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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Sicherheitsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen Elektromotor, der die gesamte oder einen Teil der Antriebsleistung liefert.
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In Hybridfahrzeugen wird ein Teil der, bei Elektrofahrzeugen die gesamte Antriebsleistung mit einem Elektromotor erzeugt. Die elektrische Energie muss mittels Leistungselektronik auf die für den elektrischen Antriebsmotor passende Spannung und Frequenz umgewandelt werden. Dafür werden leistungsstarke Gleichstromsteller und Wechselrichter verwendet, welche bei Hybridfahrzeugen die Energie bei Generatorbetrieb des Motors auch zur Zwischenspeicherung in Akkumulatoren oder Doppelschicht-Kondensatoren aufbereiten. Die unter Hochspannung stehenden Komponenten werden häufig auf geringstem Raum im jeweiligen Gehäuse angeordnet, um Platz einzusparen. Daraus folgt, dass es aufgrund kleiner Abstände oder ungenügender Isolation zwischen zwei elektrischen Potenzialen zu einem ungewollten Spannungsüberschlag / Lichtbogen kommen kann. Auch durch Feuchtigkeit und ungewollte Betauung kann ein ungewollter Spannungsüberschlag / Lichtbogen entstehen.
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Ein Spannungsüberschlag bzw. Störlichtbogen oder auch Fehlerlichtbogen ist in der elektrischen Energietechnik ein technisch unerwünscht auftretender Lichtbogen zwischen elektrischen Anlagenteilen. Bei ungenügendem Abstand, ungenügender Isolation oder ungewollter Betauung zwischen zwei elektrischen Potenzialen kann es zu einem ungewollten Spannungsüberschlag kommen, in dessen Verlauf ein Lichtbogen entsteht. Dieser Spannungsüberschlag kann auch in einem elektrischen Bauteil selber entstehen, weil sich die Kontakte zu langsam trennen, oder die Isolationsschicht zwischen den stromführenden Teilen ihrer Isolierfähigkeit beraubt wurde.
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Die Lichtbögen, die bei Spannungsüberschlag entstehen, setzen in der Regel die Lebensdauer des Bauteils massiv herab und können es im schlimmsten Fall auch zerstören. Lichtbögen sind bei Hochspannung führenden Bauteilen eine erhebliche Gefahr. Durch die große Lichtbogenleistung und hohe Temperatur des Lichtbogens kommt es neben der starken Lichtwirkung zu einem lauten Knall und brennbare Gegenstände in unmittelbarer Umgebung können Feuer fangen. Es besteht Brandgefahr. Im Niederspannungsbereich können Störlichtbögen infolge von Störstellen in elektrischen Leitungen auftreten, meist Leitungsschäden wie z.B. beschädigte Isolation infolge von Leitungsquetschungen oder zu geringe Biegungsradien bei elektrischen Leitungen. Hier können Kriechströme durch Verschmutzungen und Ablagerungen entstehen, die sich in einem Störlichtbogen entzünden. Auch bei losen Kontakten bei nicht korrekt montierten Bauteilen oder durch abgeknickte Leitungen können Störlichtbögen beispielsweise durch ionisierte Gase zwischen den losen Leitungsenden entstehen. Auf Leiterplatten, besonders häufig in Schaltnetzteilen, richten Überschläge erheblichen Schaden an, weil sich das Leitermaterial (Kupfer) auf dem Leiterplattenmaterial als Metalldampfschicht niederschlägt und Kriechstrecken überbrückt. Falls kein Austausch der gesamten Baugruppe möglich ist, werden derartige Schäden durch Schlitze in der Platine behoben; die neue Kriechstrecke besteht aus einem Luftspalt. Als Vorsorgemaßnahme dienen Lötaugen mit Hohlniet, dickere Kupferschichten, mit Draht verstärkte Leiterzüge, gekammerte Gehäuse sowie reichlich dimensionierte Kriechstrecken. Dem steht die Miniaturisierung aufgrund des geringen Bauraums wie z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen entgegen.
