Kapazitiver Funktionstest von Varistoren einer Fahrzeugbordnetz-Hochvoltschutzvorrichtung

Es ist bekannt, Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben auszustatten, die von Batterien gespeist werden. Hierbei sind neben Gleichspannungswandlern auch Inverter vorgesehen sowie Ladeschaltungen, die innerhalb des Fahrzeugbordnetzes mit dem Antrieb und der Batterie verbunden sind. Zum einen ist es zur Erreichung von hohen Leistungen erforderlich, dass diese Komponenten Hochvoltkomponenten sind und somit mit einer Nennspannung von mehr als 60 V, bspw. von 400 oder 800V arbeiten. Dies erfordert erhöhte Sicherheitsmaßnahmen, die bspw. durch eine Hochvoltisolierung gegeben sind, und insbesondere durch das Vorsehen eines Hochvoltbordnetzes, das galvanisch getrennt ist von Niedervoltabschnitten des Bordnetzes. Zum anderen ist es erforderlich, dass diese Hochvoltkomponenten überwacht oder angesteuert werden, wozu Niedervoltsignale verwendet werden. Diese Niedervoltsignale werden über Leitungen ausgetauscht, die sich aus dem Hochvolt-Bordnetzzweig heraus in den Niedervoltabschnitt hinein erstrecken.

Es wurde erkannt, dass sich daraus die Aufgabe ergibt, Möglichkeiten vorzusehen, mit der sich auch diese Niedervoltleitungen im Hinblick auf gefährliche Hochvoltpotentiale sichern lassen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.

Es wird vorgeschlagen, eine Fahrzeugbordnetz-Hochvoltschutzvorrichtung vorzusehen, die mittels Varistoren oder anderer Spannungsbegrenzungselemente vor Hochvoltpotentialen schützt. Zum einen kann dies geschehen, indem die Varistoren (oder die anderen Spannungsbegrenzungselemente) selbst gefährliche Hochvoltpotentiale zu einem Bezugspotential ableiten, und/oder indem mittels der Varistoren (oder anderer Spannungsbegrenzungselemente) ein Stromfluss vorgesehen wird, der durch gefährliche Hochvoltpotentiale (an einer Niedervoltleitung) veranlasst wird, sodass dieser Stromfluss durch weitere Maßnahmen, etwa durch Isolationswächter, sicher erfasst werden kann. Hierbei dienen die Varistoren (oder die anderen Spannungsbegrenzungselemente) zur Absicherung, indem diese zu leiten beginnen, wenn ein Hochvoltpotential an einer Stelle des Bordnetzes erscheint, an dem dieses in fehlerfreiem Zustand nicht auftreten würde.

Die Varistoren und die anderen Spannungsbegrenzungselemente haben als Bauelement die Eigenschaft, zu leiten, wenn eine über dem betreffenden Bauelement anliegende Spannung über oberhalb einer Grenzspannung (oder Durchbruchsspannung) liegt, und ansonsten nicht zu leiten. Diese Grenzspannung liegt beispielsweise über 20 V oder 40 V. Ferner haben diese Bauelemente die Eigenschaft, in fehlerhaftem Zustand, etwa nach einer Überlastung oder nach Überschreitung einer Alterungsgrenze, andere kapazitive Eigenschaften zu haben, als in fehlerfreiem Zustand (bei der etwa der Kapazitätsnennwert vorliegt). Diese Bauelemente können vorgesehen werden durch einen Varistor (wie erwähnt), oder können vorgesehen werden durch ein Spannungsbegrenzungselement wie ein Gasableiter, eine Funkenstrecke, eine Schutzdiode, eine Thyristorschaltung, einen DIAC, eine Zener-Diode und/oder eine Vierschichtdiode. Im Folgenden sind Eigenschaften, Merkmale und Ausführungsformen beschrieben, die sowohl für den dort genannten Varistor als auch für die anderen Spannungsbegrenzungselemente zutreffen. Insbesondere wird der Begriff „Varistor“ stellvertretend verwendet für: ein Varistor(-bauelement), ein Gasableiter, eine Funkenstrecke, eine Schutzdiode, eine Thyristorschaltung, einen DIAC, eine Zener-Diode und/oder eine Vierschichtdiode oder auch andere Bauelemente mit den eingangs erwähnten Eigenschaften.

Maßgeblich für die Absicherung ist die genannte Funktion der Varistoren, sodass gemäß des Anspruchsgegenstands die Funktionsfähigkeit dieser Varistoren überprüft wird. Dies wird ausgeführt, indem die Kapazität der Varistoren und des Varistors ermittelt wird, da anhand der Kapazität ermittelt werden kann, ob sich der Varistor in fehlerhaftem oder in fehlerfreiem Zustand befindet. Die Kapazität in fehlerfreiem Zustand ist etwa aus Datenblättern des Varistors bekannt und somit eine bekannte Eigenschaft des Varistors. Wird bei einer hohen Spannung ein Varistor angelegt, bei der dieser leitet, so kann der Varistor etwa durch einen zu hohen Durchflussstrom (d.h. höher als der Maximalstrom gemäß Auslegung) einen Schaden erleiden, der dazu führt, dass dieser nicht korrekt arbeitet. Mit Spannungen unterhalb der Schwellenspannung des Varistors lässt sich dies nicht sicher überprüfen, da bei zu geringen Spannungen (unterhalb des Schwellenwerts) der Varistor nicht leitet und in fehlerhaftem Zustand der Varistor ebenso (unabhängig von der angelegten Spannung) einen hohen Widerstand aufweist. Eine Überprüfung mittels hoher Spannungen (über der Schwellenspannung) birgt das Risiko einer gefährlichen Berührspannung.

