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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochvoltdurchführung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug.
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Stand der Technik
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Beim Einsatz elektrischer Geräte oder Komponenten können über bestimmte elektromagnetische Koppel- oder Störpfade elektromagnetische Emissionen emittiert werden. Deshalb werden entsprechende Komponenten abgeschirmt oder, wenn dies nicht ausreicht, in diesen Komponenten entsprechende Dämpfungseinrichtungen integriert. Bei den genannten Geräten oder Komponenten handelt es sich insbesondere um Leistungs- oder Steuerungselektroniken für elektrifizierte Antriebe. Bei diesen Dämpfungseinrichtungen handelt es sich um separate Baugruppen, welche verhältnismäßig viel des kraftfahrzeugseitig typischerweise ohnehin knapp bemessenen Bauraums beanspruchen.
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Jedes elektrische Bauteil, Komponente oder Gerät erzeugt elektromagnetische Felder, welche über die emittierende Komponente hinausgehen und somit in andere Komponenten eindringen und deren Funktionen stören. Die emittierende Komponente wird als Störquelle bezeichnet. Gestörte Komponenten, welche die Störung empfangen, werden Störsenke genannt. Grundsätzlich kann eine Komponente sowohl Störquelle als auch Störsenke sein. Die sogenannte Kopplung beschreibt dabei den Weg der elektromagnetischen Störenergie zwischen Quelle und Senke.
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Dies vorausgeschickt spielt die sogenannte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine wichtige Rolle. EMV beschreibt das störungsfreie Funktionieren der Komponenten und des Gesamtsystems sowie gleichzeitig auch die Beschränkung seines elektromagnetischen Feldes auf die betroffene Komponente selbst und deren Verträglichkeit für die Umgebung hinsichtlich der Störaussendung und Störfestigkeit. Je nach Art der Kopplung wirken dabei andere Störmechanismen, die leitungsgebundene oder leitungsungebundene Störungen hervorrufen. Eine bekannte Maßnahme zur Erhöhung der EMV-Robustheit ist der Einsatz von geschirmten Kabeln, bei denen die Schirmung eine elektrisch-leitende Schutzummantelung ist, die einzelne Leitungen in einem Kabel oder eine Anzahl von Leitungen (oder alle Leitungen) in einem Kabel umgibt. Einerseits durch die Reduktion der elektromagnetischen Einstreuungen und Interferenzen auf die signalführenden Leiter oder in die Komponenten als auch andererseits ein Minimieren der Streuungen aus dem Kabel oder den Komponenten auf die Umwelt unterstützt die Schirmung die EMV-Robustheit.
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Über die Schutzummantelung kann hochfrequente Energie unerwünschterweise abgestrahlt werden. Dabei wird die Störung als Mantelwelle, also als Gleichtaktstörung aus dem Gerät geführt und vom Kabel abgestrahlt - das gesamte Kabel bzw. dessen Abschirmung wirkt dabei als Antenne. Um diese Mantelwellen zu dämpfen, werden die Kabel im gesamten Querschnitt durch einen Ferritkern als Mantelwellenfilter geführt. Um auf Gleichspannung führenden Stromversorgungsleitungen hochfrequente Störungen zu dämpfen, werden die einzelnen elektrischen Leitungen oder Stromschienen durch Ferritkerne geführt, welche wie eine Drossel mit geringer Induktivität wirken. So werden hochfrequente Störimpulse auf Versorgungsleitungen gedämpft beziehungsweise deren Ausbreitung auf den angeschlossenen Leitungen reduziert. Bei auftretenden EMV-Problemen wird deshalb häufig zur Auslöschung / Reduzierung der Störungen auf den Leitungen innerhalb der elektrischen Komponente ein Ferritkern vorgesehen..
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel einen EMV-Filter bereitzustellen, der einfach und kostengünstig in bestehende Geräte integrierbar ist.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz kommen Y-Kondensatoren und Ferritkern an der Systemgrenze der Schaltbox zum Einsatz. Somit erreichen sie bestmögliche Schirmeigenschaften. Weiterhin sind bei dem hier vorgestellten Ansatz alle EMV-Maßnahmen in einem Bauteil (Header) gesammelt.
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Es wird eine Hochvoltdurchführung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug vorgestellt. Die Hochvoltdurchführung weist einen Grundkörper mit einer Verbindungsgeometrie auf, die dazu ausgebildet ist, in einen Durchbruch durch eine elektrisch leitende Wand einer Komponente eines Energiesystems des Fahrzeugs eingesetzt zu werden. Weiterhin weist die Hochvoltdurchführung eine in den Grundkörper integrierte Durchführeinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen elektrischen Leiter einer Hochvoltleitung des Energiesystems elektrisch isoliert durch den Durchbruch zu führen. Ferner weist die Hochvoltdurchführung eine in den Grundkörper integrierte Dämpfungseinrichtung mit zumindest einem elektromagnetischen Dämpfungselement auf, das den Leiter im Bereich der Durchführeinrichtung zumindest abschnittsweise umschließt. Schließlich weist die Hochvoltdurchführung eine in den Grundkörper integrierte Entstöreinrichtung auf, die zumindest einen mit dem Leiter und einer Masseanbindung des Grundkörpers verbundenen Entstörkondensator aufweist.
