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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von
Lichtbögen
in einem Stromkreis, insbesondere in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz,
umfassend Rauschsensormittel für die
Erfassung eines Wechselstromanteils oder eines Wechselspannungsanteils
des Stromkreises sowie Auswertemittel für die Erkennung eines Lichtbogens. Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erkennung von
Lichtbögen
in einem Stromkreis, insbesondere in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz,
wobei ein Wechselstromanteil oder ein Wechselspannungsanteil des
Stromkreises erfasst wird und wobei dieser Wechselstromanteil oder dieser
Wechselspannungsanteil nach vorgegebenen Kriterien zur Erkennung
eines Lichtbogens ausgewertet wird.
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Zur
Zeit werden bei Kraftfahrzeugen Bordnetz-Nennspannungen von 14V
und 28V eingesetzt. Um den steigenden Leistungsbedarf aufgrund von künftigen
Anforderungen hinsichtlich Energieverbrauch, Sicherheit und Komfort
gewährleisten
zu können,
wird eine Erhöhung
der Bordnetzspannung erforderlich werden. Da die Lichtbogenspannung
je nach Material ca. zwischen 13 und 20V liegt, sind bei höheren Bordnetz-Spannungen
stabile Lichtbögen zu
beobachten, die nicht selbst verlöschen. Die in derartigen Lichtbögen umgesetzte
Energie kann zu Schäden
an Kontaktierungen und Isolierungen von Kabeln bis hin zum Kabelbrand
führen.
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Prinzipiell
werden zwei Arten von Lichtbögen unterschieden,
nämlich
serielle Lichtbögen
und parallele Lichtbögen.
Serielle Lichtbögen
treten in Reihe zum Verbraucher auf und können beispielsweise bei Kabelbruch
oder bei Schäden
an Steckverbindungen entstehen. Serielle Lichtbögen wirken wie ein zusätzlicher
Widerstand im Stromkreis, so dass die Stromaufnahme des betroffenen
Lastpfades bei Auftreten serieller Lichtbögen gegenüber dem intakten Zustand des
Stromkreises reduziert ist. Herkömmliche Sicherungssysteme
wie Schmelzsicherungen sprechen daher bei seriellen Lichtbögen nicht
an.
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Parallele
Lichtbögen
treten parallel zum Verbraucher auf und entstehen beispielsweise
an Stellen schadhafter Kabelisolierung, wie sie durch in die Kabelisolierung
eindringende Karosserieblechteile, beispielsweise im Crash-Fall, hervorgerufen
werden können.
Bei parallelen Lichtbögen
entsteht im Lichtbogen und in dessen Umgebung eine relativ hohe Leistungsdichte
bis zu einigen kW. Herkömmliche
Sicherungssysteme wie beispielsweise Schmelzsicherungen sprechen
bei parallelen Lichtbögen
unter Umständen
nicht oder erst zu spät
an, da aufgrund der Lichtbogencharakteristik die Größe des Lichtbogenstromes
beispielsweise deutlich geringer sein kann als die Größe eines
möglichen,
vollen Kurzschlussstromes.
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Herkömmliche
Sicherungssysteme mit Schmelzsicherungen sind somit nicht in der
Lage, Lichtbögen
sicher zu erkennen, den Stromkreis zu unterbrechen und vor Folgen
eines Lichtbogens zu schützen.
Es ist deshalb im Sinne der Fahrzeugsicherheit von großer Bedeutung,
neue Schutzsysteme zu entwickeln, die Lichtbögen schnell erkennen und rechtzeitig
abschalten können.