Mittels der hier vorgeschlagenen Kapazitätsüberprüfung kann jedoch die Funktionsfähigkeit des Varistors ermittelt werden, ohne dass eine hohe Prüfspannung oberhalb des Schwellenwerts angelegt werden müsste, um so die dann einsetzende Leitung (in fehlerfreiem Zustand) zu überprüfen.

Es wird daher ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit einer Fahrzeugbordnetz-Hochvoltschutzvorrichtung (kurz: Schutzschaltung) beschrieben, die einen Varistor aufweist. Hierbei wird die Kapazität des Varistors bestimmt, wobei sich anhand dieser Kapazität ableiten lässt, ob der Varistor funktioniert oder nicht bzw. ob sich dieser in einem fehlerhaften oder in einem fehlerfreien Zustand befindet. Es wird somit der kapazitive Anteil der Wechselstrom impedanz des Varistors erfasst. Nachdem dieser erfasst wurde, etwa durch aktives Messen, wird dieser erfasste kapazitive Anteil ausgewertet und insbesondere mit einem Kapazitätsnennwert verglichen. Hierbei kann bspw. die Differenz gebildet werden zwischen dem erfassten kapazitiven Anteil und dem Kapazitätsnennwert (der bei fehlerfreiem Zustand von dem Varistor vorgesehen wird) oder es wird der kapazitive Anteil mit einem Kapazitätsintervall verglichen, dass einen Bereich kennzeichnet, den der Varistor in fehlerfreiem Zustand aufweist (etwa unter Berücksichtigung der Exemplarstreuung). Der Kapazitätsnennwert kennzeichnet die Kapazität eines funktionierenden Varistors, d.h. eines Varistors in fehlerfreiem Zustand; ein entsprechendes Intervall würde die Kapazität bzw. den Kapazitätsbereich eines funktionierenden Varistors kennzeichnen.

Der fehlerhafte Zustand des Varistors wird festgestellt, wenn der Vergleich ergibt, dass der kapazitive Anteil um mehr als um einen vorgegebenen Betrag von dem Kapazitäts-Nennwert abweicht. Dieser Nennwert kann bspw. auch gegeben sein durch die Grenzen eines Kapazitätsintervalls, welches die Kapazität eines funktionierenden Varistors kennzeichnet. In diesem Fall entspricht der Vergleich mit den Grenzen einem Vergleich des erfassten kapazitiven Anteils mit dem Intervall, das von den Grenzen definiert wird. Im Folgenden wird vereinfachend von einem Vergleich mit einem Kapazitäts-Nennwert gesprochen, wobei dies der Vergleich mit einem einzelnen Wert betreffen kann oder auch den Vergleich mit Grenzen eines Intervalls, das einen funktionierenden Varistor wiedergibt, oder mit Werten innerhalb dieses Intervalls.

Der vorgegebene Betrag gibt wieder, wie sehr der Anteil von dem Kapazitäts-Nennwert noch abweichen kann, um dennoch zu einem fehlerfreien Zustand zu gelangen bzw. gibt die Grenze wieder, bei deren Überschreiten von fehlerhaftem Varistor auszugehen ist. Der Betrag dient auch zur Berücksichtigung von Erfassungsfehlem oder Messfehlern sowie von Exemplarstreuungen des Varistors, um zu vermeiden, dass aufgrund von üblichen Mess- oder Erfassungsfehlem oder bei einer üblichen Streuung des Nenn-Kapazitätswerts nicht fälschlicherweise von einem fehlerhaften Varistor ausgegangen wird.

Das Erfassen kann durchgeführt werden durch einen aktiven Messvorgang, bei dem ein Wechselstromsignal an den Varistor angelegt wird, und bei dem das Wechselspannungssignal erfasst wird, das dadurch am Varistor erzeugt wird. Die Kapazität, d.h. der kapazitive Anteil, ergibt sich durch das Verhältnis des angelegten Wechselstromsignals zum Wechselspannungssignal in bekannter Weise. Auch eine hierzu komplementäre Messung ist möglich, bei der ein Wechselspannungssignal an den Varistor angelegt wird, und das am Varistor anliegende zugehörige Wechselstromsignal erfasst wird. Beim Anlegen eines Wechselstromsignals kann die direkt am Varistor anliegende Wechselspannung ermittelt werden, oder es kann eine Spannung ermittelt werden, die mit der am Varistor anliegenden Spannung variiert bzw. von dieser abhängt, um hieraus das Wechselspannungssignal zu bilden. Beim Anliegen eines Wechselspannungssignal an den Varistor kann das Wechselstromsignal erfasst werden, indem der durch den Varistor selbst fließende Strom erfasst wird, oder indem anhand eines Shunt-Widerstands zur Strommessung der Strom ermittelt wird, indem die am Shunt anliegende Spannung ermittelt wird, welche dem Wechselstrom entspricht. Es können sowohl das Wechselspannungssignal als auch das Wechselstromsignal direkte Messsignale sein oder es können hieraus abgeleitete Signale sein, insbesondere unter Verwendung von Verstärkern, Spannungsteilern, Shunt-Widerstände oder Ähnliches.

