Verfahren zum Betrieb einer Sicherheitsvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer

Sicherheitsvorrichtung.

Stand der Technik

Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen

Elektromotor, der die gesamte oder einen Teil der Antriebsleistung liefert.

In Hybridfahrzeugen wird ein Teil der, bei Elektrofahrzeugen die gesamte

Antriebsleistung mit einem Elektromotor erzeugt. Die elektrische Energie muss mittels Leistungselektronik auf die für den elektrischen Antriebsmotor passende Spannung und Frequenz umgewandelt werden. Dafür werden leistungsstarke Gleichstromsteller und Wechselrichter verwendet, welche bei Hybridfahrzeugen die Energie bei Generatorbetrieb des Motors auch zur Zwischenspeicherung in Akkumulatoren oder Doppelschicht- Kondensatoren aufbereiten. Die unter

Hochspannung stehenden Komponenten werden häufig auf geringstem Raum im jeweiligen Gehäuse angeordnet, um Platz einzusparen. Daraus folgt, dass aufgrund kleiner Abstände bzw. durch Metallsplitter oder andere mögliche leitfähige Verunreinigungen ein Lichtbogen bzw. Störlichtbogen entstehen kann.

So müssen beispielsweise in Hochspannungs-DC Anwendungen, wie bspw. dem elektrischen Antriebsstrang eines Hybrid- Kfz zur Vermeidung von Kurzschlüssen und Lichtbögen im Gerät entsprechend den im Betrieb auftretenden Spannungen, dem zu berücksichtigenden Verschmutzungsgrad, der Homogenität der elektrischen Feldverteilung für Basis- und Funktionsisolierung Mindest-Abstände für Luft- und Kriechwege eingehalten werden. Eine Prämisse für die Festlegung dieser Mindest-Abstände ist, dass bei der Montage des Geräts und anhaftend an im Gerät eingebauten Komponenten keine leitfähigen Partikel entstehen oder eingetragen werden, die eine in den Sicherheitszuschlägen der Luft- und Kriechstrecken definierte Größe überschreiten. Die Lieferanten der Gerätekomponenten können die Maximalgröße eingetragener bzw. anhaftender Partikel (sog. "Flitter") nachteilig jedoch nur mit einer endlichen Wahrscheinlichkeit sicherstellen. Auch durch Feuchtigkeit und ungewollte Betauung kann ein

Lichtbogen entstehen. Ein Störlichtbogen oder auch Fehlerlichtbogen ist in der elektrischen Energietechnik ein technisch unerwünscht auftretender Lichtbogen zwischen elektrischen Anlagenteilen. Bei ungenügendem Abstand oder

ungenügender Isolation zwischen zwei elektrischen Potenzialen kann es zu einem ungewollten Spannungsüberschlag kommen, in dessen Verlauf ein Lichtbogen entsteht. Dieser Spannungsüberschlag kann auch in einem elektrischen Bauteil selber entstehen, weil sich die Kontakte zu langsam trennen, oder die

Isolationsschicht zwischen den stromführenden Teilen ihrer Isolierfähigkeit beraubt wurde.

Die Lichtbögen, die bei Spannungsüberschlag entstehen, setzen in der Regel die Lebensdauer des Bauteils massiv herab und können es im schlimmsten Fall auch zerstören. Lichtbögen sind bei Hochspannung führenden Bauteilen eine

erhebliche Gefahr. Durch die große Lichtbogenleistung und hohe Temperatur des Lichtbogens kommt es neben der starken Lichtwirkung zu einem lauten Knall und brennbare Gegenstände in unmittelbarer Umgebung können Feuer fangen. Es besteht Brandgefahr. Im Niederspannungsbereich können Störlichtbögen infolge von Störstellen in elektrischen Leitungen auftreten, meist Leitungsschäden wie z.B. beschädigte Isolation infolge von Leitungsquetschungen oder zu geringe Biegungsradien bei elektrischen Leitungen. Hier können Kriechströme durch Verschmutzungen und Ablagerungen entstehen, die sich in einem Störlichtbogen entzünden. Auch bei losen Kontakten bei nicht korrekt montierten Bauteilen oder durch abgeknickte Leitungen können Störlichtbögen beispielsweise durch ionisierte Gase zwischen den losen Leitungsenden entstehen. Auf Leiterplatten, besonders häufig in Schaltnetzteilen, richten Überschläge erheblichen Schaden an, weil sich das Leitermaterial (Kupfer) auf dem Leiterplattenmaterial als