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Unter einem Energiesystem eines Fahrzeugs kann ein zum Bereitstellen und Übertragen von hohen elektrischen Leistungen ausgelegtes Leitungssystem mit zugehörigen Elektronikkomponenten verstanden werden. Dabei kann die elektrische Leistung mit Hochvoltspannung und hohen elektrischen Stromflüssen übertragen werden. Beispielsweise kann das Energiesystem eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs mit zumindest einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs verbinden und zumindest eine Schaltbox zum Verteilen der elektrischen Energie aufweisen. Eine Hochvoltdurchführung kann ein Schnittstellenbauteil sein, welches zumindest einen elektrischen Leiter zum Leiten der Hochvoltspannung durch einen Durchbruch aus einer Komponente des Energiesystems herausführt und dabei einen direkten elektrisch leitenden Kontakt zu einem Gehäuse der Komponente verhindert. Ein Grundkörper kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial ausgeführt sein. Eine Verbindungsgeometrie kann ein Gegenstück zu dem Durchbruch sein. Die Verbindungsgeometrie kann Anschlagflächen, Anlageflächen und Befestigungspunkte zu dem Gehäuse bereitstellen. Die Durchführeinrichtung stellt zum Verhindern des Kontakts an die verwendete Hochvoltspannung angepasste elektrisch isolierende Wandstärken und Luft- und Kriechstrecken zu der Verbindungsgeometrie bereit. Wenn die Hochvoltdurchführung steckbar ist, kann sie als Hochvoltsteckverbinder bezeichnet werden. Ein Hochvoltsteckverbinder kann ein kabelseitiger Steckverbinder oder ein geräteseitiger Steckverbinder sein.
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Dabei wird mit dem Begriff „Hochvolt“ (HV) eine Spannungslage größer 65 V bezeichnet. Im Kraftfahrzeug sind derartige (Steck-)verbinder für ein Spannungsniveau (HochvoltSpannung) von mindestens 400 V, typischerweise in etwa 480 V oder für einen Einsatz bei über 800 V, typischerweise in etwa 900 V bis 980 V, ausgelegt. Der zumindest eine Leiter ist eingerichtet, die Hochvoltspannung und entsprechende elektrische Stromflüsse zu leiten. Der Leiter kann auch als elektrische Leitung bezeichnet werden. Das elektromagnetische Dämpfungselement ist eingerichtet, den Außenumfang der wenigstens einen elektrischen Leitung in Längen- und/oder in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise zu umgeben.
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Der zumindest eine Leiter kann einen Mantel, auch als Leitungsmantel bezeichnet, als Kabelschirm aufweisen. Wenn eine Vielzahl von (zumindest zwei) Leitern vorgesehen ist, so können diese von einem Gesamtschirm oder Gesamtmantel umschlossen sein. Dabei ist der Kabelmantel im Bereich des elektrischen Dämpfungselements unterbrochen, oder mit anderen Worten ist zwischen dem elektrischen Dämpfungselement und dem Leiter kein Mantel oder Kabelmantel angeordnet. Durch die Anordnung des elektrischen Dämpfungselements innerhalb des elektrisch isolierenden Grundkörpers wird in der Regel kein zusätzlicher Bauraum benötigt und das elektrische Dämpfungselement ist vor mechanischen Beschädigungen geschützt.
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Die Hochvoltdurchführung beziehungsweise der Hochvoltsteckverbinder kann zumindest einen zweiten Leiter aufweisen. Die Leiter können jeweils einen den jeweiligen Leiter umfassenden Leitungsmantel aufweisen. Die Leiter können ein Kabel mit einem die Leiter umhüllenden Gesamtschirm ausbilden. Dabei weisen die Leiter im Bereich des elektromagnetischen Dämpfungselements keinen Leitungsmantel auf und der Gesamtschirm kann das elektromagnetische Dämpfungselement außen umfassen. Dann umfasst der Gesamtschirm im Umfang sowohl die Leitungen als auch das elektromagnetische Dämpfungselement. Der Gesamtschirm kann ausgebildet sein, mit dem Gehäuse der Komponente, in das die Hochvoltdurchführung beziehungsweise der Hochvoltsteckverbinder als geräteseitiger Steckverbinder montiert ist, über eine Masseanbindung angebunden zu werden oder angebunden zu sein.
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Das elektromagnetische Dämpfungselement kann ein Formkörper sein, der aus wenigstens einem magnetischen Material geformt ist. Das magnetische Material kann insbesondere ein weichmagnetisches Material sein. Das weichmagnetische Material erlaubt es, insbesondere hochfrequente elektromagnetische Störungen zu unterdrücken, indem das Dämpfungselement für höhere Frequenzen einen höheren Widerstand darstellt. Das Dämpfungselement wirkt demnach für elektromagnetische Störungen wie eine Drossel. Das magnetische Material kann beispielsweise Ferrit oder eine ferritische Verbindung sein.
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Das elektromagnetische Dämpfungselement kann einen Spalt aufweisen, sodass der durchgeführte Leiter bis auf im Bereich des Spalts umfasst wird und im Bereich des Spalts eine Lücke verbleibt. Die Spaltbreite kann an eine zu filternde Frequenz angepasst sein und zu dieser Frequenz in einem Toleranzbereich proportional sein. Durch den Spalt kann erreicht werden, dass das elektromagnetische Dämpfungselement nicht oder viel später in die Sättigung geht. Dabei kann sich der Spalt von einem Außenumfang oder einer Außenumfangsfläche des elektromagnetischen Dämpfungselements zu einem Innenumfang oder einer Innenumfangsfläche des elektromagnetischen Dämpfungselements erstrecken. Der Innenumfang liegt an der Aussparung des elektromagnetischen Dämpfungselements an. Alternativ kann der Spalt als eine Rinne ausgebildet sein, d.h. er erstreckt sich teilweise vom Außenumfang in Richtung des Innenumfangs oder vom Innenumfang in Richtung des Außenumfangs. Eine Tiefe der Rinne kann beispielsweise mindestens 5% sich in das Material hinein erstrecken, oder mindestens 25% oder 50%. Sowohl durch einen Spalt oder eine Rinne kann ein Kondensatoreffekt erzielt werden, der einem parallel geschalteten Kondensator entsprechen kann. Tiefe, Breite und Länge einer derartigen Rinne können an eine zu filternde Frequenz angepasst sein und zu dieser Frequenz in einem Toleranzbereich proportional sein.
