzen, um eine vorgegebenen Funktionalität bereitstellen zu können, so zum Beispiel ein elektrischer Klimakompressor, eine elektrische Heizung, eine elektrische Lichtanlage und/oder dergleichen. Darüber hinaus ist es möglich, dass eine elektrische Einrichtung, beispielsweise der elektrische Energiespeicher, die elektrische Antriebseinrichtung oder dergleichen, je nach Betriebszustand einen Verbraucher oder auch eine Energiequelle darstellt.
Der Energieverteiler ist eine elektrische Einrichtung, an die die Energiequelle und der Verbraucher angeschlossen sind. Es können mehrere Energiequellen sowie auch mehrere Verbraucher an den Energieverteiler angeschlossen sein. Vorzugsweise ist für jede Energiequelle und jeden Verbraucher ein eigener Anschluss vorgesehen, der auch eine eigene Überwachung auf Überstrom beziehungsweise einen Leitungsschutz umfasst. Der Leitungsschutz ist zum Beispiel bei einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs als elektrischem Energieverteilungsnetz in der Regel durch eine Schmelzsicherung gebildet. Häufig ist ein Leitungsschutz nur für Verbraucher vorgesehen. Darüber hinaus kann er aber auch ergänzend für Energiequellen vorgesehen sein.
Vorliegend ist vorgesehen, dass mittels eines Stromsensors ein Verbraucherstrom des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers erfasst und mit einem ersten vorgegebenen Vergleichswert verglichen wird. Ist der erfasste Verbraucherstrom größer als der erste Vergleichswert, wird der Verbraucher vom Energieverteiler elektrisch getrennt, und zwar indem die elektrische Verbindung beziehungsweise der elektrische Anschluss unterbrochen wird. Zu diesem Zweck ist die Trenneinheit vorgesehen, die ein entsprechendes Schaltelement umfasst. Das Schaltelement kann durch ein elektromechanisches Schaltelement wie ein Schütz oder ein Relais gebildet sein. Darüber hinaus kann das Schaltelement aber auch durch ein Halbleiterschaltelement wie einem Transistor, insbesondere einem Feldeffekttransistor, vorzugsweise einem Metalloxid Field Effect Transistor (MOSFET), einem Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT), aber auch durch einen Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) und/oder dergleichen gebildet sein.
Halbleiterschaltelemente werden für den vorgesehenen Schaltbetrieb vorzugsweise in einem Schaltbetrieb betrieben. Der Schaltbetrieb des Halbleiterschaltelements bedeutet, dass in einem eingeschalteten Zustand zwischen den eine Schaltstrecke bildenden Anschlüssen des Halbleiterschaltelements ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Halbleiterschaltelements hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer elektrischer Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb, der aber bei Halbleiterschaltelementen in der Regel nicht zum Einsatz kommt.
Die Erfindung nutzt nun die Erkenntnis, dass ein Spannungseinbruch im Energieverteilungsnetz auf einfache Weise erfasst werden kann. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass, insbesondere bei Bordnetzen von Kraftfahrzeugen, der charakteristische Spannungseinbruch nahezu an einer beliebigen Stelle des Kraftfahrzeugbordnetzes erfasst werden kann. Die für die erfindungsgemäße Umsetzung erforderlichen Einheiten können somit nahezu an einer beliebigen Stelle des Kraftfahrzeugs angeordnet werden, um die erfindungsgemäße Funktion realisieren zu können.
Erfindungsgemäß wird mit einem Spannungssensor ergänzend die elektrische Spannung am Energieverteilungsnetz erfasst und ein Spannungssignal bereitgestellt. Das Spannungssignal wird einem ersten Mittelwertbildner zum Ermitteln eines ersten Mittelwertsignals aus dem Spannungssignal aufgrund einer ersten Mittelwertbildung zugeführt. Ferner wird das Spannungssignal einem zweiten Mittelwertbildner zum Ermitteln eines zweiten Mittelwertsignals aus dem Spannungssignal aufgrund einer von der ersten Mittelwertbildung unterschiedlichen zweiten Mittelwertbildung zugeführt. Die beiden Mittelwertsignale werden dann einem Differenzbildner zugeführt, der eine Differenz der beiden Mittelwertsignale ermittelt und ein entsprechendes Differenzsignal bereitstellt. Dieses Differenzsignal wird einer zweiten Vergleichseinheit zugeführt, die das Differenzsignal mit einem vorgebbaren zweiten Vergleichswert vergleicht. Aufgrund des Vergleichs der zweiten Vergleichseinheit wird eine Logikeinheit gesteuert, die ausgebildet ist, das Ausschaltsignal dann für die Trenneinheit bereitzustellen, wenn zusätzlich das Differenzsignal größer als der zweite Vergleichswert ist.
Das Ausschaltsignal wird bei der Erfindung also nicht mehr nur allein auf Basis des Vergleichs durch die erste Vergleichseinheit bereitgestellt. Dadurch können Überstromereignisse, die ein Auslösen beziehungsweise Trennen des Verbrauchers vom Energieverteiler aufgrund des Überschreitens des ersten Vergleichswerts durch den erfassten Strom zur Folge hätten, vermieden werden. Die Klassifizierung zwischen einem tolerierbaren Überstromereignis und einem Kurzschlussfall kann somit erheblich genauer durchgeführt werden. Dadurch können zum Beispiel Stromereignisse, die im Stand der Technik zum Auslösen beziehungsweise Trennen des Verbrauchers führen würden, eigentlich aber keine Kurzschlussereignisse sind, reduziert werden. Die Funktion des Energieverteilungsnetzes kann dadurch erheblich verbessert werden. Darüber hinaus ergeben sich hierdurch Einsparpotentiale, weil Auslegungsreserven aus konstruktiven Gründen reduziert werden können.
