CN115053315A - 用于操作电磁开关的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于操作电磁开关(100)、尤其是接触器或继电器的方法，具有以下步骤：以初始供电电压(US)启动开关(100)以接通该开关(100)的磁回路，在启动开关(100)之后按照相对于初始供电电压(US)有限的或下降的控制电压和/或按照有限的或下降的控制电流来控制该开关(100)，增大该控制电压达一段规定时间段(Δt)，并且确定该开关(100)的磁回路的在该规定时间段(Δt)内和/或到期后的电感(L)。

Description

用于操作电磁开关的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于操作电磁开关、例如可以是接触器或继电器的方法和系统。
本发明还涉及一种将这种方法或系统用在机动车电源中的用途，其中，机动车例如可以是至少部分电驱动的机动车例如电动车、混动车或燃料电池车辆。
背景技术
从车辆技术的实践中知道了，尤其是在至少部分电驱动的机动车中使用电磁开关比如像接触器，以便例如将机动车的功率电子装置选择性地连接至蓄能器比如像电池和与之分离。这例如可以设置在机动车高压电源中。
开关的启动可以例如由机动车低压电源进行。在机动车产品寿命周期内此时可能出现如下情况，即，在例如低压电源的相应车辆电池深度放电等情况下，低压电源只能提供低于实际额定电压(例如12V)的电压。仅示例性地，这种降低的电压可以为小于10V，例如也可以仅为约7V。在开关以这样低的电压被启动和/或控制时，开关触点虽相互接触，但此时开关磁回路可能没有完全闭合或未以全部接触力闭合。当现在开关在“保持”状态下以较低的电压(通过PWM被降低)被控制以便例如降低开关的驱动功率时，磁回路也还保持没有全闭。
实践表明，在开关的磁回路非全闭的情况下在触点处的相应保持力可能减小，极端情况下也显著减小超过目标保持力的50％。这可能在机动车行驶操作期间导致开关在负荷电流下不希望地打开，这可能不利地影响到功能安全性或行驶安全性，并且或许也可能因例如电弧生成而损伤开关。
发明内容
本发明的任务因此是关于其功能安全性改善尤其电磁式的开关的操作。
该任务通过独立权利要求的主题来完成。在从属权利要求、说明书和附图中说明本发明的有利改进方案。
第一方面提供一种用于检查电磁开关、尤其是接触器或继电器的方法。该方法具有以下步骤：
以初始供电电压启动开关以接通该开关的磁回路，
在启动开关之后用相对于初始供电电压有限的或下降的控制电压和/或有限的或下降的控制电流、尤其是保持电流来控制该开关，
增大该控制电压和/或控制电流达一段规定时间段，
确定该规定时间段内和/或到期后的该开关的磁回路的电感。
该方法可以是至少部分或完全由计算机实现的，最好以硬件和/或软件的形式。为此，可以采用一种根据下述第二方面的系统。上述的方法步骤尤其可以通过一个或多个微控制器和或许借助附加的测量装置例如电流测量装置、电阻测量装置、电压测量装置等来执行。
该开关、尤其是接触器可被指定用于较高的开关功率并可远程操作。开关或其电路装置可包括两个电路，即，一个控制电路和一个主电路。如果控制电流流过开关的磁回路或磁线圈，则磁场以吸引方式将尤其设计成机械式的触点置入起效状态。如果无电流，则弹簧可又恢复静止状态，使得触点又回到其初始位置。在启动状态下该开关的磁回路接通，其中，磁回路的气隙缩小，甚至变为零。
规定时间段可以在不到1秒的范围内，例如在毫秒范围内，其中，例如1～50ms、优选是5～20ms、尤其优选是比如10ms被证明是合适的。兹可以实现有说服力的电感测量，而没有例如由高电流等引起的热过载造成对开关操作的干扰或威胁。
该控制电压和/或控制电流的暂时提高可以在开关在先启动之后再次将闭合力施加到开关的磁回路或触点，从而在控制期间或在此将控制电压和/或控制电流增大时，该开关的闭合状态能再次改变。该控制电压的增大例如可以通过基于硬件和/或基于软件地控制或调整控制电路来达成。
