WO2019179565A1 - Messanordnung sowie verfahren zur überwachung eines elektrischen versorgungssystems - Google Patents

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WO2019179565A1
WO2019179565A1 PCT/DE2019/100243 DE2019100243W WO2019179565A1 WO 2019179565 A1 WO2019179565 A1 WO 2019179565A1 DE 2019100243 W DE2019100243 W DE 2019100243W WO 2019179565 A1 WO2019179565 A1 WO 2019179565A1
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line
signal
sensor element
supply system
measuring arrangement
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PCT/DE2019/100243
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French (fr)
Inventor
Bernd Janssen
Erwin Köppendörfer
Markus Schill
Original Assignee
Leoni Kabel Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/005—Testing of electric installations on transport means
    • G01R31/006—Testing of electric installations on transport means on road vehicles, e.g. automobiles or trucks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/58—Testing of lines, cables or conductors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/54—Testing for continuity

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement and to a method for monitoring an electrical supply system.
  • the motor vehicle driven by an electric motor is generally understood to mean a truck or a passenger car which has either a hybrid drive (electric motor and combustion engine), so-called plug-in hybrid or a pure electromotive drive (electric motor).
  • Such measuring arrangements serve, for example, to predict current and / or future faults of the components and / or lines of the supply system. Due to the fact that the electrical supply systems, in particular in electric motor-driven motor vehicles, are becoming increasingly catchier and more complex, the measuring arrangements described above are likewise complex and therefore expensive. Thus, for example, it is provided to monitor each component present in a supply system individually by means of its own measuring arrangement. However, such solutions also have a negative effect on a total mass of the supply system, which is particularly disadvantageous in the automotive sector. Proceeding from this, the object of the invention is to specify a measuring arrangement and a method with the aid of which an electrical supply system can be simply and adequately monitored.
  • the object directed to the measuring arrangement is achieved according to the invention by a measuring arrangement for monitoring an electrical supply system with regard to a fault.
  • the measuring arrangement serves to monitor an electrical supply system of a motor vehicle.
  • the supply system is understood to be, for example, an association of all components required for an electrical supply, such as, for example, an electrical source, distribution elements and consumers.
  • the supply system has an electrical line extending in a longitudinal direction for transmitting electrical power.
  • the line has at least one supply line, which is also designated as an energy source.
  • the at least one supply line is designed, for example, to supply an electrical load.
  • electrical services with a value greater than 0.5 kW, preferably with a value greater than 2 kW, in particular greater than 10 kW and especially in the range between 100 kW and 250 kW are transmitted.
  • the transmitted power preferably has a value less than 0.3 MW or less than 0.5 MW.
  • the line has, for example, three supply wires, which are designed to transmit an electrical power over three phases with a value of 1 kW or greater than 1 kW.
  • the line also has a sensor element, which is guided along the at least one supply line.
  • the sensor element has an electrical conductor which is typically surrounded by insulation.
  • the sensor element has a wire or is formed by the wire.
  • a wire is generally a conductor surrounded by a wire jacket.
  • the diameter of the sensor element is preferably significantly smaller, for example by a factor of 5 or more than the diameter of the at least one supply core.
  • the cable is a cable, ie all the elements of the cable (supply wires, sensor element, if necessary data lines and possibly a shielding) are surrounded by a common (outer) cable sheath.
  • the measuring arrangement comprises a measuring unit which is connected to the sensor element and which is designed to detect and relay a signal to an evaluation unit.
  • the one core of the sensor element is connected to the measuring unit.
  • the measuring unit is still connected to a reference potential.
  • the evaluation unit is a part of the measuring arrangement.
  • the evaluation unit is remote from the measuring unit, e.g. arranged in a higher-level control unit, for example, a motor vehicle or a maintenance center.
  • the signal is coupled in the operation of the line due to a crosstalk from the supply line in the sensor element.
  • Crosstalk is a generally known and usually undesirable effect which can occur during the transmission of electrical data or electrical power.
  • the crosstalk occurs as a result of alternating fields in the transmission.
  • a coupling of such a crosstalk signal into the sensor element is thus explicitly exploited, since, in simplified terms, the crosstalk changes in the case of a disturbance and thus also the signal coupled into the sensor element.
  • the evaluation unit is designed, for example, as a Software Defined Radio (SDR).
  • SDR Software Defined Radio
  • SDRs are basically known.
  • the crosstalk behavior ie the adjacent line signal of the line
  • This change leads to a changed coupled-in signal in the sensor element, which is detected by the evaluation unit during operation and indicates a change in state of the supply line.
  • a particular advantage of this method is the fact that a statement about the state of the supply system can be made solely by evaluating the injected cross-talk signal. It is therefore preferably also provided only a passive monitoring of the sensor element with respect to the injected cross-talk signal. An (active) feeding of a measuring or test signal is therefore not, i. There is no supply unit for such a measuring or test signal. Thus, no signal is generated by a signal generator, but only irradiated signals are detected and evaluated.
  • the crosstalk signal is preferably monitored by the measuring arrangement with regard to a characteristic change.
  • an alternating current for supplying the electrical component is preferably transmitted via the supply line.
  • the frequency is in particular below 100 kHz. It is preferably above a usual mains frequency, for example above 100 Hz or 500 Hz and in particular at least in the kHz range.
  • the sensor element preferably has a predetermined nominal impedance, also called wave resistance.
  • the nominal impedance ie the characteristic impedance a fundamentally known electrical characteristic of electrical conductors.
  • the sensor element is preferably terminated at one end with the nominal impedance.
  • a resistance element which has the value of the nominal impedance of the sensor element is connected to one end of the sensor element.
  • the resistance element therefore forms a terminating resistor, the nominal value of the terminating resistor corresponding to the nominal value of the line impedance of the sensor element.
  • the resistance element serves in particular solely for the line termination and has no other functions, for example for voltage measurement or voltage division.
  • the evaluation unit connected at the opposite end, in particular its input resistance, is furthermore likewise adapted to the line impedance in order to avoid reflections at the input of the evaluation unit.
  • the sensor element In operation, the sensor element "receives" over its (entire) length an injected (interference) signal. This propagates in the sensor element in both directions.
  • the terminating resistor consumes the energy of those signal components that propagate toward the line end with the terminating resistor.
  • the one end of the sensor element is designed to be open, that is to say configured without a termination by, for example, a resistance element or further alternatively short-circuited.
  • a resistance element or further alternatively short-circuited.
  • the sensor element is connected to the evaluation unit for evaluation of the detected signal, that is to say coupled into the sensor element.
  • the sensor element is unshielded.
  • a simple coupling in of the signal caused by the crosstalk is achieved in the sensor element.
  • At least one electrical component is connected to the line, which is supplied with electrical power via the line during operation.
  • the electrical component is therefore an electrical consumer or else a storage for electrical energy.
  • the evaluation unit is set up to use the detected signal to detect a malfunction of the at least one electrical component connected to the line.
  • This embodiment is based on the idea that - in the same way as mentioned above - a disturbance, e.g. mechanical damage to the electrical component results in a change in crosstalk within the cable connected to the component. In normal operation of the component, that is, without interference, signal is already coupled into the sensor element due to the power transmitted through the line.
  • Such a crosstalk leading to a normal signal usually has a frequency with a value in the range of a few kilohertz, preferably up to several 100 kilohertz.
  • the monitoring system described here therefore monitors the condition of a consumer connected to this supply line by checking the (supply) line.
  • a disturbance thus leads to an additional high-frequency (f> 1 MHz) crosstalk, which couples in a signal superimposed on the normal signal (also referred to as interference signal) into the sensor element.