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Die Hochvoltdurchführung kann eine in den Grundkörper integrierte Druckausgleichseinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, in verbautem Zustand durch den Durchbruch einen Druckunterschied zwischen einem Innenraum der Komponente und einer Umgebung der Komponente auszugleichen.
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Elektronikkomponenten und Energiespeicher des Fahrzeugs sind zum Schutz vor Umwelteinflüssen in dichten Gehäusen angeordnet. In den Gehäusen ist auch ein Luftvolumen eingeschlossen, das auf eine Temperaturänderung und/oder auf eine externe Druckänderung mit einer Volumenänderung beziehungsweise einem Differenzdruck zur Umgebung reagiert. Um die Volumenänderungen und/oder den Differenzdruck auszugleichen, können Druckausgleichselemente an dem Gehäuse vorgesehen sein.
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Die Entstöreinrichtung kann einen in den Grundkörper integrierten Steckplatz für den Entstörkondensator aufweisen. Ein erster Anschluss des Steckplatzes kann mit dem Leiter verbunden sein. Ein zweiter Anschluss des Steckplatzes kann mit der Masseanbindung verbunden sein. Der Entstörkondensator ist so austauschbar. Verschieden dimensionierte Entstörkondensatoren können so einfach gegeneinander ausgetauscht werden. Die Hochvoltdurchführung kann durch unterschiedlich dimensionierte Kondensatoren auf unterschiedliche Störfrequenzen abgestimmt werden.
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Die Entstöreinrichtung kann einen in den Grundkörper integrierten Schutzkragen für den Entstörkondensator aufweisen. Durch einen hervorstehenden Schutzkragen kann der Entstörkondensator vor mechanischen Belastungen geschützt werden. Zusätzlich kann der Schutzkragen der am Entstörkondensator anliegenden Hochvoltspannung entsprechende Luft- und Kriechstrecken bereitstellen.
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Die Durchführeinrichtung kann eine im Grundkörper ausgeführte Steckkontur und eine Interlockeinrichtung zum Erkennen eines Verbindungszustands der Steckkontur aufweisen. Ein feststehender Teil der Interlockeinrichtung kann in die Steckkontur integriert sein. Die Interlockeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, ein verbindungszustandsabhängiges elektrisches Signal für eine Auswerteelektronik zu erzeugen. Durch die Steckkontur kann die Hochvoltdurchführung als Hochvoltsteckverbinder bezeichnet werden. Am Hochvoltsteckverbinder kann der Leiter durch Trennen der Steckkontur und des Gegenstücks getrennt und durch Einstecken des Gegenstücks mit der Steckkontur wieder verbunden werden. Das Signal kann signalisieren, ob ein Gegenstück zur Steckkontur bestimmungsgemäß in die Steckkontur eingesteckt ist, oder nicht. An der Interlockeinrichtung kann durch das Einstecken beispielsweise ein Stromkreis geschlossen werden und so das Signal erzeugt werden. Dazu kann beispielsweise eine Interlockbrücke in das Gegenstück integriert sein. Beim Trennen der Steckkontur und des Gegenstücks kann der Stromkreis unterbrochen werden.
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Einer der elektrischen Pole der Interlockeinrichtung kann elektrisch leitend mit der Masseanbindung verbunden sein. Eine Auswerteelektronik der Interlockeinrichtung kann ebenfalls einen Massekontakt aufweisen. Ein Teil des Stromkreises zur Signalübertragung kann so über die elektrisch leitende Wand der Komponente erfolgen. So kann eine Ader einer Signalleitung von der Interlockeinrichtung zur Auswerteelektronik eingespart werden.
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Die Interlockeinrichtung kann ein in den Grundkörper integriertes Piezoelement zum Erzeugen eines verbindungszustandsabhängigen Spannungssignals aufweisen. Das Piezoelement kann so im Grundkörper angeordnet sein, dass es beim Einstecken des Gegenstücks verformt wird. Durch den piezoelektrischen Effekt reagiert das Piezoelement auf die Verformung mit einer an gegenüberliegenden Polen anliegenden elektrischen Spannung. Das Piezoelement ist damit eine Spannungsquelle. Das Spannungssignal kann ausgewertet werden.
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Einer der elektrischen Pole des Piezoelements kann elektrisch leitend mit dem Leiter verbunden sein. Das Piezoelement leitet keinen Strom, reagiert jedoch auf die Hochvoltspannung mit einer Verformung. Am anderen Pol des Piezoelements liegt die Hochvoltspannung nicht an. Das durch die Verformung beim Einstecken des Gegenstücks erzeugte Spannungssignal überlagert die Hochvoltspannung und kann an dem Leiter abgegriffen werden. Der andere Pol kann über eine einzelne Ader einer Signalleitung oder über den Massekontakt angeschlossen sein.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung einer Hochvoltdurchführung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Darstellung einer Hochvoltdurchführung mit einer Druckausgleichseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine Darstellung eines Hochvoltsteckverbinders mit einer Interlockeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 4 eine Darstellung eines Hochvoltsteckverbinders mit einem Piezoelement gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung
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Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1-4 als Referenz beibehalten.
