DE102018206648A1

DE102018206648A1 - Leitungsnetz sowie Versorgungsleitung für ein solches Leitungsnetz

Info

Publication number: DE102018206648A1
Application number: DE102018206648.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Rau; Bernd Schneider; Bernhard Schraud
Original assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Current assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2038-04-28
Also published as: DE102018206648B4

Abstract

Es wird ein Leitungsnetz (4), insbesondere ein KFZ-Bordnetz mit einer Spannungsquelle (14) und mit einer elektrischen Last (16), die mit der Spannungsquelle (14) über eine Versorgungsleitung (2) verbunden ist angegeben, wobei die Versorgungsleitung (2) eine mehrlagige Isolation (8) mit einer inneren Isolationsschicht (10) und einer äußeren Isolationsschicht (12) aufweist, wobei die innere Isolationsschicht (10) einen geringeren elektrischen Widerstand als die äußere Isolationsschicht (12) aufweist. Zur Detektion einer Beschädigung der Versorgungsleitung 2 ist ein Spannungsabfall zwischen der Versorgungsleitung 2 und einem Bezugspunkt 20 erfassbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitungsnetz, insbesondere ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges sowie eine Versorgungsleitung für ein solches Leitungsnetz.
In bisherigen Kraftfahrzeug-Bordnetzen beträgt die Bordnetzspannung üblicherweise 14V. Aufgrund dieser geringen Spannung stellen Lichtbögen üblicherweise kein Problem dar. Im Zuge der Verwendung von höheren Spannungen im Bordnetz, beispielsweise durch die Anhebung der Batteriespannung auf 48V oder auch durch die Entwicklung von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen mit beispielsweise einer zweiten Spannungsebene innerhalb des Bordnetzes von mehreren 100V ist die Problematik des Entstehens von Lichtbögen zu betrachten.
Bei einer Bordnetzspannung von bspw. 48 Volt kann bei der Unterbrechung des Stromkreises unter Last ein (serieller) Störlichtbogen auftreten, wenn der Strom hinreichend hoch und die Umgebungsbedingungen für einen Lichtbogen zusprechend sind. Dieser Lichtbogen stellt eine Brandgefahr für den Leitungssatz und damit für das Fahrzeug dar und muss daher unter allen Umständen verhindert, bzw. schnell genug gelöscht werden.
Unter einem seriellen Lichtbogen wird allgemein das Überbrücken der Leitungsenden einer defekten und/oder unterbrochenen Leitung verstanden. Entsteht ein Lichtbogen, so besteht zudem die Gefahr, dass sich ein stabiler Betriebspunkt des Lichtbogens einstellt und der Lichtbogen daher kontinuierlich weiterbrennt. Dadurch ist insgesamt die Brandgefahr bei Auftreten eines Lichtbogens sehr hoch. Gegenwärtig sind Möglichkeiten der elektronischen Detektion oder der mechanischen Prävention bekannt.
Elektronische Lichtbogendetektionsvorrichtungen sind vergleichsweise kostspielig und aufwendig in der Implementierung, da in die Architektur des Fahrzeugbordnetzes eingegriffen werden muss.
Mechanische Präventionsmaßnahmen, wie beispielsweise ein temperaturbeständiger Schutzschlauch, können einen Störlichtbogen nicht unter allen Umständen verhindern, sondern lediglich dessen Auftrittswahrscheinlichkeit reduzieren. Ein Fahrzeugbrand ist damit nicht völlig ausgeschlossen. Darüber hinaus erfordern solche Schutzschläuche kostbaren Bauraum, und sind in der Konfektion relativ aufwendig, da die Leitungen hindurchgefädelt werden müssen. Ebenso sind solche Schutzschläuche vergleichsweise kostspielig.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Leitungsnetz, insbesondere bei einem Kraftahrzeug-Bordnetz, Lichtbögen in einfacher und kostengünstiger Weise möglichst zu vermeiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leitungsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Das insbesondere als ein Kraftfahrzeug-Bordnetz (KFZ-Bordnetz) ausgebildete Leitungsnetz weist eine (Gleich-)Spannungsquelle und eine elektrische Last auf. Die elektrische Last ist über eine Versorgungsleitung mit der Spannungsquelle verbunden. Unter der elektrischen Last wird hierbei beispielsweise zumindest ein elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs verstanden. Die elektrische Last kann somit vorzugsweise auch mehrere elektrische Verbraucher mit einschließen.
Die Versorgungsleitung weist eine mehrlagige Isolation mit einer inneren und einer äußeren Isolationsschicht auf, wobei die innere Isolationsschicht einen geringeren elektrischen Widerstand als die äußere Isolationsschicht aufweist. Beispielsweise weist die innere Isolationsschicht eine um zumindest den Faktor 10 oder zumindest den Faktor 100 geringeren Widerstand als die äußere Isolationsschicht auf.
Die beiden Isolationsschichten umgeben einen Leiterkern der Versorgungsleitung und sind vorzugsweise als Mantellagen ausgebildet. Die beiden Mantellagen sind dabei vorzugsweise durch Extrusion aufgebracht.
Der im Betrieb stromführende Leiterkern ist vorzugsweise als ein leitfähiger Kernstrang ausgebildet, wobei dieser von der inneren und äußeren Isolationsschicht ummantelt wird. Der Leiterkern besteht beispielsweise wegen seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeit aus Kupfer oder Aluminium. Des Weiteren kann der Leiterkern aus einem temperaturabhängigen Metall oder Legierung bestehen. Beispielsweise kann ein temperaturabhängiges Metall oder Legierung ein Kaltleiter darstellen.
