DE69325381T2

DE69325381T2 - Sensor zur fehlerstromerfassung

Info

Publication number: DE69325381T2
Application number: DE69325381T
Authority: DE
Inventors: Goeran Svedoff
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: SE514163C2; EP0664933A1; AU5122993A; JPH08502127A; DE69325381D1; WO1994008380A1; SE9202822D0; EP0664933B1; SE9202822L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Fehlerstromerfassung zwischen Metallelementen in dem Chassis oder Körper eines Fahrzeuges und elektrischen Drähten, die entlang der Metallelemente verlaufen, wobei die elektrische Verdrahtung einen positiven und einen negativen Pol hat, der Sensor mindestens eine Widerstandsbrücke mit einem ersten Zweig und einem zweiten Zweig aufweist, die in Parallelschaltung den positiven Pol und den negativen Pol der elektrischen Verdrahtung überbrücken, der erste Zweig einen ersten und einen zweiten Widerstand hat, die in Reihe geschaltet sind, und zwischen denen ein Bezugspunkt liegt, der zweite Zweig einen dritten und einen vierten Widerstand hat, die in Reihe geschaltet sind und zwischen denen ein Verbindungspunkt liegt, an den die Metallelemente angeschlossen sind, ein erster Fehlerstromwiderstand parallel zu dem dritten Widerstand zwischen einem Pol der elektrischen Verdrahtung und den Metallelementen geschaltet ist, ein zweiter Fehlerstromwiderstand parallel zu dem vierten Widerstand zwischen einem Pol der elektrischen Verdrahtung und den Metallelementen geschaltet ist und eine Anzeigeschaltung zwischen dem Verbindungspunkt und dem Bezugspunkt geschaltet ist, die einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss hat.
Bei nahezu allen elektrischen Fahrzeugen existiert eine elektrische Energie, bei der hochgespannte Ströme auftreten, die für den Menschen gefährlich sind. Bspw. treten bei elektrischen Fahrzeugen Spannungen bis zu 400 Volt und Ströme von etwa 500 Ampere auf.
Viele elektrische Fahrzeuge werden in einer schwierigen Umgebung betrieben, in der Feuchtigkeit, Schmutz, Staub und Vibrationen auftreten. Wenn sich irgendein Fehlerstromdefekt im hochgespannten Stromsystem des elektrischen Fahrzeuges ereignet, kann dies für die persönliche Sicherheit sehr gefährlich werden. Die Gefahr wird heraufbeschworen, sobald jemand mit einem Bauteil (oder mit der Feuchtigkeit/Flüssigkeit auf dem Bauteil) in Berührung kommt, bspw. beim Anschluss des Netzstromes zum Aufladen der Batterien oder für Service- und Inspektionszwecke. Wenn bereits ein Defekt in einem Bauteil vorhanden ist, kann ein zweiter Defekt zu einer Explosion bei den Batterien oder anderen kritischen elektrischen Bauteilen führen. Gerade ein kleinerer Zwischenfall kann zu einem Schaden an der Verkabelung des Fahrzeuges führen.
Ein Erdschlussunterbrecher wird verwendet, um einen Fehlerstrom zwischen Phase und Erde mittels eines Wechselstromapparates zu erfassen, wodurch der Strom abgeschaltet wird, sobald ein Defekt erfasst wird. Diese Einrichtungen erfassen die Stromdifferenz zwischen einem Leiter und einem Rückleiter. Daher ist ihre Anwendung bei elektrischen Fahrzeugen nicht möglich, bei denen bedeutende Teile des Chassis oder Körpers aus Metall bestehen, das elektrisch leitfähig sein kann.
DE-C-25 46 997 zeigt einen Sensor zur Erfassung von Erdschlüssen in nicht-geerdeten Gleichstromnetzwerken. Der Sensor hat eine Widerstandsbrücke mit einem ersten und einem zweiten Zweig, die parallel über den positiven und den negativen Pol des Netzwerkes geschaltet sind. Der erste Zweig hat einen ersten Widerstand R1 und einen zweiten Widerstand R2, die in Reihe mit einem dazwischenliegenden Bezugspunkt geschaltet sind. Der zweite Zweig wird durch die Reihenanordnung von zwei Ableitungswiderständen Rp, Rn zwischen dem positiven bzw. negativen Pol und der Erde gebildet. Eine Anzeigeschaltung ist zwischen Erde und dem Bezugspunkt vorgesehen. Die Anzeigeschaltung hat einen ersten Anschluss 14 und eine Diode D5, wodurch angezeigt wird, wenn ein Pol mit der Erde kurzgeschlossen ist, und einen zweiten Anschluss 16 und eine Diode D6, wodurch angezeigt wird, wenn der andere Pol mit der Erde kurzgeschlossen ist.