Metalldampfschicht niederschlägt und Kriechstrecken überbrückt. Falls kein Austausch der gesamten Baugruppe möglich ist, werden derartige Schäden durch Schlitze in der Platine behoben; die neue Kriechstrecke besteht aus einem

Luftspalt. Als Vorsorgemaßnahme dienen Lötaugen mit Hohlniet, dickere Kupferschichten, mit Draht verstärkte Leiterzüge, gekammerte Gehäuse sowie reichlich dimensionierte Kriechstrecken. Dem steht die Miniaturisierung aufgrund des geringen Bauraums wie z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen entgegen. Lichtbögen müssen somit unbedingt vermieden bzw. für den Fall, dass es zur Lichtbogenbildung kommt, rasch gelöscht werden.

Bezüglich der Entstehung von Lichtbögen in Hochspannungs-DC Anwendungen, wie bspw. dem elektrischen Antriebsstrang eines Hybrid- Kfz müssen zur

Lichtbogenerkennung die angeschlossenen Geräte wie Antriebsumrichter und DC/DC-Wandler mit geeigneten Sensoren überwacht werden. Als Reaktion auf einen erkannten Lichtbogen muss eine Abschaltung der

Hochspannungsversorgung des vom Störlichtbogen / Lichtbogen betroffenen Geräts erfolgen bevor die im Lichtbogen umgesetzte Energie so hoch wird, dass der Lichtbogen auf das Gerätegehäuse überspringt oder aus dem Gerät austritt und damit einen Brandfall verursacht. Beim Auftreten eines Störlichtbogens entstehen in einem Gerät im Zeitbereich von Mikrosekunden nachteilig leitfähige Partikel (z.B. karbonisierte Isoliermaterialien, Ruß, Plasma, verdampfte

metallische Leitmaterialien, etc.). Durch die thermische und elektromagnetische Wirkung des Störlichtbogens werden diese Partikel explosionsartig innerhalb des betroffenen Geräts verteilt. Diese Partikel werden als Ursache für das Zünden sekundärer Störlichtbögen innerhalb eines betroffenen Geräts betrachtet. Als Sensorik zur Erkennung eines Lichtbogens werden im Stand der Technik diverse Methoden vorgeschlagen. Zum einen findet eine Auswertung des Druckanstiegs durch thermische Wirkung eines Störlichtbogens innerhalb eines

eingeschlossenen Gerätevolumens statt. Zum anderen wird die von einem

Störlichtbogen im Gerät ausgesandten Strahlung (im sichtbaren und nicht sichtbaren Bereich) ausgewertet (siehe DE 20 2005 011 504 Ul). Weiterhin wird die akustische Wirkung beim Entstehen eines Störlichtbogens ausgewertet oder die in einem Gerät umgesetzte Energie (Quellen- / Senken-Vergleich) saldiert. Alternativ wird das von einem Lichtbogen erzeugte Hochfrequenz-Spektrums ausgewertet. Einige der genannten Verfahren sind nachteilig aufgrund des hierfür erforderlichen Aufwands an Sensorik und erforderlicher Rechenleistung zur Erkennung, bzw. aufgrund der Störanfälligkeit in der Anwendung in

Hochspannungs-DC-Anwendungen stark eingeschränkt. Einige der Verfahren haben insoweit Einschränkungen, dass in Geräten mit unterteiltem Gehäuse mehrere Erkennungseinrichtungen erforderlich werden um eine zur Begrenzung der Lichtbogenenergie erforderliche Detektionszeit einzuhalten. Plausibilisierung und Verknüpfung mehrerer Einzelsensoren bedingen zusätzlichen

Rechenaufwand und Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT).

Es besteht daher der Bedarf nach einem Verfahren, durch das die Zündung sekundärer Lichtbögen im Gehäuse effektiv unterbunden wird.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass die Entstehung sekundärer Lichtbögen unterbunden wird.

Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zum Betrieb einer Sicherheitsvorrichtung vorgesehen, wobei die Sicherheitsvorrichtung ein Gehäuse mit mindestens einem stromführenden Element umfasst, wobei das stromführende Element im

Gehäuseinnenraum angeordnet ist und von dem Gehäuse umschlossen wird. Im Gehäuseinnenraum des Gehäuses ist ein Partikeldetektor angeordnet, der den Gehäuseinnenraum bezüglich der Entstehung von Partikeln überwacht.