Für die Mittelwertbildner, den Differenzbildner, die Vergleichseinheiten sowie die Logikeinheit können separate Hardware-Baugruppen vorgesehen sein. Sie können zumindest teilweise jedoch als integrierte Baugruppe ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft erweist es sich jedoch, wenn eine Rechnereinheit vorgesehen ist, die mittels eines geeigneten Rechnerprogramms in geeigneter Weise gesteuert wird, um die gewünschten Funktionen zumindest teilweise realisieren zu können. Natürlich kann auch eine Kombination mit Hardwarekomponenten vorgesehen sein. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn bereits eine Vorrichtung zur Detektion eines Kurzschlusses vorhanden ist, die eine entsprechende elektronische Verarbeitung aufweist und die lediglich bezüglich der erfindungsgemäßen Komponenten nachgerüstet zu werden braucht. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn zu diesem Zweck lediglich die Anpassung eines Rechnerprogramms erforderlich ist. In diesem Fall brauchen hardwareseitig keine Änderungen an einer bestehenden Einrichtung vorgenommen zu werden, um die Erfindung realisieren zu können.
Durch die zusätzliche Nutzung der Spannung als Abschaltkriterium kann die Kurzschlusserkennung deutlich effizienter gestaltet werden. In Verbindung mit dem Einsatz in elektronischen Potentialverteilern kann zum Beispiel eine kanalselektive Erkennung beziehungsweise eine verbraucherselektive Erkennung und Abschaltung realisiert werden. Die zu überwachende Leitung zu dem entsprechenden Verbraucher kann deutlich besser ausgenutzt werden, weil deutlich genauer zwischen betriebsbedingtem Überlastfall und fehlerhaftem Kurzschluss unterschieden werden kann.
Für die Nutzung der Kurzschlusserkennung unter zusätzlicher Nutzung einer Spannungsmessung ist es ausreichend, die elektrische Spannung im zu überwachenden Teilbordnetz beziehungsweise Teil des Energieverteilungsnetzes zu ermitteln. Die erfasste Spannung kann dann beispielsweise über Filter mit unterschiedlichen Zeitkonstanten verarbeitet werden. So kann vorgesehen sein, dass mit einer großen Zeitkonstante T₂ betriebsbedingte Spannungsschwankungen aufgrund von Stromänderungen filtert werden. Eine kurze Zeitkonstante T₁ kann für ein Ansprechen des Systems auf schnelle Spannungsänderungen aufgrund von großen Stromanstiegsgeschwindigkeiten vorgesehen sein, die durch auftretende Kurzschlussereignisse hervorgerufen werden. Die Erkennung des Kurzschlusses erfolgt anschließend durch Differenzbildung, das heißt, insbesondere durch Subtraktion, der beiden gefilterten Signale. Hierdurch wird das Differenzsignal bereitgestellt, das dann der zweiten Vergleichseinheit zugeführt wird, um das Differenzsignal mit dem zweiten vorgebbaren Schwellwert zu vergleichen. Durch die Wahl des Wertes für den zweiten vorgebbaren Vergleichswert kann die Empfindlichkeit der Erkennung eingestellt werden.
Da, wie bereits zuvor erläutert, der charakteristische Spannungseinbruch dem Grunde nach im gesamten Energieverteilungsnetz beziehungsweise Bordnetz nachgewiesen werden kann, braucht die Spannungsmessung für die Kurzschlusserkennung im Sinne der Erfindung nicht an einen festen Einbauort gebunden zu sein. Es ist daher denkbar, die Vorrichtung der Erfindung im Energieverteiler, insbesondere wenn es ein elektronischer Energieverteiler ist, zu integrieren. Vorzugsweise ist in diesem Fall eine Kombination mit meiner üblichen Stromüberwachung vorteilhaft, um die Robustheit weiter steigern zu können und eine kanalselektive Abschaltung zu ermöglichen. Die spannungsbasierte Kurzschlusserfassung ist dann jedoch lediglich ein einziges Mal zu installieren. Sie kann für sämtliche Kanäle beziehungsweise Verbraucher zum Zwecke der Überwachung gleichermaßen genutzt werden.