In DE 11 28 537, die die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 1 zeigt, ist eine Brückenschaltung mit Widerständen beschrieben, bei der einer der Widerstände in einem Verbraucher angeordnet ist, und im Falle mehrerer Verbraucher der andere Widerstand eingestellt werden muß. Die Widerstände sind derart ausgewählt, daß der Erdungspunkt und der Bezugspunkt auf dem gleichen Potential liegen, wenn die Erdverbindung gut ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wirksamen Fehlerstromdetektor für elektrische Fahrzeuge zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gelöst, da der erste Ausgangsanschluss der Anzeigeschaltung für die Abgabe eines Ausgangssignals angeordnet ist, das anzeigt, daß der dritte Widerstand kurzgeschlossen ist, und der zweite Ausgangsanschluss der Anzeigeschaltung für die Abgabe eines Ausgangssignals angeordnet ist, das anzeigt, daß der vierte Widerstand kurzgeschlossen ist, und der dritte und der vierte Widerstand den gleichen Widerstandswert haben, der angesichts einer Grenze für die Fehlerströme durch den ersten und den zweiten Ableitungswiderstand so gewählt ist, daß der Wert etwa fünfmal größer ist als die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Ableitungswiderstandes, um den gewünschten Anzeigepegel zu erhalten.
Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel und an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Widerstandsbrückenschaltung mit Widerständen R1, R2, R3 und R4 und Widerständen R5 und R6. Die Widerstandsbrückenschaltung liegt zwischen dem positiven und dem negativen Pol in einer Fahrzeugverkabelung bei den jeweiligen Punkten 10 und 11. Der Punkt 12 ist mit dem Fahrzeugkörper (Punkt der elektrischen Erde) verbunden, d. h. jede Spannung wird zum Körper abgeglichen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Brücke bildet der Punkt 13 einen Bezugspunkt und ist einer künstlichen Erde äquivalent.
Die Widerstände R3 und R4 haben den gleichen Widerstandswert, der derart gewählt sein sollte, daß er in etwa fünfmal größer ist als ein gewählter Anzeigewert für die Ableitungswiderstände R5 und R6 (umgekehrt proportional zu der Grenze für den Ableitungs- bzw. Fehlerstrom 15 oder 16).
Die Widerstände R1 und R2 haben den gleichen Widerstandswert, der kleiner als ein Fünftel des Widerstandswertes für R3 und R4 sein sollte, wobei der Stromauslass berücksichtigt werden sollte.
Eine Anzeigeschaltung ist zwischen dem Punkt der elektrischen Erde 12 und dem Punkt 13 geschaltet. Die Anzeigeschaltung hat die Widerstände R7, R8 und Einrichtungen 15, 16 zur Erfassung des Ableitungsstromes, die bspw. durch Optoschalter gegeben sein können, wie sie für eine galvanisch getrennte Übertragung von Signalen verwendet werden.
Wenn bspw. ein Kurzschlussdefekt (= der Widerstand R6) zwischen dem Erdungspunkt 12 und dem negativen Leiter zum Punkt 11 auftritt, wird der Widerstand R4 kurzgeschlossen. Daraus ergibt sich ein Ungleichgewicht in der Widerstandsbrückenschaltung, und ein Stromfluss wird durch den Widerstand R3 und auch parallel zu diesem über die Widerstände R1, R2 und auch parallel durch die Widerstände R8, R7 der Anzeigeschaltung und durch eine in dem Optoschalter 16 angeordnete Diode 17 gebildet. Die Diode 17 aktiviert den Optoschalter-Ausgang 18, der mit einer Sekundärschaltung verbunden ist, und ein Ausgangssignal wird bei 19 empfangen. Das Ausgangssignal steuert dann ein nicht gezeigtes Gerät, um den Strom schnell an der Versorgungsquelle zu unterbrechen.
Falls andererseits ein Kurzschlussdefekt (= Widerstand R5) zwischen dem Erdungspunkt 12 und dem positiven Leiter zum Punkt 10 auftritt, wird der Widerstand R3 kurzgeschlossen. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht auf der anderen Seite der Widerstandsbrückenschaltung, und ein Strom fließt durch den Widerstand R4 und parallel zu diesem über die Widerstände R1, R2 und ebenso parallel durch die Widerstände R7, R8 der Anzeigeschaltung und durch die im Optoschalter 15 befindliche Diode 20. Die Diode 20 aktiviert den Ausgang 21 auf dem Optoschalter, der mit der Sekundärschaltung verbunden ist, und ein Ausgangssignal wird bei 22 empfangen. Das Ausgangssignal steuert dann die Einrichtung so, daß der Strom an der Versorgungsquelle schnell unterbrochen wird.
Da die Sekundärschaltung zwei Ausgänge 19, 22 hat, kann Information darüber erhalten werden, auf welchem der Leiter der Ableitungsstrom bzw. Fehlerstrom auftritt.
In einer Anordnung, die für 220 Volt Wechselstrom geeignet ist, was nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung steht, beträgt der Widerstandswert der Widerstände R1, R2 jeweils etwa 10 kΩ, der der Widerstände R3, R4 jeweils etwa 50 kΩ, der des Widerstandes R7 etwa 100 Ω, der des Widerstandes R8 etwa 500 Ω und der der Widerstände R9, R10 jeweils etwa 10 kΩ. Die Detektionswerte für die Widerstände R5, R6 belaufen sich dabei auf etwa 20-2S kΩ.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr sind Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich. Bspw. können die Optoschalter durch geeignete Relais ersetzt werden.