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Im Moment verursachen manche Komponenten im Hochvoltsystem eines KFZ sehr große Störaussendungen. Es kann sein, dass es notwendig ist, diese Störungen mittels eines Filters zu dämpfen. Die zwei Hauptkomponenten eines Filters bestehen aus Kondensatoren und einem elektromagnetischen Dämpfungselement, beispielsweise in Form eines Ferrit-Rings. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Ferrit-Ring in der Nähe des Steckers in dem betroffenen Gerät verortet ist. Der zur Verfügung stehende Bauraum ist oft der begrenzende Faktor. Hier wird eine aus Bauraumsicht optimierte Lösung vorgestellt, bei der das elektromagnetische Dämpfungselement und die Kondensatoren direkt im Stecker beziehungsweise der Buchse implementiert sind. Dadurch können das elektromagnetische Dämpfungselement, beispielsweise ein Ferrit, und die Kondensatoren optimal wirken und es wird fast kein zusätzlicher Bauraum benötigt.
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1 zeigt eine Darstellung einer Hochvoltdurchführung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Hochvoltdurchführung 100 weist einen Grundkörper 102 aus einem elektrisch isolierenden Material auf. Der Grundkörper 102 weist eine Verbindungsgeometrie 104 auf. Die Verbindungsgeometrie 104 ist dazu ausgebildet, in einen Durchbruch 106 durch eine elektrisch leitende Wand 108 einer Komponente 110 eines Energiesystems eines Elektrofahrzeugs eingesetzt zu werden und an dem Durchbruch 106 abzudichten.
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Der Grundkörper 102 bildet eine Durchführeinrichtung 112 zum Durchführen zumindest eines elektrischen Leiters 114 einer Hochvoltleitung 116 des Energiesystems durch den Durchbruch 106 aus. Der elektrische Leiter 114 kann beispielsweise eine Stromschiene oder ein Draht sein. Die Durchführeinrichtung 112 stellt eine Durchschlagfestigkeit zur Wand 108 durch eine an die Hochvoltspannung des Leiters 114 angepasste Wandstärke des elektrisch isolierenden Materials zwischen dem elektrischen Leiter 114 und der Wand 108 sicher. Ferner stellt die Durchführeinrichtung 112 durch die der Hochvoltspannung angepasste Luft- und Kriechstrecken zur Wand 108 eine Überschlagfestigkeit der Hochvoltdurchführung 100 sicher. Die Luft- und Kriechstrecken können beispielsweise durch Kragen beziehungsweise Tüllen am Leiter 114 bereitgestellt werden.
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Die Hochvoltleitung 116 ist hier durch einen Schirm 118 geschirmt ausgeführt. Der Schirm 118 ist über eine Masseanbindung 120 des Grundkörpers 102 elektrisch leitend mit der Wand 108 verbunden. Schirm 118 und Leiter 114 sind durch Isolationsmaterial voneinander elektrisch isoliert. Die Hochvoltleitung 116 kann als Hochvoltkabel bezeichnet werden.
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In den Grundkörper 102 ist ferner eine Dämpfungseinrichtung 122 integriert. Die Dämpfungseinrichtung 122 weist zumindest ein den Leiter 114 zumindest abschnittsweise umschließendes Dämpfungselement 124 auf. Das Dämpfungselement 124 ist hier ein im Bereich der Durchführeinrichtung 112 angeordneter Ring aus einem magnetisierbaren Material. Das Dämpfungselement 124 ist durch ein verwendetes Material und/oder seine Abmessungen auf einen zu dämpfenden Frequenzbereich abgestimmt.
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In den Grundkörper 102 ist weiterhin eine Entstöreinrichtung 126 integriert. Die Entstöreinrichtung 126 weist pro Leiter einen zwischen die Masseanbindung 120 und den Leiter 114 geschalteten Entstörkondensator 128 auf. Der Entstörkondensator 128 ist für einen zu entstörenden Frequenzbereich dimensioniert und auf die Hochvoltspannung angepasst ausgeführt.
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Mit anderen Worten wird ein Hochvoltheader mit integriertem Dämpfungselement und integrierten Entstörkondensatoren vorgestellt.
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An Hochvoltbatterien werden Leistungskabel mithilfe von HV-Stecksystemen an die Batterie angebunden. Aufgrund der starken Störaussendung des Elektromotors im Elektrofahrzeug kommt es zur Einkopplung von Störungen in die Hochvoltschaltbox. Diese elektromagnetischen Störwellen verursachen Störungen auf den in Schaltboxen verbauten Niedervoltelektroniken. Um diese Störeinstrahlung zu verhindern werden Entstörkondensatoren, wie beispielsweise Y-Kondensatoren in Zusammenspiel mit EMV-Drosseln eingesetzt. Um eine möglichst hohe Schirmwirkung zu erreichen und um die Störeinstrahlung in die Schaltbox gering zu halten, werden diese Bauteile bei dem hier vorgestellten Ansatz nah an der Systemgrenze und damit im HV-Stecksystem angeordnet.
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Dazu sind das Dämpfungselement und die Entstörkondensatoren in das HV-System integriert. Eine aufwändige Montage dieser Bauteile kann so entfallen.
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Im HV-Header der Hochvoltsteckverbindung wird dazu ein zusätzlicher Kontaktbereich geschaffen, in dem pro Leiter je zumindest ein Entstörkondensator befestigt wird. Zusätzlich ist bei dem hier vorgestellten Ansatz der Ferritkern in das HV-Stecksystem integriert.