Wie erwähnt kann der kapazitive Anteil aktiv gemessen werden, d.h. Anlegen eines Anregungssignals (Anlegen eines Wechselstromsignals oder eines Wechselspannungssignals) und durch Erfassen eines sich daraus ergebenden Wechselspannungssignals bzw. Wechselstromsignals, das die Reaktion auf das Anregungssignal wiedergibt. Bei mehreren Varistoren kann für jeden Varistor eine eigene Einrichtung zur aktiven Erfassung vorgesehen sein, oder es kann durch Multiplexen ein- und dieselbe Erfassungseinrichtung verwendet werden, wobei diese gemeinsame Einrichtung abwechselnd bzw. nacheinander an die verschiedenen Varistoren angeschlossen wird, um deren kapazitiven Anteil zu messen. Die kapazitiven Anteile der Varistoren können somit mit individuellen Einrichtungen (bspw. eine pro Varistor) erfasst werden. Für jeden Varistor oder für eine Untergruppe hiervon kann eine eigene Signalquelle (Strom- oder Spannungsquelle für das anzulegende Wechselspannungs- oder

Wechselstromsignals) vorgesehen sein. Alternativ oder in Kombination hiermit kann für jeden Varistor oder für eine Untergruppe hiervon eine eigene Messeinrichtung vorgesehen sein, die das sich ergebende Signal (Wechselspannungssignal beim Anlegen eines Wechselstroms und Wechselstromsignal beim Anlegen einer Wechselspannung) erfasst. Somit besteht dann für jeden Varistor oder für eine Untergruppe hiervon eine eigene Messeinrichtung, die das sich ergebende Signal erfasst, das am zugehörigen Varistor besteht. Im Weiteren wird eine Möglichkeit beschrieben, bei der die kapazitiven Anteile mehrerer Varistoren durch Signalmultiplexing erfasst werden. Hierbei wird mit der gleichen Einrichtung der kapazitive Anteil mehrerer oder aller Varistoren erfasst, insbesondere nacheinander unter Verwendung von Signalmultiplexing. Es kann vorgesehen sein, dass dieselbe Signalquelle ein Wechselstromsignal an alle Varistoren oder an eine Untergruppe hiervon anlegt. Dies kann über eine Multiplexingvorrichtung geschehen, d.h. nacheinander, oder es kann das Wechselstromsignal (oder das Wechselspannungssignal) an alle Varistoren oder an eine Untergruppe hiervon gleichzeitig angelegt werden. Alternativ oder in Kombination hiermit kann für alle Varistoren oder für eine Untergruppe hiervon dieselbe Messeinrichtung das sich ergebende Signal an den Varistoren erfassen, d.h. an allen Varistoren oder er Untergruppe hiervon, insbesondere nacheinander. Bei der Erfassung der sich ergebenden Signale der Varistoren nacheinander wird vorzugsweise auch beim Messen ein Signalmultiplexing verwendet. Zudem kann dieselbe Einrichtung das sich ergebende Signal an allen Varistoren oder einer Untergruppe hiervon gleichzeitig erfassen (ohne Signalmultiplexing), da dadurch auch bei mehreren Varistoren ein stark erhöhter kapazitiver Anteil ermittelt werden kann, um so festzustellen, dass zumindest einer der Varistoren fehlerhaft ist. Dadurch wäre kein Signalmultiplexing erforderlich. Bei der Verwendung von Signalmultiplexing, insbesondere beim Messen, ergibt sich der Vorteil, dass nicht nur erkannt wird, dass mindestens einer der Varistoren fehlerhaft ist, sondern dass auch erkannt werden kann, welcher Vanstor fehlerhaft ist. Die Erfassung wäre daher varistorbezogen, und nicht bezogen auf eine Untergruppe oder auf alle Varistoren.

Vorzugsweise wird das Verfahren an einem Varistor ausgeführt, über den das Potential einer Niedervoltleitung mit einer Fahrzeugbordnetzmasse verbunden ist. Diese Niedervoltleitung ist aus dem Hochvoltbereich herausgeführt und kann so bei Fehlem der Isolation innerhalb des Hochvoltbereichs eine zu hohe Spannung führen (gegenüber Masse), so dass der Varistor ausgelöst wird (d.h. teilweise oder vollständig leitend wird). Dies betrifft insbesondere den Varistor bzw. alle Varistoren, deren kapazitiver Anteil erfasst wird. Insbesondere betrifft dies die Varistoren, deren erfasster kapazitiver Anteil verglichen wird mit einem Kapazitäts-Nennwert. Mit anderen Worten ist derjenige Varistor, dessen Zustand festgestellt wird, vorzugsweise mit einem Bezugspotential wie der Fahrzeugbordnetzmasse verbunden. Diese Verbindung ist vorzugsweise indirekt, d.h. führt über mindestens eine Impedanz, die insbesondere induktiv ist und/oder einen ohmschen Anteil aufweist. Somit kann das Verfahren an einem Varistor ausgeführt werden, der über eine Induktivität und/oder über einen Widerstand mit dem Bezugspotential (etwa Fahrzeugbordnetzmasse) verbunden ist. Insbesondere bei einer Anbindung des Varistors, an dem das Verfahren ausgeführt wird, über eine Schaltung oder eine Impedanz, die einen induktiven Anteil aufweist, ergibt sich vom Varistor aus gesehen zur Fahrzeugbordnetzmasse hin ein Tiefpass.