Claims

1. Sensor zur Fehlerstromerfassung zwischen Metallelementen (12) in dem Chassis oder Körper eines Fahrzeuges und elektrischen Drähten, die entlang der Metallelemente verlaufen, wobei die elektrische Verdrahtung einen positiven und einen negativen Pol hat, der Sensor mindestens eine Widerstandsbrücke mit einem ersten Zweig und einem zweiten Zweig aufweist, die in Parallelschaltung den positiven Pol (10) und den negativen Pol (11) der elektrischen Verdrahtung überbrücken, der erste Zweig einen ersten und einen zweiten Widerstand (R1, R2) hat, die in Reihe geschaltet sind und zwischen denen ein Bezugspunkt (13) liegt, der zweite Zweig einen dritten und einen vierten Widerstand (R3, R4) hat, die in Reihe geschaltet sind und zwischen denen ein Verbindungspunkt (12) liegt, an den die Metallelemente angeschlossen sind, ein erster Fehlerstromwiderstand (R5) parallel zu dem dritten Widerstand (R3) zwischen einem Pol der elektrischen Verdrahtung und den Metallelementen geschaltet ist, ein zweiter Fehlerstromwiderstand (R6) parallel zu dem vierten Widerstand (R4) zwischen einem Pol der elektrischen Verdrahtung und den Metallelementen geschaltet ist und eine Anzeigeschaltung (R7, R8, R9, R10, 15, 16) zwischen dem Verbindungspunkt (12) und dem Bezugspunkt (13) geschaltet ist, die einen ersten Ausgangsanschluss (22) und einen zweiten Ausgangsanschluss (19) hat,

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Ausgangsanschluss (22) der Anzeigeschaltung zur Abgabe eines Ausgangssignals vorgesehen ist, das anzeigt, daß der dritte Widerstand (R3) kurzgeschlossen ist und der zweite Ausgangsanschluss (19) der Anzeigeschaltung zur Abgabe eines Ausgangssignals vorgesehen ist, das anzeigt, daß der vierte Widerstand (R4) kurzgeschlossen ist, und daß der dritte Widerstand (R3) und der vierte Widerstand (R4) jeweils den gleichen Widerstandswert haben, der angesichts einer Grenze für die Fehlerströme (15, 16) durch den ersten Ableitungswiderstand (R5) und durch den zweiten Ableitungswiderstand (R6) so gewählt ist, daß der Wert etwa fünfmal größer ist als die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Ableitungswiderstandes (R5, R6), um den gewünschten Anzeigepegel zu erhalten.

2. Sensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Widerstand (R1) und der zweite Widerstand (R2) gleich groß sind und mindestens ein Fünftel des Wertes des dritten Widerstandes (R3) haben.

3. Sensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß der positive Pol (10) und der negative Pol (11) gegenüber dem Metallelement (12) über die Widerstände (R3, R4) des zweiten Paars Widerstände derart abgeglichen sind, daß die Spannung halbiert wird.

4. Sensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß er eine Einrichtung zur schnellen Unterbrechung des Stromes durch die elektrischen Drähte aufweist.