根据该方法的一个改进方案，可以通过作为对电压从Ui跃变至UBN(其中，Ui例如为4V，UBN＝12V)的响应的电流增值来识别开关是否闭合。另一个可想到的实施方式是开关、尤其是接触器被打开并且电压从U0＝0V跃变至U1(例如4V)。于是，在Δt(例如10ms)内的电流增值说明了开关是否有效打开，即，在接触器情况下不存在所谓的接触器粘连。
电感的确定可以直接或间接进行，例如通过依据下述值来计算电感：初始供电电压、控制电压和/或控制电流、由增大控制电压和/或控制电流引起的电流增值和规定时间段。
具有气隙的至少一个磁回路的电感与例如气隙的尺寸、尤其是宽度相关。如果磁回路被完全或如期望的那样接通，则存在电感的相应值、例如约310mH。如果磁回路中的气隙未被正确闭合，例如还有0.8mm的气隙，则存在其它的减小的电感值、例如约170mH。电感确定因此允许检查或诊断该开关的通断状态和/或闭合状态。
利用该方法，可以就其功能安全性而言改善开关的操作，因为开关的通断状态和/或闭合状态可被检查或诊断。由此尤其可以尽早对并非最佳的通断状态或闭合状态作出反应并且或许采取合适的替代措施。也可以通过合适的替代措施减轻开关的热负荷，因为在例如由触点因吸持力过小而意外打开而造成电弧生成之前作出相应反应。但开关还是在启动后以相对于初始供电电压受限或降低的控制电压和/或以有限的或降低的控制电流(保持电流)工作，从而可以降低在工作期间的开关的控制功率和/或热负荷。
根据一个改进方案，依据所确定的磁回路的电感来检查该开关的通断状态。检查结果可以包括：该实际通断状态对应于或不对应于理想通断状态。依据该结果，可以采取各不同替代措施，比如像在无省电电路的情况下再次控制开关、关断机动车或其部分等。
在一个改进方案中，依据所确定的磁回路的电感通过与电感阈值相比较来推断出该开关的闭合状态，其中，小于电感阈值的规定电感说明非全闭状态，大于或等于电感阈值的规定电感说明全闭状态。
根据一个改进方案，该控制电压和/或控制电流通过省电电路或节能器被降低或限制。术语“节能器”指称如下装置，其允许降低控制功率，从而可以减轻开关线圈的耗电和发热。
在一个改进方案中，该控制电压和/或控制电流可以借助脉宽调制PWM来提供。PWM可以例如通过具有一个或多个集成PWM模块的微控制器实现，借此能无需CPU负荷地产生PWM信号。但也可行的是使用软件解决方案。在此，例如微控制器的CPU可以形成PWM。由此可以降低控制功率，从而减轻开关线圈的耗电和发热。
根据一个改进方案，增大控制电压和/或控制电流达一段规定时间段的所述步骤可以包括：
在使用高于初始供电电压的当前供电电压情况下增大脉宽调制PWM的占空率。
换言之，占空率可以从用于在按规定工作期间内驱动该开关的第一值被增大至与之相比更高的第二值。尤其是该控制电压和/或控制电流可以由此被暂时增大以施加附加的或更高的闭合力。
在一个改进方案中，该方法还可以具有以下步骤：
在增大控制电压和/或控制电流达一段规定时间段之前确定当前供电电压，
其中，在供电电压小于供电电压阈值的情况下，采取增大控制电压和/或控制电流达一段规定时间段的所述步骤，直至达到或超过供电电压阈值。
由此可以将该步骤的执行限制到适用的场景，此时因为供电电压的值足够高而提供有效的闭合力。
根据一个改进方案，确定该规定时间段内和/或到期后的该开关的磁回路的电感的所述步骤可以包括：
确定在该规定时间段开始之前的开始电流值，
确定在该规定时间段内的电流增值或确定在该规定时间段到期后的结束电流值并且从所述结束电流值和开始电流值计算该电流增值，并且
使用所确定的或所计算的电流增值来计算电感。
电流测量可以直接或间接地用合适的电流测量装置进行。规定时间段可以通过微控制器的系统时钟、定时器等来设定、确定等。对应的信息可以例如在存储器、寄存器等中被固定写入。由此可以很精确、快速和/或节约资源地确定该电感。
根据一个改进方案，确定规定时间段内和/或到期后的该开关的磁回路的电感(L)的所述步骤可以包括：