  • f> 1 MHz normal signal
  • the evaluation unit is designed to use the detected signal to deduce a type of disturbance within the supply system and, in particular, within the component. This is done, for example, by a comparison of the course of the detected signal with previously stored reference characteristics of signals which each characterize a defined type of interference.
  • the evaluation unit is designed for frequency-selective evaluation of the detected signal.
  • Frequency-selective evaluation is generally understood to mean that an evaluation takes place depending on, for example, predetermined, specific frequencies.
  • the coupled-in normal signal and the interference signal in order to detect and evaluate a signal caused purely by a fault.
  • the evaluation unit is for the evaluation of frequencies in the range of 1 MHz to 1 GHz, preferably for the evaluation of frequencies in the middle two-digit MHz range, i. specially designed in the range from 50 MHz to 70 MHz. That the evaluation unit preferably has a reception bandwidth in the named range.
  • This frequency range substantially corresponds to the frequency range of the interference signal coupled to the sensor element in addition to the normal signal due to the interference.
  • the evaluation unit is designed only for the evaluation of frequencies with values in the areas mentioned in the previous section.
  • the measuring arrangement is preferably designed to monitor the electrical supply system only on the basis of this frequency range, ie the evaluation unit evaluates, with regard to the testing of the functionality of the supply system, only this specific frequency range caused by the crosstalk.
  • the evaluation unit preferably has filter elements, e.g. Filter elements which are formed by a combination of inductive, resistive and / or capacitive components on.
  • filter elements e.g. Filter elements which are formed by a combination of inductive, resistive and / or capacitive components on.
  • the supply system is arranged in a motor vehicle or connected thereto.
  • a monitoring of the at least one component connected to the line takes place during operation.
  • the component is power electronics and / or an electric drive motor of an electrically driven motor vehicle.
  • the term power electronics means, for example, an entire supply line from a battery of the motor vehicle via a converter to the driving motor, including all switching elements used.
  • monitoring of all electrical components and the lines of the electric motor vehicle arranged therebetween is realized. During operation, only a signal coupled into the sensor element is detected, so that complicated and complex monitoring units can be dispensed with.
  • the line is a charging cable for charging an electrically driven motor vehicle, in particular a battery of the electrically driven motor vehicle.
  • the measuring arrangement for example, not only components within a motor vehicle can be monitored, but also components connected to the motor vehicle.
  • the sensor element is designed as a pair of cores, which is unstretched or preferably stranded. Is preferred terminated the wire pair at one end with the nominal impedance in the manner already described. The other end of the sensor element is connected to the measuring unit for detecting and transmitting the detected signal.
  • the sensor element is designed as a coaxial line. In both embodiments, the sensor element is guided, for example, parallel to the supply wires.
  • the sensor element has only one core.
  • the reference potential for the measuring unit is provided for example by a shielding of the electrical line.
  • the shielding is, in particular, an overall screen of the line, ie the shielding surrounds the supply wires and the sensor element together.
  • the sensor element is designed as a data line, ie the sensor line has a double function and serves both for data transmission and for detecting the signal. In this embodiment, therefore, an existing, anyway provided data line is preferably used, which is part of the line or the cable.
  • a data unit is further provided, in which, for example, the measuring unit is integrated.
  • the data unit is preferably designed both for transmitting and receiving data via the sensor element and for receiving and relaying a signal in the event of a fault of a component to be monitored.
  • the object directed to the method is achieved according to the invention by a method for monitoring an electrical supply system with regard to a fault, in particular for monitoring an electrical supply system of a motor vehicle, electrical power being transmitted by means of an electrical line.
  • the line has at least one supply line via which an electric current is transmitted.
  • the electric current is understood to mean, in particular, an alternating current having a frequency of less than 100 kHz.
  • a pulse-width modulation PWM
  • a sinusoidal current signal as used for example for the current of electric motors.
  • PWM pulse-width modulation
  • a sensor element in which by a - caused by the current - crosstalk a signal is coupled and detected.
  • the signal is transmitted to an evaluation unit for evaluation.
  • Based on the detected signal is determined whether there is a fault within the supply system.
  • Disturbance in the present case is generally understood to mean a deviation of the operating behavior of the supply system from normal operation (operation without fault), for example due to (mechanical) damage or loss of contact of a plug connection.
  • At least one electrical component is connected to the electrical line.
  • a normal signal-or else referred to as a normal signal- is coupled into the sensor element at a frequency in the range from 1 kHz to 500 kHz as the signal and detected.
  • the supply system and in particular the electrical component is monitored for a fault.
  • a disturbance portion of the detected signal with an interference frequency with a value in the range from 1 MHz to 1 GHz expediently exists. That is, if a disturbance, for example damage, occurs in the supply system and in particular in the at least one component, a higher-frequency interference signal is coupled into the sensor element in addition to the already mentioned normal signal.
  • the terms interference signal and interference component are used analogously.
  • perturbations within the supply system or component cause crosstalk at a higher frequency than crosstalk which occurs due to the current flowing through the line.
  • the signal injected by the crosstalk also changes into the sensor element when a fault occurs is present.
  • the frequency of a noise component coupled in by a disturbance component of the detected signal is thus above the frequency of the normal signal.
  • the crosstalk thus behaves frequency-dependent and, for example, increases by a value of 20 dB per power of ten of the frequency. Suitable measurements have shown that as the value of the crosstalk frequency increases, a higher voltage value is also coupled into the sensor element as a signal. To evaluate whether a fault is present, an exceeding of a threshold value is thus detected, for example, in the simplest case. That If the secondary speech and thus the voltage value of the coupled-in signal rises above a predetermined threshold value, there is a fault within the supply system.
  • the threshold value is, for example, a maximum value of the voltage which is coupled in due to the crosstalk of the line current, that is to say the voltage of the normal signal. Thus, an occurring disturbance within the supply system or the component is undoubtedly detectable.
  • Such a threshold value comparison is realized, for example, by means of the SDR already mentioned.
  • the advantage of this embodiment is that only via a signal coupled into the sensor element a status assessment of the entire supply system, including the at least one component connected to the line, takes place. Monitoring with regard to an occurring disturbance is thus simplified and centralized to the line to be monitored. It can be dispensed with time-consuming and costly monitoring units.
  • a type of disturbance is deduced based on the detected signal, in particular on the basis of the interference component of the detected signal.
  • the reference curves are, for example, deposited in an internal memory of the measuring arrangement or a memory element of the evaluation unit.
  • one of the following is expediently based on the detected signal, in particular on the basis of the interference component of the detected signal
  • a fault in the line such as arcs or sliding discharges.
  • Arcs which occur, for example, as a result of a conductor break, lead to crosstalk.
  • the arcs "generate" a high-frequency crosstalk that couples into the sensor element.
  • G Quadjust example in Cables or other longitudinally extending components are detected.
  • the supply system is preferably monitored for at least one, in particular several, and especially for all these error classes. On the basis of the diagnosed incident can thus be made a statement about the further life of the affected component or generally in case of failure of the component to the failed component.
  • the advantages and preferred embodiments listed with regard to the measuring arrangement are to be transferred analogously to the method and vice versa.
  • Fig. 1 is a block diagram of a monitored by means of a measuring arrangement
  • FIGS. 2a-c each show a cross section through a line for the transmission of electrical power of the supply system with different sensor elements and FIGS.
  • Fig. 3 is a sketched course of the detected signal as a function of the frequency.
  • like-acting parts are represented by the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a measuring arrangement 2 for monitoring a supply system 4.
  • the supply system 4 serves to provide an electrical supply for a motor vehicle 6 shown for simplicity only by a rectangle.
  • the measuring arrangement 2 is integrated in the motor vehicle 6 in the exemplary embodiment ,
  • the supply system 4 is in a longitudinal direction L extending line 8.