Ausführungsformen sehen daher vor, den oder die Varistoren über einen Tiefpass bzw. über einen Filter mit einer Dämpfung, die mit der Frequenz zunimmt, Hochsperre mit dem Bezugspotential zu verbinden. Dadurch kann das (aktive) Erfassen des kapazitiven Anteils der Wechselstrom im pedanz des Varistors unter Abtrennung des Bezugspotentials von dieser Erfassung durchgeführt werden, indem die Induktivität die von der aktiven Erfassung verursachten Wechselanteile gegenüber dem Bezugspotential abblockt. Mit anderen Worten wird der kapazitive Anteil der Wechselstrom im pedanz des Varistors vorzugsweise durch eine Schaltung (aktiv) erfasst, zwischen der und der Fahrzeugbordnetzmasse eine hierzu seriell geschaltete Impedanz vorliegt, die Wechselspannungs- oder Wechselstromsignale zur Fahrzeugbordnetzmasse hin dämpft. Bei der Erfassung des kapazitiven Anteils wird vorzugsweise ein Wechselsignal verwendet, dessen Frequenz derart ausgestaltet ist, dass die genannte Impedanz eine frequenzabhängige Dämpfung von mindestens 10, 30 oder 50 dB bei dieser Frequenz erzeugt. Entsprechend ist auch die Impedanz ausgebildet (im Bezug zu der verwendeten Frequenz des Wechselsignals). Die Frequenz kann mehr als 1 kHz, 10 kHz, vorzugsweise mindestens 100 kHz, 1 MHz oder 5 MHz.

Im Weiteren wird eine Fahrzeug-Hochvoltspannungsschutzschaltung beschrieben, die insbesondere zur Ausführung des hier beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Die Fahrzeug-Hochvoltspannungsschutzschaltung (kurz: Schutzschaltung) umfasst mindestens einen Schutzanschluss, der eingerichtet ist zur Verbindung mit einer Niedervoltleitung, welche aus einem Hochvoltbereich herausgeführt ist. Die Schutzschaltung umfasst ferner mindestens einen Varistor. Über diesen Varistor ist der Schutzanschluss mit einem Masseanschluss der Fahrzeug-Hochvoltspannungsschutzschaltung verbunden. Als Masseanschluss wird hierbei allgemein ein Bezugspotential bezeichnet, dass dem Fahrzeugchassis zuzuordnen ist. Dies gilt auch für die Fahrzeugbordnetzmasse. Der hier erwähnte Masseanschluss wird insbesondere die Fahrzeugbordnetzmasse oder, allgemein, ein bordnetzbezogenes Bezugspotential.

Die Schutzschaltung weist zudem eine Erfassungseinrichtung auf. Diese ist signalübertragend mit dem Varistor verbunden. Als signalübertragende Verbindung kann eine direkte leitungsbezogene Verbindung bezeichnet werden, oder auch Verbindungen über Filter, kapazitive Ankopplungen und/oder Spannungsteiler oder Verstärker. Die Erfassungseinrichtung ist eingerichtet, den kapazitiven Anteil der Wechselstrom im pedanz des Varistors zu erfassen, insbesondere auf Grund der signalübertragenden Verbindung mit dem Varistor. Ferner weist die Schutzschaltung eine Auswerteeinrichtung auf. Diese ist der Erfassungseinrichtung nachgeschaltet. Die Auswerteeinrichtung ist eingerichtet, den von der Erfassungseinrichtung erfassten kapazitiven Anteil mit einem Kapazitäts-Nennwert des Varistors zu vergleichen. Ferner ist diese Auswerteeinrichtung eingerichtet, bei einer Abweichung, die einen vorgegebenen Betrag übersteigt, an einem Signalausgang der Auswerteeinrichtung ein Fehlersignal abzugeben. Dieses kennzeichnet den Varistor als fehlerhaft. Die Erfassungseinrichtung ist somit ausgebildet zur Ausführung des hier beschriebenen Schritts des Erfassens des kapazitiven Anteils. Allgemein ist die Auswerteeinrichtung eingerichtet, den von der Erfassungseinrichtung erfassten kapazitiven Anteil wie beschrieben zu vergleichen.

Hierbei muss dieser nicht notwendigerweise der Erfassungseinrichtung nachgeschaltet sein, sondern kann auch Teil dieser Erfassungseinrichtung sein und beispielsweise einer Entität nachgeschaltet sein, die eingerichtet ist, den kapazitiven Anteil der Wechselstrom im pedanz des Varistors zu erfassen, etwa einer Messeinrichtung. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Erfassungseinrichtung sowohl mindestens eine Messeinrichtung als auch eine Wechselsignalquelle und zudem einen Vergleicher, der den Schritt des Vergleichens ausführt, und der entsprechend das Signal abgeben kann, welches einen fehlerhaften Zustand kennzeichnet.

Auch bei der Schutzschaltung kann eine Wechselstromquelle oder eine Wechselspannungsquelle verwendet werden, wie vorangehend anhand des Verfahrens beschrieben ist. Umfasst die Schutzschaltung eine Wechselstromquelle, dann ist diese mit dem mindestens einen Varistor (signalübertragend) verbunden und eingerichtet, einen Wechselstrom am Varistor einzuprägen. Somit dient der Wechselstrom zur Anregung. Die Erfassungseinrichtung oder eine Messeinrichtung hiervon ist mit dem Varistor signalübertragend verbunden und ist eingerichtet, die Spannung zu erfassen, die sich durch den eingeprägten Wechselstrom am Varistor (als Reaktion) ergibt. Hierbei kann die Wechselstromquelle ein Teil der Erfassungseinrichtung sein, oder ist eine Wechselstromquelle außerhalb der Erfassungseinrichtung (die eine Messeinrichtung und ggf. eine Vergleichseinrichtung aufweist).

