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Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenüberwachungssystem für einen Laststromkreis in einem Bordnetz, wobei das Lichtbogenüberwachungssystem Mittel zur Erkennung und Unterbrechung von seriellen Lichtbögen, welche in dem Laststromkreis an einer Last zugeordneten, stromführenden Verbindungsleitungen des Bordnetzes und/oder an einem der Last zugeordneten Verbindungselement des Bordnetzes auftreten können, umfasst.
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Beim Öffnen von Spannungskreisen, bzw. Stromkreisen (Schalter, Steckverbindungen, Sicherungen) oder bei Defekten in stromführenden Leitungen in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen kann es zur Bildung von seriellen Lichtbögen kommen (Kurzschluss innerhalb eines Verbindungselementes und/oder Überbrücken von Leitungsenden), die bei höheren Bordnetzspannungen, beispielsweise in einem 42 V Bordnetz, „stehen bleiben” können, d. h., dass sie nach der Betätigung des betreffenden Verbindungselementes, beispielsweise beim Lösen einer Steckverbindung, im Stromkreis nicht verlöschen. Dadurch können erhebliche Schäden im Bordnetz entstehen. Insbesondere ist eine potentielle Brandgefahr durch „stehende” Lichtbögen gegeben. Durch die fortschreitende Entwicklung von ein- oder mehrkreisigen Kraftfahrzeugbordnetzen mit höheren Spannungsniveaus ist daher die Forderung nach effektiven Lichtbogenüberwachungssystemen von zunehmender Bedeutung.
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Verschiedene Lichtbogenüberwachungssysteme sind bereits vorgeschlagen worden, die beispielsweise in einfachen, kostengünstigen Systemen auf die Messung einer signifikanten Spannungs- oder Stromänderung beruhen oder in besonders zuverlässig einen Lichtbogen identifizierenden, aber aufwendigeren Systemen das Frequenzspektrum eines Lichtbogens analysieren.
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Aus der
DE 101 32 952 A1 ist ein Verfahren zum Schutz eines Leitungsnetzes bei Auftreten eines seriellen Lichtbogens bekannt. Eine Überwachungseinheit ist über eine Versorgungsleitung mit einer Zuleitung und einer Ableitung an eine Spannungsquelle angeschlossen. Die Überwachungseinheit weist eine Kontrolleinheit auf, von der mehrere Lasten angesteuert und über einzelne den Lasten zugeordnete Schalter geschaltet werden können. Die Überwachungseinheit weist weiterhin einen Spannungskomparator auf, der eine Referenzspannung mit der an der Überwachungseinheit anliegenden Spannung vergleicht. Wird an der Zu- oder Ableitung ein Spannungsabfall, der durch einen Lichtbogen entstanden sein kann, gemessen, erhält die Kontrolleinheit von dem Spannungskomparator ein Signal, dass zum Abschalten einer oder mehrerer Lasten verwendet wird. Dadurch wird der über die Versorgungsleitung fließende Strom reduziert, wodurch ein ggf. vorhandener Lichtbogen erlöscht. Mit Hilfe eines erneuten Einschaltversuchs der Last(en) wird überprüft, ob tatsächlich ein Leitungsdefekt vorliegt oder ob ein anderer Vorgang im Bordnetz zu dem detektierten Spannungsabfall geführt hat.
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Nachteilig bei dem bekannten Verfahren wirkt sich aus, dass von jeder Last jeweils zu der Überwachungseinheit eine Zuleitung und eine Ableitung geführt werden muss. Dies ist relativ aufwendig. Wirksam überwacht wird auch nur die Zu,- bzw. Ableitung der zentralen Versorgungsleitung zwischen der Spannungsquelle und der Überwachungseinheit. Eine einzelne Überwachung der direkt mit den Lasten verbundenen stromführenden Zuleitungen, bzw. von einzelnen Steckverbindungen, wird damit jedoch nicht erreicht. Insbesondere kann nicht lokalisiert werden, auf welcher Leitung ein Lichtbogen aufgetreten ist.