  • the line 8 is thus in the embodiment part of the supply system 4.
  • the line 8 has for transmitting electrical power, in the embodiment for transmitting an electric current I, to a connected to the line component 11 at least one, in the embodiment three Supply wires 10 (see Fig. 2).
  • the line 8 has a sensor element 12 (see, for example, FIG. 2 a) which also extends in the longitudinal direction L. In particular, it is routed parallel to the supply wires 10 in the line 8.
  • the measuring arrangement 2 also has a measuring unit 14.
  • the measuring unit 14 is designed to detect and relay a signal S to an evaluation unit 20.
  • the evaluation unit 20 is part of the measuring unit 14.
  • the evaluation unit 14 is integrated in a higher-level control unit.
  • the signal S is coupled from the supply wires 10 into the sensor element 12 as a result of a secondary speech N.
  • the crosstalk N changes, since due to the disturbance high-frequency crosstalk signals with a frequency in the range between 1 MHz and 1 GHz (see FIG the line 8, in particular in the supply wires 10 are fed. Because of these (additional borrowed) high-frequency crosstalk signals, the signal S coupled into the sensor element 12 also changes, which is detected by the measuring unit.
  • a Disturbance of the line 8 due to a change in the detected injected signal S, a Disturbance of the line 8, the component 11 or even the entire supply system 4 detected and even localized based on the course of the signal S.
  • a comparison of the course of the detected signal S with stored reference curves returns an error class so that it is recognized which component 11 (if several components 11 are arranged in the supply system) has a fault.
  • FIGS. 2 a - c show in simplified and partially incomplete representation a cross section of the line 8 with different variants for the sensor element 12.
  • the line 8 the sensor element 12.
  • Variants of the sensor element can be seen in each case in the three representations shown.
  • further line elements can be contained in the line 8.
  • the line 8 is designed in particular as a cable with an outer cable sheath 22.
  • the line has an overall screen 15, as shown by way of example in FIG. 2c.
  • the sensor element 12 is designed as an unshielded and preferably twisted pair of wires, so that an optimal coupling of the secondary speaker N is guaranteed by the supply wires 10.
  • the two wires of the pair of wires are connected in the exemplary embodiment for detecting the coupled signal S to the measuring unit 14.
  • the sensor element 12 is formed as a coaxial line with an inner conductor and an outer conductor. For detecting the coupled signal S, the inner conductor and the outer conductor are connected to the measuring unit 14.
  • the sensor element 12 is designed as a core. Furthermore, the line 8 according to this alternative embodiment, the overall shield 15, which is connected together with the one core to the measuring unit 14. The screen 15 surrounds in the exemplary embodiment play according to FIG. 2c both the supply wires 10 and the sensor element 12 formed as a wire.
  • FIG. 3 shows a sketch of the detected signal S as a function of the frequency f.
  • the detected signal S is divided into a normal signal S N and a noise component Ss tör (shown here schematically each by the two circled peaks).
  • the normal signal S N is a signal part which is coupled into the sensor element 12 and which occurs due to the normal operation of the line.
  • an electric current I preferably an alternating current flows through the supply wires 10 to supply the component 11.
  • This current I causes an incidental N, which is coupled into the sensor element 12.
  • This coupled crosstalk N is the normal signal S N.
  • ES is not associated with a crosstalk N caused by a disturbance and is thus not an indication of an existing disturbance.
  • the normal signal S N has a frequency in the range of a few kilohertz, for example in the range from 50 kHz to 100 kHz.
  • the normal signal S N can also have values in the MHz range.
  • the general rule is that the values of the frequency of the normal signal S N are smaller than the values of the frequency of the interference signal Sstör ⁇
  • the interference component Sstör of the detected signal S only occurs in the event of a fault. Since, in the event of a defect or a damage to the supply system 4, the component 11 or the line 8, cross-talk N is coupled in at a higher frequency than the normal signal S N , the frequency of the disturbance component Sstör is also significantly higher and thus shorter the normal signal S N differentiable. In FIG. 3, this is illustrated by the crosstalk value (in this case the respective amplification of the crosstalk N in dB) as a function of the frequency f. In the case of the two circled peaks, which characterize a crosstalk N occurring as a result of an occurring disturbance, a clear differentiation from the normal signal S N can be recognized.
  • a threshold value comparison For evaluating the signal S to a noise component Sstor, for example by means of the evaluation unit 20 is a threshold value comparison, which determines when a threshold value is exceeded by the detected value of the crosstalk N in the sensor element 12 a fault. A comparison of the course with the reference curves already mentioned then serves to identify the disorder.

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Abstract

Es wird eine Messanordnung (2) sowie ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Versorgungssystems (4) im Hinblick auf eine Störung, insbesondere zur Überwachung eines elektrischen Versorgungssystems (4) eines Kraftfahrzeugs (6) angegeben.

Description

Beschreibung
Messanordnung sowie Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Versorgungssystems Die Erfindung betrifft eine Messanordnung sowie ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Versorgungssystems.
In elektrischen Versorgungssystemen, insbesondere in elektrischen Versorgungs- Systemen von elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen sind üblicherweise Messanordnungen zur Überwachung der vorhandenen Komponenten und/oder Leitungen des Versorgungssystems angeordnet. Unter dem elektromotorisch an- getriebenen Kraftfahrzeug wird vorliegend allgemein ein Lastkraftwagen oder ein Personenkraftwagen verstanden, welcher entweder einen hybriden Antrieb (Elekt- romotor und Verbrennungsmotor), sog. Plug-In Hybride oder einen reinen elektromotorischen Antrieb (Elektromotor) aufweist.
Derartige Messanordnungen dienen beispielsweise einer Vorhersage aktueller und/oder zukünftiger Störungen der Komponenten und/oder Leitungen des Ver- sorgungssystems. Aufgrund dessen, dass die elektrischen Versorgungssysteme, insbesondere in elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen zunehmend um fangreicher und komplexer werden, sind die oben beschriebenen Messanordnun- gen ebenfalls aufwändig und somit kostenintensiv. So ist beispielsweise vorgese- hen, jede in einem Versorgungssystem vorhandene Komponente einzeln mittels einer eigenen Messanordnung zu überwachen. Derartige Lösungen wirken sich jedoch ebenfalls negativ auf eine Gesamtmasse des Versorgungssystems aus, was insbesondere im Automobil-Bereich nachteilig ist. Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messanord- nung sowie ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe ein elektrisches Versor- gungssystem einfach und hinreichend überwacht werden kann. Die auf die Messanordnung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messanordnung zur Überwachung eines elektrischen Versorgungssys- tems im Hinblick auf eine Störung. Insbesondere dient die Messanordnung einer Überwachung eines elektrischen Versorgungssystems eines Kraftfahrzeuges. Un- ter Versorgungssystem wird vorliegend beispielsweise ein Zusammenschluss aller für eine elektrische Versorgung notwendigen Komponenten, wie beispielsweise eine elektrische Quelle, Verteilerelemente und Verbraucher verstanden.
