WO2024068258A1 - Dioden-halbbrücken zur abführung von hv-potential einer lv-leitung an überspannungsbegrenzung - Google Patents

Dioden-halbbrücken zur abführung von hv-potential einer lv-leitung an überspannungsbegrenzung Download PDF

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Franz Pfeilschifter
Doru CIUPA
Aliaksandr MALASNOU
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0069—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to the isolation, e.g. ground fault or leak current

Definitions

  • Diode half bridges for dissipating the HV potential of an LV line to limit overvoltage
  • Electric vehicles are operated with high voltages that are dangerous for humans. Electric vehicles also contain control or sensor signals or low-voltage supply signals that, in contrast to high-voltage potentials, are not particularly protected.
  • a safety circuit is proposed in which low-voltage potentials that extend from a high-voltage range are particularly protected. Since low-voltage signals also play a role in a high-voltage area with high potentials, for example for control or for sensors or generally for communication, it was recognized that such low-voltage potentials acquire a high-voltage potential in the event of a fault within the high-voltage area. Since the low-voltage potentials or low-voltage lines in particular are not particularly protected, this represents a relevant danger.
  • At least one low-voltage potential via at least one diode half-bridge to an overvoltage element, which leads to a protective conductor connection or protective conductor potential.
  • This allows corresponding protection to be implemented with a small number of overvoltage elements, for example just one.
  • a first low-voltage potential can be connected via a first diode half-bridge to the same overvoltage element to which a second low-voltage potential is also connected via a second diode half-bridge.
  • the at least one low-voltage potential can in particular be a CAN bus signal or another communication signal, or also a sensor, monitoring or control signal.
  • the overvoltage element is an element whose conductance increases sharply above a threshold voltage.
  • the overvoltage element can be implemented as a varistor, gas discharge tube, spark gap, protective diode, TVS diode, thyristor circuit, DIAC, Zener diode or four-layer diode.
  • a safety circuit is intended for one or more low-voltage potentials that lead out of a high-voltage range.
  • the safety circuit has at least one low-voltage potential connection.
  • the fuse circuit also has one or more diode half bridges. The inner connection point of the at least one diode half bridge is connected to the at least one low-voltage potential connection.
  • the fuse circuit has an overvoltage element. This is connected in parallel to the diode bridge. This results in a parallel connection of the overvoltage element and the at least one diode bridge. If there are several diode bridges, they are connected to each other in parallel; the overvoltage element is connected in parallel. This results in a parallel connection of the overvoltage element and the several diode bridges.
  • the overvoltage element connects the first and second outer ends of the at least one diode half bridge to one another.
  • the first outer end of the diode half-bridge (in particular the negative end of the half-bridge or the positive end) is connected to the reference potential via a resistor.
  • the diodes of the at least diode half bridge are connected to one another in the same forward direction.
  • the forward direction of the diodes points in particular away from the first end.
  • the forward direction of the diodes points in particular towards the second end.
  • the safety circuit can have several diode half-bridges. These are connected in parallel via their first and second outer ends.
  • the overvoltage element is connected in parallel to the parallel connection of the diode half-bridges.
  • the resistor connects the interconnected first ends of the diode half bridges together with the reference potential (GND).
  • the fuse circuit is equipped with a first low-voltage potential connection and a second low-voltage potential connection (and optionally with at least one further low-voltage potential connection).
  • the number of diode half-bridges corresponds in particular to the number of low-voltage potential connections, so that each diode half-bridge is individually connected to one of the low-voltage potential connections.
  • the fuse circuit can be equipped with a first diode half-bridge and a second diode half-bridge, the outer ends of the diode half-bridges being connected to one another.
  • the inner connection point of the first diode half bridge is preferably connected to the first low-voltage potential connection.
  • the inner connection point of the second diode half bridge is preferably connected to the second low-voltage potential connection.
  • Embodiments of a safety circuit for (one or) several low-voltage potentials that lead out of a high-voltage range are proposed.
  • the high-voltage area is in particular a closed or all-round high-voltage area or a closed space from which the low-voltage potentials lead out, for example as a low-voltage cable, for example a communication bus.
  • One or at least two low-voltage potential connections are provided.
  • One or more diode half bridges are provided. The inner connection points of this bridge(s) is (are) connected to a low-voltage potential connection or to different low-voltage potential connections of the at least one low-voltage potential connection.
  • Each diode half bridge has a series connection of two diodes.
  • the fuse circuit has an overvoltage element.
  • the overvoltage element connects several outer ends of the diode half-bridges, in particular an outer end of a first diode half-bridge and an outer end of a second diode half-bridge, with a protective conductor connection of the fuse circuit.
  • the other outer end of the first diode half-bridge and the other outer end of the second diode half-bridge are connected to each other. These other outer ends are connected to the other end of the surge element. These other ends are connected directly or indirectly (via the resistor) to the protective conductor connection of the fuse circuit.
  • the different outer ends of the diode half bridge are connected to different ends of the surge element.
  • the outer ends of the diode half-bridges are connected to the protective conductor connection via a resistor.
  • the resistor is a current-limiting resistor.
  • the safety circuit can have a first low-voltage potential connection and a second low-voltage potential connection. These in particular form the several low-voltage potential connections or are part of them.
  • the circuit has a first diode half-bridge and a second diode half-bridge. The outer ends of the diode half bridges are connected to each other. The inner connection point of the first diode half bridge is connected to the first low-voltage potential connection. The inner connection point of the second diode half bridge is connected to the second low-voltage potential connection.