Die äußere Isolationsschicht weist beispielsweise ein PVC oder auch andere Kunststoffe wie Polyurethan oder Polyethylen auf. Denkbar sind auch andere isolierende Materialien, die die Leitung vor äußeren Einflüssen bzw. vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern schützen. Äußere Einflüsse können beispielsweise mechanische und/oder thermische und/oder chemische Einflüsse wie z. B. Abrieb, Temperatur oder hohe Bewegungsraten sein. Die äußere Isolationsschicht verhindert einen elektrischen Stromfluss, ist also nicht leitend und weist einen sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf.
Vorzugsweise weist die innere Isolationsschicht ein halbleitfähiges Material auf, welches weiter bevorzugt als ein leitfähiges Polymer ausgebildet ist. Leitfähige Polymere können beispielsweise intrinsisch leitende Polymere oder auch Polymere mit elektrisch leitenden Füllstoffen wie beispielsweise Aluminiumflocken, (Leit-)Ruß oder anderen leitfähigen Materialien sein. Hierdurch ist eine ausreichende Leitfähigkeit gegeben, sodass beispielweise ein Messstrom über die innere Isolationsschicht fließen kann.
Weiterhin weist das halbleitfähige Material einen spezifischen Widerstand mit einem Wert im Bereich von 1 Ωmm²/m bis 1000 Ωmm²/m auf. Vorzugsweise weist das halbleitfähige Material einen spezifischen Widerstand mit einem Wert >10 Ωmm²/m auf. Unter dem spezifischen Widerstand, auch als Resistivität bezeichnet, wird allgemein der Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit verstanden. Der spezifische Widerstand wird vorzugsweise zur Angabe und/oder Berechnung des elektrischen Widerstands einer (homogenen) elektrischen Leitung herangezogen und gibt dient (indirekt) als ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit des Leiters oder eines Materials. Allgemein Für wissenschaftliche Zwecke wird der spezifische Widerstand auch in der dimensionsgekürzten Einheit Ωm angegeben. In diesem Zusammenhang entsprechen die oben angegebenen Werte einem spezifischen Widerstand mit einem Wert im Bereich von 10^-6 Ωm bis 10^-3 Ωm und vorzugsweise einem Wert > 10^-5 Ωm. Herkömmliche reine Isolatoren oder Isolationsmaterialien weisen z.B. einen spezifischen Widerstand mit einem Wert im Bereich von 10¹⁶ Ωmm²/m bis 10²⁰ Ωmm²/m auf.
Weiterhin weist die innere Isolationsschicht eine um zumindest den Faktor 10, vorzugsweise um zumindest den Faktor 100 oder auch um zumindest den Faktor 1000 höheren elektrischen Widerstand als ein Leiter der Versorgungsleitung auf, sodass trotz einer ausgebildeten Leitfähigkeit eine ausreichende Isolierwirkung gegeben ist.
Zur Ermittlung eines Fehlerstromes und somit zum Schutz gegenüber auftretenden (parallelen) Lichtbögen geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass ein potentieller (paralleler) Lichtbogen detektiert werden kann, wenn an einer schadhaften Stelle infolge einer Isolationsbeschädigung ein Fehlerstrom zustande kommt und dieser durch eine Strom- oder Spannungsmessung ermittelt werden kann. Eine solche Ermittlung kann dann beispielsweise durch eine bereits vorhandene Elektronik beispielsweise in der Batterie, die für die Strom- oder Spannungsmessung genutzt wird, festgestellt werden.
Der Fehlerstrom kann wiederum ermittelt werden, indem bei einer Beschädigung der äußeren Isolationsschicht und bei einem Kontakt zwischen der inneren Isolationsschicht und einem weiteren Potential, beispielsweise ein scharfkantiger Karosserieabschnitt, ein dadurch entstehender hochohmiger Kurzschluss erfasst wird. Durch die Beschädigung der äußeren Isolationsschicht beispielsweise durch mechanische oder thermische Einflüsse, kommt ein Stromfluss zwischen dem Potential und der inneren Isolationsschicht zustande. Dabei weist die innere Isolationsschicht einen vordefinierten und insbesondere bekannten Widerstandswert bzw. eine vordefinierte, bekannte Leitfähigkeit auf. Durch die Beschädigung ändern sich die elektrischen Verhältnisse im Bordnetz, insbesondere Strom, Spannung und Widerstand, welche durch eine geeignete Messmethode erkannt werden können.
Zur Ermittlung und/oder Erfassung dieser sich geänderten elektrischen Verhältnisse und insbesondere des Fehlerstroms, weist das Leitungsnetz eine Vorrichtung auf, die zur Überwachung des Leitungsnetzes im Hinblick auf einen möglichen (parallelen) Lichtbogen ausgebildet ist.