Das Versorgungssystem weist hierbei eine sich in eine Längsrichtung erstrecken- de elektrische Leitung zur Übertragung von elektrischer Leistung auf. Die Leitung weist hierzu zumindest eine Versorgungsader auf, die auch als Energieader be- zeichnet ist. Die zumindest eine Versorgungsader ist beispielsweise zur Versor- gung eines elektrischen Verbrauchers ausgebildet. Im Betrieb werden elektrische Leistungen mit einem Wert größer 0,5 kW, vorzugsweise mit einem Wert größer 2 kW, insbesondere größer 10 kW und speziell im Bereich zwischen 100 kW und 250 kW übertragen. Die übertragene Leistung weist jedoch bevorzugt einen Wert kleiner 0,3 MW oder kleiner 0,5 MW auf. Die Leitung weist beispielsweise drei Versorgungsadern auf, die zu einer Übertragung einer elektrischen Leistung über drei Phasen mit einem Wert von 1 kW oder von größer 1 kW ausgebildet sind. Die Leitung weist weiterhin ein Sensorelement auf, welches entlang der zumindest einen Versorgungsader geführt ist. Das Sensorelement weist einen elektrischen Leiter auf, der typischerweise von einer Isolierung umgeben ist. Speziell weist das Sensorelement eine Ader auf oder ist durch die Ader gebildet. Bei einer Ader handelt es sich allgemein um einen von einem Adermantel umgebenen Leiter. Der Durchmesser des Sensorelements ist vorzugsweise deutlich kleiner, beispielswei- se um den Faktor 5 oder mehr als der Durchmesser der zumindest einen Versor- gungsader. Bei der Leitung handelt es sich insbesondere um ein Kabel, d.h. sämtliche Ele- mente der Leitung (Versorgungsadern, Sensorelement, ggf. Datenleitungen und ggf. eine Schirmung) sind von einem gemeinsamen (äußeren) Kabelmantel um- geben.
Die Messanordnung umfasst eine Messeinheit, welche an dem Sensorelement angeschlossen ist und welche zur Erfassung sowie Weiterleitung eines Signals, an eine Auswerteeinheit ausgebildet ist. Die eine Ader des Sensorelements ist an die Messeinheit angeschlossen. Die Messeinheit ist weiterhin an ein Bezugspo- tential angeschlossen.
In einer Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit ein Teil der Messanordnung. Alter- nativ ist die Auswerteeinheit entfernt von der Messeinheit, z.B. in einer überge- ordneten Steuereinheit beispielsweise eines Kraftfahrzeuges oder einer War- tungszentrale angeordnet.
Das Signal ist im Betrieb der Leitung infolge eines Nebensprechens von der Ver- sorgungsader in das Sensorelement eingekoppelt.
Das Nebensprechen ist ein grundsätzlich bekannter und üblicherweise uner- wünschter Effekt, der bei der Übertragung von elektrischen Daten oder elektri- scher Leistung auftreten kann. Das Nebensprechen tritt in Folge von Wechselfel- dern bei der Übertragung auf. Es wird also vorliegend explizit eine Einkopplung eines derartigen Nebensprechsignals in das Sensorelement ausgenutzt, da sich - vereinfacht ausgedrückt - das Nebensprechen bei einer Störung ändert und somit auch das in das Sensorelement eingekoppelte Signal.
Hierdurch ist es ermöglicht, die Übertragung der elektrischen Leistung und somit auch ein Zustand der Versorgungsader anhand des eingekoppelten Signals zu erfassen und zu überwachen. Hierzu ist die Auswerteeinheit beispielsweise als ein Software Defined Radio (SDR) ausgebildet. Unter SDR wird vorliegend allgemein eine Signalverarbeitungseinheit für Hochfrequenzsignale verstanden. SDRs sind grundsätzlich bekannt.
Ändert sich also ein Zustand der Versorgungsleitung, beispielsweise aufgrund ei- nes Leitungsbruches, ändert sich auch das Nebensprechverhalten, also das Ne- bensprechsignal der Leitung. Diese Änderung führt zu einem veränderten einge- koppelten Signal in das Sensorelement, was seitens der Auswerteeinheit im Be- trieb erfasst wird und auf eine Zustandsänderung der Versorgungsleitung schlie- ßen lässt.
Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass allein durch Auswertung des eingekoppelten Nebensprechsignals eine Aussage über den Zu- stand des Versorgungssystems getroffen werden kann. Es ist daher vorzugsweise auch lediglich ein passives Überwachen des Sensorelements im Hinblick auf das eingekoppelte Nebensprechsignal vorgesehen. Ein (aktives) Einspeisen eines Mess- oder Prüfsignals erfolgt daher nicht, d.h. eine Einspeiseeinheit für ein derar- tiges Mess- oder Prüfsignal ist nicht vorhanden. Es wird also kein Signal durch einen Signalgenerator erzeugt, sondern es werden nur eingestrahlte Signale er- fasst und ausgewertet.
Da im Normalbetrieb, also auch ohne eine Störung, bereits ein Nebensprechen erfolgt und ein Nebensprechsignal in dem Sensorelement anliegt, wird mit der Messanordnung vorzugsweise das Nebensprechsignal im Hinblick auf eine cha- rakteristische Änderung überwacht.
Vorzugsweise wird im Betrieb über die Versorgungsleitung ein Wechselstrom zur Versorgung der elektrischen Komponente übertragen. Die Frequenz liegt dabei insbesondere unter 100 kHz. Bevorzugt liegt sie oberhalb einer üblichen Netzfre- quenz, beispielsweise oberhalb 100 Hz oder 500 Hz und insbesondere zumindest im kHz-Bereich.
Bevorzugt weist das Sensorelement eine vorgegebene Nennimpedanz, auch Wel- lenwiderstand genannt, auf. Die Nennimpedanz, also der Wellenwiderstand ist eine grundsätzlich bekannte elektrische Kenngröße elektrischer Leiter. Das Sen- sorelement ist vorzugsweise an einem Ende mit der Nennimpedanz abgeschlos- sen. D.h. an ein Ende des Sensorelementes ist beispielsweise ein Widerstands- element angeschlossen, welches den Wert der Nennimpedanz des Sensorele- mentes aufweist. Das Widerstandselement bildet daher einen Abschlusswider- stand aus, wobei der Nennwert des Abschlusswiderstandes dem Nennwert der Leitungsimpedanz des Sensorelements entspricht. Hierin ist der Vorteil zu sehen, dass das in das Sensorelement eingekoppelte Signal nicht an dem mit der Nenn- impedanz abgeschlossenen Ende reflektiert wird und das erfasste Signal negativ beeinflusst. Das Widerstandselement dient dabei insbesondere einzig dem Lei- tungsabschluss und weist keine sonstigen Funktionen beispielsweise zur Span- nungsmessung oder Spannungsteilung auf. Die am gegenüberliegenden Ende angeschlossene Auswerteeinheit, insbesondere deren Eingangswiderstand, ist weiterhin ebenfalls an die Leitungsimpedanz angepasst, um Reflektionen beim Eingang der Auswerteeinheit zu vermeiden.
Im Betrieb„empfängt“ das Sensorelement über seine (gesamte) Länge ein eingekoppeltes (Stör-) Signal. Dieses breitet sich im Sensorelement in beide Rich- tungen aus. Durch den Abschlusswiderstand wird die Energie derjenigen Signal- anteile verbraucht, die sich in Richtung zu dem Leitungsende mit dem Abschluss- widerstand ausbreiten.
Alternativ ist das eine Ende des Sensorelementes offen ausgestaltet, also ohne einen Abschluss durch beispielsweise ein Widerstandselement oder weiter alter- nativ kurzgeschlossen ausgestaltet. In beiden alternativen Ausgestaltungsvarian- ten ist bei der Auswertung des erfassten Signals eine Beeinflussung des erfassten Signals aufgrund der zuvor beschriebenen Reflektionen zu berücksichtigen.
An dem anderen Ende ist das Sensorelement zur Auswertung des erfassten, also in das Sensorelement eingekoppelten Signals an die Auswerteeinheit ange- schlossen. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das Sensorelement ungeschirmt ausgebildet. Insbesondere durch die ungeschirmte Ausgestaltung ist ein einfaches Einkoppeln des durch das Nebensprechen bedingten Signals in das Sensorele- ment erreicht.