  • the overvoltage element connects the outer ends of the diode half-bridges to each other, in particular directly or via a possibly additional current limiting resistor.
  • An outer end of the diode half-bridges is connected to a reference potential (alternative term: protective conductor connection) via a resistor in the circuit.
  • the resistors or current-limiting resistors mentioned here are each designed as a single resistance component or as a series connection of several resistance components.
  • the outer ends of the several diode half-bridges can be connected to at least one low-voltage supply potential connection via at least one further overvoltage element.
  • the at least A low-voltage supply potential connection can comprise a low-voltage positive line (switched or unswitched) of a low-voltage vehicle electrical system.
  • the at least one low-voltage supply potential connection can comprise a low-voltage negative line (switched or unswitched) of a low-voltage vehicle electrical system.
  • the low-voltage vehicle electrical system can be a 12 V, 13 V, 14 V or 24 or 42 or 48 V network.
  • the high-voltage range includes at least one circuit with a nominal voltage of more than 60 V, at least 200 V, at least 400 V or at least 800 V.
  • the safety circuit is equipped with at least two diode half-bridges. These are preferably connected to one another as a Graetz circuit (another name: bridge rectifier, such as B2 or B2U).
  • the two AC voltage connections of the Graetz circuit are connected in particular to two of the low-voltage potentials.
  • the two DC voltage connections of the Graetz circuit are preferably connected to one another via the overvoltage element.
  • the Graetz circuit has two DC voltage connections and two AC voltage connections.
  • the negative connection of the DC voltage connections of the Graetz circuit is preferably connected to the protective conductor connection directly or via a resistor.
  • the positive connection of the DC voltage connections of the Graetz circuit is preferably connected to the overvoltage element.
  • the positive connection of the DC voltage connections of the Graetz circuit is preferably connected to the end of the overvoltage element that is opposite to the end of the overvoltage element, which is connected directly or via a resistor to the protective conductor connection.
  • the safety circuit is set up to dissipate a current to the protective conductor connection via the overvoltage element when each of the two high-voltage potentials is introduced into at least one of the low-voltage potentials.
  • Both an incorrect feed of a first high-voltage potential into a first of the low-voltage potentials and into a second of the low-voltage potentials as well as an incorrect feed of a second high-voltage potential into a first of the low-voltage potentials and an incorrect feed of a second high-voltage potential into a second of the low-voltage potentials leads to the derivation of a current the overvoltage element.
  • a vehicle electrical system can be equipped with a high-voltage area and a fuse circuit as described herein.
  • the low-voltage potentials of the safety circuit are taken out of the high-voltage range (HV).
  • the vehicle electrical system has protective conductor potential. This is connected to the protective conductor connection.
  • Two high-voltage potentials of the vehicle electrical system are galvanically separated from the low-voltage potentials, for example using optocouplers or isolating transformers or similar.
  • the safety circuit is set up to dissipate a current to the protective conductor connection via the overvoltage element when each of the two high-voltage potentials is introduced into at least one of the low-voltage potentials. This corresponds in particular to the advantages mentioned above and also forms a functional feature that is realized in particular by the diode half-bridge and its connection to the overvoltage element.
  • the low-voltage potentials are preferably low-voltage signal potentials, such as a two-wire data transmission connection (with symmetrical or asymmetrical signal routing).
  • the low-voltage signal potentials are designed to transmit information, in particular control signals, monitoring signals, sensor signals and the like.
  • the low-voltage potentials can be low-voltage supply potentials (such as +12 V or +5 V and ground).
  • FIG. 1 serves to explain the embodiments described herein.
  • Figure 1 shows a high-voltage range HV with a positive and a negative high-voltage potential HV+, HV-.
  • Capacitors C1, C2 are provided between these, which in particular represent Cy capacitances.
  • the capacitors C1, C2 are connected to one another via a connection point VP, which in turn is connected to the protective conductor potential GND.
  • the protective conductor potential GND can correspond to a vehicle ground or chassis potential.
  • a low-voltage component NV or a low-voltage section is provided, such as a control, monitoring or sensor component.
  • Two conductors extend from this, such as the low-voltage conductors of a (two-wire) cable, which carry low-voltage potentials NV1, NV2.
  • the low-voltage conductors and thus their potentials are led out of the closed high-voltage area HV, especially for communication between the component NV and a component that is outside the high-voltage range HV.
  • At least one of the low-voltage conductors can carry a high-voltage potential or at least a potential whose voltage is compared to. GND is greater than the relevant voltage in normal operation of the low-voltage conductors or potentials.
  • the low-voltage potentials NV1, NV2 are led out of the high-voltage HV area, for example through a housing that completely encloses the high-voltage HV area (possibly with a closable opening for maintenance in the high-voltage HV area).
  • Component NV can in particular be a transmission component that is designed according to the CAN communication protocol.
  • the first diode half-bridge B1 has a connection point between the two diodes, which is connected to a first low-voltage connection 1.
  • the second diode half-bridge B1 has a connection point between the two diodes, which is connected to a second low-voltage connection 2.
  • the first low-voltage connection 1 is connected to the low-voltage potential NV1 or its conductor.
  • the second low-voltage connection 2 is connected to the low-voltage potential NV2 or its conductor.
  • the respective outer ends of the diode half-bridges B1, B2 are connected together so that the diode half-bridges B1, B2 form a Graetz bridge.
  • Connections 1 and 2 are connected to the AC side of the Graetz bridge.
  • the upper, outer ends of the diode half-bridges B1, B2 correspond to a positive connection of the DC side of the Graetz bridge.
  • the lower, outer ends of the diode half-bridges B1, B2 correspond to a negative connection of the DC side of the Graetz bridge.
