SCHUTZVORRICHTUNG, VERFAHREN UND ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEM

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung für ein IT-Netz mit einer ersten und einer zweiten spannungsführenden Leitung, ein Verfahren und ein

Energieversorgungsystem.

Stand der Technik

Energienetze, welche gegenüber Erde elektrisch isoliert sind, werden in unterschiedlichen technischen Anwendungen eingesetzt. Eine mögliche Anwendung für solche sog. IT- Netze (Isolated Terre) sind Hybrid- und Elektrofahrzeuge.

Obwohl der Gegenstand der vorliegenden Erfindung für eine Vielzahl von IT-Netzen eingesetzt werden kann, wird er im Folgenden in Verbindung mit IT-Netzen für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge beschrieben.

In der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit auch des Schadstoffausstoßes eines der wichtigsten Kriterien für den

Entwicklungsingenieur. Um den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu reduzieren, können diese in Hybridfahrzeugen durch einen Elektromotor unterstützt werden. In Elektrofahrzeugen wird der Verbrennungsmotor nicht durch einen Elektromotor unterstützt sondern durch den Elektromotor ersetzt.

In solchen Hybrid- und Elektrofahrzeugen wird ein Hochvoltenergiespeicher, z.B. eine Lithium-Ionen-Batterie, eingesetzt, um die zum Betrieb des Elektromotors nötige elektrische Energie zu speichern. Dieser Hochvoltenergiespeicher wird üblicherweise über zwei Hochvoltleitungen, von denen eine Hochvoltleitung eine positive Spannung und eine Hochvoltleitung eine negative Spannung führt, an einen Wechselrichter übertragen. Wird ein solches Hybrid- oder Elektrofahrzeug in einer Werkstatt gewartet, können unter Umständen die Hochvoltleitungen freigelegt werden. Werden nach einer Servicetätigkeit an einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug die Hochvoltleitungen zwischen der Batterie und dem Wechselrichter nicht ordnungsgemäß mit dem Wechselrichter verbunden, ist es möglich, dass ein Lebewesen, insbesondere ein Mensch, spannungsführende

Bestandteile der Hochvoltleitungen berührt.

Ein solches Hybrid- oder Elektrofahrzeug wird beispielsweise in der DE 102008001973 A1 gezeigt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Schutzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und ein Energieversorgungssystem mit den Merkmalen des Patenanspruchs 1 1. Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Schutzvorrichtung für ein IT-Netz mit einer ersten und einer zweiten

spannungsführenden Leitung, mit einem Signalgenerator, welcher dazu ausgebildet ist, ein erstes Signal in die erste und/oder die zweite spannungsführende Leitung

einzuspeisen, mit einer Erfassungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den Verlauf des eingespeisten ersten Signals in mindestens einer spannungsführenden Leitung zu erfassen und mit einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den erfassten Verlauf zu analysieren und ein Abschaltsignal auszugeben, wenn die Analyse des erfassten Verlaufs ein Berühren der ersten spannungsführenden Leitung und der zweiten spannungsführenden Leitung durch ein Lebewesen anzeigt.

Ein Verfahren zum Schutz von Lebewesen für ein IT-Netz mit einer ersten und einer zweiten spannungsführenden Leitung, mit den Schritten Einspeisen eines ersten Signals in die erste und/oder die zweite spannungsführende Leitung, Erfassen des Verlaufs des eingespeisten ersten Signals in der mindestens einen spannungsführenden Leitung, Analysieren des erfassten Verlaufs und Ausgeben eines Abschaltsignals, wenn die Analyse des erfassten Verlaufs ein Berühren der ersten spannungsführenden Leitung und der zweiten spannungsführenden Leitung durch ein Lebewesen anzeigt.

Ein Energieversorgungsystem mit mindestens einer Hochvoltbatterie, mit einem

Hochspannungszwischenkreis, welcher einen Zwischenkreiskondensator aufweist, mit mindestens zwei Hochspannungsleitungen, welche die Hochvoltbatterie mit dem

Zwischenkreiskondensator verbinden, mit mindestens einer steuerbaren

Schaltvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die zwei Hochspannungsleitungen elektrisch von der Hochvoltbatterie zu trennen, mit einer Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, welche zumindest mit einer der Hochspannungsleitungen gekoppelt ist und welche dazu ausgebildet ist, die mindestens eine steuerbare Schaltvorrichtung mittels eines Abschaltsignals derart anzusteuern, dass diese die zwei

Hochspannungsleitungen elektrisch von der Hochvoltbatterie trennt, wenn ein Berühren der spannungsführenden Leitungen durch ein Lebewesen erkannt wird.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass Lebewesen eine frequenzabhängige Impedanz aufweisen und diese frequenzabhängige Impedanz genutzt werden kann, um zu erkennen, ob ein Lebewesen die

spannungsführenden Leitungen eines IT-Netzes berührt.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Schutzvorrichtung für IT-Netze bereitzustellen, welche die spannungsführenden Leitungen des IT-Netzes auf das Vorhandensein einer für ein Lebewesen charakteristischen Impedanz untersucht und ein Abschaltsignal ausgibt, falls eine solche für Lebewesen charakteristische Impedanz in den

spannungsführenden Leitungen des IT-Netzes erkannt wird.

Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, ein erstes Signal in die spannungsführenden Leitungen einzuspeisen und Anhand des Verlaufs des Signals innerhalb der

spannungsführenden Leitungen zu erkennen, ob ein Lebewesen die spannungsführenden Leitungen berührt. Als Verlauf des Signals innerhalb der spannungsführenden Leitungen wird auch das auf Grund einer Impedanz innerhalb der spannungsführenden Leitungen reflektierte und/oder veränderte erste Signal verstanden.

Als erstes Signal ist dabei jedes Signal geeignet, welches es ermöglicht, die Impedanz innerhalb der spannungsführenden Leitungen über ein vorgegebenes Frequenzspektrum zu erfassen. Dabei weist das vorgegebene Frequenzspektrum mindestens diejenigen Frequenzen auf, welche es ermöglichen, eine charakteristische Impedanz eines

Lebewesens zu erkennen.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den

Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

In einer Ausführungsform weist der Signalgenerator eine steuerbare Spannungsquelle und/oder eine steuerbare Stromquelle auf. Ferner ist das erste Signal ein

Spannungsimpuls oder ein Stromimpuls. Wird eine steuerbare Spannungsquelle oder eine steuerbare Stromquelle eingesetzt, um einen Spannungsimpuls oder einen

Stromimpuls als erstes Signal zu erzeugen, wird eine sehr flexible Anpassung der Spannungsschutzvorrichtung an unterschiedliche Anwendungsfälle möglich.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Signalgenerator eine Spule mit einem

Schaltelement auf, wobei das Schaltelement dazu ausgebildet ist, die Spule mit einer Spannungsquelle zu verbinden und die Spule zum Erzeugen des ersten Signals in Form eines Spannungsimpulses von der Spannungsquelle zu trennen. Wird eine Spule als Signalgenerator eingesetzt, wird ein sehr einfacher Aufbau des Signalgenerators und damit ein sehr einfacher Aufbau Schutzvorrichtung ermöglicht.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Erfassungseinrichtung einen

Spannungssensor, welcher dazu ausgebildet ist, eine Spannung in der mindestens einen spannungsführenden Leitung zu erfassen, und/oder einen Stromsensor, welcher dazu ausgebildet ist, eine Stromstärke in der mindestens einen spannungsführenden Leitung zu erfassen, auf. Wird, um den Verlauf des ersten Signals zu erfassen, erfindungsgemäß der Verlauf der Spannung und/oder der Verlauf des Stroms innerhalb der

spannungsführenden Leitungen erfasst, kann die Impedanz in den spannungsführenden Leitungen sehr leicht über dem vorgegebenen Frequenzspektrum erfasst werden. In einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinrichtung einen analog/digital-

Wandler auf, welcher dazu ausgebildet ist, die erfasste Spannung und/oder die erfasste Stromstärke in einen für die erfasste Spannung und/oder die erfasste Stromstärke kennzeichnenden digitalen Wert zu wandeln. Dies ermöglicht es den Verlauf der erfassten Spannung und/oder der erfassten Stromstärke in einer programmgesteuerten Vorrichtung, z.B. einem MikroController weiter zu verarbeiten. In einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinrichtung einen Speicher auf, welcher dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von für den Verlauf des eingespeisten ersten Signals in der mindestens einen spannungsführenden Leitung kennzeichnenden digitalen Werten zu speichern, wobei die Steuereinrichtung eine Transformationseinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, für den gespeicherten zeitlichen Verlauf des eingespeisten ersten Signals eine Transformation in den Frequenzbereich, insbesondere eine Fast-Fourier-Transformation, durchzuführen und Daten auszugeben, welche den Verlauf des eingespeisten ersten Signals im Frequenzbereich kennzeichnen. Ferner weist die Steuereinrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, in den gespeicherten Daten diejenigen Frequenzen zu identifizieren, bei welchen die Impedanz der spannungsführenden Leitungen lokale Maxima oder Minima aufweist, und das Abschaltsignal auszugeben, wenn mindestens eine der identifizierten Frequenzen in mindestens einem vorgegebenen Frequenzbereich zur Erkennung eines Lebewesens liegt.