Alternativ kann zur Anregung, das heißt zur aktiven Messung, eine Wechselspannungsquelle verwendet werden. Diese ist mit dem mindestens einen Varistor signalübertragend verbunden. Ferner ist die Wechselspannungsquelle eingerichtet, eine Wechselspannung an den Varistor anzulegen, der direkt oder indirekt über eine kapazitive Ankopplung, ein Widerstandsnetzwerk und/oder über einen Verstärker mit der Quelle verbunden ist. Die Erfassungseinrichtung ist ebenso mit dem Varistor (signalübertragend) verbunden. Die Erfassungseinrichtung ist eingerichtet, den Strom zu erfassen, der sich durch die angelegte Wechselspannung am Varistor ergibt. Die Wechselspannungsquelle kann Teil der Erfassungseinrichtung sein (die ferner eine Messeinrichtung und/oder eine Vergleichseinrichtung wie einen Komparator umfassen kann). Alternativ ist die Wechselspannungsquelle extern von der Erfassungseinrichtung vorgesehen.

In spezifischen Ausführungsformen sieht das (aktive) Erfassen des kapazitiven Anteils des Varistors vor, dass dieser mittels eines Wechselsignals angeregt wird, welches von einer Kommunikationseinheit stammt, die mit der Niedervoltleitung verbunden ist, an die auch der Varistor angeschlossen ist. Hierbei dient etwa ein Kommunikationssignal (Sensorsignal, Steuersignal, ... ) zur Anregung des Varistors, wobei das Kommunikationssignal übermittelt wird bei der Ausführung eines Sensorauswertungsverfahrens, eines Steuer- oder Regelverfahrens oder eines Verfahrens zur Versorgung von Niedervoltkomponenten mit Niedervoltspannung. Die Signalquelle für das Wechselsignal (das heißt die Wechselstromquelle oder die Wechselspannungsquelle) wäre in diesem Fall dann nicht eine dezidierte Signalquelle, sondern wäre eine Steuereinheit, Sensoreinheit oder ähnliches, die eine weitere Funktion erfüllt und mit der Niedervoltleitung verbunden ist, an der auch der Varistor angeschlossen ist. Daher sollen die Begriffe Wechselstromquelle und Wechselstromquelle sowohl dezidierte

Wechselsignalquellen als auch Wechselsignalquellen bezeichnen, die eine weitere Funktion aufweisen und im Rahmen dieser Funktion ein Wechselsignal erzeugen, etwa ein Datensignal, Kommunikationssignal, Steuersignal, Sensorsignal oder ähnliches. Auch eine Niedervoltstromversorgungsschaltung, die über die Niedervoltleitung übertragen wird, kann dieses Wechselsignal zur Erfassung des kapazitiven Anteils vorsehen, insbesondere, wenn dieses Wechselsignal im Hochvoltabschnitt zur Energieversorgung verwendet wird, etwa einer Niedervoltkomponente.

In diesem Fall wäre daher zur Ausführung der Schutzschaltung bzw. zur Ausführung des hier beschriebenen Verfahrens nur notwendig, dass zu einer bestehenden Vorrichtung eine passive Erfassungseinrichtung hinzugefügt wird, das heißt eine Erfassungseinrichtung, die nicht über eine eigene Signalquelle verfügt, sondern die eine Messeinheit und/oder eine Auswerteeinheit aufweist.

Die Schutzschaltung kann mehrere Varistoren umfassen. Hierbei kann für jeden Varistor, oder für eine Untergruppe hiervon, eine Erfassungseinrichtung vorgesehen sein. Diese ist signalübertragend mit dem jeweiligen Varistor verbunden. Dies kann auch nur für eine Messeinrichtung der Erfassungseinrichtung vorgesehen sein bzw. für eine Messeinrichtung, die der Erfassungsvorrichtung zugeordnet ist. In diesem Fall besteht eine feste Zuordnung zwischen Varistor und Erfassungseinrichtung. Alternativ kann ein Auswahlschalter vorgesehen sein, über den die Erfassungseinrichtung (oder dessen Messeinrichtung) mit allen Varistoren oder mit einer Untergruppe hiervon verbunden ist. Hierbei ist der Auswahlschalter eingerichtet, die Erfassungseinrichtung mit einem ausgewählten Varistor oder mit einer ausgewählten Untergruppe von Varistoren zu verbinden. Der Auswahlschalter ist somit eingerichtet, unter den Varistoren oder von den Untergruppen ein Element (Varistor oder Untergruppe) von mehreren auszuwählen, um dieses Element mit der Erfassungseinrichtung zu verbinden. Die Erfassungseinrichtung ist dann in der Lage, nacheinander die jeweiligen kapazitiven Anteile der verschiedenen Varistoren oder der verschiedenen Untergruppen der Varistoren zu ermitteln.

Mittels des Auswahlschalters wird das Signalmultiplexing ausgeführt. Insbesondere ist der Auswahlschalter eingerichtet, die Wechselstrom- oder Wechselspannungs-Signalquelle nacheinander mit unterschiedlichen Varistoren oder unterschiedlichen Untergruppen zu verbinden. Es kann auch eine gemeinsame Signalquelle vorgesehen sein, die das Wechselsignal (Wechselstrom oder Wechselspannung) an alle Varistoren oder an alle Untergruppen anlegt, während nur die Erfassungseinrichtung über den Auswahlschalter die einzelnen Varistoren oder Untergruppen auswählen kann.

Der mindestens eine Varistor ist vorzugsweise über einen Hochpassfilter mit dem Masseanschluss verbunden. Dadurch wird vermieden, dass das zur aktiven Messung vorgesehene Wechselsignal (Wechselstrom oder Wechselspannung) zum Masseanschluss hin abgeführt wird bzw. über den Masseanschluss in weitere Komponenten des Fahrzeugbordnetzes dringt. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Varistor über eine Induktivität und/oder über einen Widerstand mit dem Masseanschluss verbunden. Auch die Verwendung eines Widerstands sieht eine Dämpfung von Wechselstrom- oder Wechselspannungskomponenten bei der Übertragung zum Masseanschluss vor.