Vorzugsweise wird der erfasste Verbraucherstrom mit einem dritten vorgegebenen Vergleichswert verglichen, der größer als der erste vorgegebene Vergleichswert ist, und, wenn der erfasste Verbraucherstrom größer als der dritte vorgegebene Vergleichswert ist, der elektrische Verbraucher vom Energieverteiler unabhängig davon vom Energieverteiler elektrisch getrennt wird, dass der erste und der zweite vorgegebene Vergleichswert überschritten sind. Diese Ausgestaltung berücksichtigt, dass ein Kurzschlussereignis auftreten kann, welches sich zum Beispiel aufgrund eines thermischen Davonlaufens oder dergleichen ergibt. Bei derartigen Kurzschlüssen ist eine Spannungsänderung am Energieverteilungsnetz zunächst sehr klein, sodass eine Auslösung erst zu einem sehr späten Zeitpunkt erfolgen könnte. Durch diese Weiterbildung kann eine zusätzliche verbesserte Funktion erreicht werden, die auch langsam sich ausbildende Kurzschlüsse berücksichtigt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei mehreren elektrischen Verbrauchern für einen jeweiligen der elektrische Verbraucher ein jeweiliger Verbraucherstrom erfasst, der jeweilige erfasste Verbraucherstrom mit einem dem jeweiligen elektrischen Verbraucher zugeordneten ersten vorgegebenen Vergleichswert verglichen wird und, wenn der jeweils erfasste Verbraucherstrom größer als der zugeordnete erste vorgegebene Vergleichswert ist und zugleich das Differenzsignal größer als der zweite vorgegebene Vergleichswert ist, der jeweilige elektrische Verbraucher vom Energieverteiler elektrisch getrennt wird. Diese Ausgestaltung bezieht sich darauf, dass mehrere Verbraucher am Energieverteiler angeschlossen sein können, die separat über eigene Leitungen beziehungsweise Kanäle an dem Energieverteiler angeschlossen sind und separat überwacht werden können. Es ist hierbei nicht erforderlich, für jeden der überwachten Verbraucher eine eigene zusätzliche Spannungsmessung vorzusehen. Vielmehr kann die Spannungsmessung gemäß der Erfindung gemeinsam für die Überwachungsfunktion sämtlicher Verbraucher herangezogen werden. Dadurch kann die Erfindung mit geringem Aufwand für eine Vielzahl von Verbrauchern, die unabhängig voneinander überwacht werden, realisiert werden, indem sie die Spannungsmessung und deren Auswertung im Sinne der Erfindung gemeinsam nutzen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der erste und der zweite Mittelwertbildner jeweils einen Tiefpassfilter umfassen. Mittels des Tiefpassfilters kann auf einfache Weise eine Mittelwertbildung erreicht werden. Der Tiefpassfilter kann auf einfache Weise sowohl hardwaretechnisch als auch mittels einer Rechnereinheit, die durch ein geeignetes Rechnerprogramm gesteuert ist, realisiert werden. Das Tiefpassfilter ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter erster Ordnung. Je nach Anwendungsfall kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Tiefpassfilter ein Filter höherer Ordnung ist, beispielsweise ein Filter zweiter Ordnung, ein Filter vierter Ordnung oder dergleichen. Gegebenenfalls können die beiden Tiefpassfilter unterschiedlicher Ordnung sein.
Vorteilhaft erweist es sich, wenn eine erste Grenzfrequenz des ersten Tiefpassfilters unterschiedlich zu einer zweiten Grenzfrequenz des zweiten Tiefpassfilters ist. Vorzugsweise weist der erste Tiefpassfilter eine erste Grenzfrequenz auf, die der ersten Zeitkonstante T₁ zugeordnet werden kann, wohingegen der zweite Tiefpassfilter eine zweite Grenzfrequenz aufweist, die der zweiten Zeitkonstante T₂ zugeordnet werden kann. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln Detektionsfunktion zum Detektieren von Kurzschlüssen realisiert werden, weil ein Kurzschluss ein großes Differenzsignal gegenüber einem lediglich großen Stromimpuls erzeugen kann. Durch geeignete Auslegung kann eine nahezu beliebige Anpassung auch an unterschiedliche Energieverteilungsnetze erreicht werden.
Vorzugsweise weist die Logikeinheit ein UND-Gatter mit wenigstens zwei Eingangsanschlüssen auf, wobei ein erster der Eingangsanschlüsse an die erste Vergleichseinheit, ein zweiter der Eingangsanschlüsse an die zweite Vergleichseinheit und ein Ausgangsanschluss das Ausschaltsignal bereitstellt. Der Ausgangsanschluss kann beispielsweise an die Trenneinheit angeschlossen sein. Dadurch wird das von der ersten Vergleichseinheit bereitgestellte Ausschaltsignal über das UND-Gatter geführt, sodass es für sich genommen noch nicht ein Ausschalten mittels der Trenneinheit bewirken kann. Vielmehr ist es ergänzend erforderlich, dass auch die zweite Vergleichseinheit ein entsprechendes Signal liefert, sodass das UND-Gatter aufgrund der UND-Verknüpfung das Ausschaltsignal der ersten Vergleichseinheit an seinem Ausgang bereitstellt und somit eine Übermittlung an die Trenneinheit ermöglicht. Erst wenn beide Vergleichseinheiten ein Überschreiten ihrer jeweiligen Vergleichswerte signalisieren, wird das entsprechende Ausschaltsignal an die Trenneinheit ausgegeben. Bei mehreren Verbrauchern, die unabhängig voneinander überwacht werden sollen, ist für jeden der Verbraucher natürlich eine entsprechende Logikeinheit vorzusehen.