Die Vorrichtung weist gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung ein Spannungsmesselement auf. Das Spannungsmesselement dient zur Erfassung einer Spannung zwischen der Versorgungsleitung und einem Bezugspunkt, insbesondere einem Grund- oder Massepotential. Durch das Spannungsmesselement ist die Erfassung der geänderten elektrischen Verhältnisse, insbesondere eines zusätzlichen, im beschädigten Zustand der Versorgungsleitung auftretenden Spannungsabfalls über die innere Isolationsschicht realisiert.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung zur Spannungsmessung derart ausgebildet, das die Messung bei einem stromlosen Zustand der Versorgungsleitung erfolgt. Unter dem stromlosen Zustand wird hierbei beispielsweise ein Zustand der Versorgungsleitung verstanden, in dem keine Leistung durch den Leiterkern an die Last übertragen wird. D.h. die Spannungsmessung erfolgt im stromlosen Zustand des betroffenen Lastpfades, wenn sowohl Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, als auch ein Verbraucher am Fahrzeug ausgeschaltet sind (z.B. vor oder nach einem Entriegeln des Kraftfahrzeugs).
Die Beschädigung der Isolierschicht und der dadurch entstehende Kurzschluss, werden somit vorzugsweise diagnostiziert, indem im stromlosen Zustand eines beschädigten Lastpfades eine Spannungsmessung vorgenommen wird. Vorzugsweise erfolgt die Spannungsmessung zwischen einer Leitung und einem Massepunkt. Hierdurch sind zum Einen eine Störung des Betriebes der Versorgungsleitung und zum Anderen eine Beeinflussung der Spannungsmessung durch einen im Betrieb durch die Versorgungsleitung fließenden elektrischen Stroms verhindert. Beispielsweise kann eine Messung nach einem Entriegeln des Fahrzeuges stattfinden, da zu diesem Zeitpunkt noch kein Verbraucher im Fahrzeug aktiviert ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Vorrichtung zur Spannungsmessung derart ausgebildet ist, dass die Messung vor dem Zuschalten der Last oder nach dem Abschalten der Last erfolgt. Die Spannungsmessung erfolgt insbesondere unmittelbar vor beziehungsweise nach dem Zu- oder Abschalten, d.h. innerhalb eines Zeitraums von kleiner 1 min, speziell kleiner 10 sek. Im Falle der Messung vor dem Zuschalten der Last erfolgt die Messung beispielsweise nach einem für das Zuschalten bereitgestellten (Zu-)Schaltsignal und vor dem eigentlichen Zuschalten der Last. Im Falle der Messung nach dem Abschalten der Last hingegen erfolgt die Messung nach einem für das Abschalten bereitgestellten (Ab-)Schaltsignal und nach dem auf das (Ab-)Schaltsignal folgende Abschalten der Last. In beiden Fällen ist das Leistungsnetz und insbesondere die Versorgungsleitung stromlos oder zumindest im Wesentlichen stromlos. Unter im Wesentlichen stromlos wird hierbei verstanden, dass innerhalb der Versorgungsleitung lediglich ein elektrischer Strom fließt, dessen Wert die Spannungsmessung zur Detektion einer Beschädigung nicht oder vernachlässigbar beeinflusst.
Insbesondere bei Kraftfahrzeugen erfolgt die Spannungsmessung nach einem Fahrbetrieb, insbesondere nach einem Verriegeln, unmittelbar nachdem die nicht überwachungsbedürftigen Verbraucher von der Spannungsquelle getrennt wurden. Unter unmittelbar wird hierbei allgemein eine Zeitspanne von einem Verriegeln des Kraftfahrzeugs bis zu einem erneuten Entriegeln des Kraftfahrzeugs und vorzugsweise eine Zeitspanne von mehreren Sekunden, z.B. 10 sek. nach dem Verriegeln des Kraftfahrzeugs verstanden. Alternativ oder ergänzend erfolgt die Spannungsmessung nach einem Entriegeln, also z.B. unmittelbar nachdem das Kraftfahrzeug ein Steuersignal zum Entriegeln der Türen erfasst hat. Hierbei erfolgt die Spannungsmessung vorzugsweise noch vor einem Zündvorgang des Kraftfahrzeuges, also bevor die nicht überwachungsbedürftigen Verbraucher an die Spannungsquelle geschaltet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest ein Schaltelement zum Zu- und Abschalten der Last vorgesehen. Zweckdienlicherweise weist hierbei die Vorrichtung ein erstes quellenseitiges Schaltelement auf, über das die Versorgungsleitung für den normalen Betrieb mit der Spannungsquelle verbindbar und für die Spannungsmessung von der Spannungsquelle trennbar ist. Unter quellenseitig wird hierbei verstanden, dass das Schaltelement örtlich zwischen dem Phasenanschluss (also dem Plus-Pol) der Spannungsquelle, z.B. der Batterie, und der Versorgungsleitung angeordnet ist.
Alternativ oder ergänzend weist die Vorrichtung ein zweites lastseitiges Schaltelement auf, über das die Versorgungsleitung für den normalen Betrieb mit der Last verbindbar und für die Spannungsmessung von der Last trennbar ist. Unter lastseitig wird hierbei verstanden, dass das Schaltelement örtlich zwischen der Versorgungsleitung und der Last angeordnet ist.
Die Spannungsmessung erfolgt vorzugsweise durch eine Zuschaltung eines weiteren Widerstandselements, welches bevorzugt in einem Bypasspfad angeordnet ist. Der Bypasspfad ist vorzugsweise parallel zum (quellenseitig angeordneten) Schaltelement angeordnet, sodass nach einem Öffnen des (quellenseitig angeordneten) Schaltelements und einem Zuschalten des Widerstandselements ein Stromkreis über das zugeschaltete Widerstandselement geschlossen ist.