Wird eine Transformation des Signalverlaufs in den Zeitbereich vorgenommen, wird es sehr einfach möglich, die frequenzabhängige Impedanz innerhalb der

spannungsführenden Leitungen zu analysieren. Da die frequenzabhängige Impedanz von Lebewesen an bestimmten Frequenzen Minima oder Maxima aufweist, kann im

Frequenzbereich sehr leicht erkannt werden, ob die charakteristische frequenzabhängige Impedanz eines Lebewesens in dem Signalverlauf vorhanden ist. Dadurch kann mit einfachen Berechnungen sehr sicher ein Abschaltsignal ausgegeben werden.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und

Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen

Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei: Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Schutzvorrichtung 1 ; Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Verfahrens;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Energieversorgungsystems;

Fig. 4 einen Schaltplan, der die elektrische Ersatzschaltung eines Menschen

darstellt;

Fig. 5 ein Diagramm in welchem eine frequenzabhängige Impedanz dargestellt ist.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Schutzvorrichtung 1 . Die Schutzvorrichtung 1 in Fig. 1 weist einen Signalgenerator 2 auf, welcher mit einer

Steuereinrichtung 5 gekoppelt ist und welcher von der Steuereinrichtung 5 gesteuert wird. Ferner weist die Schutzvorrichtung 1 eine Erfassungseinrichtung 4 auf, welche dazu ausgebildet ist, einen Verlauf eines Signals in den spannungsführenden Leitungen L+, L- zu erfassen und der Steuereinrichtung 5 bereitzustellen. Ferner ist die Steuereinrichtung 5 dazu ausgebildet, ein Abschaltsignal 6 auszugeben.

Schließlich weist die Fig. 1 zwei spannungsführende Leitungen L+, L- eines IT-Netzes auf, welche von einem Lebewesen LW, welches in Form eines Strichmännchens LW dargestellt ist, mit jeweils einer Hand berührt werden. Der Signalgenerator 2 ist mit der spannungsführenden Leitung L+ gekoppelt, um ein erstes Signal 3 in diese einzuspeisen und die Erfassungseinrichtung 4 ist mit der spannungsführenden Leitung L+ gekoppelt, um den Verlauf des eingespeisten Signals in der spannungsführenden Leitung L+ zu erfassen.

Die Steuereinrichtung 5 in Fig. 1 ist als Mikrocontroller 5 ausgebildet, welcher ein

Computerprogrammprodukt ausführt, welches die gewünschte Funktionalität bereitstellt. In weiteren Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 5 als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis 5 oder dergleichen ausgebildet sein.

In noch weiteren Ausführungsformen weist die Steuereinrichtung 5 eine CAN- Busschnittstelle oder eine FlexRay-Schnittstelle auf, über welche die Steuereinrichtung 5 Daten über das Erkennen eines Lebewesens an weitere Fahrzeugsteuereinrichtung übermitteln kann. Dadurch können z.B. weitere Aktionen im Fahrzeug, wie z.B. das Auslösen eines Notrufs oder das Abschalten des Verbrennungsmotors ausgelöst werden. Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einem ersten Schritt S1 wird ein erstes Signal 3 in die erste und/oder die zweite spannungsführende Leitung L+, L- eingespeist. In einem zweiten Schritt S2 wird der Verlauf des eingespeisten ersten Signals 3 in der mindestens einen spannungsführenden Leitung L+, L- erfasst. Schließlich wird in einem dritten Schritt S3 der erfasste Verlauf analysiert und ein Abschaltsignal 6 ausgegeben, wenn die Analyse des erfassten Verlaufs ein Berühren der ersten spannungsführenden Leitung L+ und der zweiten

spannungsführenden Leitung L- durch ein Lebewesen LW anzeigt.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Energieversorgungsystems.

Das Energieversorgungssystem in Fig. 3 weist eine Batterie B auf, welche über zwei spannungsführende Leitungen L+, L- elektrisch mit einem Schütz SV gekoppelt ist, welcher dazu ausgebildet ist, die zwei spannungsführenden Leitungen zu unterbrechen. Der Schütz ist über die zwei spannungsführenden Leitungen L+, L- mit einem

Kondensator eines Hochspannungszwischenkreises gekoppelt. Ferner weist Fig. 3 eine Schutzvorrichtung 1 auf, welche mit dem

Hochspannungszwischenkreis ZK gekoppelt ist. Im Gegensatz zu Fig. 1 weist der Signalgenerator 2 in Fig. 3 eine Spule 7 und ein Schaltelement 8 auf, welches dazu ausgebildet ist, die Spule 7 mit einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) zu koppeln und die Spule 7 von der Spannungsquelle zu trennen und welches von der Steuereinrichtung 5 gesteuert wird. Das Trennen der Spule 7 von der Spannungsquelle führt dazu, dass auf Grund der Induktivität der Spule 7 ein

Spannungsimpuls in die Leitung L- des Energieversorgungssystems eingespeist wird.