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Bei unerwünschter Kriechwegbildung oder Überschlägen durch zu kurze Luftstrecken, kann es neben Lichtbögen auch zu Gefahr durch Hochspannung für Mensch und Leben kommen. Durch diesen indirekten Kontakt zu Hochvolt Potentialen wegen schlechter Isolationsauslegung können sich gefährliche Spannungen auf Gehäuse oder Niedervoltbereiche Übertragen und eine Gefahr für Mensch und Leben durch Spannung auslösen.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einem effektiven Verfahren, durch das die stromführenden Elemente / Bauteile eines Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs sicher bleiben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass die stromführenden Elemente / Bauteile eines Elektro- bzw. Hybridfahrzeuges trotz kompakter Bauweise sicher bleiben.
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Evtl. könnte man noch erwähnen, dass eine kompaktere Bauweise möglich ist. Weil eine Betauung verhindert werden kann, sind kleinere Luft- & Kriechstrecken möglich. Die elektrische Sicherheit bleibt aber erhalten.
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Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zum Betrieb einer Sicherheitsvorrichtung vorgesehen, wobei die Sicherheitsvorrichtung ein Gehäuse mit mindestens einem stromführenden Element umfasst, wobei das stromführende Element im Gehäuseinneren angeordnet ist und von dem Gehäuse umschlossen wird, wobei mindestens ein Heizmittel vorgesehen ist, mit dem das Gehäuseinnere und / oder das Gehäuse aufgeheizt wird.
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Vorteilhafterweise wird durch das Beheizen des Innenraumes die mögliche Feuchtigkeit verdampft. Eine aufwändige Isolierung durch größere Kriechstrecken zwischen unterschiedlichen Spannungspotentialen ist somit nicht notwendig. Damit ist weniger Abstand zwischen den Leiterbahnen oder Bauteilen notwendig. Entsprechend reduziert sich der benötigte Bauraum und die Komponenten werden wesentlich kompakter. Schließlich ist aufgrund der geringeren Größe des Bauteiles ein leichterer Einbau im Fahrzeug möglich.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Heizmittel eine Heizwendel, die im Gehäuseinneren vorgesehen ist. Durch die Heizwendel kann die Temperatur am Ort der Leistungselektronik einfach und preiswert erhöht werden und eine Betauung lokal verhindert werden.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass das mindestens eine Heizmittel eine Heizwendel ist, die in der Gehäusewand angeordnet ist. Durch die Anordnung der Heizwendel in der Gehäusewand, wird das die Leistungselektronik umgebende Gehäuse aufgeheizt. Die dadurch entstehende Erwärmung wirkt sich nicht nur lokal sondern auf die gesamte Leistungselektronik aus und wirkt einer Betauung entgegen bzw. führt zu einer Verdampfung möglicher Feuchtigkeit.
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Vorteilhafterweise ist das mindestens Heizmittel eine Glühkerze. Glühkerzen können einfach ausgetauscht werden, da sie in das Gehäuse von außen eingeschraubt werden können.
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Zusätzlich ist vorteilhaft, dass in der Gehäusewand eine Öffnung vorgesehen ist, durch die mittels eines Gebläses heiße Luft in das Gehäuseinnere eingeblasen wird. Die Feuchtigkeit verdampft schnell, kann zusätzlich über den Luftstrom aus dem Gehäuse abgeführt werden, wodurch eine Brückenbildung für den Strom durch Feuchtigkeit verhindert wird.
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Vorteilhafterweise wird die Temperatur des stromführenden Elementes durch mindestens einen Temperatursensor überwacht, um zu vermeiden, dass sich Feuchtigkeit auf den elektrischen Bauteilen abscheidet. Durch messen der Temperatur kann vermieden werden, dass sich die Temperatur einstellt, bei der sich Wasserdampf als Tau oder Nebel auf Oberflächen abscheidet (Taupunkt), indem entsprechend eine höhere Temperatur als der Taupunkt eingestellt wird.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Feuchtigkeit des stromführenden Elementes durch mindestens einen Feuchtigkeitssensor überwacht wird. Am Taupunkt beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 100 % und die Luft ist mit Wasserdampf (gerade) gesättigt. Wird der Taupunkt unterschritten, scheidet sich Wasserdampf als Tau oder Nebel ab. Misst man nun Temperatur und Feuchtigkeit, kann einer Kondensatbildung entgegengewirkt werden.