Vorzugsweise ist an der Leitung zumindest eine elektrische Komponente ange- schlossen, die im Betrieb über die Leitung mit elektrischer Leistung versorgt wird. Bei der elektrischen Komponente handelt es sich also um einen elektrischen Ver- braucher oder auch um einen Speicher für elektrische Energie. Die Auswerteein- heit ist dazu eingerichtet, anhand des erfassten Signals auf eine Störung der mit der Leitung verbundenen zumindest einen elektrischen Komponente zu schließen. Dieser Ausgestaltung liegt der Gedanke zugrunde, dass - analog zu zuvor ge- nanntem - eine Störung, z.B. eine mechanische Beschädigung der elektrischen Komponente zu einer Änderung des Nebensprechens innerhalb der mit der Kom- ponente verbundenen Leitung führt. Im Normalbetrieb der Komponente, also ohne Störung, wird schon, ein aufgrund der durch die Leitung übertragenen Leistung, Signal in das Sensorelement eingekoppelt. Ein derartiges zu einem Normalsignal führendes Nebensprechen weist üblicherweise eine Frequenz mit einem Wert im Bereich von einigen Kilohertz, vorzugsweise bis zu einigen 100 Kilohertz auf. Mit dem hier beschriebenen Überwachungssystem wird daher durch eine Überprü- fung der (Versorgungs-) Leitung der Zustand eines an dieser Versorgungsleitung angeschlossenen Verbrauchers überwacht.
Insbesondere führt also eine Störung zu einem zusätzlichen höherfrequenten (f > 1 MHz) Nebensprechen, welches ein zu dem Normalsignal überlagertes Signal (auch Störsignal bezeichnet) in das Sensorelement einkoppelt. Eine derartige Än- derung des Nebensprechens, insbesondere das zusätzliche Nebensprechen ist mittels der Auswerteinheit erfassbar und lässt auf eine aufgetretene Störung der Komponente schließen. Somit kann auf eine zusätzliche (gesonderte) Überwa- chung der elektrischen Komponente verzichtet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu ausgebil- det, anhand des erfassten Signals auf eine Art der Störung innerhalb des Versor- gungssystems und insbesondere innerhalb der Komponente zu schließen. Dies erfolgt beispielsweise durch einen Vergleich des Verlaufs des erfassten Signals mit im Vorfeld hinterlegten Referenzverläufen von Signalen, die jeweils eine defi- nierte Art einer Störung charakterisieren.
Zweckdienlicherweise ist die Auswerteeinheit zur frequenzselektiven Auswertung des erfassten Signals ausgebildet. Unter frequenzselektiver Auswertung wird vor- liegend allgemein verstanden, dass eine Auswertung in Abhängigkeit beispiels- weise vorgegebener, bestimmter Frequenzen erfolgt. Hierdurch wird im Hinblick auf die Auswertung des erfassten Signals einer Unterscheidung zwischen dem eingekoppelten Normalsignal und dem Störsignal Rechnung getragen, um ein rein durch eine Störung bedingtes Signal zu erfassen und auszuwerten.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist die Auswerteeinheit zur Auswer- tung von Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz, vorzugsweise zur Auswer- tung von Frequenzen im mittleren zweistelligen MHz-Bereich, d.h. speziell im Be- reich von 50 MHz bis 70 MHz ausgebildet. D.h. die Auswerteeinheit weist bevor- zugt eine Empfangsbandbreite in dem genannten Bereich auf. Dieser Frequenz- bereich entspricht im Wesentlichen dem Frequenzbereich des durch die Störung zusätzlich zum Normalsignal in das Sensorelement eingekoppelten Störsignals.
Gemäß einer weiteren zweckdienlichen Weiterbildung ist die Auswerteeinheit le- diglich zur Auswertung von Frequenzen mit Werten in den im vorherigen Abschnitt genannten Bereichen ausgebildet. Die Messanordnung ist bevorzugt dazu einge- richtet, das elektrische Versorgungssystem lediglich auf Basis dieses Frequenzbe- reichs zu überwachen, d.h. die Auswerteeinheit wertet im Hinblick auf die Prüfung der Funktionsfähigkeit des Versorgungssystems nur diesen speziellen durch das Nebensprechen bedingten Frequenzbereich aus. Ein Vorteil hierbei ist, dass das Normalsignal, welches für eine Detektion einer Störung nicht relevant ist, "ausge- blendet“ ist und lediglich Störsignale erfasst und ausgewertet werden, die auf ei- ner Störung innerhalb der Leitung und/oder der Komponente basieren.
Hierzu weist die Auswerteinheit vorzugsweise Filterelemente, z.B. Filterelemente, die durch eine Kombination aus induktiven, resistiven und/oder kapazitiven Bau- elementen ausgebildet sind auf. Hierdurch ist eine einfache Empfangsbandbreite der Auswerteinheit erreicht.
Bevorzugt ist das Versorgungssystem in einem Kraftfahrzeug angeordnet oder mit diesem verbunden. Mit Hilfe der Messanordnung erfolgt hierbei im Betrieb eine Überwachung der zumindest einen an die Leitung angeschlossenen Komponente. Bei der Komponente handelt es sich vorliegend gemäß einer bevorzugten Ausge- staltung um eine Leistungselektronik und/oder um einen elektrischen Fahrmotor eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges. Hierdurch ist eine Überwachung hinsichtlich einer auftretenden Störung innerhalb der Leistungselektronik und/oder des elektrischen Fahrmotors durch die Messanordnung erreicht. Unter der Leis- tungselektronik wird vorliegend beispielsweise ein gesamter Versorgungsstrang von einer Batterie des Kraftfahrzeuges über einen Umrichter bis hin zum Fahrmo- tor, inklusive aller eingesetzten Schaltelemente verstanden. Somit ist eine Über- wachung aller elektrischer Komponenten und der dazwischen angeordneten Lei- tungen des elektrischen Kraftfahrzeuges realisiert. Dabei wird im Betrieb lediglich ein in das Sensorelement eingekoppeltes Signal erfasst, sodass auf komplizierte und aufwändige Überwachungseinheiten verzichtet werden kann.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist die Leitung ein Ladekabel zum Aufla- den eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges, insbesondere einer Batterie des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges ausgebildet. Somit sind mittels der Messanordnung beispielsweise nicht nur Komponenten innerhalb eines Kraftfahr- zeuges überwachbar sondern auch mit dem Kraftfahrzeug verbundene Kompo- nenten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Sensorelement als ein Adern- paar ausgebildet, welches unverseilt oder vorzugsweise verseilt ist. Bevorzugt ist das Adernpaar an einem Ende mit der Nennimpedanz nach bereits beschriebener Weise abgeschlossen. Das andere Ende des Sensorelementes ist zur Erfassung und Weiterleitung des erfassten Signals an die Messeinheit angeschlossen. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Sensorelement als eine Koaxial- leitung ausgebildet. In beiden Ausgestaltungen ist das Sensorelement beispiels- weise parallel zu den Versorgungsadern geführt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Sensorelement lediglich eine Ader auf. Das Bezugspotential für die Messeinheit wird beispielsweise durch eine Schirmung der elektrischen Leitung bereitgestellt. Bei der Schirmung handelt es sich insbesondere um einen Gesamtschirm der Leitung, d.h. die Schirmung umgibt die Versorgungsadern sowie das Sensorelement gemeinsam. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Sensorelement als eine Datenlei- tung ausgebildet, d.h. die Sensorleitung hat eine Doppelfunktion und dient sowohl zur Datenübertragung als auch zur Erfassung des Signals. Bei dieser Ausgestal- tung wird daher vorzugsweise eine bestehende, sowieso vorgesehene Datenlei- tung verwendet, die Teil der Leitung bzw. des Kabels ist. Hierbei ist weiterhin eine Dateneinheit vorgesehen, in die beispielsweise die Messeinheit integriert ist. Die Dateneinheit ist bevorzugt sowohl zu einem Senden und Empfangen von Daten über das Sensorelement als auch zu einem Empfangen und Weiterleiten eines Signals im Falle einer Störung einer zu überwachenden Komponente ausgebildet. Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Versorgungssystems im Hinblick auf eine Störung, insbesondere zur Überwachung eines elektrischen Versor- gungssystems eines Kraftfahrzeuges, wobei mit Hilfe einer elektrischen Leitung elektrische Leistung übertragen wird. Die Leitung weist hierzu zumindest eine Versorgungsader auf, über die ein elektrischer Strom, übertragen wird. Unter dem elektrischen Strom wird vorliegend insbesondere ein Wechselstrom mit einer Fre- quenz mit einem Wert kleiner 100 kHz verstanden. Beispielsweise handelt es sich bei dem Strom um ein durch eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) gebildetes Wechselstromsignal oder um ein sinusförmiges Stromsignal, wie es z.B. zur Be- stromung von Elektromotoren eingesetzt wird. Neben der Versorgungsader verläuft ein Sensorelement, in das durch ein - durch den Strom bedingtes - Nebensprechen ein Signal eingekoppelt und erfasst wird. Das Signal wird zur Auswertung an eine Auswerteeinheit übertragen. Anhand des erfassten Signals wird ermittelt, ob innerhalb des Versorgungssystems eine Stö- rung vorliegt. Unter Störung wird vorliegend allgemein eine Abweichung des Be- triebsverhaltens des Versorgungssystems von einem Normalbetrieb (Betrieb ohne Störung), beispielsweise aufgrund einer (mechanischen) Beschädigung oder ei- nes Kontaktverlustes einer Steckerverbindung verstanden.
