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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Potentialausgleich für eine leistungselektrische Vorrichtung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei die Vorrichtung eine berührbare, elektrisch leitende Komponente, wie z. B. ein (metallisches) Gehäuse, umfasst, die weder im Versorgungsstromkreis noch im Signalstromkreis des Bordnetzes elektrisch angeschlossen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Bordnetz mit einer genannten Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Kraftfahrzeuge, insb. Hybridelektro-/Elektrofahrzeuge, weisen leistungselektrische Vorrichtungen in Bordnetzen auf, an denen Nennspannungen von über 60 Volt, gar über 400 Volt liegen.
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Zum Schutz von Personen vor einem gefährlichen Stromschlag müssen die genannten leistungselektrischen Vorrichtungen neben einem sogenannten Basisschutz durch elektrische Basisisolierung (als direkten Berührungsschutz) noch über einen Fehlerschutz durch Potentialausgleichsleiter (als indirekten Berührungsschutz) verfügen.
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Die Potentialausgleichsleiter können wie alle anderen technischen Komponenten defekt gehen oder mit der Zeit altern, wodurch der oben genannte Fehlerschutz wegfallen kann.
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Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der der Zustand des Fehlerschutzes über einen Potentialausgleichsleiter zuverlässig überwacht werden kann.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Potentialausgleich für eine leistungselektrische Vorrichtung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, wobei die Vorrichtung eine berührbare, leitfähige (bzw. elektrisch leitende) Komponente, wie z. B. ein (metallisches) Gehäuse oder einen (metallischen) Kühlkörper, umfasst, die weder im Versorgungsstromkreis noch im Signalstromkreis des Bordnetzes elektrisch angeschlossen ist.
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Die Schaltungsanordnung umfasst einen Potentialausgleichsleiter, der eingerichtet ist, die berührbare, leitfähige Komponente der Vorrichtung zum Potentialausgleich (insb. direkt) mit der Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs niederohmig zu verbinden.
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Die Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Ermittlungsanordnung, die eingerichtet ist, während des Betriebs (und insb. auch nach dem Betrieb) der Vorrichtung kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen zyklisch, und automatisch einen Übergangswiderstand des Potentialausgleichsleiters zu ermitteln.
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Hierbei bedeutet ein Versorgungsstromkreis ein System von elektrischen Leitern, die geschlossenen Übertragungswege von Versorgungsströmen, wie z. B. Betriebsströmen und Phasenströmen, zwischen leistungselektrischen Vorrichtungen eines Bordnetzes, insb. zwischen Stromquellen und Stromsenken bzw. Stromverbrauchern eines Bordnetzes, wie z. B. (Traktions-)Batterien, Generatoren, Elektromotoren und/oder elektrischen Heizungen, herstellen. Durch den Versorgungsstromkreis werden Wirkleistungen übertragen. Die Fahrzeugkarosserie mit dem Massepotential ist somit nicht Teil des Versorgungsstromkreises.
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Ein Signalstromkreis bedeutet ein System von Signalleitungen, wie z. B. BUS-Leistungen, zwischen den zuvor genannten leistungselektrischen und sonstigen elektrischen Vorrichtungen im Bordnetz, durch die Daten- und Steuersignale übertragen werden. Die Fahrzeugkarosserie mit dem Massepotential ist somit ebenfalls nicht Teil des Signalstromkreises.
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Eine berührbare, leitfähige Komponente einer leistungselektrischen Vorrichtung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs ist eine elektrisch leitfähige Komponente der Vorrichtung, die, insb. ohne vorherige Zerlegung der entsprechenden Vorrichtung in Einzelteilen, von außen (und bspw. durch eine Person beabsichtigt oder unbeabsichtigt) berührbar ist. Zu diesen Komponenten gehören bspw. Gehäuse, Kühlkörper, (Kabel-)Abschirmungen der vorgenannten leistungselektrischen Vorrichtungen, wie z. B. der (Traktions-)Batterien, der Generatoren, der Elektromotoren und/oder der elektrischen Heizungen, oder Teile davon. Dabei enthalten diese Komponenten elektrisch leitende Materialien, wie z. B. Metalle oder Metalllegierungen.