Das Widerstandselement ist bevorzugt als ein Pull-Up-Widerstand ausgebildet. Unter Pull-Up-Widerstand wird allgemein ein (relativ hochohmiges) Widerstandselement verstanden, welches eine Leitung mit einem höheren Spannungsniveau verbindet. Dadurch wird die Leitung insgesamt auf ein höheres Spannungsniveau „hochgezogen“ (engl.: pull up). Pull-Up-Widerstände weisen typischerweise Werte im Bereich zwischen 1 kΩ und 10 kΩ auf.
Im Falle einer Beschädigung und eines Kontaktes der inneren Isolationsschicht mit Massepotential ist über die innere, leitfähige Schicht ein weiterer Isolationswiderstand gegeben, der dann vorzugsweise in Reihe zum zuschaltbaren Widerstandselement geschaltet ist.
Durch die Reihenschaltung des Pull-up-Widerstandes wird während einer kurzen Zeitspanne ein Spannungsteiler bereitgestellt, der eine Spannungserfassung an der inneren Isolationsschicht ermöglicht.
Bei der kurzen Zeitspanne handelt es sich vorzugsweise um die Zeit, in der die Messung stattfindet, wobei die Messungsdauer weniger als ein paar Millisekunden beträgt.
Aufgrund dessen, dass die Werte der beiden Widerstandselemente (zuschaltbarer Widerstand und spezifischer Widerstand der inneren Isolationsschicht) sowie die Gesamtspannung (= Batteriespannung, z.B. 48 Volt) und der Spannungsabfall über das zuschaltbare Widerstandselement oder über den spezifischen Widerstand bekannt sind, kann eine Beschädigung der Versorgungsleitung gemäß den elektrotechnischen Beziehungen innerhalb des Spannungsteilers diagnostiziert werden. Die elektrotechnischen Beziehungen der in einem Spannungsteiler angeordneten Bauteile sind grundsätzlich bekannt.
Die Isolationsbeschädigung kann beispielsweise durch einen Unterschied in einer vordefinierten Betriebsspannung detektiert werden. Entspricht die Betriebsspannung der Spannung, die die Spannungsmessung identifiziert, so ist ein Fehler oder eine Isolationsbeschädigung auszuschließen. Ist jedoch die gemessene Spannung signifikant kleiner als die eigentliche Betriebsspannung, so ist von einer Isolationsbeschädigung auszugehen.
Zur Auswertung der gemessenen Spannung, speziell zur Auswertung der über das zuschaltbare Widerstandselement abfallenden Spannung und somit einer Detektion einer Isolationsbeschädigung, weist die Vorrichtung bevorzugt eine Auswerteeinheit auf.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungsquelle (z.B. Batterie) als eine intelligente Quelleneinheit ausgebildet. Hierbei sind zumindest einige Komponenten der Vorrichtung, insbesondere das zuschaltbare Widerstandselement und/oder die Auswerteeinheit, oder auch die gesamte Vorrichtung mit in die Quelleneinheit integriert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind das zuschaltbare Widerstandselement und die zugehörige Spannungsmessung in die Spannungsquelle integriert. Beispielsweise kann dabei eine bereits vorhandene Batterieelektronik, die für die Betriebs-Spannungsmessung genutzt wird, zusätzlich zur Messung des Spannungsabfalls über das zuschaltbare Widerstandselement herangezogen werden. Die Spannungsmessung kann auch beispielsweise über ein Batteriemanagementsystem erfolgen. Durch die Integration des zuschaltbaren Widerstandselements und insbesondere der Spannungsmessung in die Spannungsquelle kann eine bereits vorhandene Elektronik genutzt werden und somit insgesamt die Diagnoseschaltung einfach und baulich kompakt realisiert werden.
Das Leitungsnetz weist üblicherweise einen Leistungsverteiler auf, welcher ein Verteilerelement aufweist, welches häufig als Stromschiene ausgebildet ist. An diesem Verteilerelement sind mehrere Lastpfade angeschlossen und dadurch mit der Spannungsquelle verbunden. Die einzelnen Lastpfade sind dabei üblicherweise über ein Sicherungselement abgesichert. Die Komponenten des Leistungsverteilers sind typischerweise in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Der Leistungsverteiler wird üblicherweise auch als Sicherungsbox bezeichnet. Der Leistungsverteiler ist daher zwischen der Spannungsquelle und den einzelnen abgehenden Lastpfaden angeordnet. Eingangsseitig weist der Leistungsverteiler somit eine Verbindung zur Spannungsquelle auf, während er ausgangsseitig über die einzelnen Lastpfade mit den Lasten verbunden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest einige Komponenten der Vorrichtung, insbesondere das zuschaltbare Widerstandselement oder auch die gesamte Vorrichtung in einem solchen Leistungsverteiler integriert.
Bevorzugt ist dabei mehreren oder auch allen Lastpfaden, die am Leistungsverteiler angeschlossen sind, jeweils zumindest ein eigenes zuschaltbares Widerstandselement zugeordnet. Zur Überwachung der einzelnen Leistungspfade im Hinblick auf einen (möglichen) Lichtbogen, weisen also mehrere und insbesondere jeder Lastpfad die Vorrichtung mit jeweils einem zuschaltbaren Widerstandselement sowie einem Spannungsmesselement auf. Hierdurch ist für mehrere (jeden) Lastpfad und somit auch für mehrere (jede) Versorgungsleitung des Leistungsnetzes individuell eine Diagnose hinsichtlich einer Beschädigung der Isolation und somit eines (möglichen) auftretenden (parallelen) Lichtbogens ermöglicht.