Die Trenneinheit kann Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, des erfindungsgemäßen Energieverteilers, des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und/oder dergleichen sein. Sie kann aber auch als separate Einheit an einer geeigneten Stelle angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der zweite vorgebbare Vergleichswert abhängig vom ersten vorgebbaren Vergleichswert gewählt ist. Diese Weiterbildung berücksichtigt, dass die Verbraucher für sehr unterschiedliche Leistungen ausgelegt sein können und entsprechend eine Überwachungsfunktion für die unterschiedlichen Leistungen realisiert sein soll. Daraus ergibt sich, dass der erste Vergleichswert entsprechend gewählt wird, um eine Leitungsschutzfunktion realisieren zu können. Für die Auslösung ist jedoch auch das Signal der zweiten Vergleichseinheit erforderlich, die bei einem derartigen kleinen Verbraucher natürlich eine kleinere Spannungsänderung als bei einem großen Verbraucher nach sich zieht. Daher kann es sinnvoll sein, den zweiten Vergleichswert angepasst zum ersten Vergleichswert zu wählen, um auf individuelle Unterschiede der Verbraucher besser eingehen zu können.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für die erfindungsgemäße Vorrichtung, den erfindungsgemäßen Energieverteiler sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und umgekehrt. Entsprechend können für Verfahrensmerkmale Vorrichtungsmerkmale formuliert sein und umgekehrt.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 in einem schematischen Blockschaltbild das Prinzip einer baumförmigen Energieverteilung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
2 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Detektieren eines Kurzschlusses,
3 ein schematisches Blockschaltbild für einen elektronischen Energieverteiler mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, und
4 eine schematische Blockschaltbilddarstellung der Kurzschlussdetektion des Energieverteilers gemäß 3 basierend auf einer Schaltung gemäß 2.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung ein Prinzip eines baumförmigen Energieverteilungsnetzes 20, wie es in einem Fahrzeugbordnetz eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) zum Einsatz kommt. Vergleichbare Strukturen finden sich jedoch nicht nur bei Energieverteilungsnetzen von Kraftfahrzeugen, sondern auch bei stationären Energieverteilungsnetzen, insbesondere solchen, die im Inselbetrieb betrieben sind. Das Energieverteilungsnetzes 20 ist vorliegend ein Gleichspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs. Das Gleichspannungsbordnetz weist ein Bezugspotential 10 auf, das vorliegend durch eine Masse gebildet ist, die durch eine Karosserie des Kraftfahrzeugs 10 bereitgestellt ist.
Aus 1 ist ersichtlich, dass das Energieverteilungsnetz 20 einen Energieverteiler 18 umfasst, an dem eine Reihe von Verbrauchern 16 sowie eine Hochvoltbatterie 14 als elektrischer Energiespeicher und auch ein elektrischer Generator 12 als elektrische Energiequelle angeschlossen sind. Die Verbraucher 16 sind mit einem ihrer Anschlüsse an das Bezugspotential 10 angeschlossen. Ein jeweiliger anderer ihrer Anschlüsse ist an den Energieverteiler 18 angeschossen.
Mit 58 sind Sicherungselemente bezeichnet, die durch Schmelzflusssicherungen gebildet sind. Diese sind in jeweiligen, nicht dargestellten Stecksockeln austauschbar angeordnet. Anstelle der Schmelzsicherungen 58 können jedoch auch elektronische Sicherungselemente vorgesehen sein, die unter Nutzung von Stromsensoren in Verbindung mit jeweiligen Halbleiterschaltern beziehungsweise Halbleiterschaltelementen reversibel betätigbare Sicherungselemente bereitzustellen vermögen.
Bei dem Energieverteilungsnetz 20 wird elektrische Energie vom elektrischen Generator 12 und gegebenenfalls auch der Hochvoltbatterie 14 bereitgestellt. Die bereitgestellte elektrische Energie wird von den Verbrauchern 16 verbraucht. Je nach Betriebszustand der Hochvoltbatterie 14 kann diese als Verbraucher oder auch als Energiequelle betrieben sein. Gibt die Hochvoltbatterie 14 elektrische Energie an das Energieverteilungsnetz 20 ab, befindet sie sich in einem Energiequellenbetrieb. Nimmt sie hingegen aus dem Energieverteilungsnetz 20 elektrische Energie auf und speichert diese, befindet sie sich in einem Verbraucherbetriebszustand. Im letzteren Fall wäre die Hochvoltbatterie 14 dann wie ein elektrischer Verbraucher zu behandeln.
Die Sicherungselemente 58 sind, insbesondere wenn sie als elektronische Sicherungselemente ausgebildet sind, ausgebildet, einen Verbraucherstrom 26 des jeweiligen elektrischen Verbrauchers 16 zu erfassen, mit einem ersten vorgegebenen Vergleichswert zu vergleichen und, wenn der erfasste Verbraucherstrom 26 größer als der erste Vergleichswert ist, den jeweiligen Verbraucher 16 vom Energieverteilungsnetz 20 elektrisch zu trennen. Zu diesem Zweck wird der Halbleiterschalter, der in einem Schaltbetrieb betrieben wird, entsprechend angesteuert, und zwar mittels eines Ausschaltsignals, wie dem Ausschaltsignal 38, welches im Folgenden noch erläutert werden wird..
Der Energieverteiler 18 ermöglicht es somit, eine elektrische Leitung, über die ein jeweiliger der Verbraucher 16 an den Energieverteiler 18 angeschlossen ist, zu überwachen, und, sobald der Verbraucherstrom 26 den ersten vorgegebenen Vergleichswert überschreitet, diesen Verbraucher 16 abzuschalten. Dadurch kann ein Leitungsschutz für die entsprechende elektrische Leitung und/oder auch ein Schutz des jeweiligen Verbrauchers 16 erreicht werden.