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Aus der
DE 101 05 457 A1 ist eine Vorrichtung zum Trennen und Schalten einer Last bekannt, bei der zwischen einer Spannungsversorgung und einer Last ein Schaltelement angeordnet ist, dass mit einer Überwachungseinheit verbunden ist. Bei Unterschreiten eines Spannungsgrenzwertes wird das Schaltelement durch die Überwachungseinheit deaktiviert, wodurch die Last spannungslos wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass beim Handhaben einer Steckverbindung oder einer Sicherung nach einem Fehlerfall im Bordnetz, der zu dem kritischen Spannungswert geführt hat, kein Lichtbogen entstehen kann.
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Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung wirkt sich aus, dass über das Schaltelement nur eine stromführende Zuleitung überwacht wird. Die Gefahr eines Lichtbogens ist aber an beiden stromführenden Zuleitungen, bzw. Steckverbindungen, der Last, d. h. an der positiven und an der negativen Zuleitung, gegeben. Dadurch besteht die Gefahr, dass ein Lichtbogen an einer nicht überwachten Zuleitung, bei der Handhabung der Steckverbindung nicht erkannt wird.
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Weiterhin behandelt die Schrift
DE 102 24 753 A1 ein elektrisches Verbindergehäuse mit einer Schutzfunktion zum Unterbinden einer Energiezufuhr von einer fahrzeugseitigen Energiequelle zu einer elektrischen Last zum Zeitpunkt der Wartung der elektrischen Last. Zu diesem Zweck umfasst das Gehäuse eine stationäre Einheit und ein bewegliches Bauteil, das von der stationären Einheit abnehmbar ist. Falls das Bauteil abgenommen wird, wird eine Energieversorgung von einer Batterie zu einer elektrischen Last unterbrochen. Der Schutz besteht darin, dass es bei dieser Unterbrechung zu einem Lichtbogenereignis bei ausreichender Spannungslage kommt, das aufgrund der Lage relevanter Kontakte zueinander nur an bestimmten Kontakten auftreten kann (siehe Abschnitte [0078, 0079]).
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Insgesamt wird bei den bisherigen Systemen also nur jeweils eine stromführende Zuleitung eines Verbindungselementes überwacht oder es ist zumindest für jede stromführende Zuleitung eine eigene Prüfleitung mit einer Auswerteschaltung nötig. Weiterhin sind die stromführenden Zuleitungen bei der Überwachung nicht unterscheidbar und damit ist ggf. eine genaue Lokalisierung eines defekten Anschlusses aufgrund eines Lichtbogenereignisses nicht möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Lichtbogenüberwachungssysteme so zu verbessern, dass sie mit geringen Aufwand eine sicherere Überwachung an Verbindungsleitungen und Verbindungselementen gewährleisten.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Lichtbogenüberwachungssystem eine Prüfleitung, eine Überwachungseinheit, ein Schaltelement und eine dem Verbindungselement zugeordnete Schaltungsanordnung aufweist, mit deren Hilfe jede der Verbindungsleitungen kontrollierbar ist und das Verbindungselement kontrollierbar ist, wobei die Schaltungsanordnung über die Prüfleitung mit der Überwachungseinheit verbunden ist, durch die in Wirkverbindung mit dem Schaltelement bei einem von der Prüfleitung, infolge eines seriellen Lichtbogens im Laststromkreis, an die Überwachungseinheit weitergeleiteten Spannungsabfall eine Abschaltung des dem Verbindungselement zugehörigen Laststromkreises oder mindestens eine zum Erlöschen des Lichtbogens führende Stromreduzierung in dem Laststromkreis erfolgt.
