Schutz in Hochspannungsbordnetzen - All

BORDNETZE
Schutz in
Hochspannungsbordnetzen
KFZ-LEITUNGSSYSTEME für hohe Spannungen, wie sie z. B. in Hybridfahrzeugen zum Einsatz
kommen, lassen sich mit einem neu entwickelten Bordnetzkonzept zuverlässig absichern,
wobei der Sensor bereits integriert ist.
H
ybridfahrzeuge sind in aller Munde, denn sie versprechen drastische Kraftstoffeinsparung, mehr
Fahrkomfort und Fahrspaß. Doch die
Realisierung bringt auch Probleme mit
sich. Bei den benötigten hohen elektrischen Fahrleistungen muss an die Sicherheit des Hochspannungssystems gedacht
werden. AFL hat ein Sicherheitskonzept
entwickelt, welches das Bordleitungsnetz
komplett überwacht und größtmöglichen Schutz bietet.
Bei Full-Hybrid-Fahrzeugen, die sowohl teilweise durch einen Elektromotor,
als auch durch den Verbrennungsmotor
angetrieben werden, finden duale Bordnetze mit 14 V Niedrigspannung für die
konventionelle Elektrik und Hochspannungen von 300 V bis 600 V für den elektrischen Antriebsstrang Anwendung.
Hochspannungen von mehreren hundert Volt in Kraftfahrzeugen stellen allerdings besondere und deutlich höhere Sicherheitsanforderungen an das Bordnetz
als bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen.
Zum einen können Personen bei direktem Kontakt lebensgefährlich verletzt
werden, zum anderen sind im elektrischen System erhebliche Energiemengen
gespeichert, die bei einem unkontrollierten Freisetzen etwa durch Kurzschluss
oder bei Verkehrsunfällen zu größeren
Schäden an der Fahrzeugausrüstung führen können.
Bild 1: Das Funktionsprinzip von Sensewire – Elektronische Erkennung.
Schutz von Personen und
Fahrzeugkomponenten
Schon bei Gleichspannungen ab etwa 20
V können bei Kurzschlüssen oder Leitungsunterbrechungen Lichtbögen entstehen. Ein kleiner Defekt kann bereits
zu einem Fahrzeugbrand oder zumindest
zu einer starken Beschädigung des Kabelsatzes führen. Bis zur Schutzkleinspannung von 60 V sind keine besonderen
Maßnahmen zum Personenschutz erforderlich. Oberhalb von 60 V ist ein Schutz
gegen direktes Berühren vorzusehen, ab
120 V sogar gegen indirektes Berühren.
Für beide Hybridbordnetz-Varianten ist
somit sowohl ein Schutz gegen Lichtbogenerzeugung als auch ein Berührschutz geboten.
Eine Absicherung der Leitungen
durch Schmelzsicherungen bietet keinen
sicheren Schutz, da die mit den Lichtbögen verbundenen Ströme zum Auslösen der Schmelzsicherungen nicht immer ausreichend groß sind. Es müssen also neue Vorkehrungen getroffen werden,
um die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen und einen angemessenen Schutz
von Komponenten und besonders von
Personen sicherzustellen.
AFL hat daher ein neues Bordnetzsystem konzipiert und Sicherheitsmechanismen integriert, die den notwendigen
Schutz gewährleisten. In Kooperation
mit dem österreichischen Kabellieferanten Gebauer&Griller wurde eine Spezialleitung mit einer Isolationsüberwachung
entwickelt, die einfach produziert werden kann und effektiven Schutz bietet.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK Juni 2009
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Alle Bilder: AFL
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Bild 2: Systemanordnung im Bordnetz
als Überblick für den Einsatz des Schutzsystems im Hochspannungsbordnetz.
Sie ermöglicht es, die Hochspannung in
gefährlichen Situationen (z. B. bei einem
Unfall, fahrlässigen Eigenreparaturversuchen durch Fahrzeughalter etc.)
schnell abzuschalten. Eine Lichtbogenentwicklung wird von vornherein verhindert und somit eine Brandentwicklung ausgeschlossen.
Das neu entwickelte und zum Patent
angemeldete System namens Sensewire
besteht aus einem Spezialkabel mit integriertem Sensor und Verbindungselementen, einer Auswerteelektronik und
einem Trennelement, das die Hochspannungsversorgung abschaltet. Der im KaBild 3: Senswire mit abgedichtetem Kabelschuhanschluss
und Sensorkontaktierung.
bel integrierte Sensor
erfasst Fehler im Bordnetz, die zu Lichtbögen oder
lokaler Überhitzung führen können. Diese werden von der Auswerteelektronik erkannt. Sie generiert ein
schnelles Abschaltsignal, das zur sofortigen Abschaltung der Hochspannungsversorgung benutzt wird, bevor es zu einer
gefährlichen Situation kommen kann.