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Über einen Potentialausgleichsleiter ist die berührbare, leitfähige Komponente mit der Fahrzeugkarosserie niederohmig verbunden bzw. quasi elektrisch kurzgeschlossen. Dabei weist der Potentialausgleichsleiter in einem fehlerfreien und unbeschädigten Zustand einen Übergangswiderstand von bspw. unter 100 Milli-Ohm (bis zum Lebensdauerende) auf. Dank dem (extrem) niedrigen Übergangswiderstand ist es möglich, elektrische Ladungen, die in oder an den berührbaren, leitfähigen Komponenten entstanden oder gesammelt sind, rasch an die Fahrzeugkarosserie abzuführen und unschädlich machen. Damit kann die Gefahr eines Stromschlags durch diese Ladungen vermieden werden.
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Mit der zuvor beschriebenen Ermittlungsanordnung kann der Übergangswiderstand des Potentialausgleichsleiters (bzw. dessen Wertänderung) während des Betriebs (und insb. auch nach dem Betrieb) der Vorrichtung bzw. des Kraftfahrzeugs kontinuierlich oder zumindest in vorgegebenen Zeitabständen zyklisch, und automatisch überwacht werden.
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Ein möglicher Fehler oder Defekt bei dem Potentialausgleichsleiter kann durch die automatische Ermittlung des Übergangswiderstands bereits während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs und somit zeitnah zu dessen Entstehung erkannt werden, und nicht erst während einer extra dafür vorgesehenen manuellen Überprüfung durch eine entsprechend ausgebildete Autowerkstattpersonal nach dem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs.
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Dadurch kann der Zustand des Fehlerschutzes über einen Potentialausgleichsleiter zuverlässig überwacht werden.
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Bspw. umfasst die Ermittlungsanordnung eine elektrische Leitung, die eingerichtet ist, die korrespondierende Komponente direkt mit der Fahrzeugkarosserie elektrisch zu verbinden. Damit ist die elektrische Leitung parallel zum Potentialausgleichsleiter elektrisch angeschlossen. Die Ermittlungsanordnung umfasst bspw. ferner eine Stromquelle, die in der elektrischen Leistung seriell angeschlossen ist und eingerichtet ist, während des Betriebs (und insb. auch nach dem Betrieb) der Vorrichtung kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen zyklisch, und automatisch einen Strom mit einer vorgegebenen Stromstärke zu generieren, der dann durch die elektrische Leitung fließen kann. Die Ermittlungsanordnung umfasst bspw. ferner einen Spannungsmesser, der eingerichtet ist, während des Betriebs (und insb. auch nach dem Betrieb) der Vorrichtung kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen zyklisch, und automatisch eine über die elektrische Leitung abfallende Spannung zu messen, welche durch den Strom entsteht, der von der Stromquelle generiert und durch die elektrische Leitung fließt. Die Ermittlungsanordnung ist ferner eingerichtet, während des Betriebs (und insb. auch nach dem Betrieb) der Vorrichtung kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen zyklisch, und automatisch von der Stromquelle Stromstärke des von der Stromquelle bereitgestellten Stromes und von dem Spannungsmesser Spannungshöhe der von dem Spannungsmesser gemessenen Spannung zu erhalten und aus der Stromstärke und der Spannungshöhe den Übergangswiderstand des Potentialausgleichsleiters zu ermitteln.
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Bspw. weist die Ermittlungsanordnung ferner eine mechanisch trennbare elektrische Verbindung auf, die in der elektrischen Leistung seriell angeschlossen ist und ein Teil einer mehrpoligen Steckverbindung ist, welche die Vorrichtung mit einer anderen elektrischen Vorrichtung elektrisch verbindet. In einem mechanisch getrennten Zustand unterbricht die elektrische Verbindung den Stromfluss durch die elektrische Leitung.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt.
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Das Bordnetz weist mindestens zwei leistungselektrische Vorrichtungen mit jeweils mindestens einer berührbaren, leitfähigen Komponente auf, wobei die Komponenten der Vorrichtungen weder im Versorgungsstromkreis noch im Signalstromkreis des Bordnetzes elektrisch angeschlossen sind.
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Das Bordnetz weist eine Anzahl von zuvor beschriebenen Schaltungsanordnungen auf, wobei die Anzahl der Schaltungsanordnungen genau der Anzahl aller berührbaren, leitfähigen Komponenten der Vorrichtungen entspricht. Dabei ist jede der Komponenten jeweils mit einem Potentialausgleichsleiter jeweils einer der Schaltungsanordnungen körperlich und niederohmig verbunden, wobei der jeweilige Potentialausgleichsleiter eingerichtet ist, die jeweilige korrespondierende Komponente zum Potentialausgleich mit der Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs niederohmig zu verbinden.