  • Embodiments with only one diode half-bridge B1 can be explained using Fig. 1 by deleting the bridge B2.
  • the second low-voltage connection 2 is to be deleted from Fig. 1.
  • Fig. 1 which shows several diode half-bridges B1, B2, the upper, outer ends of the diode half-bridges B1, B2 are connected to a first end of a voltage limiting element (overvoltage element) V1.
  • the lower, outer ends of the diode half-bridges B1, B2 are connected to a second end of the overvoltage element V1.
  • the lower, outer ends of the diode half-bridges B1, B2 are connected to the potential GND (low-voltage ground or chassis) via a resistor R. Via this resistor R, HV potentials HV+, HV- incorrectly introduced into the potentials NV1, 2 are diverted to the potential GND, regardless of the polarity of the introduced HV potential. Therefore, only one overvoltage element V1 is needed.
  • a further, optional derivative AB leads the potential of the lower, outer ends of the diode half-bridges B1, B2 (minus connection of the Graetz bridge) via further, optional overvoltage elements V2 - V4 to respective further low-voltage potentials CL30, SD or X.
  • CL30 is approximately a plus potential of a low-voltage electrical system section. This includes in particular the low-voltage component NV and also the lines/potentials NV1, NV2.
  • the threshold voltage of the overvoltage element V1 (or V2 - V4) is above a maximum voltage that can occur during operation between the potentials NV1, 2 and is determined by the transmission protocol (physical layer) of the component NV.
  • the threshold voltage of the overvoltage element V1 (or V2 - V4) is in particular below the nominal voltage between HV+ and HV- and preferably below a danger threshold, in particular 60 V.
  • the threshold voltage of the overvoltage element V1 (or V2 - V4) can be between 10 V and 50 V, in particular between 35 V and 45 V.
  • a device can be provided which can detect a current flow through the resistor R or through the element V1.
  • An evaluation device can be provided which compares the current flow with a limit value (approximately 1 mA or 10 pA) and, if the limit value is exceeded, emits an error signal and/or causes the HV network to be disconnected, for example by activating a circuit breaker in the HV range or in a line that carries at least one of the potentials HV+, HV- and, if necessary, separates the HV area with other components or connections of the vehicle electrical system shown when activated (preferably all-pole).
  • a discharge of the capacitor C1 would lead via the potential NV1 via the upper, left diode, along the overvoltage element from top to bottom to the resistor R, in order to be derived to the potential GND.
  • a discharge of the capacitor C2 via potential/line NV2 would lead to a (negative) current that leads via HV- to potential NV2, and then is discharged via the lower right diode to resistor R, which feeds the current into the potential GND.
  • the discharge would be current-limited by resistor R, even if the overvoltage element V1 is not activated.
  • the discharge of C1 via would lead via the overvoltage element V1 (as well as via the current-limiting resistor R) and thus activate it. This also allows an incorrect discharge of the capacitors C1, C2 to be current-limited and in particular to be discharged to potential GND.
  • a communication connection can be provided at the ends shown on the right (opposite to NV) of the lines NV1, NV2 or their potentials, such as a two-wire communication connection.

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Abstract

Eine Sicherungsschaltung (SI) ist für ein oder mehrere Niedervoltpotentiale (NV1), NV2) vorgesehen, die aus einem Hochvoltbereich (HV) herausleiten. Es sind mindestens zwei Niedervoltpotential-Anschlüsse (1, 2) und mehrere Diodenhalbbrücken (B1, B2) vorgesehen. Die innerer Verbindungspunkte der Diodenhalbbrücken (B1, B2) sind mit unterschiedlichen Niedervoltpotential-Anschlüssen (1, 2) der mindestens zwei Niedervoltpotential-Anschlüssen (1, 2) verbunden. Die Sicherungsschaltung (SI) hat ein Überspannungselement (V1), welches mehrere äußere Enden der Diodenhalbbrücken (B1, B2) mit einem Schutzleiteranschluss (GND) der Sicherungsschaltung (SI) verbindet. Ferner ist ein Fahrzeugbordnetz vorgesehen, das die Sicherungsschaltung (SI) umfasst.

Description

Beschreibung
Dioden-Halbbrücken zur Abführung von HV-Potential einer LV-Leitung an Überspannungsbegrenzung
Elektrofahrzeuge werden mit hohen Spannungen betrieben Komma die gefährlich für den Menschen sind Punkt ferner bestehen in Elektrofahrzeugen Steuer -oder Sensorsignale oder auch Niedervolt-Versorgungssignale, die im Gegensatz zu den Hochvoltpotentialen nicht besonders geschützt sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich ein verbesserter Schutz vor gefährlichen Berührungsspannungen ergibt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, wobei weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile aus den abhängigen Ansprüchen Komma der Beschreibung und der Figur ersichtlich sind. Es wird eine Sicherungsschaltung vorgeschlagen, bei der Niedervoltpotentiale, die sich aus einem Hochvoltbereich heraus erstrecken, besonders geschützt sind. Da auch in einem Hochvoltbereich mit Hochpotentialen Niedervoltsignale eine Rolle spielen, etwa zur Steuerung oder für Sensoren oder allgemein zu Kommunikation, wurde erkannt, dass derartige Niedervoltpotentiale im Fehlerfall innerhalb des Hochvoltbereichs ein Hochvoltpotential erhalten. Da gerade die Niedervoltpotentiale beziehungsweise Niedervoltleitungen nicht besonders geschützt sind, stellt dies eine relevante Gefahr dar.