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Ebenfalls kann durch ein semipermeables Druckausgleichelement oder eine semipermeable Membran im Gehäuse befindliche Luft und Feuchtigkeit entweichen. In der Gegenrichtung wird jedoch nur Luft eingelassen - Feuchtigkeit und Staub werden durch die Membrane abgeblockt.
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Vorteilhafterweise wird die Temperatur im Gehäuseinneren in Abhängigkeit von der mit dem Feuchtigkeitssensor gemessenen Feuchtigkeit und / oder in Abhängigkeit von der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur geregelt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges und Sicherheitsvorrichtung;
- 2: eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung mit Glühwendel;
- 3: eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung mit Heizwendel;
- 4: eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung mit einem Heißluftgebläse;
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 21 mit einer Sicherheitsvorrichtung 10. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11. Im Gehäuseinneren 18 ist ein stromführendes Element 12 angeordnet. Bei dem stromführenden Element 12 kann es sich um beliebige Elektronikbauteile / - elemente handeln (z.B. Leistungselektronik, DCDC-Wandler, etc.), die von dem Gehäuse 11 umschlossen werden bzw. sich im Gehäuse 11 befinden. Die Sicherheitsvorrichtung 10 ist mit einer Batterie 22 und einem Elektromotor 20 verbunden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung 10. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11, in dessen Gehäuseinneren 18 ein stromführendes Element 12 (eine Leistungselektronik, ein DCDC Wandler, etc.) angeordnet ist, welches z.B. Leistungselektronik 23 aufweist. Weiterhin weist das Gehäuse 11 eine Gehäusewand 14 auf, der das Gehäuseinnere 18 bzw. den Gehäuseinnenraum 18 umfasst. In der Gehäusewand 14 ist eine Öffnung 17 vorgesehen, in der eine Glühkerze 16 bzw. ein anderweitig geeignetes Heizelement angeordnet ist. Durch die Glühkerze 16 wird der Gehäuseinnenraum 18 beheizt. Entsprechend verdampft mögliche Feuchtigkeit, wodurch eine aufwändige Isolierung durch größere Kriechstrecken zwischen unterschiedlichen Spannungspotentialen nicht notwendig ist. Durch die Beheizung des Innenraumes 18 wird ebenfalls die Leistungselektronik aufgeheizt, wodurch eine Betauung der Leistungselektronik verhindert wird und somit ein Kurzschluss bzw. eine Lichtbogenbildung oder ein elektrischer Überschlag durch Feuchtigkeit vermieden wird. Die Erwärmung erstreckt sich ebenfalls auf das das stromführende Element 12 umgebende Gehäuse. Zur Überwachung der Temperatur und/oder Feuchtigkeit auf Platinen bzw. in dem Gehäuse 11 kann Sensorik eingesetzt werden. Beispielsweise überwacht ein Temperatursensor 24 die Temperatur und ein Feuchtigkeitssensor 25 überwacht die Luftfeuchtigkeit innerhalb des Gehäuses 11. Somit gestattet die Überwachung auf Feuchtigkeitsbildung bzw. Betauung, die Elektronik 12 erst dann zu aktivieren, wenn die Luftfeuchtigkeit eine vorgegebene Schwelle S_F1 unterschritten hat, bei der eine Betauung ausgeschlossen ist. Weiterhin gestattet die Überwachung auf Temperatur, den Betrieb des Heizelementes spezifisch zu steuern bzw. zu regeln.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 und 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Als weiteres Ausführungsbeispiel ist im Gehäuseinneren 18 eine Heizwendel 13 vorgesehen. Über diese lässt sich die Temperatur im Gehäuseinneren einstellen und somit eine Befeuchtung bzw. Betauung vermeiden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung 10. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 bis 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel der Sicherheitsvorrichtung 10 ist in der Gehäusewand 14 eine Öffnung 17 vorgesehen, in der ein Heißluftgebläse 15 angeordnet ist. Mittels des Gebläses 15 wird das Gehäuseinnere 18 aufgeheizt und entsprechend eine Betauung bzw. Befeuchtung der im Gehäuse vorhandenen Leistungselektronik 23 bzw. des stromführenden Elementes 12 vermieden.