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Entstörkondensatoren und der Ferritkern sind hier integrale Bauteile der Hochvoltdurchführung. So kann eine „Baukastenstrategie“ gefahren werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz ist zum HV-Kontaktiersystem hochkompatibel, da die Dämpfungselemente und Entstörkondensatoren beispielsweise in HV- Schaltboxen zum Einsatz kommen können. Durch die Integration der Dämpfungselemente und Entstörkondensatoren können manuelle Montageprozesse bei der Endmontage sowie durch eine Minimierung der Komponentenanzahl Logistik- und Handlingskosten von Hochvoltschaltboxen eingespart werden. Durch die optimale Positionierung der Dämpfungselemente und Entstörkondensatoren an der Systemgrenze kann diese kleiner und damit kostengünstiger dimensioniert werden. Weiterhin entfallen Montagekosten in der Endmontage. Darüber hinaus kann durch das Schaffen eines standardisierten Interfaces ein Baukasten entstehen, sodass über viele Fahrzeugprojekte hinweg die Notwendigkeit für ständige Anpassungsentwicklungen dieser Dämpfungselemente und Kondensatoren entfällt.
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Es wird die Integration der Dämpfungselemente und Entstörkondensatoren in den HV-Header vorgestellt, wodurch Montage- und Handlingskosten in der Endmontage entfallen. Zusätzlich ergibt sich eine Verringerung der Bauteilkosten der Dämpfungselemente und Entstörkondensatoren durch eine optimierte Positionierung. Durch ein standardisiertes Interface können verschieden dimensionierte Kondensatoren verwendet werden. Durch die hier vorgestellte Ferritkernintegration in den Header werden die EMV-Schutzmaßnahmen in einem Bauteil gebündelt.
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Die Entstörkondensatoren stellen eine Kapazität zwischen der Fahrzeugmasse und den Hochvoltpotentialen am HV-Header bereit.
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2 zeigt eine Darstellung einer Hochvoltdurchführung 100 mit einer Druckausgleichseinrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Hochvoltdurchführung 100 entspricht im Wesentlichen der Hochvoltdurchführung in 1. Zusätzlich ist hier neben der Durchführeinrichtung 112 die Druckausgleichseinrichtung 200 im Grundkörper 102 angeordnet. Die Druckausgleichseinrichtung 200 weist ein in einem Druckausgleichskanal 202 durch den Grundkörper 102 angeordnetes Druckausgleichselement 204 auf. Das Druckausgleichselement 204 ist beispielsweise eine quer zum Druckausgleichskanal 202 angeordnete flexible Membran.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die Entstöreinrichtung 126 einen Steckplatz 206 für den Entstörkondensator 128 auf. Im Steckplatz 206 sind zwei Steckkontakte ausgebildet, wobei einer der Steckkontakte mit dem Leiter 114 verbunden ist, während der andere Steckkontakt mit dem Massekontakt 120 verbunden ist. In den Steckplatz 206 können unterschiedliche Entstörkondensatoren 128 mit unterschiedlichen Kapazitäten eingesteckt werden, um die Entstöreinrichtung 126 an einen gewünschten Frequenzbereich zum Entstören anzupassen.
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Um den Entstörkondensator 128 im Steckplatz vor Beschädigung zu schützen, weist die Entstöreinrichtung 126 einen Schutzkragen 128 um den Steckplatz 206 auf. Der Schutzkragen 208 steht weiter aus dem Grundkörper 102 hervor als der Entstörkondensator 128. Zusätzlich stellt der Schutzkragen 208 die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken bereit, da einer der Steckkontakte des Steckplatzes 206 auf dem Hochvoltpotenzial liegt.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird durch Umspritzen von Kontaktgeometrien, beispielsweise geblecht oder als Leitung, und durch das Schaffen eines Schutzkragens eine zusätzliche Schnittstelle am HV-Header zur Aufnahme der Entstörkondensatoren geschaffen. Bevorzugt ist diese Schnittstelle als ein Stecksystem ausgeführt, wofür an den Kondensatoren Kontaktlaschen vorgesehen sind. Diese Schnittstelle kann auch durch Verschrauben, Löten, Bonden und/oder Kleben ausgeführt werden.
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Mit anderen Worten zeigt 2 ein Ausführungsbeispiel eines Hochvolt (HV)-Headers für ein Gehäuse aus Alu/Kunststoff oder anderen leitenden Materialien. Ein Druckausgleichselement (DAE) als Zusammenbau aus einer Membran, einem Deckel und einer Druckfeder zu einer federbeaufschlagten Membran ist in den Kunststoffgrundkörper des Headers integriert. Befestigungselemente und Dichtung sind in einer Dichtebene angeordnet.
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An Hochvoltbatterien/ Hochvolt-Schaltboxen werden Leistungskabel mithilfe von Hochvolt-Stecksystemen angebunden. Diese Hochvolt-Systeme werden typischerweise sehr dicht ausgeführt, um die innenliegenden Hochvolt-Komponenten und Elektronikkomponenten zu schützen. Aufgrund dieser hohen Dichtigkeitsanforderung muss ein Druckausgleich (Luftdruck) zwischen Batterie/Schaltbox und Umgebung stattfinden. Dazu werden an den Schaltboxen Druckausgleichselemente (DAE) verbaut, welche ihrerseits Aussparungen im Gehäuse der Schaltbox beziehungsweise Batterie benötigen.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich Druckausgleichselemente headerseitig in das HV-Stecksystem integriert, um die separate Montage der Druckausgleichselemente zu eliminieren. Zugleich wird ein Befräsungsaufwand des Gehäuses reduziert.
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Im Hochvolt-Stecksystem wird im Header der Hochvoltsteckverbindung ein zusätzlicher Bereich geschaffen, in dem die Druckausgleichselemente integriert sind. In einem Ausführungsbeispiel ist der Hochvolt-Header derart gestaltet, dass verschiedene Druckausgleichselement-Varianten in einem Werkzeug umgesetzt werden können.