Bevorzugt ist an der elektrischen Leitung zumindest eine elektrische Komponente angeschlossen. Im Normalbetrieb des Versorgungssystems und insbesondere der Komponente wird als Signal ein Normalsignal - oder auch als Normalsignal be- zeichnet - mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 500 kHz in das Sensor- element eingekoppelt und erfasst. Anhand des erfassten Signals wird das Versor- gungssystem und insbesondere die elektrische Komponente auf eine Störung hin überwacht.
Hierzu liegt im Falle einer Störung zweckdienlicherweise ein Störanteill des erfass- ten Signals mit einer Störfrequenz mit einem Wert im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz vor. D.h. Tritt im Versorgungssystem und insbesondere in der zumindest ei- nen Komponente eine Störung, beispielsweise eine Beschädigung auf, so wird neben dem bereits genannten Normalsignal auch ein höherfrequentes Störsignal in das Sensorelement eingekoppelt. Vorliegend werden die Begriffe Störsignal und Störanteil analog verwendet. Mit anderen Worten: Störungen innerhalb des Versorgungssystems oder der Komponente rufen ein Nebensprechen mit einer höheren Frequenz hervor als die des Nebensprechens, welches durch den durch die Leitung fließenden Stromes auftritt. Somit verändert sich auch das durch das Nebensprechen eingekoppelte Signal in das Sensorelement, wenn eine Störung vorliegt. Die Frequenz eines durch eine Störung eingekoppelten Störanteils des erfassten Signals liegt somit oberhalb der Frequenz des Normalsignals.
Das Nebensprechen verhält sich somit frequenzabhängig und nimmt beispielswei- se um einen Wert von 20dB pro Zehnerpotenz der Frequenz zu. Geeignete Mes- sungen haben ergeben, dass mit steigendem Wert der Nebensprechfrequenz auch ein höherer Spannungswert als Signal in das Sensorelement eingekoppelt wird. Zur Auswertung, ob eine Störung vorliegt, wird also beispielsweise im einfachsten Fall eine Überschreitung eines Schwellwertes erfasst. D.h. steigt das Nebenspre- chen und somit der Spannungswert des eingekoppelten Signals über einen vor- gegebene Schwellwert an, so liegt eine Störung innerhalb des Versorgungssys- tems vor. Bei dem Schwellwert handelt es sich beispielsweise um einen Maximal- wert der Spannung, die aufgrund des Nebensprechens des Leitungsstroms einge- koppelt wird, also von der Spannung des Normalsignals. Somit ist zweifelsfrei eine auftretende Störung innerhalb des Versorgungssystems oder der Komponente erfassbar. Ein derartiger Schwellwertvergleich wird beispielsweise mittels des be- reits erwähnten SDR realisiert.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass lediglich über ein in das Sensorelement eingekoppeltes Signal eine Zustandsbeurteilung des gesamten Versorgungssys- tems inklusive der zumindest einen an die Leitung angeschlossenen Komponente erfolgt. Eine Überwachung hinsichtlich einer auftretenden Störung wird somit ver- einfacht und auf die zu überwachende Leitung zentralisiert. Es kann auf aufwän- dige und kostenintensive Überwachungseinheiten verzichtet werden.
Vorzugsweise wird anhand des erfassten Signals, insbesondere anhand des Störanteils des erfassten Signals auf eine Art der Störung zurückgeschlossen.
Dies erfolgt beispielsweise durch einen Vergleich des Verlaufes, der Frequenz sowie der Amplitude des erfassten Störanteils mit Referenzverläufen, die jeweils eine Art einer Störung charakterisieren. Die Referenzverläufe werden beispiels- weise in einem internen Speicher der Messanordnung oder einem Speicherele- ment der Auswerteeinheit hinterlegt.
Insbesondere wird zweckdienlicherweise anhand des erfassten Signals, insbe- sondere anhand des Störanteils des erfassten Signals auf eine der folgenden
Fehlerklassen zurückgeschlossen:
- eine Funkenbildung innerhalb des Versorgungssystems, mit einer Zuordnung der verursachenden Komponente, - eine mangelnde Kontaktverbindung zwischen zwei Komponenten des Versor- gungssystems, z.B. eine lose Schraub-, Klemm- oder Steckverbindung, die ebenfalls ein hochfrequentes, charakteristisches und vom "Normalbetrieb- Nebensprechen! abweichendes Nebensprechen in die Leitung "einspeist", - ein Bürstenfeuer eines angeschlossenen Elektromotors, beispielsweise eines elektrischen Fahrmotors des Kraftfahrzeuges (Nebensprechen durch Funkenbil- dung),
- ein Drahtbruch innerhalb des Elektromotors (Nebensprechen durch Lichtbogen zwischen den Kontakten der Bruchstelle),
- Alterserscheinungen von Leistungsbauteilen, insbesondere von Halbleiterschalt- elementen (Das hierbei auftretende charakteristische Nebensprechen ist auf die sich mit Ablauf der Lebensdauer des Schaltelements ändernden Schaltflanken zurückzuführen) sowie
- ein Fehler in der Leitung, wie beispielsweise Lichtbögen oder Gleitentladungen. So führen Lichtbögen, die beispielsweise in Folge eines Leiterbruches auftreten, zu einem Nebensprechen. Die Lichtbögen "erzeugen" dabei ein hochfrequentes Nebensprechen, das sich in das Sensorelement einkoppelt. Zusätzlich können auch durch Alterungseffekte entstehende Gleitendladungen beispielsweise im Kabel oder anderen sich in eine Längsrichtung erstreckenden Bauteilen erfasst werden.