Es wird vorgeschlagen, mindestens ein Niedervoltpotential über mindestens eine Diodenhalbbrücke mit einem Überspannungselement zu verbinden, das zu einem Schutzleiteranschluss bzw. Schutzleiterpotential führt. Das erlaubt die Realisierung eines entsprechenden Schutzes mit einer geringen Anzahl von Überspannungselementen, etwa nur einem. Insbesondere kann für ein ersten Niedervoltpotential über eine erste Diodenhalbbrücke mit dem gleichen Überspannungselement verbunden sein, mit dem auch ein zweites Niedervoltpotential über eine zweite Diodenhalbbrücke verbunden ist. Das mindestens eine Niedervoltpotential kann insbesondere ein CAN-Bus-Signal oder ein anderes Kommunikationssignal sein, oder auch ein Sensor-, Überwachungsoder Ansteuersignal. Bei Ausführungsformen mit zwei Diodenhalbbrücke bilden diese eine Graetz-Brücke deren beiden Gleichspannungsanschlüsse an die beiden Enden des gleichen Überspannungselements angeschlossen ist. Bestehen Kapazitäten zwischen den beiden HV-Potentialen und dem Schutzleiteranschluss bzw. Schutzleiterpotential, dann kann über die Graetz-Brücke bei der Entladung der ersten und der zweiten Kapazität der betreffende Strom über das Überspannungselement abgeleitet werden an den Schutzleiteranschluss bzw. an das Schutzleiterpotential.
Das Überspannungselement ist ein Element, dessen Leitwert ab einer Schwellenspannung stark ansteigt. Das Überspannungselement kann als Varistor, Gasableiter, Funkenstrecke, Schutzdiode, TVS-Diode, Thyristorschaltung, DIAC, Zenerdiode oder Vierschichtdiode realisiert sein.
Eine Sicherungsschaltung ist für ein oder mehrere Niedervoltpotentiale vorgesehen, die aus einem Hochvoltbereich herausführen. Die Sicherungsschaltung hat mindestens einen Niedervoltpotential-Anschluss. Die Sicherungsschaltung hat ferner eine oder mehrere Diodenhalbbrücken. Der innerer Verbindungspunkt der mindestens einen Diodenhalbbrücke ist mit dem mindestens einen Niedervoltpotential-Anschluss verbunden. Die Sicherungsschaltung weist ein Überspannungselement auf. Dieses ist parallel an die Diodenbrücke angeschlossen. Es ergibt sich eine Parallelschaltung des Überspannungselements und der mindestens einen Diodenbrücke. Bei mehreren Diodenbrücken sind diese parallel miteinander verbunden; das Überspannungselement ist hierzu parallel angeschlossen. Es ergibt sich eine Parallelschaltung des Überspannungselements und der mehreren Diodenbrücken. Das Überspannungselement verbindet das erste und das zweite äußere Ende der mindestens einen Diodenhalbbrücke miteinander. Das erste äußere Ende der Diodenhalbbrücke (insbesondere das negative Ende der Halbbrücke oder auch das positive Ende) ist über einen Widerstand mit dem Bezugspotential verbunden. Die Dioden der mindestens Diodenhalbbrücke sind in der gleichen Durchlassrichtung miteinander verbunden. Die Durchlassrichtung der Dioden weist insbesondere von dem ersten Ende weg. Die Durchlassrichtung der Dioden weist insbesondere zu dem zweiten Ende hin.
Die Sicherungsschaltung kann mehrere Diodenhalbbrücken aufweisen. Diese sind über ihre ersten und zweiten äußeren Enden parallel miteinander verbunden. Das Überspannungselement ist parallel an die Parallelschaltung der Diodenhalbbrücken angeschlossen.
Insbesondere bei einer Sicherungsschaltung, die mehrere Diodenhalbbrücken aufweist, kann vorgesehen sein, dass der Widerstand die miteinander verbundenen ersten Enden der Diodenhalbbrücken gemeinsam mit dem Bezugspotential (GND) verbindet.
Insbesondere bei einer Sicherungsschaltung, die mehrere Diodenhalbbrücken aufweist, kann vorgesehen sein, dass die Sicherungsschaltung mit einem ersten Niedervoltpotential-Anschluss und einem zweiten Niedervoltpotential-Anschluss (und gegebenenfalls mit mindestens einem weiteren Niedervoltpotential-Anschluss) ausgestattet ist. Die Anzahl der Diodenhalbbrücken entspricht insbesondere der Anzahl der Niedervoltpotential-Anschlüsse, so dass jede Diodenhalbbrücke individuell mit einem der Niedervoltpotential-Anschlüsse verbunden ist. Die Sicherungsschaltung kann mit einer ersten Diodenhalbbrücke und einer zweiten Diodenhalbbrücke ausgestattet sein, wobei die äußeren Enden der Diodenhalbbrücken miteinander verbunden sind. Der innere Verbindungspunkt der ersten Diodenhalbbrücke ist vorzugsweise mit dem ersten Niedervoltpotential-Anschluss verbunden. Der innere Verbindungspunkt der zweiten Diodenhalbbrücke ist vorzugsweise mit dem zweiten Niedervoltpotential-Anschluss verbunden.