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Bisher sind Druckausgleichselemente nicht als integraler Bestandteil des Hochvolt-Stecksystems ausgeführt, sondern sind als ein separates Bauteil ausgeführt. Das separate Bauteil kann dabei auch von einem anderen Lieferanten bereitgestellt werden.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz können Logistik- und Produktionskosten durch weniger Bauteile und weniger Befestigungselemente reduziert werden. Zusätzlich wird nur eine verkürzte Montagezeit benötigt. Der hier vorgestellte Header kann projektübergreifend verwendet werden. Durch wenige Dichtflächen ist eine vereinfachte Befräsung des Gehäuses möglich. Zusätzlich kann die Dichtfläche in einer Ebene ausgeführt werden, wodurch ein verringertes Versagensrisiko und ein verringerter Prüfaufwand ermöglicht wird. Weiterhin werden weniger Befestigungselemente (Schrauben) benötigt.
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Der hier vorgestellte Header kann zu einem existierenden Hochvolt-Kontaktiersystem kompatibel gestaltet werden. Der hier vorgestellte Header mit Druckausgleichselement kann in Hochvolt-Schaltboxen zum Einsatz kommen und muss nicht mehr von Dritten bezogen werden. Durch die Integration der Druckausgleichselemente können manuelle Montageprozesse bei der Endmontage von Hochvolt-Schaltboxen sowie Logistik- und Handlingkosten durch eine Minimierung der Komponentenanzahl reduziert werden. Darüber hinaus kann durch das Schaffen eines standardisierten Interfaces ein Baukasten entstehen, sodass über viele Fahrzeugprojekte hinweg die Notwendigkeit für ständige Anpassungsentwicklungen dieser Druckausgleichselemente entfällt.
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Dadurch und in Kombination mit einer Integration zumindest eines Y-Kondensators und zumindest eines Ferritkerns kann aus mehreren Bauteilen ein modulares Bauteil generiert werden. Dadurch kann ein Anteil an Zukaufteilen reduziert und eine interne Wertschöpfung erhöht werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz erfolgt eine Integration der Druckausgleichselemente in den Hochvolt-Header. So ergibt sich ein Entfall von Montage- und Handlingskosten in der BMCe Endmontage. Durch Schaffung eines standardisierten Interfaces kann eine Header-Variante verschieden dimensionierte Druckausgleichselemente aufnehmen. Die Befräsung des Gehäuses wird vereinfacht, da nur eine Dichtfläche für ein Bauteil gefräst wird und nicht mehrere zu fräsen sind. Das hier vorgestellte Bauteil weist nur eine Dichtebene auf, was in einem geringeren Versagensrisiko und einem geringeren Prüfaufwand resultiert. Auch ergibt sich eine Verringerung der Anzahl an Befestigungselementen (Schrauben).
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Die Druckausgleichselemente sind im Hochvolt-Header verbaut. Damit wird der Druckausgleich zwischen Dichtraum innerhalb der Hochvolt-Box und der Umgebung durch den Hochvolt-Header umgesetzt.
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Das hier vorgestellte Hochvolt-Stecksystem integriert die Druckausgleichselemente in einem Bauteil. Die Anordnung der Druckausgleichselemente kann modular sein, um für verschiedene Anforderungen bezüglich des Druckausgleichs (unterschiedliche Luftmasseflüsse) dasselbe Werkzeug mit Einsätzen verwenden zu können. Mehrere Druckausgleichselemente sind integrierbar. Der Kunststoffgrundkörper des modifizierten Hochvolt-Headers bietet mehrere Steckplätze, um je nach Anforderungen an den Luftmassefluss beziehungsweise zur Anpassung auf die jeweilige Anwendung mehrere Druckausgleichselemente einzusetzen. Mit der Anzahl an Druckausgleichselementen steigt der zulässige Massefluss. Im Werkzeug für den Kunststoffgrundkörper sind Schieber so integriert, dass je nach Anzahl der eingesetzten Druckausgleichselemente Aussparungen entstehen oder nicht. Der Schieberweg wird verlängert, falls eine Aussparung benötigt wird.
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Außerdem werden die Befestigungspunkte zum Beispiel von acht auf fünf reduziert. Durch die Reduzierung der Dichtflächen kann mit nur einem Befräsungsvorgang des Aludruckguss sowohl das Interface für den Hochvolt-Header als auch das Interface für die Druckausgleichselemente hergestellt werden.
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3 zeigt eine Darstellung eines Hochvoltsteckverbinders 300 mit einer Interlockeinrichtung 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Hochvoltsteckverbinder 300 entspricht im Wesentlichen einer Hochvoltdurchführung, wie sie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu weist die Durchführeinrichtung 112 eine Steckkontur 304 und ein passendes Gegenstück 306 auf. Die Hochvoltleitung 116 weist hier zwei elektrische Leiter 114 auf, die voneinander isoliert durch die Durchführeinrichtung 112 geführt sind. Die Leiter 114 sind in der Steckkontur 304 geteilt und werden beim Einstecken verbunden beziehungsweise beim Entfernen des Gegenstücks 306 getrennt. An dem Gegenstück 306 ist dabei die mehradrige Hochvoltleitung 116 befestigt. Auch der Schirm 118 wird an der Steckkontur 304 geteilt.
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Für jeden Leiter 114 weist die Dämpfungseinrichtung 122 ein eigenes Dämpfungselement 124 auf. Ebenso weist die Entstöreinrichtung 126 pro Leiter 114 zumindest einen eigenen Entstörkondensator 128 auf.
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Die Interlockeinrichtung 302 weist zwei Pole auf, die bei eingestecktem Gegenstück 306 durch eine in das Gegenstück 306 integrierte Interlockbrücke 308 kurzgeschlossen werden. Durch die Interlockbrücke 308 kann somit ein Stromkreis einer Überwachungselektronik der Komponente geschlossen werden, über den erkannt werden kann, ob der Hochvoltsteckverbinder 300 verbunden ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist einer der Pole mit der Masseanbindung 120 verbunden. So kann der Stromkreis über die Wand der Komponente geschlossen werden und eine Signalleitung eingespart werden.