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Damit ist jeder der Komponenten jeweils eine Schaltungsanordnung mit einem Potentialausgleichsleiter zugeordnet.
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Dabei umfassen die Komponenten bspw. (metallische) Gehäuse der Vorrichtungen oder (metallische) Teile davon, (metallische) Kühlkörper der Vorrichtung oder (metallische) Teile davon, und/oder (metallische) Kabelabschirmungen der Vorrichtungen oder (metallische) Teile davon.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Schaltungsanordnung sind, soweit im Übrigen, auf das oben genannte Bordnetz übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bordnetzes anzusehen.
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Beschreibung der Zeichnung:
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Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung einen Abschnitt eines Bordnetzes BN eines Elektrofahrzeugs mit Schaltungsanordnungen SA1, SA2 gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
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Das Bordnetz BN umfasst eine Anzahl (in der Figur bspw. zwei davon dargestellt) von leistungselektrischen Vorrichtungen LV1, LV2, wie z. B. einen oder mehrere Elektromotoren zum Antrieb des Elektrofahrzeugs, eine oder mehrere Traktionsbatterien zum Bereitstellen von elektrischen Strömen für die Elektromotoren und/oder einen oder mehrere Wechselrichter zum Umwandeln der Ströme der Traktionsbatterien in Phasenströme für die Elektromotoren.
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Die Vorrichtungen LV1, LV2 weisen jeweils eine leistungselektrische Schaltung LS1, LS2, wie z. B. eine Treiberschaltung, eine Zwischenkreisschaltung, einen Versorgungsstromleiter und/oder einen Phasenstromleiter, auf, an denen während des Betriebs des Elektrofahrzeugs Nennspannungen von über 60 Volt, gar über 400 Volt liegen und durch die Nennströme mit einer Stromstärke von über 10 Ampere, gar über 100 Ampere fließen.
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Ferner weisen die Vorrichtungen LV1, LV2 jeweils eine mehrpolige Hochstromsteckverbindung SV1, SV2 auf, über die die jeweiligen Schaltungen LS1, LS2 an dem Versorgungsstromkreis SK des Bordnetzes BN bei Bedarf manuell und mechanisch trennbar elektrisch angeschlossen sind.
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Außerdem weisen die Vorrichtungen LV1, LV2 jeweils ein Gehäuse GH1, GH2 auf, in denen die jeweiligen Schaltungen LS1, LS2 der entsprechenden Vorrichtungen LV1, LV2 angeordnet und von der Umgebung räumlich isoliert sind. Dabei enthalten die Gehäuse GH1, GH2 ein Metall oder eine Metalllegierung und sind somit leitfähig. Zudem können die Gehäuse GH1, GH2 je nach Einbauorten der Vorrichtungen LV1, LV2 im Elektrofahrzeug unter Umständen bspw. von Fahrzeuginsassen unbeabsichtigt oder Autowerkstattpersonal beabsichtigt berührt werden. Dadurch gelten die Gehäuse GH1, GH2 als berührbare, leitfähige Komponenten.
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Darüber hinaus weisen die Vorrichtungen LV1, LV2 Kühlkörper, Kabelabschirmungen und/oder sonstige Komponenten aus Metallen oder Metalllegierungen als weitere berührbare, leitfähige Komponenten auf.
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Dabei weisen alle berührbaren, leitfähigen Komponenten eine Gemeinsamkeit auf, dass diese weder in Versorgungsstromkreisen SK noch in Signalstromkreisen des Bordnetzes BN elektrisch angeschlossen sind, sondern vielmehr von allen dieser Stromkreisen elektrisch isoliert, gar galvanisch getrennt, sind. Das heißt, durch diese Komponenten fließen keine Betriebsströme, Phasenströme, Signalströme oder sonstige Ströme durch, die für die Funktionen der Vorrichtungen LV1, LV2 bzw. des Bordnetzes BN vorgesehen sind. Dabei ist die Fahrzeugkarosserie FK des Elektrofahrzeugs weder Teil der Versorgungsstromkreise SK noch Teil der Signalstromkreise des Bordnetzes BN.
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Bspw. durch Fehler bzw. Defekte in den leistungselektrischen Vorrichtungen LV1, LV2 können Leckströme durch die Gehäuse GH1, GH2 oder die sonstigen berührbaren, leitfähigen Komponenten fließen, die ggfs. zu Stromschlägen bei den Fahrzeuginsassen oder der Autowerkstattpersonal führen können.