Kabelfehler sicher und schnell
detektieren
Hauptkomponente des Systems ist das
Spezialkabel mit integriertem Sensor. Um
einen Standard-Leitungskern ist dabei eine dünne leitfähige Folie spiralförmig gewickelt (Sensorelement). Die Isolationsmaterialien sind für Motorraum-Anwendungen (Temperaturklasse C: 125 °C für
3000 h) ausgelegt und sind mit heutigen
Standard-Leitungssatzkomponenten
kompatibel.
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Durch die spiralförmige Anordnung
des Sensorelements erkennt die Leitung
in Verbindung mit einer einfachen elektronischen Detektorschaltung vier Arten
von Kabelfehlern – nämlich durchgescheuerte Stellen (mechanische Beschädigung des Außenmantels), Kurzschlüsse nach Fremdspannungen, Kurzschlüsse nach Masse sowie zusätzlich eine lokale Kabelüberhitzung durch serielle Lichtbögen.
Die letztgenannte Funktion wird
durch ein Aufschmelzen des wärmeempfindlichen Sensorelements erreicht. Da
sich das Sensorelement am äußeren
Rand des Kabels befindet, werden die
meisten Fehler schon erkannt, bevor der
Strom führende Innenleiter beschädigt
wird. Somit kann die Spannung bereits
rechtzeitig abgeschaltet werden, wodurch die Entstehung eines Lichtbogen
von vornherein unterbunden wird.
Schutz der Steckverbindung
Einen weiteren Vorteil der Systemanordnung bietet die Möglichkeit, den Leitungsschutz auf die Steckanschlüsse auszudehnen. Ein zusätzlicher Signalkontakt im Steckverbinder wird mit dem
Sensorelement verbunden. Dieser voreilende Kontakt überwacht den Verbindungsstatus. Durch ihn wird sichergestellt, dass zum einen beim Abziehen
des Steckverbinders kein Lichtbogen entsteht und zum anderen der Berührschutz
durch automatisches Abschalten der
Hochspannung gewährleistet ist.
Eine kleine analoge Detektorschaltung lässt sich leicht in bestehende Steuergeräte integrieren oder auch als getrennte Einheit realisieren. Sie überwacht die elektrischen Eigenschaften der
Sensorfolie und generiert binnen Mikrosekunden ein logisches Fehlersignal. Dieses Fehlersignal kann bei Bedarf mit vor-
handenen Mikroprozessoren weiter ausgewertet werden, um die Entscheidung
zur vollständigen Abschaltung der Hochspannung zusammen mit anderen Fahrzustandsinformationen zu verknüpfen.
Durch eine spezielle Anbindung der Sensorfolienanschlüsse im Leitungsbaum
lässt sich sogar der Leitungsstrang identifizieren, in dem der Fehler auftritt.
Mit dem logischen Fehlersignal wird
ein Abschaltelement an der Hochspannungsquelle (z. B. Batterie, E-Wandler)
angesteuert. Dazu eignen sich sowohl
mechanische (pyrotechnische) als auch
elektronische (Halbleiterschalter) bzw.
elektromechanische Schalter (Relais).
Diese Abschaltmöglichkeit ist in der Regel im Hochspannungsmodul eines Hybridfahrzeugs vorhanden und kann problemlos mit dem Fehlersignal ausgelöst
werden. Eine Rücksetzmöglichkeit der
Hochspannung, nachdem der Fehler
behben wurde, ist am Abschaltelement
zusätzlich vorzusehen. Alle Systemkomponenten, Kabel und Anschlusstechnik
sowie Detektionselektronik und Abschaltelemente sind von AFL lieferbar.
Serientauglich
Die Sensorleitung ist im Querschnittsbereich 10 mm² bis 95 mm² (Kupferquerschnitt Hauptader) verfügbar, wobei der
Hauptleiter alternativ auch aus Aluminium bestehen kann. Mehradrige Mantelleitungen, die ein gemeinsames Detektorelement nach dem gleichen Konstruktionsprinzip aufweisen, befinden sich in
Entwicklung. Damit ist eine Bordnetzauslegung im Vergleich zur bisher angewandten Kabeltechnik kostengünstig
realisierbar.
Das vorgestellte Bordnetzsystem mit
integrierter Schutzfunktion ist bereits in
verschiedenen Testfahrzeugen mehrerer
Fahrzeughersteller unter Realbedingungen im Einsatz und hat seine Funktionalität unter Beweis gestellt. Prototypen der
Systemkomponenten sind für kundenspezifische Entwicklungen verfügbar. Damit
steht der Einführung von neuen sicheren
Bordnetzen mit hybriden Spannungssystemen nichts mehr im Weg.
Dr. Thomas Flottmann ist Project
Manager EDS bei AFL in Frickenhausen.
infoDIRECT
Link zu AFL
www.all-electronics.de
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