Vorteilhafterweise erkennt der Partikeldetektor die bei einem Lichtbogen entstehenden Partikel, sobald diese vom Entstehungsort (dem primären

Lichtbogen) im Gesamtgerät ausgestreut werden. Werden Partikel im Gehäuse durch den Partikeldetektor erkannt, kann vorteilhafterweise eine Abschaltung der Hochspannungsversorgung des Gerätes erfolgen, wodurch einem evtl.

entstehenden Brandfall vorgebeugt werden kann.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Vorteilhafterweise ist der Partikeldetektor eine Lichtschranke. Eine Lichtschranke ist in der Optoelektronik ein System, das die Unterbrechung eines Lichtstrahls erkennt und als elektrisches Signal anzeigt. Vorteilhafterweise können mittels der Lichtschranke bewegliche Objekte wie z.B. Partikel berührungslos detektiert werden.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Partikeldetektor eine Strahlungsquelle (Sender) und einen Strahlungsempfänger (Empfänger) aufweist. Ein funktionaler Test der Lichtschranke (mit einem zwischen Strahlungsquelle und einem

Strahlungsempfänger liegenden Detektionspfad), ist vorteilhafterweise jederzeit einfach über die beiden Lichtschranken- Komponenten Sender und Empfänger möglich.

Als Strahlungsquelle wird vorteilhaft eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode verwendet. Als Leuchtdioden eignen sich beispielsweise solche mit einer

Wellenlänge von 660 nm (sichtbares rotes Licht) oder Infrarot-LEDs mit 880-940 nm im Infrarotbereich. Infrarotlicht hat den Vorteil, auf dunklen Materialien eine höhere Reichweite zu erzielen, auch ist es für das menschliche Auge nicht sichtbar. Der Vorteil beim Rotlicht besteht in der einfacheren Einstellung des Sensorsystems durch den sichtbaren Lichtfleck. Für besonders präzise

Anwendungen (Kleinteileerkennung, hohe Wiederholgenauigkeit) wird i. d. R. Licht aus einer Laserdiode eingesetzt.

Als Strahlungsempfänger werden vorzugsweise ein Fotowiderstand, eine

Fotodiode oder ein Fototransistor eingesetzt.

Je mehr Licht auf den Fotowiderstand fällt, desto kleiner wird sein elektrischer Widerstand, wodurch die Detektion von Partikeln möglich ist. Im Vergleich zu anderen Lichtsensoren reagieren Fotowiderstände allerdings eher langsam.

Fotodioden hingegen werden unter anderem verwendet, um Licht in

eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen. Treten Partikel in den Lichtweg der Lichtschranke, trifft entsprechend weniger Licht auf den Empfänger, wodurch eine geringer elektrische Spannung registriert und somit auf das Vorhandensein von Partikeln im Gehäuse geschlossen werden kann. Fototransistoren sind vorteilhafterweise wesentlich empfindlicher als Fotodioden, da sie gleichzeitig als Verstärker wirken.

Die Sicherheitsvorrichtung überwacht vorteilhafterweise den Strahlungsempfänger auf eine von einem Lichtbogen ausgesandte Strahlung. Ein Lichtbogen weist bei seiner Entstehung ein Hochfrequenz-Spektrums auf, dass mittels des

Strahlungsempfängers empfangen und anschließend ausgewertet werden kann. Es ist somit mittels der Lichtschranke nicht nur möglich, Partikel zu detektieren und somit die Entstehung von Sekundärlichtbögen zu vermeiden, sondern auch die Entstehung von Lichtbögen generell zu detektieren.

Zusätzlich ist vorteilhaft, die Lichtschranke an oder in einer Öffnung des Gehäuses anzuordnen. Alternativ ist die Lichtschranke zwischen Unterteilungen oder

Abschottungen innerhalb des Gerätes eingebaut. Der mit der Entstehung eines Lichtbogens verbundene Druckanstieg am Entstehungsort führt zu einer kurzzeitigen Druckdifferenz zwischen Entstehungsort und restlichem Gehäuse, wodurch Partikel zwangsläufig durch vorhandene Öffnungen bzw.