在规定时间段到期后测量作为对控制电压增大的反应的电流增值，并且
作为该时间段与控制电压变化的乘积与控制电流变化之商确定磁回路的电感。
在一个改进方案中，确定该规定时间段内和/或到期后的该开关的磁回路的电感的所述步骤可以包括：
将所确定的电感与较早的电感测定值相比较，和/或
使用机器学习算法，其基于来自较早的电感测定值的训练数据。
所述比较可以利用统计算法比如像k最近邻算法等进行。由此可以更精确地确定电感。
第二方面涉及一种用于操作电磁开关的系统。该系统最好设立用于执行前述的方法。该系统具有：
电磁开关，其能以初始供电电压被启动以接通其磁回路，并且在启动之后能被控制以保持接通状态，以及
至少一个微控制器，该微控制器设立用于：
在开关启动后以相对于初始供电电压受限的或降低的控制电压和/或有限的或降低的控制电流来控制该开关，
增大该控制电压和/或控制电流达一段规定时间段，和
确定该规定时间段内和/或到期后的该开关的磁回路的电感。
开关可以是以上关于方法所述的开关、即尤其是接触器。微控制器不一定必须是单独部件，而是也可以设计成分布式，即具有多个组成部件。微控制器可以本身具有一个或多个集成电路、软件模块等以执行前述功能或与方法相关所描述的功能例如电流测量、电阻测量等。但微控制器也能与外部设备如测量装置等合作并且获得并处理来自外部设备的相应信号。
第三方面涉及将根据前述权利要求的用于操作电磁开关的系统用在机动车电源中的用途，其中，该开关视通断状态将机动车的功率电子装置连接至机动车电池，并且该系统检查该开关的通断状态并且依据检查结果影响机动车的功能。
该用途允许高的功能安全性，因为该开关的通断状态和/或闭合状态可被可靠监测或诊断。
本发明的其它的特征、优点和应用可能性来自以下对有利实施方式和附图的说明。
附图说明
以下，参照附图来解释本发明的有利实施例，其中：
图1以侧视示意图示出具有根据一个实施方式的系统的机动车，
图2以示意性框图示出根据一个实施方式的系统。
这些图仅是示意性图示并仅用于解释本发明。相同的或功能相同的零部件始终带有相同的附图标记。
具体实施方式
图1以侧视示意图示出机动车1，其中，其例如是电池驱动式电动车。机动车1具有呈电池系统形式的蓄能器10和例如包括变压器等的功率电子装置20。在蓄能器10和功率电子装置20之间设有一个或多个开关100，以用于根据需要将蓄能器10的极与功率电子装置脱开。
开关100是呈接触器形式的电磁开关，其基本上具有控制电路和主电路。控制电路用于控制接触器，并且主电路是被通断的电路。此外，开关100具有带有气隙的磁回路。这种开关100是众所周知的，故在此不做更详细说明。
图2以示意框图示出一种用于操作开关100的系统。它为了接通其磁回路而能以初始供电电压U被启动，所述初始供电电压由机动车1的电源、尤其是低压电源提供，并且在启动之后为了保持其闭合状态(这一般在几毫秒后结束)而能被施以作为一种省电电路的脉宽调制PWM，以便尤其是在保持状态下降低功率并因此节能。PWM尤其设立用于以相对于初始供电电压受限或降低的控制电压和/或以有限的或降低的控制电流来控制开关100。PWM也可以被称为省电电路或节能器。在功能上看，PWM限制开关100的控制电流和/或控制电压。
此外，用于操作开关100的系统具有在功能上与开关100相连的微控制器200。微控制器例如是机动车1的电子控制器或组合控制设备的一部分。微控制器200尤其设立用于确定在规定时间段内和/或到期后的开关100的磁回路的电感。上述的PWM例如也能以PWM模块的形式是微控制器200的一部分。另外，微控制器200设立用于增大开关100的控制电压和/或控制电流达一段规定时间段，其中，该时间段最好在毫秒(ms)范围内。对此可以采用机动车1的电源电压，其或许也可以由与上述的供电电压U共同的电压源比如像车辆电池提供。为了增大控制电压和/或控制电流，也可以使用高于初始供电电压的当前供电电压U实现脉宽调制PWM的占空率。另外，微控制器200设立用于在规定时间段之内和/或之后确定开关100的磁回路的电感L，比如像测量电流、电流差或电流增值，并由此计算电感L。微控制器200也设立用于在增大控制电压和/或控制电流达规定时间段之前例如通过电压测量或通过来自电源信号的信息来确定该供电电压US，并且在供电电压小于供电电压阈值时采取增大控制电压和/或控制电流的步骤，直至达到或超出供电电压阈值。供电电压阈值例如可以为约8V至12V，最好是约为9.5V。