Zur Auswertung der erfassten, insbesondere gemessenen Spannungsänderung, weist gemäß dieser Ausgestaltung das Leitungsnetz vorzugsweise eine gemeinsame Auswerteeinheit auf, die mit jedem Spannungsmesselement der einzelnen Lastpfade verbunden ist und bevorzugt im Leistungsverteiler angeordnet ist.
Alternativ weist jeder Lastpfad eine eigene Auswerteeinheit auf, wobei hierbei die Auswerteeinheiten entweder gemeinsam in dem Leistungsverteiler angeordnet sein können oder jeweils eine Auswerteeinheit in die jeweilige Vorrichtung eines jeweiligen Lastpfades integriert ist.
Die entsprechende Spannungsänderung wird vorteilhafterweise zur Auslösung einer Schutzmaßnahme herangezogen. Hierzu ist die Auswerteeinheit derart eingerichtet ist, in Abhängigkeit der ausgewerteten über das zuschaltbare Widerstandselement abfallenden Spannung ein Signal, insbesondere ein Warnsignal auszugeben.
Als Schutzmaßnahme ist somit zumindest eine Warnung in Form von einem Signal und/oder eine Stromreduzierung in der Versorgungsleitung vorgesehen.
Zweckmäßigerweise wird jedoch die Verbindung der Versorgungleitung zur Stromquelle und damit der über diese geführte Stromfluss durch einen vorzugsweise in der Versorgungsleitung selbst angeordneten Schalter unterbrochen, der mittels der z.B. über eine eigene Ansteuerspannung oder einen eigenen Ansteuerstrom (die beispielsweise in Abhängigkeit der erfassten Spannungsänderung von der Auswerteeinheit bereitgestellt werden)direkt oder über die vorzugsweise an der Versorgungsleitung gemessenen Spannung indirekt angesteuert wird. Dazu kann beispielsweise ein pyrotechnischer Trennschalter, der mittels des Ansteuerstroms gezündet wird, oder ein elektromechanischer Schalter, z. B. ein Relais, oder ein Halbleiterschalter benutzt werden.
Zweckdienlicherweise entspricht ein Querschnitt der inneren Isolationsschicht einem Durchmesser eines insbesondere genormten Crimp-Kontaktelements. Unter dem Durchmesser der inneren Isolationsschicht wird hierbei speziell der Durchmesser der Versorgungsleitung exklusive, also ohne, die äußere Isolationsschicht verstanden. Insbesondere entspricht der Durchmesser der inneren Isolationsschicht dem Durchmesser einer FLRY-Leitung. Unter FLRY-Leitung wird eine Fahrzeugleitung mit reduzierter Wandstärke aus PVC verstanden. Derartige FLRY-Leitungen sind hinreichend bekannt und werden vorzugsweise im Kraftfahrzeugbau eingesetzt und weisen definierte Standard-Durchmesser auf. Bei der FLRY-Leitung handelt es sich bevorzugt um eine einadrige Leitung.
Durch eine beispielsweise stufenweise Abisolation kann somit z.B. ein Kontakt-Terminal mit ISO-Crimp-Kontaktelementen (ausgelegt für eine FLRY-Leitung) angeschlagen werden. Hierzu wird zunächst die äußere Isolationsschicht abisoliert bevor dann die Leitung wie üblich an das Kontaktelement angeschlagen wird.
Bei den ISO-Crimp-Kontaktelementen handelt es sich vorzugsweise um (normierte) Kontaktelemente für normierte Isolationsschichten von Leitungen. Derartige Isolationsschichten betreffende Normen sind gegenwärtig beispielsweise die ISO 6722-1.
Nachfolgend sind zusammenfassend die drei besonderen, erfindungsgemäßen Vorteile aufgeführt:

• Verhinderung eines parallelen Lichtbogens auf der Versorgungsleitung durch die diagnostizierbare Leitungsisolation in Kombination mit einer Spannungsmessung.
• Integration der Spannungsmessung zur Diagnose des Leitungszustandes in die Batterie und/oder in den Leistungsverteiler (Sicherungsbox).
• Die Versorgungsleitung ist vorzugsweise mit vorhandenen / üblichen Crimp-Kontakten konfektioniert. Die Wandstärke der inneren Isolationsschicht entspricht vorzugsweise einer FLRY Leitung; somit kann durch eine gestufte Abisolation ein Terminal mit Iso-Crimp (ausgelegt für eine FLY/FLRY Leitung) angeschlagen werden und somit auf standardmäßig in Kraftfahrzeugen verlegte Leitungen zurückgegriffen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Diese zeigen jeweils eine stark vereinfachten Darstellungen:

1 ein Längsschnitt durch eine Versorgungsleitung mit einer mehrlagigen Isolation,
2 ein Ersatzschaltbild eines Leitungsnetzes mit der Versorgungsleitung bei beschädigter äußerer Isolationsschicht,
3 ein in einer Batterie des Leitungsnetzes ausgebildeter Spannungsteiler sowie
4 ein Ersatzschaltbild einer technischen Realisierung des Leitungsnetzes mit mehreren Lasten, bei dem die Spannungsmessung in die Batterie integriert ist.
5 ein Ersatzschaltbild einer technischen Realisierung des Leitungsnetzes mit mehreren Lasten, bei dem jeweils eine Spannungsmessung für jeweils einen Lastpfad ausgebildet ist, die in einem Leistungsverteiler angeordnet ist.

In den Figuren sind gleichwirkende Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.