Wie erwähnt dient das hier beschriebene Verfahren und die hier beschriebenen Vorrichtungen zum Schutz von mindestens einer Niedervoltleitung, die aus einem Hochvoltbereich herausgeführt ist. Hierbei ist der Hochvoltbereich in einem abgeschlossenen Gehäuse vorgesehen. Aus diesem heraus werden Niedervoltleitungen geführt, etwa zur Steuerung oder zur Zensierung oder auch zur Versorgung (Niedervolt) von Komponenten innerhalb des Hochvoltbereichs. Insbesondere durchdringt die mindestens eine Niedervoltleitung die Gehäusewand, die den Hochvoltbereich räumlich abschließt. Mit anderen Worten durchdringt die mindestens eine Niedervoltleitung die Begrenzung, mittels der der Hochvoltbereich räumlich begrenzt ist, insbesondere gegenüber dem Niedervoltbereich bzw. der Umgebung des Hochvoltbereichs. Die mindestens eine Niedervoltleitung durchdringt in einer Ausführungsform eine Isolation, welche den Hochvoltabschnitt von dem Niedervoltabschnitt trennt.

Im Weiteren wird dies beispielhaft anhand eines Hochvolt-Fahrzeugbordnetzes näher beschrieben.

Es wird ein Hochvolt-Fahrzeugbordnetz mit einem räumlich begrenzten Hochvoltbereich vorgesehen, aus dem mindestens eine Niedervoltleitung herausgeführt ist. Die mindestens eine Niedervoltleitung durchdringt hierbei die räumliche Begrenzung des Hochvoltbereichs. Diese Begrenzung trennt den Hochvoltbereich von der Umgebung, insbesondere von einem Niedervoltbereich. Die Niedervoltleitung kann hierbei vom Hochvoltbereich in den Niedervoltbereich führen. Ist eine Hochvoltspannungs-Schutzschaltung vorgesehen, wie sie hierin beschrieben ist, dann ist der mindestens eine Schutzanschluss dieser Schutzschaltung mit der mindestens einen Niedervoltleitung verbunden. Sind mehrere Niedervoltleitungen vorgesehen, dann weist die Schutzschaltung vorzugsweise Schutzanschlüsse in mindestens der gleichen Anzahl auf, so dass für jede Niedervoltleitung ein individueller Schutzanschluss vorgesehen ist.

Der Hochvoltbereich ist mittels einer Isolation vor dem Niedervoltbereich getrennt. Mit anderen Worten ist die mindestens eine Niedervoltleitung durch diese Isolation hindurch aus dem Hochvoltbereich herausgeführt. Die Isolation kann vorgesehen werden durch die räumliche Begrenzung des Hochvoltbereichs bzw. von einem Gehäuse oder einer Umschließung des Hochvoltbereichs. In dem Niedervoltbereich befindet sich die genannte Schutzschaltung. Der Niedervoltbereich weist ein Massepotential auf, beispielsweise das Potential des Chassis, wobei vorzugsweise der Masseanschluss der Schutzschaltung mit diesem Potential verbunden ist. Das Massepotential ist insbesondere getrennt von dem Hochvoltbereich vorgesehen. Der Schutzanschluss bzw. die Niedervoltleitung ist galvanisch mit dem Massepotential verbunden. Aus diesem Grund kann über den Varistor ein Isolationsfehler bzw. eine mangelhafte galvanische Trennung zwischen Hochvoltbereich und Niedervoltbereich einerseits und Niedervoltbereich bzw. Massepotential oder Masseanschluss andererseits erfasst werden.

Die Niedervoltleitung kann als Sensorleitung vorgesehen sein. Insbesondere kann die Niedervoltleitung zu einem Sensor innerhalb des Hochvoltbereichs führen. Derartige Komponenten sind beispielsweise als Temperatursensor, Spannungssensor, Stromsensor, Drucksensor oder ähnliches ausgebildet. Die Niedervoltleitung kann ferner eine Datenleitung sein, insbesondere eine Datenleitung zur Kommunikation mit Komponenten innerhalb des Hochvoltbereichs. Beispielsweise kann die Datenleitung eine Steuerleitung sein, um eine Komponente innerhalb des Hochvoltbereichs vom Niedervoltbereich aus anzusteuern. Auch umgekehrt kann die Datenleitung dazu dienen, dass eine Komponente innerhalb des Hochvoltbereichs eine Komponente innerhalb des Niedervoltbereichs ansteuert, oder allgemein mit dieser kommuniziert, beispielsweise auch um Sensordaten zu übertragen. Beispiele hierfür sind beispielsweise die Kommunikation zwischen einem Batteriemanagementsystem innerhalb des Hochvoltbereichs, das mit einer Komponente des Niedervoltbereichs kommuniziert.

Schließlich kann die Niedervoltleitung eine Niedervolt-Versorgungsleitung sein, die von einer Komponente des Hochvoltbereichs zum Niedervoltbereich führt, um von diesem aus mit einer Niedervoltspannung versorgt zu werden. Beispiele hierfür sind Niedervolt-Spannungsquellen, die über eine Niedervoltleitung in Form einer Niedervolt-Versorgungsleitung mit einem Sensor oder einer Kommunikationskomponente innerhalb des Hochvoltbereichs verbunden sind, und eingerichtet sind, diese Komponente innerhalb des Hochvoltbereichs zu versorgen. Diesen Leitungen ist gemeinsam, dass sie im fehlerfreien Betrieb, das heißt bei fehlerfreier Isolation bzw. galvanischer Trennung gegenüber dem Massepotential bzw. dem Masseanschluss eine Spannung aufweisen, die kleiner ist als 60 V (insbesondere kleiner als 24 V). Beispielsweise können die Datenleitungen Spannungen führen, die zwischen 0 und 5 V oder zwischen 0 und 12 V variieren. Dies gilt auch für die Versorgungsleitung. Ausführungsformen sehen vor, dass mehrere Niedervoltleitungen vorgesehen sind, wobei von diesen ein oder mehrere Sensorleitungen sind, ein oder mehrere Datenleitungen sind und/oder ein oder mehrere Niedervolt-Versorgungsleitungen sind.