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Dadurch, dass alle stromführenden Zuleitungen, bzw. Verbindungsleitungen überwacht werden, kann bei einem für das Auftreten eines Lichtbogens charakteristischen Spannungsabfall an irgendeiner einer der stromführenden Verbindungsleitungen eines Verbindungselementes, sofort eine Gegenmaßnahme, d. h. eine Reduzierung oder ein Abschalten des Stroms für den betreffenden Stromzweig eingeleitet werden. Dadurch wird die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems erhöht. Die Überwachung wird mit einer Schaltungsanordnung, die die stromführenden Zuleitungen eines Verbindungselementes einzeln berücksichtigt realisiert. Über lediglich eine Prüfleitung ist die Schaltungsanordnung mit der Überwachungseinheit verbunden. Es sind keine zusätzlichen Leitungen oder mehrere Überwachungssysteme für die einzelnen stromführenden Leitungen eines Verbindungselementes erforderlich. Die wirkt sich kosten-, bauraum- und gewichtssparend aus.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist durch eine separate Auswertung der einzelnen stromführenden Verbindungsleitungen des Verbindungselementes mit Hilfe der Überwachungseinheit und der Schaltungsanordnung eine durch einen seriellen Lichtbogens fehlerhafte Verbindung lokalisierbar.
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Durch die separate Auswertung lässt sich ableiten, auf welcher der (beiden) Zuleitungen ein Lichtbogenereignis stattgefunden hat. Durch diese Lokalisierung einer fehlerhaften Verbindung wird die Aussagetiefe des Lichtbogenüberwachungssystems erhöht. Diese Information kann zu einer gezielten Abschaltung bestimmter Lasten verwendet werden. Weiterhin wird dadurch die Servicefreundlichkeit im Fehlerfall oder Wartungsfall verbessert sowie die Sicherheit bei der Handhabung der Verbindungselemente, bzw. Leitungen für Personen erhöht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungselement durch Steckverbindungen ausgeführt, wobei jeder der Steckverbindungen eine der stromführenden Verbindungsleitungen zugeordnet ist.
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Lichtbögen entstehen, wenn bestimmte Randbedingungen erfüllt sind, vorrangig beim Lösen von Verbindungen die unter Strom stehen. Durch die Überwachung aller stromführenden Zuleitungen kann das Lichtbogenüberwachungssystem daher besonders effektiv zum Schutz von Steckverbindungen verwendet werden, bei denen der positive Anschluss und der negative Anschluss geschützt werden muss. Grundsätzlich ist das Lichtbogenüberwachungssystem nicht nur zur Überwachung von Steckverbindungen mit deren Zuleitungen, sondern auch für andere Verbindungselemente, beispielsweise Sicherungen, geeignet Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltungsanordnung als eine Widerstandskombination ausgebildet, bei der jeweils ein ohmscher Widerstand zwischen der Prüfleitung und den Steckverbindungen geschaltet ist.
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Durch den Widerstand zwischen der Steckverbindung und der Prüfleitung wird jeweils die mit der Steckverbindung verbundene Zuleitung effektiv überwacht. Die Widerstandskombination ist kostengünstig und kann einfach mit den zu überwachenden Leitungen, bzw. Steckverbindungen verschaltet werden. Beispielsweise verbinden zwei Steckverbindungen eines Steckverbinders die positive und die negative Zuleitung mit einer angeschlossenen Last. Zwischen der einen Steckverbindung und dem positiven Anschluss an die Last, bzw. zwischen der anderen Steckverbindung und dem negativen Anschluss an die Last ist jeweils ein Widerstand mit der Prüfleitung parallel geschaltet. Tritt an einer der Steckverbindungen, beispielsweise beim Lösen des Steckers, ein Lichtbogen auf, wird, über den zugehörigen Widerstand, an der Prüfleitung ein Spannungsabfall auf der betroffenen Zuleitung registriert. Dieser Spannungsabfall hängt von dem Lichtbogenstrom und der Größe des Widerstandes ab und wird in der Überwachungseinheit ausgewertet. Entsprechendes gilt für die zweite und ggf. weitere stromführende Zuleitungen der Steckverbindung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Überwachungseinheit als ein Fensterkomparator ausgebildet ist, über den, mittels der Prüfleitung, ein Spannungsabfall auf mindestens einer der Verbindungsleitungen detektierbar ist. Der Fensterkomparator kann im Wesentlichen aus zwei einzelnen Komparatoren bestehen, in denen, von einer Spannungsversorgung des Bordnetzes ausgehend, über eine, durch zwei Spannungsleitungen mit jeweils einem vorgeschalteten ohmschen Widerstand zugeführte Spannung, eine obere und eine untere Vergleichsspannung zu einer über die Prüfleitung eingehenden Eingangsspannung vorgebbar ist.