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Um die Fahrzeuginsassen, die Autowerkstattpersonal oder sonstige Personen, die ohne ausreichende Schutzmaßnahmen die vorgenannten berührbaren, leitfähigen Komponenten, wie die Gehäuse GH1, GH2 der Vorrichtungen LV1, LV2, berühren können, vor einem möglichen Stromschlag zu schützen, weisen alle Vorrichtungen LV1, LV2 für jede einzelne der jeweiligen berührbaren, leitfähigen Komponenten GH1, GH2 jeweils eine Schaltungsanordnung SA1, SA2 zum Potentialausgleich für die jeweiligen korrespondierenden Komponenten GH1, GH2 auf.
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Die Schaltungsanordnungen SA1, SA2 weisen jeweils einen Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 auf, der die korrespondierende Komponente bzw. das korrespondiere Gehäuse GH1, GH2 der jeweiligen Vorrichtungen LV1, LV2 mit der Fahrzeugkarosserie FK und somit mit dem Massepotential MA elektrisch kurzschließt. Dabei sind die Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 bspw. aus einem Geflecht aus einem niederohmigen Metall oder einer niederohmigen Metalllegierung ausgebildet und an den jeweiligen korrespondierenden Komponenten bzw. den jeweiligen Gehäusen GH1, GH2 und an der Fahrzeugkarosserie FK verschweißt, verlötet, vernietet oder in einer ähnlichen Weise körperlich befestigt. Dabei weist jeder der Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 einen Übergangswiderstand von unter 100 Milli-Ohm auf. Dadurch stellen die Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 jeweils eine niederohmige elektrische Kurzschlussverbindung zwischen den korrespondierenden Komponenten bzw. den jeweiligen Gehäusen GH1, GH2 und der Fahrzeugkarosserie FK her.
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Als Fahrzeugbauteile sind die Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 und deren Verbindungen zu den jeweiligen berührbaren, leitfähigen Komponenten bzw. den jeweiligen Gehäusen GH1, GH2 wie alle anderen Fahrzeugteile extremen mechanischen Auswirkungen, wie z. B. Vibrationen, ausgesetzt. Darüber hinaus altern die Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 und deren Verbindungen zu den jeweiligen berührbaren, leitfähigen Komponenten bzw. den jeweiligen Gehäusen GH1, GH2 wie alle anderen technischen Bauteile mit der Zeit.
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Bei Defekten oder Alterung steigt auch der Übergangswiderstand der Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 an und entsprechend lässt sich die Schutzwirkung der Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 nach. Daher müssen die Defekte oder kritische Alterungszustände bei den Potentialausgleichsleitern PL1, PL2 möglichst frühzeitig erkannt werden.
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Hierzu weisen die Schaltungsanordnungen SA1, SA2 jeweils eine Ermittlungsanordnung EA1, EA2 auf, die eingerichtet sind, während des Betriebs und auch nach dem Betrieb der korrespondierenden Vorrichtungen LV1, LV2 bzw. des Elektrofahrzeugs kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen zyklisch und automatisch den Übergangswiderstand der jeweiligen korrespondierenden Potentialausgleichsleiter PL1, PL2 zu ermitteln und somit zu überwachen. Dabei sind die Ermittlungsanordnung EA1, EA2 der jeweiligen Schaltungsanordnungen SA1, SA2 weitgebend identisch ausgebaut. Deshalb wird nachfolgend beispielhaft anhand einer der Ermittlungsanordnungen EA1 der Aufbau und die Funktionsweise aller Ermittlungsanordnungen EA1, EA2 beschrieben.
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Die Ermittlungsanordnung EA1 umfasst eine elektrische Leitung EL1, die das korrespondierende Gehäuse GH1 (bzw. die korrespondierende berührbare, leitfähige Komponente) direkt mit der Fahrzeugkarosserie FK elektrisch verbindet. Damit ist die elektrische Leitung EL1 parallel zu dem korrespondierenden Potentialausgleichsleiter PL1 elektrisch angeschlossen. Dabei ist die elektrische Leitung EL1 niederohmig ausgebildet.
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Die Ermittlungsanordnung EA1 weist ferner eine mechanisch trennbare elektrische Verbindung EV1 in der elektrischen Leitung EL1 auf, bei deren Trennung die elektrische Leitung EL1 getrennt wird und somit auch der Stromfluss durch die elektrische Leitung EL1 unterbrochen wird. Dabei ist die elektrische Verbindung EV1 als Teil der zuvor beschrieben, mehrpoligen Steckverbindung SV1 der korrespondierenden Vorrichtung LV1 ausgebildet.