In 1 ist eine Versorgungsleitung 2 für ein Leitungsnetz 4, insbesondere für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz dargestellt. Die Versorgungsleitung 2 weist einen Leitungskern 6 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer auf. Die Versorgungsleitung 2 ist im Ausführungsbeispiel als eine einadrige Versorgungsleitung 2 ausgebildet. Der Leitungskern 6 ist von einer mehrlagigen Isolation 8 umgeben. Die mehrlagige Isolation 8 weist im Ausführungsbeispiel eine innere Isolationsschicht 10 und eine äußere Isolationsschicht 12 auf. Dabei umgibt die innere Isolationsschicht 10 den Leitungskern 6 beispielsweise unmittelbar. Der Leitungskern 6 und die innere Isolationsschicht 10 sind gemeinsam von der äußeren Isolationsschicht 12 umgeben.
Die innere Isolationsschicht 10 weist ein halbleitfähiges Material, beispielsweise ein leitfähiges Polymer auf. Zudem weist das halbleitfähige Material einen spezifischen Widerstand R_i mit einem Wert im Bereich zwischen 1 Ωmm²/m bis 1000 Ωmm²/m und vorzugsweise von > 10 Ωmm²/m auf.
Der Querschnitt Q der inneren Isolationsschicht 10 entspricht im Ausführungsbeispiel einem Durchmesser eines Crimp-Kontaktelements, insbesondere eines genormten Crimp-Kontaktelements. Die Versorgungsleitung 2 ist hierzu im Ausführungsbeispiel als eine FLRY-Leitung, gemäß ISO 6722-1 ausgebildet.
Eine derartige in einem Leitungsnetz 4 verbaute Versorgungsleitung 2 ist anhand eines Ersatzschaltbildes in 2 gezeigt. 2 zeigt dabei ein Ersatzschaltbild des Leitungsnetzes 4 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges mit einer Spannungsquelle 14 und einer elektrischen Last 16. Die Verbindung der Spannungsquelle 14 mit der Last 16 durch die Verbindungsleitung 2 bildet einen Lastpfad 15 aus. Innerhalb eines Kraftfahrzeuges sind üblicherweise mehrere solcher Lastpfade 15 ausgebildet.
Die elektrische Last 16 ist mittels der Versorgungsleitung 2 an die Spannungsquelle 14 angeschlossen. Weiterhin weist das Leitungsnetz 4 im Ausführungsbeispiel zwei Schaltelemente 18a,b auf. Eines der beiden Schaltelemente 18a ist quellenseitig QS zwischen die Spannungsquelle 14 und einem Anfang der Versorgungsleitung 2 angeordnet. Das andere der beiden Schaltelemente 18b ist lastseitig LS zwischen einem Ende der Versorgungsleitung 2 und der Last 16 angeordnet. Die beiden Schaltelemente 18a,b dienen einem Zu- und Abschalten der Last 16 von der Spannungsquelle 14.
Wird die äußere Isolationsschicht 12 beschädigt (z.B. durch Scheuern an einer scharfen Kante der Karosserie), so dass die innere Isolationsschicht 10 mit der Karosserie in Kontakt kommt, kann diese Beschädigung diagnostiziert werden. Aufgrund dessen, dass die innere Isolationsschicht 10 einen bekannten und vordefinierten spezifischen Widerstandswert R_i aufweist, kann zur Diagnose eine Spannung U_i zwischen der Versorgungsleitung 2 und einem Bezugspunkt 20, hier das Massepotential der Karosserie, erfasst werden. Der Widerstandswert R_i ist im Ersatzschaltbild gemäß 2 als ein Widerstandselement dargestellt.
Das Leitungsnetz 4 weist zur Diagnose eine Vorrichtung 22 auf, die zur Überwachung des Leitungsnetzes 2, insbesondere im Hinblick auf einen durch eine beschädigte Isolation 8 der Versorgungsleitung 2 hervorgerufenen Lichtbogen ausgebildet ist. Die Vorrichtung 22 weist zur Spannungsmessung ein Spannungsmesselement 24 auf.
Zusätzlich ist im Ausführungsbeispiel parallel zu dem quellenseitig QS angeordneten Schaltelement 18a ein Bypasspfad 26 mit einem mittels einem Schalter 28 zuschaltbaren Widerstandselement R_P angeordnet. Das zuschaltbare Widerstandselement R_P ist bevorzugt als ein Pull-Up-Widerstand ausgebildet.
Zur Erfassung, insbesondere zur Messung der zwischen der Versorgungsleitung 2 und dem Bezugspunkt 20 abfallenden Spannung U_i wird das zuschaltbare Widerstandselement R_P dem während der Messung stromlosen Strompfad 15 zugeschaltet. Unter stromlosem Strompfad 15 wird hierbei verstanden, dass während der Messung lediglich die Messung nicht beeinflussende oder alternativ keine elektrischen Ströme von der Spannungsquelle 14 zu der Last 16 fließen. Der Lastpfad 15 ist also z.B. stromlos, wenn zumindest eines der beiden Schaltelemente 18a,b geöffnet ist.
Durch das Zuschalten des Widerstandselements R_P ist in Spannungsteiler für die Zeit der Messung aktiviert. D.h. das Widerstandselement R_P wird lediglich für die Zeit der Messung zugeschaltet.