Das Versorgungssystems wird vorzugsweise auf zumindest eine, insbesondere auf mehrere und speziell auf alle diese Fehlerklassen hin überwacht. Anhand des diagnostizierten Störfalles kann somit eine Aussage über die weitere Lebensdauer des Betroffenen Bauteils oder generell bei Ausfall des Bauteils auf das ausgefal- lene Bauteil getroffen werden. Die im Hinblick auf die Messanordnung aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umge- kehrt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren nä- her erläutert. Diese zeigen in teilweise stark vereinfachten Darstellungen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines mittels einer Messanordnung überwachten
Versorgungssystems eines Kraftfahrzeuges,
Fig. 2a-c jeweils einen Querschnitt durch eine Leitung zur Übertragung von elekt- rischer Leistung des Versorgungssystems mit unterschiedlichen Sen- sorelementen sowie
Fig. 3 ein skizzierter Verlauf des erfassten Signals in Abhängigkeit der Fre- quenz. In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen darge- stellt.
Fig. 1 zeigt eine Messanordnung 2 zur Überwachung eines Versorgungssystems 4. Im Ausführungsbeispiel dient das Versorgungssystem 4 einer elektrischen Ver- sorgung eines zur Vereinfachung lediglich durch ein Rechteck dargestellten Kraft- fahrzeugs 6. Die Messanordnung 2 ist im Ausführungsbeispiel in das Kraftfahr- zeug 6 integriert. Das Versorgungssystem 4 weist eine sich in eine Längsrichtung L erstreckende Leitung 8 auf. Die Leitung 8 ist somit im Ausführungsbeispiel ein Teil des Versorgungssystems 4. Die Leitung 8 weist zur Übertragung von elektri- scher Leistung, im Ausführungsbeispiel zur Übertragung eines elektrischen Stro- mes I, an eine an die Leitung angeschlossene Komponente 11 zumindest eine, im Ausführungsbeispiel drei Versorgungsadern 10 auf (vgl. Fig. 2). Die Komponente
11 ist im Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Leistungselektronik oder ein elektrischer Fahrmotor des Kraftfahrzeuges 6. Weiterhin weist die Leitung 8 ein Sensorelement 12 (vgl. z.B. Fig. 2a) auf, welches sich ebenfalls in Längsrichtung L erstreckt. Es ist insbesondere parallel zu den Versorgungsadern 10 in der Lei- tung 8 geführt ist.
Die Messanordnung 2 weist zudem eine Messeinheit 14 auf. Das Sensorelement
12 ist an einem ersten Ende 16 an die Messeinheit 14 angeschlossen. An dem zweiten Ende 18 ist das Sensorelement 12 in hier nicht näher dargestellter Weise mit einem ebenfalls nicht dargestellten Widerstandselement elektrische abge- schlossen, welches den gleichen Impedanzwert aufweist wie die Nennimpedanz des Sensorelementes 12. Unter Nennimpedanz wird vorliegend der Wellenwider- stand des Sensorelementes 12 verstanden. Die Messeinheit 14 ist zur Erfassung sowie Weiterleitung eines Signals S an eine Auswerteeinheit 20 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit 20 Teil der Messeinheit 14. Alternativ ist die Auswerteeinheit 14 in eine übergeordnete Steuereinheit integriert.
Das Signal S ist im Betrieb des Versorgungssystems 4 in Folge eines Nebenspre- chens N von den Versorgungsadern 10 in das Sensorelement 12 eingekoppelt. Im Falle einer Störung, d.h. beispielsweise einer mechanischen Beschädigung der Komponente 11 oder des Versorgungssystems 4, ändert sich das Nebensprechen N, da aufgrund der Störung hochfrequente Nebensprechsignale mit einer Fre- quenz im Bereich zwischen 1 MHz und1 GHz (vgl. Fig. 3) in die Leitung 8, insbe- sondere in die Versorgungsadern 10 eingespeist werden. Aufgrund dieser (zusätz- liehen) hochfrequenten Nebensprechsignale ändert sich auch das in das Sensor- element 12 eingekoppelte Signal S, was von der Messeinheit detektiert wird. So- mit kann aufgrund einer Änderung des erfassten eingekoppelten Signals S eine Störung der Leitung 8, der Komponente 11 oder sogar des gesamten Versor- gungssystems 4 erkannt und anhand des Verlaufes des Signals S sogar lokalisiert werden. Beispielsweise wird mit Hilfe eines Vergleichen des Verlaufes des erfass- ten Signals S mit hinterlegten Referenzverläufen auf eine Fehlerklasse zurückge- schlossen, sodass erkannt wird, welche Komponente 11 (sofern mehrere Kompo- nenten 11 in dem Versorgungssystem angeordnet sind) eine Störung aufweist.
In Fig. 2a-c ist jeweils in vereinfachter und teilweise unvollständiger Darstellung ein Querschnitt der Leitung 8 mit unterschiedlichen Varianten für das Sensorele- ment 12 gezeigt. Die sich in die Längsrichtung L erstreckende Leitung 8 weist wie bereits erwähnt im Ausführungsbeispiel beispielsweise drei Versorgungsadern 10 auf. Zudem weist die Leitung 8 das Sensorelement 12 auf. In den drei gezeigten Darstellungen sind jeweils Varianten des Sensorelements zu sehen. Grundsätzlich können weitere Leitungselemente in der Leitung 8 enthalten sein. Die Leitung 8 ist insbesondere als Kabel mit einem äußeren Kabelmantel 22 ausgebildet. Weiterhin weist die Leitung in bevorzugter Variante einen Gesamtschirm 15 auf, wie er bei- spielhaft in Fig. 2c dargestellt ist.
In Fig. 2a ist das Sensorelement 12 als ein ungeschirmtes und vorzugsweise ver- seiltes Adernpaar ausgebildet, sodass eine optimale Einkopplung des Nebenspre- chens N von den Versorgungsadern 10 garantiert ist. Die beiden Adern des Adernpaares sind im Ausführungsbeispiel zur Erfassung des eingekoppelten Sig- nals S an die Messeinheit 14 angeschlossen. In Fig. 2b ist das Sensorelement 12 als eine Koaxialleitung mit einem Innenleiter und einem Außenleiter ausgebildet. Zur Erfassung des eingekoppelten Signals S sind der Innenleiter und der Außenleiter an die Messeinheit 14 angeschlossen.
In der dritten alternativen Ausgestaltung gemäß Fig. 2c ist das Sensorelement 12 als eine Ader ausgebildet. Weiterhin weist die Leitung 8 gemäß dieser alternativen Ausgestaltung den Gesamtschirm 15 auf, der zusammen mit der einen Ader an die Messeinheit 14 angeschlossen ist. Der Schirm 15 umgibt im Ausführungsbei- spiel gemäß Fig. 2c sowohl die Versorgungsadern 10 als auch das als eine Ader ausgebildete Sensorelement 12.