2 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Vorrichtung 22 zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen Energieverteilungsnetz 20, welches Energieverteilungsnetz 20 im Wesentlichen auf der Beschreibung gemäß 1 basiert, weshalb ergänzend auf die entsprechenden diesbezüglichen Ausführungen zur 1 verwiesen wird.
Aus 2 ist ersichtlich, dass der Vergleich des Verbraucherstroms 26 mit dem ersten vorgegebenen Vergleichswert mittels einer ersten Vergleichseinheit 36 erfolgt, die ein Ausschaltsignal 38 bereitstellt, wenn der erfasste Wert des Verbraucherstroms 26 größer als der erste vorgegebene Vergleichswert ist. Im Stand der Technik wird das Ausschaltsignal 38 zum Betätigen des jeweiligen Halbleiterschalters genutzt, um den betroffenen Verbraucher 16 bei Überstromerfassung abzuschalten. Der Halbleiterschalter bildet eine Trenneinheit 40 (3) zum Trennen des jeweiligen Verbrauchers 16 vom Energieverteilungsnetz 20.
Aus der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 2 ist nunmehr ersichtlich, dass das Ausschaltsignal 38 der ersten Vergleichseinheit 36 nicht mehr unmittelbar zum Abschalten des entsprechenden Halbleiterschalters genutzt wird. Vielmehr wird dieses Ausschaltsignal 38 auf einen von zwei Eingangsanschlüssen 52, 54 eines UND-Gatters 50 geführt, welches eine Logikeinheit bereitstellt. Der erste der Eingangsanschlüsse 54 ist an die erste Vergleichseinheit 36 angeschlossen. Ein Ausgangsanschluss 56 des UND-Gatters 50 ist an die Trenneinheit 40 angeschlossen (3), die Halbleiterschalter zum reversiblen Trennen eines jeweils angeschlossenen der Verbraucher 16 vom Energieverteilungsnetz 20 aufweist. Dadurch kann das Ausschaltsignal 38 nur dann eine Ausschaltfunktion der Trenneinheit 40 bewirken, wenn zugleich auch an dem anderen der beiden Eingangsanschlüsse 52, 54, nämlich dem Eingangsanschluss 52, ein entsprechendes Signal anliegt. Dieses Signal wird aufgrund der erfindungsgemäßen zusätzlichen Nutzung der Spannung als Abschaltkriterium bereitgestellt, wie es im Folgenden weiter erläutert wird. Erst, wenn beide Kriterien erfüllt sind, kann ein entsprechendes Signal an die Trenneinheit 40 zum elektrischen Trennen des angeschlossenen jeweiligen Verbrauchers 16 abgegeben werden.
Aus 2 ist ferner ersichtlich, dass die Vorrichtung 22 einen Spannungssensor 64 (4) zum Erfassen einer elektrischen Spannung am Energieverteilungsnetz 20 und zum Bereitstellen eines Spannungssignals 28 aufweist. Der Spannungssensor 64 selbst ist in dieser Fig. nicht dargestellt.
Das von dem Spannungssensor 64 bereitgestellte Spannungssignal 28 wird einem ersten Mittelwertbildner 42 zum Ermitteln eines ersten Mittelwertsignals 30 aus dem Spannungssignal 28 aufgrund einer ersten Mittelwertbildung zugeführt. Vorliegend ist der Mittelwertbildner 42 durch einen Tiefpassfilter mit einer ersten Grenzfrequenz entsprechend einer ersten Zeitkonstante T₁ gebildet.
Darüber hinaus wird das Spannungssignal 28 einem zweiten Mittelwertbildner 44 zum Ermitteln eines zweiten Mittelwertsignals 32 aus dem Spannungssignal 28 aufgrund einer von der ersten Mittelwertbildung unterschiedlichen zweiten Mittelwertbildung zugeführt. Der zweite Mittelwertbildner 44 ist vorliegend ebenfalls durch einen Tiefpassfilter gebildet, der eine zweite Grenzfrequenz entsprechend einer zwieten Zeitkonstante T₂ aufweist.
Die Mittelwertsignale 30, 32 werden einem Differenzbildner 46, der vorliegend ein Subtrahierer ist, zugeführt, der das Mittelwertsignal 30 vom Mittelwertsignal 32 subtrahiert. Die hierdurch gebildete Differenz wird als Differenzsignal 34 einer zweiten Vergleichseinheit 48 zugeführt, die das Differenzsignal 34 mit einem zweiten vorgebbaren Vergleichswert vergleicht.
Die zweite Vergleichseinheit 48 ist ferner an den Eingangsanschluss 52 des UND-Gatters 50 angeschlossen und bildet somit das zweite Eingangssignal, welches mit dem Ausschaltsignal 38 verknüpft wird. Sobald das Differenzsignal 34 größer als der zweite Vergleichswert ist, wird ein entsprechendes Signal an den Eingangsanschluss 52 des UND-Gatters 50 abgegeben, sodass das Ausschaltsignal 38 dann für die Trenneinheit 40 bereitgestellt wird, wenn zusätzlich auch das Differenzsignal 34 größer als der zweite Vergleichswert ist.