Es werden Ausführungsformen einer Sicherungsschaltung für (ein oder) mehrere Niedervoltpotentiale vorgeschlagen, die aus einem Hochvoltbereich herausleiten. Der Hochvoltbereich ist insbesondere ein geschlossener bzw. allseitig begrenzter Hochvoltbereich bzw. ein geschlossener Raum, aus dem die Niedervoltpotentiale herausführen, etwa als ein Niedervoltkabel, etwa ein Kommunikationsbus. Es sind ein oder mindestens zwei Niedervoltpotential-Anschlüsse vorgesehen. Es sind ein oder mehrere Diodenhalbbrücken vorgesehen. Die innerer Verbindungspunkte dieser Brücke(n) ist (sind) mit einem Niedervoltpotential-Anschluss oder mit unterschiedlichen Niedervoltpotential-Anschlüssen des mindestens einen Niedervoltpotential-Anschlüssen verbunden. Jede Diodenhalbbrücke hat eine Reihenschaltung aus zwei Dioden. Der Punkt, an dem die Dioden miteinander in der Reihenschaltung verbunden sind, wird als innerer Verbindungspunkt dieser Diodenhalbbrücke bezeichnet. Die äußeren Enden der Diodenhalbbrücke sind die beiden Enden der beiden Dioden der Reihenschaltung, die nicht miteinander verbunden sind. Die Sicherungsschaltung weist ein Überspannungselement auf. Das Überspannungselement verbindet mehrere äußere Enden der Diodenhalbbrücken, insbesondere ein äußeres Ende einer ersten Diodenhalbbrücke sowie ein äußeres Ende einer zweiten Diodenhalbbrücke mit einem Schutzleiteranschluss der Sicherungsschaltung. Mit anderen Worten sind das eine äußere Ende der ersten Diodenhalbbrücke und das eine äußere Ende der zweiten Diodenhalbbrücke miteinander verbunden und gemeinsam mit einem Ende des Überspannungselement verbunden, das direkt oder indirekt (über einen Widerstand) zu dem Schutzleiteranschluss der Sicherungsschaltung führt. Das andere äußere Ende der ersten Diodenhalbbrücke und das andere äußere Ende der zweiten Diodenhalbbrücke sind miteinander verbunden. Diese anderen äußeren Enden sind an das andere Ende des Überspannungselements angeschlossen. Diese anderen Enden sind direkt oder indirekt (über den Widerstand) mit dem Schutzleiteranschluss der Sicherungsschaltung verbunden. Die unterschiedlichen äußeren Enden der Diodenhalbbrücke sind mit unterschiedlichen Enden des Überspannungselements verbunden.
Die äußeren Enden der Diodenhalbbrücken sind gemeinsam über einen Widerstand mit dem Schutzleiteranschluss verbunden. Der Widerstand ist ein Strombegrenzungswiderstand.
Die Sicherungsschaltung kann über einen ersten Niedervoltpotential-Anschluss und einen zweiten Niedervoltpotential-Anschluss verfügen. Diese bilden insbesondere die mehreren Niedervoltpotential-Anschlüsse oder sind ein Teil hiervon. Die Schaltung hat eine erste Diodenhalbbrücke und eine zweite Diodenhalbbrücke. Die äußeren Enden der Diodenhalbbrücken sind miteinander verbunden. Der innere Verbindungspunkt der ersten Diodenhalbbrücke ist mit dem ersten Niedervoltpotential-Anschluss verbunden. Der innere Verbindungspunkt der zweiten Diodenhalbbrücke ist mit dem zweiten Niedervoltpotential-Anschluss verbunden.
Das Überspannungselement verbindet die äußeren Enden der Diodenhalbbrücken miteinander, insbesondere direkt oder über einen ggf. weiteren Strombegrenzungswiderstand.
Ein äußeres Ende der Diodenhalbbrücken ist über ein Widerstand der Schaltung mit einem Bezugspotential (alternativer Begriff: Schutzleiteranschluss) verbunden. Die hier erwähnten Widerstände oder Strombegrenzungswiderstände sind jeweils als ein einzelnes Widerstandsbauelement oder als eine Reihenschaltung von mehreren Widerstandsbauelementen ausgebildet.
Die äußeren Enden der mehreren Diodenhalbbrücken können über mindestens ein weiteres Überspannungselement an mindestens einen Niedervolt-Versorgungspotentialanschluss angeschlossen sein. Der mindestens eine Niedervolt-Versorgungspotentialanschluss kann eine Niedervolt-Plusleitung (geschaltet oder ungeschaltet) eines Niedervolt-Bordnetzes umfassen. Die mindestens eine Niedervolt-Versorgungspotentialanschluss kann eine Niedervolt-Minusleitung (geschaltet oder ungeschaltet) eines Niedervolt-Bordnetzes umfassen. Das Niedervolt-Bordnetzes kann ein 12 V, 13 V, 14 V oder 24 oder 42 oder 48 V - Netz sein. Der Hochvoltbereich umgreift mindestens eine Schaltung mit einer Nennspannung von mehr als 60 V, mindestens 200 V, mindestens 400 V oder mindestens 800 V.
Die Sicherungsschaltung ist mit mindestens zwei Diodenhalbbrücken ausgestattet. Diese sind vorzugsweise als Graetz-Schaltung (andere Bezeichnung: Brückengleichrichter, etwa B2 oder B2U) miteinander verbunden. Die beiden Wechselspannungsanschlüsse der Graetz-Schaltung sind insbesondere mit zwei der Niedervoltpotentialen verbunden. Vorzugsweise sind die beiden Gleichspannungsanschlüsse der Graetz-Schaltung über das Überspannungselement miteinander verbunden. Die Graetz-Schaltung hat zwei Gleichspannungsanschlüsse und zwei Wechselspannungsanschlüsse.