Fig. 3 zeigt einen skizzierten Verlauf des erfassten Signals S in Abhängigkeit der Frequenz f. Das erfasste Signal S teilt sich in ein Normalsignal SN sowie in einen Störanteil Sstör (hier schematisch jeweils durch die beiden eingekreisten Peaks dargestellt) auf. Bei dem Normalsignal SN handelt es sich um einen in das Sen- sorelement 12 eingekoppelter Signalteil, der aufgrund des Normalbetriebes der Leitung auftritt. Mit anderen Worten: Im Betrieb des Versorgungssystems fließt ein elektrischer Strom I, vorzugsweise ein Wechselstrom durch die Versorgungsadern 10, um die Komponente 11 zu versorgen. Dieser Strom I verursacht ein Neben- sprechen N, das in das Sensorelement 12 eingekoppelt wird. Diese eingekoppelte Nebensprechen N ist das Normalsignal SN. ES steht nicht im Zusammenhang mit einem durch eine Störung verursachten Nebensprechen N und ist somit kein Indiz für eine vorliegende Störung. Das Normalsignal SN weist eine Frequenz im Be- reich von einigen Kilohertz, beispielsweise im Bereich von 50kHz bis 100KHz auf. In Abhängigkeit der Ausgestaltung der durch das Sensorelement 12 zu überwa- chenden Einheiten, kann das Normalsignal SN auch Werte im MHz-Bereich auf- weisen. Allgemein gilt vorliegend speziell, dass die Werte der Frequenz des Nor- malsignals SN kleiner sind als die Werte der Frequenz des Störsignals Sstör·
Der Störanteil Sstör des erfassten Signals S hingegen, tritt lediglich im Falle einer Störung auf. Da bei einem Defekt oder einer Beschädigung des Versorgungssys- tems 4, der Komponente 11 oder der Leitung 8 ein Nebensprechen N mit einer höheren Frequenz als der des Normalsignals SN eingekoppelt wird, ist die Fre- quenz des Störanteils Sstör ebenfalls deutlich höher und somit von dem Normal- signal SN differenzierbar. In Fig. 3 ist dies anhand des Nebensprechwertes (vorlie- gend der jeweiligen Verstärkung des Nebensprechens N in dB) in Abhängigkeit der Frequenz f verdeutlicht. Bei den beiden eingekreisten Peaks, die ein Aufgrund einer auftretenden Störung auftretendes Nebensprechen N charakterisieren, ist eine deutliche Abgrenzbarkeit zu dem Normalsignal SN erkennbar. Zur Auswertung des Signals S auf ein Störanteil Sstor erfolgt beispielsweise mittels der Auswerteeinheit 20 ein Schwellwertvergleich, der bei einem Überschreiten eines Schwellwertes durch den erfassten Wert des Nebensprechens N in dem Sensorelement 12 eine Störung ermittelt. Ein Vergleich des Verlaufes mit den be- reits erwähnten Referenzverläufen dient anschließend einer Identifizierung der Störung.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel be- schränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fach- mann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlas- sen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbei- spiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombi- nierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Messanordnung zur Überwachung eines elektrischen Versorgungssystems im Hinblick auf eine Störung, insbesondere zur Überwachung eines elektri- schen Versorgungssystems eines Kraftfahrzeugs, mit:
- einer sich in eine Längsrichtung erstreckenden elektrischen Leitung zur Übertragung von elektrischer Leistung, wobei die Leitung zur Übertragung der elektrischen Leistung zumindest eine Versorgungsader aufweist und wobei die Leitung weiterhin ein Sensorelement mit zumindest einer Ader aufweist, welches entlang der zumindest einen Versorgungsader geführt ist,
- einer Messeinheit, welche an dem Sensorelement angeschlossen ist und welche zur Erfassung sowie Weiterleitung eines Signals, welches infolge eines Nebensprechens von der Versorgungsader in das Sensorelement eingekoppelt ist, an eine Auswerteeinheit ausgebildet ist.
2. Messanordnung nach Anspruch 1 ,
die lediglich zum passiven Erfassen des in das Sensorelement eingekop- pelten Signals ausgebildet ist, ohne dass ein Mess-oder Prüfsignal in das Sensorelement eingespeist wird.
3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Sensorelement eine Nennimpedanz aufweist und an einem En- de mit der Nennimpedanz abgeschlossen ist und wobei das Sensorelement an dem anderen Ende an die Auswerteeinheit angeschlossen ist.
4. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Sensorelement ungeschirmt ist.
5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei an der Leitung zumindest eine elektrische Komponente angeschlos- sen ist und die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, anhand des erfassten Signals auf eine Störung der mit der Leitung verbundenen elektrischen Komponente zu schließen.
6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, anhand des erfassten Sig- nals auf eine Art der Störung innerhalb des Versorgungssystems zu schlie- ßen.
7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Auswerteeinheit zur frequenzselektiven Auswertung des erfass- ten Signals ausgebildet ist.
8. Messanordnung nach Anspruch 7,
die zur Auswertung von Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz aus- gebildet ist.
9. Messanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
die dazu ausgebildet ist, lediglich auf Basis von Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz das elektrische Versorgungssystem zu überwachen.
10. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei das Versorgungssystem in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist oder mit diesem verbunden ist und mit Hilfe der Messanordnung im Betrieb zu- mindest eine an der Leitung angeschlossene Komponente überwacht wird.
11. Messanordnung nach Anspruch 4 oder 10,
wobei die zumindest eine angeschlossene Komponente eine Leistungs- elektronik oder ein elektrischer Fahrmotor eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges ist.
12. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Leitung ein Ladekabel zum Aufladen eines elektrisch angetriebe- nen Kraftfahrzeuges ist.
13. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
wobei das Sensorelement als ein vorzugsweise verseiltes Adernpaar oder als eine Koaxialleitung ausgebildet ist.
14. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
wobei das Sensorelement als eine Datenleitung ausgebildet ist.
15. Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Versorgungssystems im Hinblick auf eine Störung, insbesondere zur Überwachung eines elektri- schen Versorgungssystems eines Kraftfahrzeugs, wobei mit Hilfe einer elektrischen Leitung elektrische Leistung übertragen wird und die Leitung hierzu zumindest eine Versorgungsader aufweist, über die ein elektrischer Strom übertragen wird, wobei neben der zumindest einen Versorgungsader ein Sensorelement verläuft, in das durch Nebensprechen ein Signal einge- koppelt und erfasst wird, das zur Auswertung an eine Auswerteeinheit über- tragen wird, wobei anhand des erfassten Signals ermittelt wird, ob inner- halb des Versorgungssystems eine Störung vorliegt.
16. Verfahren nach Anspruch 15
bei dem das Sensorelement passiv überwacht wird, ohne dass ein Mess- oder Prüfsignal eingespeist wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16
bei dem das eingekoppelte Nebensprechsignal im Hinblick auf eine charak- teristische Änderung überwacht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17 bei dem über die elektrische Leitung des elektrischen Versorgungssystems ein Wechselstrom insbesondere mit einer Frequenz kleiner 100kHz über- tragen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüchel 5 bis 18,
bei dem an der Leitung zumindest eine elektrische Komponente ange- schlossen ist und im Normalbetrieb der Komponente als Signal ein Normal- signal mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 500 kHz eingekoppelt und erfasst wird und wobei die zumindest eine elektrische Komponente an- hand des erfassten Signals auf eine Störung hin überwacht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19,
bei dem im Falle einer Störung ein Störanteil des erfassten Signals mit ei- ner Störfrequenz mit einem Wert im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz vorliegt und der Störanteil des Signals identifiziert wird und aus deren Basis eine
Störung erkannt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
bei dem anhand des erfassten Signals, insbesondere anhand des Störan- teils des erfassten Signals auf eine Art der Störung zurückgeschlossen wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21 ,
bei dem anhand des erfassten Signals, insbesondere anhand des erfass- ten Störanteils des Signals auf eine der folgenden Fehlerklassen zurückge- schlossen wird:
- eine Funkenbildung innerhalb des Versorgungssystems,
- mangelhafte Kontaktverbindung zwischen zwei Komponenten des Ver- sorgungssystems,
- Bürstenfeuer eines angeschlossenen Elektromotors,
- Drahtbruch innerhalb eines Elektromotors, - Alterungserscheinung von Leistungsbauteilen, insbesondere von Halblei- terschaltelementen sowie
- Fehler in der Leitung.
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DE102012019996A1 (de) * 2012-10-12 2014-04-17 Leoni Bordnetz-Systeme Gmbh Leitungsnetz, insbesondere Gleichspannungs-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Überwachung eines Leitungsnetzes auf das Entstehen eines Lichtbogens

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