开关100的操作或相应适用的方法的过程可以如下所述。
作为示例性初始状况可以假定，机动车1或上述系统设立用于例如由低压电源例如借助于12V车辆电池等来启动开关100。例如在机动车1长时间停止后，在不利的气候状况或类似边界条件下，可在低压电源中提供的供电电压US可以是比较低的，例如仅约为7V。即，为了启动开关100而采用比较低的控制电压，其虽然可能足以使开关100的触点相互接触，但开关100无法完全闭合或在触点处只具有小的保持力。
因而在启动了开关100后(对此采用初始供电电压U、即在此例如约为7V)，开关100虽首先以上述的PWM、即相对于供电电压US受限的或降低的控制电压和/或以有限的或降低的控制电流工作，其中，接着针对限定的、即已知时间段或规定时间段Δt增大该控制电压和/或控制电流。这例如可以通过将PWM转换为足够高的电压值来达成。即，尤其如此控制PWM的占空率，即，在开关100处施以高于或等于上述供电电压阈值的电压。如果开关100还是非完全闭合，则能够通过暂时增大控制电压和/或控制电流来施加附加的或就时间而言事后的闭合力至开关100的磁回路或触点。
接着在规定时间段Δt内可以借助微控制器200确定电流、电流差或电流增值ΔI，例如借助直接或间接电流测量来确定。对此，例如可以首先确定在规定时间段Δt开始前的开始电流值。接着可以确定在规定时间段Δt内的电流增值ΔI。或者确定该规定时间段Δt到期后的结束电流值，并且从结束电流值和开始电流值计算电流增值ΔI。于是，电感L可以通过微控制器200来计算，在此，它例如可以计算或确定如下：
L＝(US-IPWMR)Δt/ΔI
其中，L表示电感，R表示线圈电阻，IPWM表示PWM的控制电流，Δt表示规定时间段，ΔI表示电流差或电流增值。
为了更好地说明，电感L应该按照用于示例性开关100的示例性数值来简单计算。在此可以假定，PWM(即：省电电路或节能器)将电流IPWM控制或调节到约0.74A。R例如通过电阻测量或基于开关100的规格说明而以约5.7欧姆被确定。接着，例如通过增大PWM的占空率将电压US增大至约12V，并且例如依靠测量技术来确定，确切说针对约为10ms的规定时间段Δt。在此情况下，电流从0.74A增大至例如约0.98A，因此有约0.24A的电流差ΔI。由此用所述示例性数值得到电感L：
Figure BDA0003784269000000081
如果磁回路在故障情况下未闭合或未完全闭合并因此留有0.8mm间隙，则在10ms时间内得到的电流增值为0.5A。电感于是由诊断单元确定为：
Figure BDA0003784269000000082
磁回路的现在确定的电感L可以与电感阈值相比较，以由此推断出开关100的闭合状态和/或通断状态。在以上示例性的数值中，例如大于或等于300mH的电感L可被视为充分启动或闭合或者正常，小于200mH的电感L被视为不充分的启动或闭合或异常。显然，具体的阈值可以不同于示例性的数值。在位于区间内的电感阈值情况下，电感L的确定和/或测量可以重复一次或多次，即再次增大电压，诸如此类。
附图标记列表
1 机动车
10 蓄能器
20 功率电子装置
100 开关
200 微控制器

Claims (12)

1.一种用于操作电磁开关(100)、尤其是接触器或继电器的方法，具有以下步骤：
以初始供电电压(US)启动开关(100)，用以接通该开关(100)的磁回路，
在启动该开关(100)后，以相对于该初始供电电压(US)受限的或下降的控制电压和/或以有限的或下降的控制电流来控制该开关(100)，
增大该控制电压达一段规定时间段(Δt)，并且