Heutzutage werden in Kraftfahrzeugen „intelligente“ Batterien 32, auch als „intelligente Quelleneinheiten“ bezeichnet eingesetzt, die neben der eigentlichen Spannungsquelle 14 weitere elektronische oder elektrische Bauteile, z.B. zur Überwachung der Batterie 32 aufweisen. Gemäß einer ersten, in 2 und 4 dargestellten Variante wird eine derartige „intelligente“ Batterie 32 mit zumindest einigen der Bauteile der Vorrichtung 22 ausgestattet.
Bevorzugt ist die gesamte Vorrichtung 22, sowie das zuschaltbare Widerstandselement R_P in der Batterie 32 des Kraftfahrzeuges integriert. Die Batterie 32 umfasst im Ausführungsbeispiel also die Spannungsquelle 14, das Spannungsmesselement 24, das zuschaltbare Widerstandselement R_P sowie den Bypasspfad 26. Zudem sind im Ausführungsbeispiel der Schalter 28 und das quellenseitig QS angeordnete Schaltelement 18a in der Batterie 32 integriert. Im Ausführungsbeispiel ist weiterhin das zuschaltbare Widerstandselement R_P Teil der Vorrichtung 22.
Alternativ erfolgt die Spannungsmessung in und/oder durch ein Batteriemanagementsystem, d.h. Teile der Vorrichtung 22 oder die Vorrichtung 22 insgesamt ist im Batteriemanagementsystem integriert. Dieses kann wiederum Teil der „intelligenten“ Batterie 32 sein.
Ist die erfasste Spannung U_i gleich der Batteriespannung (z.B. 48 Volt), liegt kein Fehler vor. Ist die gemessene Spannung U_i signifikant kleiner als die Batteriespannung (z.B. 10 Volt), so ist die Leitungsisolation 8 beschädigt. In diesem Fall wird eine Warnung und ggf. Abschaltung des 48 Volt Systems ausgelöst.
Mit dieser Maßnahme wird das Auftreten eines parallelen Lichtbogens verhindert.
Zur Auslösung des Warnsignals, weist die Vorrichtung 22 zusätzlich eine Auswerteeinheit 34 auf, die dazu ausgebildet ist, die erfasste Spannung U_i hinsichtlich einer Differenz zu der Batteriespannung (z.B. 48 Volt) auszuwerten.
In 3 ist der durch das zuschaltbare Widerstandselement R_P während der Messung realisierte Spannungsteiler dargestellt.
Durch das Zuschalten des Widerstandselements R_P ist dieses in Reihe zu dem spezifischen Widerstand R_i der Versorgungsleitung 2 geschaltet. Die Realisierung und die elektrotechnischen Beziehung zur Ermittlung von Spannungen und Widerstandswerten innerhalb eines Spannungsteilers sind hinreichend bekannt, sodass an dieser Stelle auf eine detaillierte Erklärung verzichtet wird.
In 4 ist ein Ersatzschaltbild einer technischen Realisierung eines Leistungsnetzes 4 gezeigt. Allgemein entspricht die Ausgestaltung des Leistungsnetzes gemäß 4 der Ausgestaltung des Leistungsnetzes 2 gemäß 2. Aus diesem Grund wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede des Leistungsnetzes 4 eingegangen. Die Spannungsmessung ist gemäß der Ausgestaltung in 4 in die Batterie 32, welche auch die Spannungsquelle 14 aufweist integriert.
Zudem weist das Leitungsnetz 4 gemäß 4 mehrere Lasten 16, im Ausführungsbeispiel zwei Lasten 16a,b auf. Jeweils eine Last 16a,b ist jeweils mittels einer Versorgungsleitung 2, die jeweils einen Lastpfad 15 ausbildet, mit der Spannungsquelle 14 der Batterie 32 verbunden. Die einzelnen Lastpfade 15 sind mittels Trennschalter 36 separat von der Batterie 32, insbesondere von der Spannungsquelle 14 trennbar. Die Trennschalter 36 sind vorzugsweise in einem Leistungsverteiler 36 des Leitungsnetzes 4 angeordnet. Bei dem Leistungsverteiler 36 handelt es sich insbesondere um eine Sicherungsbox mit einem Gehäuse, in dem eine Stromschiene mit einzelnen über Sicherungselemente abgesicherte Abgänge angeordnet ist, wobei an den Abgängen die jeweiligen Versorgungsleitungen 2 der Lastpfade 15 angeschlossen sind.
Um eine Spannungsmessung zur Diagnose der Isolation 8 der Versorgungsleitungen 2 durchzuführen, werden jeweils die Lastpfade 15, die nicht durchgemessen werden sollen mittels des jeweiligen Trennschalters 36 von der Batterie 32 getrennt. Lediglich der Trennschalter 36 des zu messenden Lastpfades 15 ist geschlossen.
Eine Spannungsmessung und somit eine Diagnose, ob die Versorgungsleitung 2 des jeweiligen Lastpfades 15 beschädigt ist, erfolgt dann wie bereits in den Ausführungen zu 2 dargelegt.