Durch die zusätzliche Nutzung der elektrischen Spannung als Abschaltkriterium neben dem Verbraucherstrom 26 kann die Kurzschlusserkennung deutlich effizienter gestaltet werden. Insbesondere in Verbindung mit dem Einsatz in elektronischen Potentialverteilern, wie sie anhand von 3 im Folgenden erläutert werden, kann eine kanalselektive Erkennung und Abschaltung nicht nur realisiert werden, sondern die jeweils zu überwachende Leitung kann deutlich besser ausgenutzt werden, weil erheblich genauer zwischen einem betriebsbedingten Überlastfall und einem fehlerhaften Kurzschluss unterschieden werden kann.
Da der charakteristische Spannungseinbruch bei einem Kurzschluss insbesondere bei der baumförmigen Struktur des Energieverteilungsnetzes 20 prinzipiell im gesamten Energieverteilungsnetz 20 detektiert werden kann, kann die Spannungserfassung sowie die zugeordnete Auswertung an nahezu einer beliebigen Stelle des Energieverteilungsnetzes 20 angeordnet sein. Vorzugsweise ist diese jedoch in einem Bereich des Energieverteilungsnetzes 20 angeschlossen, der im Wesentlichen ungestört mit der Energiequelle, beispielsweise dem Generator 12, elektrisch in Verbindung steht. Umfasst das Energieverteilungsnetz 20 einen Energieverteiler, wie den Energieverteiler 24, wie er in 3 dargestellt ist, ist diese vorzugsweise im Energieverteiler 24 angeordnet, wie im Folgenden noch weiter erläutert werden wird.
Ein Gedanke der Erfindung ist es, die erfasste elektrische Spannung über Filter, wie die Mittelwertbildner 42, 44, mit unterschiedlichen Zeitkonstanten, das heißt, bei Tiefpassfiltern mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen, zu verarbeiten. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Tiefpassfilter Filter erster Ordnung sind. In alternativen Ausgestaltungen können hier natürlich auch höhergeordnete Filter vorgesehen sein. Es können auch Filter unterschiedlicher Ordnung miteinander kombiniert sein.
Mit einer großen Zeitkonstante, nämlich der Zeitkonstante, die vorliegend der Grenzfrequenz T₂ entspricht, können betriebsbedingte Spannungsschwankungen im bestimmungsgemäßen Betrieb aufgrund von Stromänderungen erfasst werden. Die kurze Zeitkonstante, die vorliegend der Grenzfrequenz T₁ entspricht, kann für ein Ansprechen der Vorrichtung 22 auf schnelle Spannungsänderungen aufgrund von einer großen Stromanstiegsgeschwindigkeit sorgen, die durch auftretende Kurzschlussereignisse hervorgerufen werden können.
Die Erkennung, dass es sich um einen Kurzschluss handelt, erfolgt anschließend durch die Subtraktionsfunktion der beiden gefilterten Mittelwertsignale 30, 32 in Verbindung mit einer nachgeschalteten zweiten Vergleichseinheit 48. Durch die Höhe des zweiten vorgegebenen Vergleichswerts kann die Empfindlichkeit der Detektion eingestellt werden.
3 zeigt nun in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung den Energieverteiler 24, wie er zuvor bereits angerissen wurde. Dieser ist vorliegend Bestandteil des Energieverteilungsnetzes 20. An den Energieverteiler 24 sind an Anschlüssen 60 die Verbraucher 16 sowie auch die Energiequellen, hier der elektrische Generator 12 und die Hochvoltbatterie 14, angeschlossen. In 3 sind lediglich zwei dieser Anschlüsse exemplarisch dargestellt. Für die weiteren Verbraucher sind sinngemäß weitere entsprechende Anschlüsse vorgesehen.
Aus 3 ist ersichtlich, dass der Energieverteiler 24 die Vorrichtung 22 gemäß der Erfindung umfasst, wie sie bereits anhand von 2 erläutert wurde, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass für jeden der Anschlüsse 60 ein Stromsensor 62 angeordnet ist, mittels dem ein entsprechender Verbraucherstrom, nämlich der Verbraucherstrom 26 (2), erfasst werden kann. In Reihe zum Stromsensor 62 ist ein Halbleiterschalter als Trenneinheit 40 geschaltet, der mittels eines Steuersignals 66 hinsichtlich seines Schaltzustands gesteuert werden kann. Alternativ kann an dieser Stelle auch ein elektromechanisches Schaltelement vorgesehen sein. Dadurch ist jeder der an einem Anschluss 60 angeschlossenen Verbraucher 16 individuell vom elektrischen Energieverteilungsnetz 20 abschaltbar. An einem elektrischen Knoten 68 sind die elektrischen Anschlüsse elektrisch zusammengeführt, sodass eine entsprechende Energieverteilungsfunktion realisiert werden kann.
Darüber hinaus umfasst der Energieverteiler 24 Anschlüsse, mittels denen den jeweiligen Verbraucherströmen 26 entsprechende Signale und das Spannungssignal 28 der Vorrichtung 22 zur Verfügung stehen.
Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 2, die sich lediglich auf einen einzigen Verbraucher bezieht, ist bei dem Energieverteiler 24 vorgesehen, dass mehr als ein Verbraucher 16 unabhängig voneinander überwacht werden kann. Zu diesem Zweck ist die Schaltung gemäß 2 im Sinne von 4 zu ergänzen.