确定该开关的磁回路的在该规定时间段(Δt)内和/或到期后的电感(L)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，依据所确定的磁回路的电感(L)来检查该开关(100)的通断状态。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，依据所确定的磁回路的电感(L)通过与电感阈值对比来推断出该开关(100)的闭合状态，小于该电感阈值的规定电感(L)说明非全闭状态，而大于或等于该电感阈值的规定电感(L)说明全闭状态。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，该控制电压和/或该控制电流通过省电电路(PWM)或节能器被降低或限制。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，该控制电压和/或该控制电流借助脉宽调制PWM来提供。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，增大该控制电压和/或该控制电流达一段规定时间段(Δt)的所述步骤包括：在使用高于该初始供电电压(US)的当前供电电压(US)情况下增大脉宽调制PWM的占空率。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，还具有以下步骤：在增大该控制电压和/或该控制电流达所述规定时间段之前确定当前供电电压(US)，其中，在供电电压(US)小于供电电压阈值情况下，实施增大该控制电压和/或该控制电流达一段规定时间段的所述步骤，直至达到或超过该供电电压阈值。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，确定该开关(100)的磁回路的在该规定时间段内和/或到期后的电感(L)的所述步骤包括：
确定在该规定时间段开始之前的开始电流值，
确定在该规定时间段内的电流增值或确定在该规定时间段到期后的结束电流值，并且基于所述结束电流值和所述开始电流值计算该电流增值，并且
使用所确定的或所计算的电流增值来计算该电感。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，确定该开关(100)的磁回路的在该规定时间段内和/或到期后的电感(L)的所述步骤包括：
在该规定时间段(Δt)到期后测量作为对控制电压增大的反应的电流增值，并且
通过将该控制电压变化与该控制电流变化之商乘以该时间段(Δt)来确定该磁回路的电感(L)。
10.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，确定该开关(100)的磁回路的在该规定时间段(Δt)内和/或到期后的电感(L)的所述步骤包括：
将所确定的电感与较早测得的电感值相比较，和/或
使用机器学习算法，其基于来自较早测得的电感值的训练数据。
11.一种用于操作电磁开关的系统，具有：
电磁开关(100)，其能以初始供电电压(US)被启动以接通其磁回路，并且在启动之后能被控制以保持接通状态，以及
至少一个微控制器(200)，该微控制器设立用于：
在该开关启动后以相对于该初始供电电压受限的或降低的控制电压和/或按照有限的或降低的控制电流来控制该开关(100)，
增大该控制电压达一段规定时间段(Δt)，并且
确定该开关(199)的磁回路的在该规定时间段(Δt)内和/或到期后的电感(L)。
12.将根据前述权利要求之一所述的用于操作电磁开关(100)的方法或系统用在机动车(1)的电源中的用途，其中，该开关(100)按照通断状态将该机动车(1)的功率电子装置(20)连接至该机动车(1)的电池(10)，并且该系统检查该开关(100)的通断状态并依据检查结果来对该机动车(1)的功能施加作用。
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