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Durch den Fensterkomparator ist mit geringem Aufwand eine einfache und kompakte Überwachungseinheit für Lichtbögen realisierbar, die auf der Messung eines Spannungsabfalls beruht. Der zu detektierende Spannungsabfall an beiden Zuleitungen einer Steckverbindung wird der Schaltungsanordnung, vorzugsweise der Widerstandskombination zugeführt, und mit nur einer Prüfleitung an den Fensterkomparator weitergeleitet und dort mit zwei Spannungsgrenzwerten, bzw. Vergleichsspannungen, verglichen, die aus einem lichtbogenfreien Betrieb gewonnen werden. Es wird durch eine separate Auswertung der beiden Zuleitungen auch eine Lokalisierung, auf welcher der beiden Zuleitungen ggf. ein Lichtbogenereignis stattgefunden hat, ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das über die Überwachungseinheit schaltbare Schaltelement zwischen der Spannungsversorgung des Bordnetzes und der Überwachungseinheit angeordnet. Das Schaltelement kann als eine Halbleiterelementschaltung, insbesondere als ein Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Schaltelement als ein Relais ausgebildet ist.
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Wird durch die Überwachungseinheit ein Lichtbogenereignis registriert, kann das Schaltelement angesteuert und der entsprechende Stromkreis abgeschaltet werden. Halbleiterschaltelemente, insbesondere Feldeffekttransistoren, ermöglichen besonders schnelle Schaltvorgänge. Elektromechanische Schalter, insbesondere Relais ermöglichen dagegen eine besonders zuverlässige, physikalische Trennung eines Stromkreises von einer Spannungsquelle.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Bordnetz einen 42 V-Spannungskreis auf.
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Das Lichtbogenüberwachungssystem kann besonders effektiv in ein- oder mehrkreisigen Bordnetzen in Kraftfahrzeugen mit höheren Bordnetzspannungen, insbesondere in dem für zukünftige Bordnetze vorgesehenen 42 V-Bordnetz, eingesetzt werden, da „stehende” Lichtbögen hauptsächlich bei Spannungen über 16 V, d. h. oberhalb der heute üblichen Bordnetzspannung von 14 V, auftreten können. Grundsätzlich ist das System jedoch, bei entsprechender Vorgabe der Spannungsgrenzwerte für den Fensterkomparator für beliebige Bordnetzspannungen geeignet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Überwachungseinheit mit Hilfe von Schaltmitteln wahlweise aktivierbar.
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Dadurch, dass die Überwachungseinheit wahlweise über Schaltmittel aktivierbar ist, kann die Gefahr von Fehlauslösungen im normalen Fahrbetrieb vermieden werden. Es ist insbesondere möglich, dass das Lichtbogenüberwachungssystem nur dann zugeschaltet wird, beispielsweise mit einem Diagnoserechner, wenn die Gefahr eines Lichtbogens an den Steckverbindungen hoch ist. Dies ist insbesondere bei Servicearbeiten am Fahrzeug der Fall.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.
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Es zeigt
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1: Ein Lichtbogenüberwachungssystem in einem 42 V-Kraftfahrzeugbordnetz.
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Ein Lichtbogenüberwachungssystem besteht im Wesentlichen aus einer Schaltungsanordnung 2, die einem zu überwachenden Verbindungselement 1 zugeordnet ist, und die über eine Prüfleitung 4 mit einer Überwachungseinheit 3 verbunden ist.