Der negative Anschluss der Gleichspannungsanschlüsse der Graetz-Schaltung ist vorzugsweise direkt oder über einen Widerstand mit dem Schutzleiteranschluss verbunden. Der positive Anschluss der Gleichspannungsanschlüsse der Graetz-Schaltung ist vorzugsweise mit dem Überspannungselement verbunden. Der positive Anschluss der Gleichspannungsanschlüsse der Graetz-Schaltung ist vorzugsweise mit demjenigen Ende des Überspannungselement verbunden, das dem Ende des Überspannungselement entgegengesetzt ist, welches direkt oder über einen Widerstand mit dem Schutzleiteranschluss verbunden ist.
Auf diese Weise die Sicherungsschaltung eingerichtet ist, bei Einbringung jedes des beiden Hochvoltpotentiale in mindestens eines der Niedervoltpotentiale über das Überspannungselement einen Strom zum Schutzleiteranschluss abzuführen. Sowohl eine fehlerhafte Einspeisung eines ersten Hochvoltpotentials in ein erstes der Niedervoltpotentiale als auch in ein zweites der Niedervoltpotentiale sowie auch eine fehlerhafte Einspeisung eines zweiten Hochvoltpotentials in ein erstes der Niedervoltpotentiale und eine fehlerhafte Einspeisung eines zweiten Hochvoltpotentials in ein zweites der Niedervoltpotentiale führt zur Ableitung eines Stroms über das Überspannungselement. Ein Fahrzeugbordnetz kann mit einem Hochvoltbereich und einer Sicherungsschaltung ausgerüstet sein, wie sie hierin beschrieben ist. Die Niedervoltpotentiale der Sicherungsschaltung sind aus dem Hochvoltbereich (HV) herausgeführt. Das Fahrzeugbordnetz hat Schutzleiterpotential. Dieses ist mit dem Schutzleiteranschluss verbunden. Zwei Hochvoltpotentiale des Fahrzeugbordnetzes, sind galvanisch getrennt von den Niedervoltpotentialen, etwa mittels Optokopplern oder Trenntransformatoren oder ähnliches. Die Sicherungsschaltung ist eingerichtet ist, bei Einbringung jedes des beiden Hochvoltpotentiale in mindestens eines der Niedervoltpotentiale über das Überspannungselement einen Strom zum Schutzleiteranschluss abzuführen. Dies entspricht insbesondere den vorangehend genannten Vorteilen und bildet ferner ein funktionales Merkmal, das insbesondere von der Diodenhalbbrücken und deren Verbindung mit dem Überspannungselement realisiert wird.
Die Niedervoltpotentiale sind vorzugsweise Niedervolt-Signalpotentiale, etwa einer zweiadrigen Datenübertragungsverbindung (mit symmetrischer oder asymmetrischer Signalführung). Die Niedervolt-Signalpotentiale sind eingerichtet, Information zu übertragen, insbesondere Ansteuersignale, Überwachungssignale, Sensorsignale und ähnliches. Ferner können die Niedervoltpotentiale Niedervolt-Versorgungspotentiale sein (etwa +12 V bzw. + 5 V und Masse).
Die Figur 1 dient zur Erläuterung von hierin beschriebenen Ausführungsformen.
Die Figur 1 zeigt einen Hochvoltbereich HV mit einem positiven und einem negativen Hochvoltpotential HV+, HV-. Zwischen diesen sind Kondensatoren C1 , C2 vorgesehen, die insbesondere Cy-Kapazitäten darstellen. Die Kondensatoren C1 , C2 sind über einen Verbindungspunkt VP miteinander verbunden, der wiederum mit dem Schutzleiterpotential GND verbunden ist. Das Schutzleiterpotential GND kann einem Fahrzeugmasse- oder Chassispotential entsprechen.
In dem Hochvoltbereich HV ist eine Niedervoltkomponente NV oder ein Niedervoltabschnitt vorgesehen, etwa eine Steuer-, Überwachungs- oder Sensorkomponente. Von diesem gehen zwei Leiter aus, etwa Niedervoltleiter eines (zweiadrigen) Kabels, die Niedervoltpotentiale NV1 , NV2 tragen. Die Niedervoltleiter und somit deren Potentiale werden aus dem geschlossenen Hochvoltbereich HV herausgeführt, insbesondere zur Kommunikation zwischen dem Komponente NV und einer Komponente, die außerhalb des Hochvoltbereichs HV ist.
Bei einem Fehler in dem Hochvoltbereich HV, insbesondere einem Isolationsfehler, kann zumindest eine der Niedervoltleiter ein Hochvoltpotential tragen oder zumindest ein Potential, dessen Spannung ggü. GND größer ist als die betreffende Spannung im üblichen Betrieb der Niedervoltleiter bzw. -potentiale.
Die Niedervoltpotentiale NV1 , NV2 sind aus dem Hochvoltbereich HV herausgeführt, etwa durch ein Gehäuse, das den Hochvoltbereich HV vollständig umschließt (ggf. mit einer verschließbaren Öffnung zur Wartung im Hochvoltbereich HV). Komponente NV kann insbesondere eine Übermittlungskomponente sein, die gemäß dem CAN-Kommunikationsprotokoll ausgebildet ist.