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Ein HV-Stecksystem kann mit einem Umgebungsbauteil mithilfe eines Befestigungselements verbunden sein. Die Schirmbuchse sorgt für einen leitenden Kontakt zwischen dem Schirm und dem Umgebungsbauteil. Der HV-Leiter ist durch einen Kunststoffteil vom Schirm getrennt. Ein außenliegendes Kunststoffteil sorgt für die Abdichtung des Systems.
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Die Entstörkondensatoren von HV Plus zu Masse und von HV Minus zu Masse sind jeweils vom spannungsführenden Pin gegen Fahrzeugmasse verschaltet. Hierbei ist zu beachten, dass diese Entstörkondensatoren isolationsüberbrückende Bauteile sind und entsprechend ausgelegt werden müssen.
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Mit anderen Worten wird ein alternativer Interlock über einen Gehäuseschluss vorgestellt. Dabei erfolgt eine vereinfachte Interlockdetektion durch Nutzung des Gehäuses beziehungsweise masseführender Bauteile.
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An Hochvoltbatterien und/oder HV-Schaltboxen werden Leistungsleitungen mithilfe von HV-Stecksystemen angebunden. Diese HV-Stecksysteme werden mit einem HV-Interlock auf offene Kontaktierungen überwacht um die damit verbundenen Gefahren zu verhindern. So wird beispielsweise bei einer ungewollten Öffnung der Interlockschleife die Batterie allpolig getrennt. Beispielsweise können zu jedem HV-Stecksystem zwei NV-Leitungen geführt werden und als Signalschleife verschaltet werden. Mit einem Signalgenerator kann ein Signal von beispielsweise 10 mA erzeugt und über die erste Leitung ausgesendet werden. Bei gestecktem HV-Gegenstecker mit passender HV-Interlockbrücke kann mit einem Signaldetektor das Signal über die zweite Leitung empfangen werden. Liegt das Signal an, ist die Interlockschleife geschlossen und das System kann sicher zuschalten. Durch die hier vorgestellte Überwachung können Materialkosten und Produktionskosten verringert werden sowie EMV-Probleme durch beispielsweise HV/LV-Kopplung am Header von HV-Potential auf Interlock und somit auf die NV-Elektronik bzw. den NV- Leitungssatz vermieden werden.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz ergibt sich ein Einsparpotential durch den Entfall einer Leitung. Weiterhin ergibt sich ein weiteres Einsparpotential durch den Entfall der Verdrillung der Leitungen.
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Am HV-Header wird die zweite Interlock-Leitung für einen Gehäuseschluss direkt mit den Schirmanschluss zum Schaltboxgehäuse verbunden. So wird der Interlockkreis über die schon vorhandene Verbindung der NV-Elektronik mit dem Schaltboxgehäuse geschlossen. Der bestehende HV-Gegenstecker kann weiter verwendet werden.
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Die Materialkosten durch Entfall der zweiten Interlockleitung und der notwendigen Verdrillung der Leitungen reduzieren sich so.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann auch für mehrere zu überwachende HV-Stecksysteme an der gleichen HV-Schaltbox verwendet werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird der Interlock am HV-Header so geändert, dass die zweite Interlock-Leitung direkt mit den Schirmanschluss an dem Schaltboxgehäuse verbunden wird. So wird der Interlockkreis über die schon vorhandene Verbindung der NV-Elektronik mit dem Schaltboxgehäuse geschlossen. Der HV-Gegenstecker muss nicht geändert werden. Das Signal des Signalgenerators soll eine bestimmt Form bzw. Grundfrequenz haben, damit der Signaldetektor es eindeutig erkennt, da im Material des Schaltboxgehäuses noch andere einfachere Signale (Ströme) und sich ausgleichende Wirbelströme wirken, welche durch die abschirmende und potentialausgleichende Wirkung des Gehäuses in ihm induziert werden.
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4 zeigt eine Darstellung eines Hochvoltsteckverbinders 300 mit einem Piezoelement 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Hochvoltsteckverbinder 300 entspricht dabei im Wesentlichen dem Hochvoltsteckverbinder in 3. Im Gegensatz dazu weist das Gegenstück 306 hier anstatt einer Interlockbrücke eine Druckstruktur 402 zum Verformen des Piezoelements 400 auf. Die Druckstruktur 402 kollidiert beim Einstecken des Gegenstücks 306 in die Steckkontur 304 mit dem Piezoelement 400 und verformt es aus einer Ruhelage heraus. Durch die Verformung wird das Piezoelement 400 unter mechanische Spannung gesetzt und ein elektrisches Spannungssignal 404 erzeugt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist ein Pol des Piezoelements 400 mit einem der Leiter 114 elektrisch leitend verbunden. Das Piezoelement 400 ist elektrisch isolierend. Daher ist die Hochvoltspannung auf dem Leiter 114 sicher von der Signalleitung am anderen Pol des Piezoelements 400 getrennt. Das Spannungssignal 404 wird der Hochvoltspannung überlagert und kann innerhalb der Komponente zwischen der Signalleitung und dem Leiter abgegriffen werden.