Aus 4 ist ersichtlich, dass für jeden der Anschlüsse 60 ein eigener Stromkanal vorgesehen ist, der in 4 exemplarisch von 1 bis n bezeichnet ist. Jeder dieser Stromkanäle weist eine erste Vergleichseinheit 36 auf, die das Signal des jeweiligen Verbraucherstroms 26 mit einem dem jeweiligen der Stromkanäle 1 bis n zugeordneten ersten vorgegebenen Vergleichswert vergleicht, um ein entsprechendes jeweiliges Ausschaltsignal 38 bereitzustellen. Für jeden der Stromkanäle 1 bis n ist ferner ein jeweiliges UND-Gatter 50 vorgesehen, welches jeweils zwei Eingangsanschlüsse 52, 54 aufweist. Das Ausschaltsignal 38 eines jeweiligen der Stromkanäle 1 bis n ist auf einen jeweiligen Eingangsanschluss 54 eines jeweiligen zugeordneten der UND-Gatter 50 geführt. An den Ausgangsanschlüssen 56 der UND-Gatter 50 sind die jeweiligen Steuersignale 66 für die jeweiligen Halbleiterschalter bereitgestellt, die jeweils eine Trenneinheit 40 bereitstellen.
Aus 4 ist ferner ersichtlich, dass lediglich eine einzige Spannungsmessung für sämtliche der Stromkanäle 1 bis n vorgesehen ist, nämlich wie sie bereits anhand von 2 erläutert worden ist. Entsprechend wird auf die diesbezüglichen Ausführungen zur Ausgestaltung gemäß 2 verwiesen. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 2 ist bei der Ausgestaltung gemäß 4 jedoch vorgesehen, dass die zweite Vergleichseinheit 48 an die Eingangsanschlüsse 52 sämtlicher der UND-Gatter 50 angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Spannungsauswertung wird somit für alle Stromkanäle 1 bis n zugleich genutzt. Dadurch kann die Erfindung auf einfache Weise für eine Vielzahl von Stromkanälen eingesetzt werden. Insbesondere die Anordnung der Spannungsauswertung im Energieverteiler 24 erlaubt es, eine besonders kostengünstige und einfache Realisierung der Erfindung zu ermöglichen. Es ist lediglich eine einzige Spannungsmessung erforderlich.
Auch wenn vorliegend lediglich eine einzige Spannungsmessung vorgesehen ist, kann in alternativen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass bedarfsweise auch zwei oder mehrere Spannungsauswertungen im Sinne der Erfindung vorgesehen sind, die entsprechenden Stromkanälen zugeordnet sein können.
Auch wenn vorliegend das Energieverteilungsnetz ein Energieverteilungsnetz eines Kraftfahrzeugs ist, welches im Wesentlichen ein Gleichspannungsbordnetz ist, ist die Erfindung gleichwohl hierauf nicht beschränkt. Die Erfindung kann ferner gleichermaßen natürlich auch bei Energieverteilungsnetzen eingesetzt werden, die nicht auf Gleichspannung, sondern auf Wechselspannung basieren. Eine entsprechende Anpassung ist bezüglich der Spannungsauswertung vorzusehen, um die entsprechende Mittelwertbildung realisieren zu können. Dies kann zum Beispiel durch eine zusätzliche Gleichrichtung und/oder dergleichen erreicht werden.
Insgesamt zeigen die Beispiele sowie auch der allgemeine BeschreibungsTeil, wie durch die Erfindung die Detektion von Kurzschlüssen verbessert werden kann. Es ist eine verbesserte Kurzschlusserkennung zum Schutz von insbesondere sicherheitskritischen Verbrauchern in beispielsweise pilotierten Kraftfahrzeugen möglich. Darüber hinaus kann eine bessere Ausnutzung des Potentials elektronischer Absicherung erreicht werden. Weiterhin ergeben sich Kostenvorteile bei einer Realisierung einer elektronischen Absicherung durch bessere Ausnutzung von Leistungshalbleitern, die als Halbleiterschalter dienen. Schließlich ergibt sich ein Kostenvorteil auch dadurch, dass eine bessere Ausnutzung des Leitungsquerschnittes einer elektrischen Leitung im Leitungssatz erreicht werden kann.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011121604 A1 [0005]
DE 102007052963 A1 [0005]
DE 102014214501 A1 [0006]
WO 2009/011748 A1 [0007]
EP 1289094 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen Energieverteilungsnetz (20), bei dem elektrische Energie von wenigstens einer elektrischen Energiequelle (12, 14) bereitgestellt wird und die bereitgestellte elektrische Energie von wenigstens einem elektrischen Verbraucher (16) verbraucht wird, wobei ein Verbraucherstrom (26) des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers (16) erfasst, mit einem ersten vorgegebenen Vergleichswert verglichen und, wenn der erfasste Verbraucherstrom (26) größer als der erste Vergleichswert ist, der elektrische Verbraucher (16) vom Energieverteilungsnetz (20) elektrisch getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass -eine elektrische Spannung am Energieverteilungsnetz (20) erfasst und ein Spannungssignal (28) bereitgestellt wird, -aus dem Spannungssignal (28) ein erstes Mittelwertsignal (30) aufgrund einer ersten Mittelwertbildung und ein zweites Mittelwertsignal (32) aufgrund einer von der ersten Mittelwertbildung unterschiedlichen zweiten Mittelwertbildung ermittelt wird, -ein Differenzsignal (34) aus einer Differenz des