Dargestellt sind zwei Dioden-Halbbrücken B1 und B2. Diese umfassen jeweils eine Reihenschaltung aus zwei Dioden (die in der gleichen Durchflussrichtung hintereinandergeschaltet sind). Die erste Dioden-Halbbrücken B1 hat einen Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden, der mit einem ersten Niedervoltanschluss 1 verbunden ist. Die zweite Dioden-Halbbrücken B1 hat einen Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden, der mit einem zweiten Niedervoltanschluss 2 verbunden ist. Der erste Niedervoltanschluss 1 ist mit dem Niedervoltpotential NV1 bzw. dessen Leiter verbunden. Der zweite Niedervoltanschluss 2 ist mit dem Niedervoltpotential NV2 bzw. dessen Leiter verbunden. Die jeweilige äußeren Enden der Dioden-Halbbrücken B1 , B2 sind zusammengeschaltet, so dass die Dioden-Halbbrücken B1 , B2 eine Graetz-Brücke bilden. Die Anschlüsse 1 und 2 sind mit der Wechselstromseite der Graetz-Brücke verbunden. Die oberen, äußeren Enden der Dioden-Halbbrücken B1 , B2 entsprechen einem positiven Anschluss der Gleichspannungsseite der Graetz-Brücke. Die unteren, äußeren Enden der Dioden-Halbbrücken B1 , B2 entsprechen einem negativen Anschluss der Gleichspannungsseite der Graetz-Brücke.
Ausführungsformen mit nur einer Dioden-Halbbrücke B1 können anhand der Fig. 1 erläutert werden, indem die Brücke B2 gestrichen wird. Es besteht der erste Niedervoltanschluss 1 , der mit dem inneren Verbindungspunkt der Brücke B1 verbunden ist. Zu der entsprechenden Darstellung ist der zweite Niedervoltanschluss 2 aus der Fig. 1 zu streichen. In der Fig. 1 , die mehrere Dioden-Halbbrücken B1 , B2 zeigt, sind die oberen, äußeren Enden der Dioden-Halbbrücken B1 , B2 mit einem ersten Ende eines Spannungsbegrenzungselements (Überspannungselements) V1 verbunden. Die unteren, äußeren Enden der Dioden-Halbbrücken B1 , B2 sind mit einem zweiten Ende des Überspannungselements V1 verbunden. Ferner sind die unteren, äußeren Enden der Dioden-Halbbrücken B1 , B2 über einen Widerstand R mit dem Potential GND (Niedervolt-Masse bzw. Chassis) verbunden. Über diesen Widerstand R werden fehlerhaft in die Potentiale NV1 , 2 eingeleitete HV-Potentiale HV+, HV- an das Potential GND abgeleitet, unabhängig von der Polarität des eingeleiteten HV-Potentials. Es wird daher nur ein Überspannungselement V1 gebraucht.
Eine weitere, optionale Ableitung AB führt das Potential der unteren, äußeren Enden der Dioden-Halbbrücken B1 , B2 (Minusanschluss der Graetz-Brücke) über weitere, optionale Überspannungselemente V2 - V4 an jeweilige weitere Niedervoltpotentiale CL30, SD oder X ab. CL30 ist etwa ein Pluspotential eines Niedervoltbordnetzabschnitts. Zu diesem gehört insbesondere auch die Niedervoltkomponente NV und auch die Leitungen / Potentiale NV1 , NV2. Die Schwellenspannung des Überspannungselements V1 (oder auch V2 - V4) liegt über einer Maximalspannung, die im Betrieb zwischen den Potentialen NV1 , 2 auftreten kann und ist bestimmt durch das Übertragungsprotokoll (physikalische Schicht) der Komponente NV. Die Schwellenspannung des Überspannungselements V1 (oder auch V2 - V4) liegt insbesondere unter der Nennspannung zwischen HV+ und HV- und vorzugsweise unter eine Gefährlichkeitsschwelle, insbesondere 60 V. Die Schwellenspannung des Überspannungselements V1 (oder auch V2 - V4) kann zwischen 10 V und 50 V betragen, insbesondere zwischen 35 V und 45 V.
Es kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die einen Stromfluss durch den Widerstand R oder durch das Element V1 detektieren kann. Es kann eine Auswertungsvorrichtung vorgesehen sein, die den Stromfluss mit einem Grenzwert vergleicht (etwa 1 mA oder 10 pA) und bei Überschreiten des Grenzwerts ein Fehlersignal abgibt und/oder ein Abtrennen des Netzes HV veranlasst, etwa durch Ansteuerung eines Trennschalters im Bereich HV oder in einer Leitung, die mindestens eines der Potentiale HV+, HV- führt und ggf. den Bereich HV mit anderen Komponenten oder Anschlüsse des dargestellten Fahrzeugbordnetzes bei Ansteuerung abtrennt (vorzugsweise allpolig). In der dargestellten Schaltung würde eine Entladung des Kondensators C1 über das Potential NV1 über die obere, linke Diode führen, entlang des Überspannungselements von oben nach unten zum Widerstand R geführt werden, um so zum Potential GND abgeleitet zu werden.
Eine Entladung des Kondensators C2 über Potential / Leitung NV2 würde zu einem (negativen) Strom führen, der über HV- zu Potential NV2 führt, um dann über die untere rechte Diode zum Widerstand R abgeführt zu werden, der den Strom in das Potential GND einspeist. Auf diese Weise würde die Entladung strombegrenzt werden durch Widerstand R, wenn auch ggf. keine Aktivierung des Überspannungselements V1 erfolgt. Die Entladung von C1 über würde über das Überspannungselements V1 führen (sowie über den ström begrenzenden Widerstand R) und dieses somit aktivieren. Dadurch kann auch eine fehlerhafte Entladung der Kondensatoren C1 , C2 ström begrenzt werden und insbesondere nach Potential GND abgeführt werden.
An die rechts dargestellten Enden (entgegengesetzt zu NV) der Leitungen NV1 , NV2 bzw. deren Potentiale kann ein Kommunikationsanschluss vorgesehen sein, etwa ein zweiadriger Kommunikationsanschluss.