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Das Verbindungselement 1 ist als ein Steckverbinder, bestehend aus zwei Steckverbindungen 6, 6', an die eine (induktive) Last 10 angeschlossen ist. Die Steckverbindungen 6, 6' sind über eine positive stromführende Verbindungsleitung 5' und eine negative stromführende Verbindungsleitung 5 an eine Spannungsversorgung 14 eines 42 V-Kraftfahrzeugbordnetzes 15 angeschlossen. Die Lichtbogenüberwachungseinheit ist in das Kraftfahrzeugbordnetz 15 integriert. Zwischen den Steckverbindungen 6, 6' und der Last 10 ist jeweils ein Widerstand 7, bzw. 7' parallel zu der Last 10 und in Reihe mit der Prüfleitung 4 geschaltet. Von der Widerstandskombination 2 führt die Prüfleitung 4 zu der Überwachungseinheit 3, die vorteilhaft als ein Fensterkomparator ausgebildet ist. Der Fensterkomparator 3 besteht aus zwei einzelnen Komparatoren 8, 8', die miteinander verschaltet sind. Von der Spannungsversorgung 14 geht ein Spannungszweig 16 ab, der zu dem Fensterkomparator 3 hinführt. Zwischen drei in Reihe geschalteten Widerständen 12, 12', 12'' des Spannungszweiges 16 greifen zwei Spannungsleitungen 9, bzw. 9' ab, die zu dem Minuseingang des Komparators 8, bzw. zu dem Pluseingang des Komparators 8' weitergeleitet werden. Der Pluseingang des Komparators 8 ist mit dem Minuseingang des Komparators 8' über eine weitere Leitung 17 verbunden, die wiederum mit der Prüfleitung 4 verbunden ist. Zwischen der Spannungsversorgung 14 und der Last 10 ist ein Schaltelement 13 angeordnet. Das Schaltelement 13 ist als ein Feldeffekttransistor (Smart FET) in an sich bekannter Bauart ausgebildet. Der FET 13 kann über eine von den Ausgängen 18, 18' der Komparatoren 8, 8' abgehende Steuerleitung 11 (Gate Control) angesteuert werden. Bei der Auslegung der Schaltungsanordnung 2 ist ein Störgrößenabstand berücksichtigt, der sich aus einem Spannungsabfall auf den Zuleitungen 5, 5' und den Steckverbindungen 6, 6' berechnet, der entsteht, wenn die Last 10 normal betrieben wird.
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Im Überwachungsbetrieb generieren die Komparatoren 8, 8' mit der über die Leitungen 9, 9' abgegriffenen Spannung (ohne Lichtbogeneinfluss) einen oberen und einen unteren Spannungsgrenzwert, bzw. Die über die Prüfleitung 4 eingehende Spannung wird fortlaufend mit den Grenzwerten und verglichen. Im Normalbetrieb muss die Bedingung erfüllt sein, damit eine Verknüpfungsstelle 19 der Ausgänge 18, 18', die beispielsweise durch ein nicht dargestelltes UND-Gatter realisiert ist, ein Ausgangssignal liefert. In einem 42 V-Spannungskreis kann beispielsweise die Bedingung vorgegeben sein. Wird die obige Bedingung aufgrund eines Lichtbogenereignisses an dem Verbindungselement 1, das zu einem Spannungsabfall auf der Prüfleitung 4 führt, verletzt, wird über die Gate Control-Leitung 11 der FET 13 deaktiviert, wodurch die Last 10 spannungslos wird und der Lichtbogen unmittelbar verlöscht. Über die Widerstände 7, 7' werden beide stromführenden Zuleitungen 5, 5' einzeln überwacht, so dass eine größtmögliche Sicherheit gegeben ist. Bei einer separaten Auswertung der positiven und der negativen Zuleitung 5', bzw. 5 in der Überwachungseinheit 3 lässt sich darüber hinaus ableiten, auf welcher der beiden Zuleitungen 5, 5' ein Lichtbogenereignis stattgefunden hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindungselement
- 2
- Schaltungsanordnung
- 3
- Überwachungseinheit
- 4
- Prüfleitung
- 5, 5'
- Verbindungsleitung
- 6, 6'
- Steckverbindung
- 7, 7'
- Widerstand
- 8, 8'
- Komparator
- 9, 9'
- Spannungsleitung
- 10
- Last
- 11
- Steuerleitung
- 12, 12', 12''
- Widerstand
- 13
- Schaltelement
- 14
- Spannungsversorgung
- 15
- Kraftfahrzeugbordnetz
- 16
- Spannungszweig
- 17
- Leitung
- 18, 18'
- Komparatorausgang
- 19
- Verknüpfungsstelle