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Die Ermittlungsanordnung EA1 umfasst ferner eine steuerbare Stromquelle SQ1 (mit einer entsprechenden Steuereinheit zum Betreiben der Stromquelle SQ1), die in der elektrischen Leitung EL1 seriell angeschlossen ist. Die Stromquelle SQ1 ist eingerichtet, während des Betriebs (und insb. auch nach dem Betrieb) der korrespondierenden Vorrichtung LV1 kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen zyklisch, und automatisch einen Strom mit einer vorgegeben Stromstärke (wobei die Stromstärke von der Steuereinheit der Stromquelle SQ1 vorgegeben wird) zu generieren, der dann durch die korrespondierende Leitung EL1 fließt.
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Die Ermittlungsanordnung EA1 umfasst außerdem einen Spannungsmesser SM1, der eingerichtet ist, während des Betriebs (und insb. auch nach dem Betrieb) der korrespondierenden Vorrichtung LV1 kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen zyklisch, und automatisch eine über die elektrische Leitung EL1 abfallende Spannung zu messen.
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Die Ermittlungsanordnung EA1 umfasst ferner eine Ermittlungseinheit EE1, die über eine erste Signalverbindung mit der Stromquelle SQ1 bzw. mit deren Steuereinheit signaltechnisch verbunden ist und über eine zweite Signalverbindung mit dem Spannungsmesser SM1 signaltechnisch verbunden ist.
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Die Ermittlungseinheit EE1 ist eingerichtet, während des Betriebs (und insb. auch nach dem Betrieb) der korrespondierenden Vorrichtung LV1 kontinuierlich oder in den vorgegebenen Zeitabständen zyklisch, und automatisch über die erste Signalverbindung von der Stromquelle SQ1 bzw. von deren Steuereinheit die Stromstärke des von der Stromquelle SQ1 bereitgestellten Stromes zu erhalten. Ferner ist die Ermittlungseinheit EE1 eingerichtet, über die zweite Signalverbindung von dem Spannungsmesser SM1 die Spannungshöhe der von dem Spannungsmesser SM1 gemessenen Spannung zu erhalten. Die Ermittlungsanordnung EA1 ist ferner eingerichtet, aus der Stromstärke und der Spannungshöhe den Übergangswiderstand des Potentialausgleichsleiters PA1 zu ermitteln. Liegt der ermittelte Übergangswiderstand bspw. höher als ein vorgegebener Referenz-Widerstand von 100 Milli-Ohm, so geht die Ermittlungseinheit EE1 von einem Fehler bzw. einem Defekt oder einem kritischen Alterungszustand bei dem Potentialausgleichsleiter PA1 aus und gibt ein entsprechendes Signal aus, das bspw. eine Gefahr oder einen Reparaturbedarf signalisiert.
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Mit den oben beschriebenen Schaltungsanordnungen SA1, SA2, insb. deren Ermittlungsanordnungen EA1, EA2 ist eine durchgehende Überwachung des Übergangswiderstands jedes einzelnen Potentialausgleichsleiters PA1, PA2 auch während des Betriebs des Fahrzeugs sichergestellt. Dadurch kann ein Fehler, ein kritischer Alterungszustand oder Defekt bei jedem der Potentialausgleichsleiter PA1, PA2 frühzeitig erkannt werden.
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Die weiteren berührbaren, leitfähigen Komponenten, wie die vorgenannten metallischen Kühlkörper und metallischen Kabelabschirmungen sind in der Regel mit den oben beschriebenen Gehäusen GH1, GH2 derselben Vorrichtungen LV1, LV2 elektrisch kurzgeschlossen. Dadurch erfolgt der Potentialausgleich für diese Komponenten über die jeweiligen, für die jeweiligen korrespondierenden Gehäuse GH1, GH2 vorgesehenen Schaltungsanordnungen SA1, SA2.
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Sind eine oder andere der vorgenannten weiteren, berührbaren, leitfähigen Komponenten nicht mit den korrespondierenden Gehäusen GH1, GH2 der jeweiligen Vorrichtungen LV1, LV2 elektrisch kurzgeschlossen, so sind für jede einzelne dieser Komponenten jeweils eine weitere Schaltungsanordnung zum Potentialausgleich vorgesehen, die analog zu den zuvor beschriebenen Schaltungsanordnungen SA1, SA2 ausgebildet sind und auch funktionieren.