In der alternativen technischen Realisierung des Leitungsnetzes 4, wie sie im Ersatzschaltbild gemäß 5 gezeigt ist, besteht der wesentliche Unterschied zu der Variante gemäß 4 darin, dass jedem Lastpfad 15 jeweils eine Vorrichtung 22 zugeordnet ist und dass pro Lastpfad 15 jeweils ein zuschaltbares Widerstandselement R_P sowie jeweils ein Spannungsmesselement 24 vorgesehen ist. Die Vorrichtungen 22 sind hierbei in dem Leistungsverteiler 38 angeordnet, der neben der Vorrichtung 22 auch die Trennschalter 36 aufweist, mittels denen die einzelnen Lastpfade 15 von der Spannungsquelle 14 reversibel trennbar sind. Die Trennschalter 36 bilden insofern die quellenseitigen Schaltelemente 18a aus.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist lediglich eine gemeinsame, in dem Leistungsverteiler 38 angeordnete Auswerteeinheit 34 für die Auswertung der durch die Spannungsmesselemente 24 erfassten möglichen Spannungsänderungen vorgesehen. Hierzu sind die jeweiligen Spannungsmesselemente 24 mit der Auswerteeinheit 34 verbunden. Alternativ ist eine Ausgestaltung denkbar, in der pro Vorrichtung 22 eine eigene Auswerteeinheit 34 vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

2: Versorgungsleitung
4: Leitungsnetz
6: Leitungskern
8: mehrlagige Isolation
10: innere Isolationsschicht
12: äußere Isolationsschicht
14: Spannungsquelle
15: Lastpfad
16: elektrische Last
18: Schaltelement
20: Bezugspunkt
22: Vorrichtung
24: Spannungsmesselement
26: Bypasspfad
28: Schalter
32: Batterie
34: Auswerteeinheit
36: Trennschalter
38: Leistungsverteiler
QS: quellenseitig
LS: lastseitig
R_i: spezifischer Widerstand
R_P: zuschaltbares Widerstandselement
Q: Querschnitt der inneren Isolationsschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 6722-1 [0047]

Claims

Leitungsnetz (4), insbesondere KFZ-Bordnetz mit einer Spannungsquelle (14) und mit einer elektrischen Last (16), die mit der Spannungsquelle (14) über eine Versorgungsleitung (2) verbunden ist, wobei die Versorgungsleitung (2) eine mehrlagige Isolation (8) mit einer inneren Isolationsschicht (10) und einer äußeren Isolationsschicht (12) aufweist, wobei die innere Isolationsschicht (10) einen geringeren elektrischen Widerstand als die äußere Isolationsschicht (12) aufweist.
Leitungsnetz (4) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die innere Isolationsschicht (10) ein halbleitfähiges Material aufweist.
Leitungsnetz (4) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das halbleitfähige Material als ein leitfähiges Polymer ausgebildet ist.
Leitungsnetz (4) nach einem der beiden dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das halbleitfähige Material einen spezifischen Widerstand (R_i) mit einem Wert im Bereich von 1 Ωmm²/m bis 1000 Ωmm²/m, vorzugsweise >10 Ωmm²/m aufweist.
Leitungsnetz (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Vorrichtung (22) zur Überwachung des Leitungsnetzes (4) im Hinblick auf einen Lichtbogen aufweist.
Leitungsnetz (4) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Vorrichtung (22) ein Spannungsmesselement (24) aufweist zur Erfassung einer Spannung (U_i) zwischen der Versorgungsleitung (2) und einem Bezugspunkt (20), insbesondere einem Grund- oder Massepotential.
Leitungsnetz (4) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Vorrichtung (22) zur Spannungsmessung derart ausgebildet ist, dass die Spannungsmessung bei einem stromlosen Zustand der Versorgungsleitung (2) erfolgt.
Leitungsnetz (4) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Vorrichtung (22) zur Spannungsmessung derart ausgebildet ist, dass die Messung vor dem Zuschalten der Last (16) oder nach dem Abschalten der Last (16) erfolgt.
Leitungsnetz (4) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem zumindest ein Schaltelement (18a,b) zum Zu- und Abschalten der Last (16) vorgesehen ist.
Leitungsnetz (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 8 und Anspruch 9, bei dem zur Spannungsmessung ein parallel zum Schaltelement (18) angeordneter Bypasspfad (26) mit einem zuschaltbaren Widerstandselement (R_P) vorgesehen ist, insbesondere ein Pull-Up Widerstand.
Leitungsnetz (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 und Anspruch 10, bei dem die Vorrichtung (22) eine Auswerteeinheit (34) aufweist zur Auswertung der gemessenen Spannung, speziell zur Auswertung der über das zuschaltbare Widerstandselement (R_P) abfallenden Spannung.
Leitungsnetz (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsquelle (14) als eine intelligente Quelleneinheit ausgebildet ist und zumindest einige Komponenten der Vorrichtung (22), insbesondere das zuschaltbare Widerstandselement (R_P) und/oder die Auswerteeinheit (34) in die Quelleneinheit mit integriert ist.
Leitungsnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Leistungsverteiler (38) vorgesehen ist, der mehrere Lastpfade (15) mit der Spannungsquelle (14) verbindet, wobei zumindest einige Komponenten der Vorrichtung (22) im Leistungsverteiler (38) integriert sind, wobei vorzugsweise mehreren Lastpfaden (15) jeweils eine Vorrichtung (22) zur Überwachung im Hinblick auf einen Lichtbogen zugeordnet ist.
Leitungsnetz (4) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswerteeinheit (34) derart eingerichtet ist, in Abhängigkeit der ausgewerteten über das zuschaltbare Widerstandselement (R_P) abfallenden Spannung ein Signal, insbesondere ein Warnsignal auszugeben.
Leitungsnetz (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Querschnitt (Q) der inneren Isolationsschicht (10) einem Durchmesser eines Crimp-Kontaktelements, insbesondere eines genormten Crimp-Kontaktelements entspricht.