Die Figur 1 zeigt ein Hochvolt-Fahrzeugbordnetz mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung zur näheren Erläuterung von Ausführungsformen der hier beschriebenen Gegenstände.

Das Hochvolt-Fahrzeugbordnetz FB der Figur 1 weist einen räumlich begrenzten Hochvoltbereich HV, der über eine Isolation IN an einen Niedervoltbereich angrenzt. Es bestehen Niedervoltleitungen NL innerhalb des Niedervoltbereichs NV, die aus dem Hochvoltbereich herausgeführt sind, die Isolation IN durchdringen, insbesondere auch ein Gehäuse, in dem sich der Hochvoltbereich HV befindet, und die in den Niedervoltbereich NV hineingeführt sind. Die Komponenten, die mittels der Niedervoltleitungen NL miteinander verbunden sind, sind zur besseren Übersicht nicht dargestellt. Jedoch kann allgemein davon ausgegangen werden, dass die dargestellten Niedervoltleitungen mindestens eine Komponente des Niedervoltbereichs NV mit mindestens einer Komponente des Hochvoltbereichs HV verbinden.

Die Niedervoltleitungen NL sind beispielhaft als Signalleitung SL, Datenleitung DL und Versorgungsleitung VL dargestellt, wobei die unterste Leitung der Leitungen NL auch eine Kommunikationsleitung sein kann.

Das Hochvolt-Fahrzeugbordnetz FB der Figur 1 ist ferner mit einer Fahrzeug-Hochvoltspannungsschutzschaltung (kurz: Schutzschaltung) ausgestattet. Diese weist zur Verbindung mit den Niedervoltleitungen NL mehrere Schutzanschlüsse SA, SA' auf. Die Schutzanschlüsse dienen zur Anbindung an die einzelnen Niedervoltleitungen und dienen ferner zum Anschluss von Varistoren V der Schutzschaltung. Die Varistoren der Figur 1 sind jeweils einer bestimmten Niedervoltleitung NL zugeordnet bzw. einem spezifischen Schutzanschluss SA. Auf der den Schutzanschlüssen abgewandten Seite sind die Varistoren V mit einem Masseanschluss MA der Schutzschaltung verbunden, insbesondere über die dargestellte Induktivität L. Diese verhindert, dass bei der aktiven Messung Wechselspannungs- oder Wechselstromanteile, die bei der Messung verwendet werden, zum Masseanschluss MA bzw. zum Massepotential M des Niedervoltbereichs gelangen. Der Masseanschluss MA der Schutzschaltung ist, wie dargestellt, mit der Masse bzw. dem Massepotential M des Niedervoltbereichs NV verbunden. Die Induktivität bildet allgemein einen Tiefpass und verhindert so den Übergang von Wechselanteilen von der Schutzschaltung zu anderen Potentialen des Niedervoltbereichs NV.

Die Schutzschaltung kann mit einer Erfassungseinrichtung EE‘ ausgebildet sein, die zum einen eine Wechselstromquelle Q und zum anderen einen Schandwiderstand bzw. Messwiderstand Rs aufweist. Die Wechselstromquelle ist über den Messwiderstand Rs mit den Varistoren verbunden, insbesondere mit der Seite der Varistoren V, die den Schutzanschlüssen abgewandt ist. Eine Messeinrichtung ME ist parallel zu dem Messwiderstand Rs vorgesehen. Diese kann im dargestellten Beispiel als Spannungsmesseinrichtung vorgesehen sein. Diese misst die Spannung, die entsteht, wenn die Wechselstromquelle Q ein Wechselstromsignal über den Messwiderstand Rs an die Varistoren V anlegt. Die Messeinrichtung ME gibt ein Signal ab, welches die Größe des kapazitiven Anteils des ausgewählten (gemessenen) Varistors V kennzeichnet. Diese Größe wird an den Komparator K weitergegeben, der der Messeinrichtung ME nachgeschaltet ist. Dieser vergleicht den Wert, der dem kapazitiven Anteil entspricht, mit einem vorgegebenen Wert, um so zu ermitteln, ob der kapazitive Anteil bzw. die gemessene Kapazität des betreffenden Varistors in einem Nennbereich liegt bzw. um nicht mehr als einen Betrag von einem Nennwert abweicht oder nicht. Das Ergebnis wird an den Ausgang A des Komparators abgegeben, wobei das Signal am Ausgang A wiedergibt, ob der betreffende Varistor V auf Grund des zu stark abweichenden kapazitiven Anteils als fehlerhaft zu kennzeichnen ist, oder nicht.