Gehäuseöffnung transportiert werden und daher an dieser Stelle - an der die Lichtschranke vorteilhafterweise angeordnet ist - sicher erkannt werden können.

Da ein Austritt der vom Störlichtbogen generierten Partikel aus dem

Gerätegehäuse eher unerwünscht ist, verbietet es sich, zur Partikeldetektion zusätzliche Geräteöffnungen an der Außenseite des Geräts vorzusehen.

Entsprechend werden als Öffnungen die in Geräten üblicherweise vorhandene Druckausgleichsöffnung (DAE) für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem

Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter

Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges und der

Sicherheitsvorrichtung;

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung;

Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 21 mit einer

Sicherheitsvorrichtung 10. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11. Dieses Gehäuse 11 besitzt einen Gehäuseinnenraum 13, in dem ein

stromführendes Element 12 angeordnet ist. Bei dem stromführenden Element 12 kann es sich um beliebige Elektronikbauteile / -elemente handeln (z.B.

Leistungselektronik 23, DCDC-Wandler 23, etc.), die von dem Gehäuse 11 umschlossen werden bzw. sich im Gehäuse 11 befinden. Die

Sicherheitsvorrichtung 10 ist mit einer Batterie 22 und einem Elektromotor 20 verbunden und kann Teil einer Ladevorrichtung 25 (hier nicht dargestellt) sein.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung 10.

Gleiche Elemente in Bezug auf Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11, in dessen Gehäuseinnenraum 13 ein stromführendes Element 12 (eine Leistungselektronik 23, ein DCDC Wandler 23, etc.) angeordnet ist. Das Gehäuse 11 kann Unterteilungen bzw. Abschottungen innerhalb des Gehäuses 11 aufweisen. In dem Gehäuseinnenraum 13 ist ein Partikeldetektor 15 angeordnet. Der Partikeldetektor 15 ist als Lichtschranke ausgeführt und besteht aus einer Strahlungsquelle 16 (Sender) und einem Strahlungsempfänger 17 (Empfänger). Als Strahlungsquelle 16 wird vorteilhaft eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode verwendet. Als Strahlungsempfänger 17 werden vorzugsweise ein

Fotowiderstand, eine Fotodiode oder ein Fototransistor eingesetzt. Die

Strahlungsquelle 16 sendet einen elektromagnetischen Strahl aus, der auf den Strahlungsempfänger 17 gerichtet ist. Treten Partikel 24 zwischen den

Strahlungsempfänger 17 und die Strahlungsquelle 16 werden diese durch die Lichtschranke 15 registriert, was dazu führt, dass die Sicherheitsvorrichtung 10 die Spannungsversorgung 26 des stromführenden Elementes 12 abschaltet.

Weiterhin überwacht die Sicherheitsvorrichtung 10 den Strahlungsempfänger 17 auf eine von einem Lichtbogen 19 ausgesandte Strahlung. Entsteht ein Lichtbogen 19, wird die dabei entstehende Strahlung von dem Strahlungsempfänger 17 zusätzlich zu der von der Strahlungsquelle 16 ausgesandten Licht registriert. Die Strahlung des Lichtbogens 19 weist ein typisches Hochfrequenz-Spektrum auf, das auf die Entstehung eines Lichtbogens 19 hindeutet. Somit kann die

Sicherheitsvorrichtung 10 bereits die Spannungsversorgung 26 abschalten, bevor mittels der Lichtschrank 15 überhaupt Partikel 24 detektiert worden sind. Der Partikeldetektor 15 ist an oder in einer Öffnung 18 des Gehäuses 11 angebracht. Entsteht ein Lichtbogen 19, wird die Luft um den Lichtbogen herum schlagartig erwärmt, wodurch es zu einem Druckanstieg am Entstehungsort des Lichtbogens 19 kommt. Die kurzzeitige Druckdifferenz zwischen Entstehungsort und dem restlichen Gehäuse 11 führt dazu, dass die Partikel 24 zwangsläufig durch vorhandene Gehäuseöffnungen wie z.B. die Öffnung 18 transportiert werden. Entsprechend werden die Partikel beim Durchtritt durch die Öffnung 18 durch den Partikeldetektor 15 sicher erkannt. Als Öffnung 18 wird beispielsweise die im Gehäuse 11 vorhandene Druckausgleichsöffnung genutzt.