Claims

Patentansprüche
1 . Sicherungsschaltung (SI) für ein oder mehrere Niedervoltpotentiale (NV1 , NV2), die aus einem Hochvoltbereich (HV) herausleiten, mit mindestens einem Niedervoltpotential-Anschluss (1 , 2) und einer oder mehreren Diodenhalbbrücken (B1 , B2), deren innerer Verbindungspunkt mit dem mindestens einen Niedervoltpotential-Anschluss (1 , 2) verbunden ist, wobei die Sicherungsschaltung (Sl) ein Überspannungselement (V1 ) aufweist, welches das erste und das zweite äußere Ende (E1 , E2) der mindestens einen Diodenhalbbrücke (B1 , B2) miteinander verbindet und wobei das erste äußere Ende (E1 ) der Diodenhalbbrücke (B1 , B2) über einen Widerstand (R) mit dem Bezugspotential (GND) verbunden sind.
2. Sicherungsschaltung (Sl) nach Anspruch 1 , die mehrere Diodenhalbbrücken (B1 , B2) aufweist, die über ihre ersten und zweiten äußere Enden (E1 , E2) parallel miteinander verbunden sind, wobei das Überspannungselement (V1 ) parallel an die Parallelschaltung der Diodenhalbbrücken (B1 , B2) angeschlossen ist.
3. Sicherungsschaltung (Sl) nach Anspruch 1 oder 2, die mehrere Diodenhalbbrücken (B1 , B2) aufweist, wobei der Widerstand (R) die miteinander verbundenen ersten Enden (E1 ) der Diodenhalbbrücken (B1 , B2) gemeinsam mit dem Bezugspotential (GND) verbindet.
4. Sicherungsschaltung (Sl) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, die mehrere Diodenhalbbrücken (B1 , B2) aufweist, wobei die Sicherungsschaltung (Sl) mit einem ersten Niedervoltpotential-Anschluss (1 ) und einem zweiten Niedervoltpotential-Anschluss (2) ausgestattet ist und mit einer ersten Diodenhalbbrücke (B1 ) und einer zweiten Diodenhalbbrücke (B2), wobei die äußeren Enden der Diodenhalbbrücken (B1 , B2) miteinander verbunden sind, der innere Verbindungspunkt der ersten Diodenhalbbrücke (B1 ) mit dem ersten Niedervoltpotential-Anschluss (1 ) verbunden ist und der innere Verbindungspunkt der zweiten Diodenhalbbrücke (B2) mit dem zweiten Niedervoltpotential-Anschluss (2) verbunden ist.
5. Sicherungsschaltung (Sl) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bezugspotential (GND) galvanisch mit den Niedervoltpotentialen (NV1 , NV2) verbunden ist oder ein Massepotential oder ein Spannungsversorgungspotential oder ein Chassispotential eines Niedervolt-Bordnetzzweigs ist, der galvanisch mit den Niedervoltpotentialen (NV1 , NV2) verbunden ist.
6. Sicherungsschaltung (Sl) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Ende (E1 ) der mindestens einen Diodenhalbbrücke (B1 , B2) über mindestens ein weiteres Überspannungselement (V2 - V4) an mindestens einen Niedervolt-Versorgungpotentialanschluss (CL30, SD, X) angeschlossen sind.
7. Sicherungsschaltung (Sl) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit mindestens zwei Diodenhalbbrücken (B1 , B2), die als Graetz-Schaltung miteinander verbunden sind, wobei die beiden Wechselspannungsanschlüsse der Graetz-Schaltung mit zwei der Niedervoltpotentialen (NV1 , NV2) verbunden ist und die beiden Gleichspannungsanschlüsse der Graetz-Schaltung über das Überspannungselement (V1 ) miteinander verbunden ist.
8. Sicherungsschaltung (Sl) nach Anspruch 7, wobei der negative Anschluss der Gleichspannungsanschlüsse der Graetz-Schaltung über den Widerstand (R) mit dem Bezugspotential (GND) verbunden ist.
9. Fahrzeugbordnetz mit einem Hochvoltbereich (HV) und einer Sicherungsschaltung (Sl) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Niedervoltpotential (NV1 , NV2) der Sicherungsschaltung (Sl) aus dem Hochvoltbereich (HV) herausführt, wobei das Fahrzeugbordnetz ferner ein mit dem Schutzleiteranschluss (GND) verbundenes Schutzleiterpotential (GND) aufweist und ferner zwei Hochvoltpotentiale (HV+, HV-) aufweist, die galvanisch getrennt sind von dem Niedervoltpotential (NV1 , NV2), wobei die Sicherungsschaltung (Sl) eingerichtet ist, bei Einbringung jedes des beiden Hochvoltpotentiale in das mindestens eine Niedervoltpotentiale (NV1 , NV2) über das Überspannungselement (V1 ) einen Strom zum Schutzleiteranschluss (GND) abzuführen.
10. Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 9, wobei die Niedervoltpotentiale (NV1 , NV2) Niedervolt-Signalpotentiale sind.
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US20050078427A1 (en) * 2004-08-16 2005-04-14 National Instruments Corporation Protection circuit for general-purpose digital I/O lines
US9472950B2 (en) * 2011-04-11 2016-10-18 Huawei Technologies Co., Ltd. Protection circuit of power over ethernet port and ethernet power-sourcing equipment
DE102020207878B3 (de) * 2020-06-25 2021-08-19 Vitesco Technologies GmbH Verfahren zum Erfassen eines Isolationsfehlers in einem Fahrzeugbordnetz und Fahrzeug-Überspannungsschutzschaltung

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