Zur Auswahl des Varistors V, der zu messen ist, ist ein Auswahlschalter MX vorgesehen, der (über einen Widerstand RI) mit der Stromquelle Q verbunden ist, und wahlweise so wie Quelle Q mit einem der Schutzanschlüsse SA' verbindet. Zur besseren Darstellung der Funktionalität sind die Schutzanschlüsse SA' getrennt von den Schutzanschlüssen SA dargestellt. Hierbei dienen die Schutzanschlüsse SA zur Anbindung der Varistoren an die Niedervoltleitungen NL und die Schutzanschlüsse SA' zur Anbindung der Erfassungseinrichtung EE' (bzw. dessen Wechselstromquelle Q) an die einzelnen Leitungen NL. Ferner dienen die Schutzanschlüsse SA' zur Anbindung der Messeinheit ME bzw. des zugehörigen Messwiderstands Rs an die Niedervoltleitungen NL (über den Auswahlschalter MX). Die Schutzanschlüsse SA' dienen somit der aktiven Erfassung bzw. Messung des kapazitiven Anteils der Varistoren V, die wiederum zur Ableitung von Strom bei zu hohen Spannungen der Niedervoltleitungen NL (gegenüber Masse) dienen. Es ist ersichtlich, dass die Schutzanschlüsse SA' und SA an dieselben Potentiale angeschlossen sind, so dass bei einer konkreten Ausführungsform innerhalb der Schutzschaltung die Schutzanschlüsse SA' und SA miteinander verbunden werden, um so einen gemeinsamen Schutzanschluss für die Niedervoltleitungen NL darzustellen. Dadurch muss jede Niedervoltleitung NL nur einmal kontaktiert werden.

Der Auswahlschalter MX dient zur Auswahl eines der Varistoren V. Im dargestellten Beispiel ist der Varistor V ausgewählt, der mit der Signalleitung SL verbunden ist. Über den Auswahlschalter MX wird dadurch ein Wechselstrom an diesen Varistor angelegt, während ebenfalls über den gleichen Auswahlschalter MX in gleicher Weise ausgewählt ist, dass die sich am betreffenden Varistor V ergebende Spannung über die Messeinheit ME erfasst wird. Ist die Quelle Q eine Wechselspannungsquelle, dann ergibt sich das gleiche Bild: Die Spannung wird über den Messwiderstand Rs einerseits und über den Auswahlschalter MX andererseits an den betreffenden Varistor angelegt, der an die Signalleitung SL angeschlossen ist. Mittels des Messwiderstands Rs wird der zugehörige Strom erfasst durch Erfassen der Spannung, die an diesen Widerstand Rs abfällt. Somit dient auch hier die Messeinheit zur Erfassung des Stroms über den Widerstand Rs. Alternativ kann die Messeinheit auch direkt die am Varistor V abfallende Spannung erfassen (wie durch Erfassungseinrichtung EE dargestellt). Unabhängig jedoch von der konkreten Ausgestaltung und Anknüpfung der Messeinheit ME erfasst diese entweder den durch den Varistor fließenden Strom mittels des als Schandwiderstand dienenden Messwiderstands Rs, oder misst eine Spannung, aus der sich die am Varistor V abfallende Spannung ableiten lässt.

Anstatt der Verwendung einer Erfassungseinrichtung EE‘ für alle Varistoren V durch Verwendung eines Auswahlschalters können auch Erfassungseinrichtungen, wie mit dem Bezugszeichen E dargestellt, vorgesehen werden. Auf der rechten Seite gestrichelt dargestellt ist eine erste Erfassungseinrichtung EE, die parallel an den am weitesten rechts dargestellten Varistor V angeschlossen ist. Eine weitere Erfassungseinrichtung EE, mit Punktlinien dargestellt, ist mit einer anderen Niedervoltleitung NL verbunden, nämlich mit der Leitung VL. Mit anderen Worten sind die verschiedenen dargestellten Erfassungseinrichtungen EE mit verschiedenen Varistoren verbunden, um die darüber abfallende Spannung zu messen. Jede Erfassungseinrichtung EE weist eine Messeinheit ME‘, mit der die am Varistor V abfallende Spannung erfasst wird, auf. Zudem weist jede der Erfassungseinrichtungen EE eine Quelle Q‘ auf, mittels der ein Wechselspannungssignal an den angeschlossenen Varistor V angelegt werden kann. Ist die Quelle Q eine Wechselstromquelle, dann erfasst die Messeinheit ME' die am angeschlossenen Varistor V abfallende Spannung. Ist die Quelle Q' eine Wechselspannungsquelle, dann erfasst die Messeinrichtung ME' den Strom, der zwischen Quelle und angeschlossenem Varistor fließt. Jede Erfassungseinrichtung EE ist eingerichtet, den kapazitiven Anteil des angeschlossenen Varistors zu errechnen, insbesondere durch Ermitteln des Verhältnisses von gemessenem oder eingeprägtem Strom zu abfallender Spannung bzw. angelegter Spannung. Dieses Ergebnis wird wie dargestellt an jeweilige Komparatoren K' weitergegeben, wobei deren jeweiligen Ausgänge A' ein Signal abgeben, dass kennzeichnet, ob der gemessene kapazitive Anteil um mehr als einen Betrag von einem Nennanteil abweicht, oder nicht. Ist die Abweichung größer als der vorgegebene Betrag, dann wird von einem fehlerhaften Varistor ausgegangen. Die Ausgänge A' können kombiniert werden, etwa mittels einer logischen ODER-Schaltung. Diese erfasst, ob mindestens ein Ausgang A' ein Signal abgibt, dass einen fehlerhaften Varistor kennzeichnet. Die ODER-Verknüpfung kann einen Gesamtausgang aufweisen, der angibt, ob mindestens einer der einzelnen Ausgänge A' einen fehlerhaften Varistor kennzeichnet, um so allgemein einen Fehler in der Schutzschaltung bzw. einen Fehler in der Gruppe der Varistoren zu kennzeichnen bzw. auszugeben.