Ferner weist die Erfassungseinrichtung 4 in Fig. 4 einen Spannungs- und Stromsensor 9 auf, welcher dazu ausgebildet ist, Werte der Spannung und Werte der Stromstärke in der spannungsführenden Leitung L- zu erfassen und die erfassten Werte der

Steuereinrichtung 5 bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 5 weist einen analog/digital- Wandler 1 1 auf, um die von dem Spannungssensor und Stromsensor 9 erfassten Werte zu digitalisieren. Die digitalisierten Werte werden daraufhin in einem Speicher 12 gespeichert, um den Verlauf der Spannung und den Verlauf der Stromstärke in der spannungsführenden Leitung L- zu speichern. Eine Transformationseinrichtung 13 transformiert daraufhin die gespeicherten Verläufe von dem Zeitbereich in den

Frequenzbereich. Dies geschieht insbesondere mittels einer Fast-Fourier-Transformation. Abschließend analysiert die Auswerteeinrichtung 14 die transformierten Verläufe im Frequenzbereich und identifiziert diejenigen Frequenzen, bei welchen die Impedanz der spannungsführenden Leitungen lokale Minima aufweist. Die Auswerteeinrichtung 14 ist ferner dazu ausgebildet, das Abschaltsignal 6 auszugeben, wenn mindestens eine der identifizierten Frequenzen in mindestens einem vorgegebenen Frequenzbereich zur Erkennung eines Lebewesens LW liegt. Wird das Abschaltsignal 6 ausgegeben, trennt der Schütz SV die zwei spannungsführenden Leitung L+, L. von der Batterie B.

Der vorgegebene Frequenzbereich kann zwischen 0 Hz und 1 MHz Hz liegen. Soll als Lebewesen ein Mensch erkannt werden, kann der Frequenzbereich insbesondere zwischen 1 kHz Hz und 100kHz Hz liegen

Die Impedanz errechnet sich dabei aus dem Ohmeschen Gesetz nach der Formel Z=U/I.

In weiteren Ausführungsformen kann die Erfassungseinrichtung 4 einen Shunt- Widerstand oder einen kontaktlosen Stromsensor aufweisen.

Fig. 4 einen Schaltplan, der die elektrische Ersatzschaltung eines Menschen darstellt. Die Ersatzschaltung für einen Menschen, welche in Fig. 4 dargestellt ist, ist durch die Norm IEC_60850, IEC_61010 vorgegeben. Die Ersatzschaltung besteht aus einer Parallelschaltung eines Widerstands Rs mit einem Kondensator Cs und in Serie dazu einem Widerstand Rb, dem ein Widerstand R1 in Serie mit einem Kondensator C1 parallelgeschaltet sind.

Gemäß Norm IEC_60850, IEC_61010 hat der Widerstand Rs einen Widerstandswert von 1 kOhm Ohm, der Kondensator Cs eine Kapazität von 0,22μΡ F, der Widerstand Rb einen Widerstandswert von 500 Ohm, der Widerstand R1 einen Widerstandswert von 10k Ohm und der Kondensator C1 eine Kapazität von 0,022μΡ μΡ.

Anhand dieses Ersatzschaltbildes ist es möglich, die Frequenz zu berechnen, bei welcher die Ersatzschaltung eine minimale Impedanz aufweist. Diese Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz des dargestellten Ersatzschaltbildes und damit auch der

Resonanzfrequenz des menschlichen Körpers.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm in welchem eine frequenzabhängigen Impedanz dargestellt ist.

In dem Prinzip-Diagramm in Fig. 5 ist auf der Ordinatenachse eine Impedanz Z

aufgetragen. Auf der Abszissenachse des Diagramms ist die Frequenz aufgetragen. In dem Diagramm ist ferner eine Impedanzkurve aufgetragen, welche von 0Hz bis ca. 1 MHz bei einer hohen, durch parasitäre Effekte bestimmten Impedanz verläuft. Die Impedanz kurve weist für eine beispielhafte Auslegung ein erstes Minimum z.B. bei der Frequenz 1 kHz von ca. O,40hm und ein zweites deutlich weniger ausgeprägtes Minimum z.B. um 30kHz auf.

Die Frequenz, bei welcher sich das erste Minimum befindet, entspricht der

Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus Zwischenkreiskondensator C und den parasitären Widerständen zwischen der Batterie B und dem Zwischenkreiskondensator C.

Die Frequenz, bei der sich das zweite Minimum der Impedanzkurve befindet, entspricht der Resonanzfrequenz der unter Fig. 4 dargestellten Ersatzschaltung. Alleine das

Vorhandensein des zweiten Minimums erlaubt es der Auswerteeinrichtung festzustellen, dass ein Lebewesen die zwei spannungsführenden Leitungen L+, L- berührt. Der Absolutwert der Impedanz bei dieser Frequenz ist nicht ausschlaggebend.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh-rungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.