ersten und des zweiten Mittelwertsignals (30, 32) gebildet wird, -das Differenzsignal (34) mit einem zweiten vorgebbaren Vergleichswert verglichen wird und -der elektrische Verbraucher (16) dann vom Energieverteilungsnetz (20) elektrisch getrennt wird, wenn zusätzlich das Differenzsignal (34) größer als der zweite vorgebbare Vergleichswert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Verbraucherstrom (26) mit einem dritten vorgegebenen Vergleichswert verglichen wird, der größer als der erste vorgegebene Vergleichswert ist, und, wenn der erfasste Verbraucherstrom größer als der dritte vorgegebene Vergleichswert ist, der elektrische Verbraucher (16) unabhängig davon vom Energieverteilungsnetz (20) elektrisch getrennt wird, dass der erste und der zweite vorgegebene Vergleichswert überschritten sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren elektrischen Verbrauchern (16) für einen jeweiligen der elektrischen Verbraucher (16) ein jeweiliger Verbraucherstrom (26) erfasst, der jeweilige erfasste Verbraucherstrom (26) mit einem dem jeweiligen elektrischen Verbraucher (16) zugeordneten ersten vorgegebenen Vergleichswert verglichen wird und, wenn der jeweils erfasste Verbraucherstrom (26) größer als der zugeordnete erste vorgegebene Vergleichswert ist und zugleich das Differenzsignal (34) größer als der zweite vorgegebene Vergleichswert ist, der jeweilige elektrische Verbraucher (16) vom Energieverteilungsnetz (20) elektrisch getrennt wird.
Vorrichtung (22) zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen Energieverteilungsnetz (20), bei dem elektrische Energie von wenigstens einer elektrischen Energiequelle (12, 14) bereitgestellt wird und die bereitgestellte elektrische Energie von wenigstens einem elektrischen Verbraucher (16) verbraucht wird, mit: -einem Stromsensor (62) zum Erfassen eines Verbraucherstroms (26) des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers (16), -einer ersten Vergleichseinheit (36) zum Vergleichen des Verbraucherstroms (26) mit einem ersten vorgegebenen Vergleichswert und zum Bereitstellen eines Ausschaltsignals (38) zum Trennen des elektrischen Verbrauchers (16) vom Energieverteilungsnetz (20), wenn der erfasste Verbraucherstrom (26) größer als der erste Vergleichswert ist, gekennzeichnet durch - einen Spannungssensor (64) zum Erfassen einer elektrischen Spannung am Energieverteilungsnetz (20) und zum Bereitstellen eines Spannungssignals (28), - einen ersten Mittelwertbildner (42) zum Ermitteln eines ersten Mittelwertsignals (30) aus dem Spannungssignal (28) aufgrund einer ersten Mittelwertbildung, - einen zweiten Mittelwertbildner (44) zum Ermitteln eines zweiten Mittelwertsignals (32) aus dem Spannungssignal (28) aufgrund einer von der ersten Mittelwertbildung unterschiedlichen zweiten Mittelwertbildung, - einen Differenzbildner (46) zum Bilden eines Differenzsignals (34) aus einer Differenz des ersten und des zweiten Mittelwertsignals (30, 32), - eine zweite Vergleichseinheit (48) zum Vergleichen des Differenzsignals (34) mit einem zweiten vorgebbaren Vergleichswert und - eine Logikeinheit (50), die ausgebildet ist, das Ausschaltsignal (38) dann bereitzustellen, wenn zusätzlich das Differenzsignal (34) größer als der zweite Vergleichswert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Mittelwertbildner (42, 44) jeweils einen Tiefpassfilter umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Grenzfrequenz (T₁) des ersten Tiefpassfilters unterschiedlich zu einer zweiten Grenzfrequenz (T₂) des zweiten Tiefpassfilters ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (50) ein UND-Gatter mit wenigstens zwei Eingangsanschlüssen (52, 54) aufweist, wobei ein erster der Eingangsanschlüsse (54) an die erste Vergleichseinheit (36), ein zweiter der Eingangsanschlüsse (52) an die zweite Vergleichseinheit (48) und ein Ausgangsanschluss (56) das Ausschaltsignal (38) bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite vorgebbare Vergleichswert abhängig vom ersten vorgebbaren Vergleichswert gewählt ist.
Energieverteiler (24) für ein elektrisches Energieverteilungsnetz (20), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (22) zum Detektieren eines Kurzschlusses im elektrischen Energieverteilungsnetz (20) nach einem der Ansprüche 4 bis 8.
Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energieverteilungsnetz (20), einer an dem elektrischen Energieverteilungsnetz (20) angeschlossenen elektrischen Antriebseinrichtung und einem an dem elektrischen Energieverteilungsnetz (20) angeschlossenen elektrischen Energiespeicher (14), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Energieverteilungsnetz (20) einen Energieverteiler (24) nach Anspruch 9 oder eine Vorrichtung (22) zum Detektieren eines Kurzschlusses im elektrischen Energieverteilungsnetz (20) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 aufweist.