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Mit anderen Worten wird ein alternativer Interlock unter Verwendung eines Piezoelements vorgestellt.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz ist am HV-Header ein Piezoelement angebracht, das bei gestecktem HV-Gegenstecker betätigt wird. Durch das Betätigen des Piezoelements entsteht abhängig vom Material des Piezoelements eine elektrische Spannung. Ist der HV-Gegenstecker gesteckt und wirkt mit der Kraft F auf das Piezoelement prägt sich eine definierte Spannung ein. Diese Spannung kann je nach Höhe der erzeugten Spannung über nur eine Leitung von der NV-Elektronik oder vom dlUS ausgewertet werden. Durch eine Auswertung auf dlUS kann die HV/LV-Kopplung am HV-Header eliminiert werden, da der dlUS sowieso im „verschmutzen“ EMV-Bereich angeordnet ist. Die Auswertung kann über einen Signaldetektor analog zu Spannungsmessungen erfolgen. Durch die Integration des Piezoelements in den HV-Header kann der Signalgenerator eingespart werden. Weiterhin kann auf ein Verdrillen der zwei Interlockleitungen aus EMV-Gründen verzichtet werden.
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Das vorgestellte Messprinzip ist passiv. Dabei wird aktiv kein Messsignal erzeugt.
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Der HV-Header kann um das Piezoelement eine Störkontur aufweisen, in die nur die Gegenkontur des HV-Gegensteckers passt. Bei dem vorgestellten Ansatz kann die Interlockbrücke entfallen.
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Die Spannung kann über eine Leitung zum dlUS geführt werden, wo die Spannung gemessen und ausgewertet wird. Der dlUS kommuniziert periodisch mit der NV-Elektronik und kann diese zusätzlichen Daten problemlos über den CAN-Bus mit übertragen. Um die Spannung des Piezoelements zu messen, kann das Piezoelement mit dem Schaltboxgehäuse verbunden werden. Dies kann einfach über die bestehende HV-Header-Masseanbindung erfolgen, da der Schirm der externen HV-Leitung über den HV-Gegenstecker an den HV-Header und dann auf das Schaltboxgehäuse übergeben wird. Der dlUS (UI-Sensor) ist ebenfalls mit dem Gehäuse der Schaltbox verbunden, somit liegt das gleiche Bezugspotential vor.
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Ferner wird ein alternativer HV-Interlock über den Wellenwiderstand vorgestellt.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird durch Ermittlung des Wellenwiderstands bestehender Leitungen/Stromschienen bestimmt. ob der HV-Gegenstecker gesteckt ist. Die zusätzlichen Leitungen vom/zum Signalgerator/detektor können entfallen. Die Ermittlung des Steckzustands des HV-Steckers erfolgt über den Wellenwiderstand des Leitungsendes. Je nach Steckzustand liegt ein anderes Reflexionsverhalten am Leitungsende vor.
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An Materialkosten kann beispielsweise der Interlockleitungssatz, Befestigungselemente und dazugehörige Bohrungen eingespart werden. Weiterhin können Logistik- und Produktionskosten eingespart werden, da kein Interlockleitungssatz gesteckt und befestigt werden muss. Zusätzliche Einsparungen ergeben sich, wenn der herkömmliche Interlockleitungssatz nochmal unterteilt ist, und zusätzliche Trennstellen entfallen können. Auf Ferritkerne als teure Gegenmaßnahme gegen EMV-Probleme durch die HV/LV-Kopplung kann ebenso verzichtet werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann an HV-Schaltboxen, HV-Kontaktiersystem und dlUS verwendet werden. Manuelle Montageprozesse bei der Endmontage sowie Logistik- und Handlingskosten von Hochvoltschaltboxen reduzieren sich durch den Entfall des Interlockleitungssatzes. Außerdem wird die HV/LV-Kopplung an den Headern eliminiert.
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Für den hier vorgestellten Ansatz werden ein Signalgenerator und ein Signaldetektor auf HV-Elektronik verwendet. Über die schon vorhandenen Shunts und den Spannungsabgriff vor dem Hauptschütz „Plus“ wird vom dlUS der Wellenwiderstand über die Stromschienen/Leitungen bis zum HV-Header gemessen. Der Verbindungszustand wird unter Verwendung der Reflexion der Strom- und Spannungswellen am Leitungsabschluss überwacht. Falls der Gegenstecker nicht gesteckt ist, ist das Leitungsende offen (ZL => ∞) und es erfolgt eine Totalreflexion (Spannungsverdopplung) und der Reflexionsfaktor r beträgt eins.
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Ist der Gegenstecker gesteckt ist über den angeschlossenen Wechselrichter, Gleichstrommotor oder ähnliches das Leitungsende nicht offen und ZL ist endlich. Im Idealfall kann ZL auf den Leitungswellenwiderstand Zw angeglichen werden und ZL = Zw (r = 0, es wird nichts reflektiert, da gesamte Energie in ZL absorbiert wird).
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Die Bedingung für den gesteckten HV-Gegenstecker am HV-Header ist also ∞ > ZL > Zw und somit 0 < r < 1.
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Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft gewählt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Hochvoltdurchführung
- 102
- Grundkörper
- 104
- Verbindungsgeometrie
- 106
- Durchbruch
- 108
- Wand
- 110
- Komponente
- 112
- Durchführeinrichtung
- 114
- Leiter
- 116
- Hochvoltleitung
- 118
- Schirm
- 120
- Masseanbindung
- 122
- Dämpfungseinrichtung
- 124
- Dämpfungselement
- 126
- Entstöreinrichtung
- 128
- Entstörkondensator
- 200
- Druckausgleichseinrichtung
- 202
- Druckausgleichskanal
- 204
- Druckausgleichselement
- 206
- Steckplatz
- 208
- Schutzkragen
- 300
- Hochvoltsteckverbinder
- 302
- Interlockeinrichtung
- 304
- Steckkontur
- 306
- Gegenstück
- 308
- Interlockbrücke
- 400
- Piezoelement
- 402
- Druckstruktur
- 404
- Spannungssignal