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art sind aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 43 16 239 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen
Vorrichtung sind parallel zu den den Laststrom führenden Leitern zwei Messzweige angeordnet,
die Aktivfilter umfassen, die hochfrequente Anteile des Laststroms
in unterschiedlichen Frequenzbereichen selektiv verstärken, insbesondere
in einem Bereich von etwa 5,5 MHz und in einem Bereich von etwa
10,7 MHz. Die Ausgangssignale dieser Aktivfilter werden gleichgerichtet
und gegebenenfalls verzögert
auf die Steuereingänge
von in Reihe geschalteten Triacstufen gegeben. Für den Falls, dass die von den
Aktivfiltern übertragenen
Anteile der hochfrequenten Signale im Wesentlichen identisch sind,
werden die Triacstufen in einen leitenden Zustand versetzt, so dass über einen
Strombegrenzungswiderstand ein Fehlerstrom fließt, der einen Fehlerstrom-Schutzschalter
auslöst.
Auf diese Weise kann die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung
einen Lichtbogen erkennen und entsprechend den Laststrom abschalten.
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Die
Erkennung bei der vorgenannten aus dem Stand der Technik bekannten
Vorrichtung findet seine Begründung
darin, dass ein Lichtbogenstrom aus zeitgleichen, breitbandigen,
hochfrequenten Anteilen besteht. Auf diese Weise kann die aus dem Stand
der Technik bekannte Vorrichtung bei im Wesentlichen identischen
hochfrequenten Anteilen unterschiedlicher Frequenz von der Erkennung
eines Lichtbogens ausgehen.
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Als
nachteilig bei diesem Stand der Technik erweist sich, dass die Erkennung
des Lichtbogens nur von der Signalstärke der hochfrequenten Signalanteile
abhängig
ist. Das hat zur Folge, dass mittels einer Vorrichtung gemäß dem vorgenannten
Stand der Technik entweder Lichtbögen mit kleinen hochfrequenten
Signalen nicht erkannt werden oder aber andere hochfrequente Anteile
eines Laststromes in einem Kfz-Bordnetz, wie beispielsweise das
Bürstenfeuer
eines Motors, fälschlicherweise
als Lichtbogen interpretiert werden und zu einer Fehlabschaltung führen.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 06 259 A1 ist eine Vorrichtung zur
Erkennung von Lichtbögen
bekannt, bei der an einem Messwiderstand in dem Stromkreis eine
Spannung abgegriffen werden kann. Diese Spannung wird nach Verstärkung durch
einen Verstärker
an einen Kurzschlussdetektor angelegt, der die verstärkte Spannung
an dem Widerstand mit einer Bezugsspannung vergleichen kann, um
Kurzschlüsse
oder längere übermäßig hohe
Laststromzustände
festzustellen. Nach Feststellung eines derartigen Zustandes kann
durch den Kurzschlussdetektor die Abschaltung des Laststromes veranlasst
werden. Weiterhin wird bei der vorgenannten aus dem Stand der Technik
bekannten Vorrichtung die verstärkte
Spannung an eine RC-Differenzierschaltung mit einem Abklingwiderstand
angelegt, die mit einer RC-Integrationsschaltung und einem Komparator
verbunden ist. Durch diese zusätzlichen
Bauteile kann neben der Erkennung eines Kurzschlusses auch ein paralleler
Lichtbogen erkannt werden. Als nachteilig bei dieser Vorrichtung erweist
sich die Tatsache, dass serielle Lichtbögen, die zu einer Reduzierung
des Stroms in dem Stromkreis führen,
nicht erkannt werden können.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens der eingangs genannten Art, die
effektiv die Erkennung von parallelen und seriellen Lichtbögen ermöglichen.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Dieses
Problem wird hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren
der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 11 gelöst.
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Gemäß Anspruch
1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zusätzlich Stromsensormittel für die Erfassung
einer Veränderung
des Stromes in dem Stromkreis umfasst, wobei die Auswertemittel
bei Erfassung eines für
einen Lichtbogen typischen Wechselanteils durch die Rauschsensormittel
und bei Erfassen einer für
einen Lichtbogen typischen Veränderung
des Stroms durch die Stromsensormittel das Vorliegen eines Lichtbogens
erkennen können. Durch
die Berücksichtigung
zweier Kriterien, nämlich zum
einen die Feststellung eines Wechselanteils, der einem Rauschen
durch einen Lichtbogen entspricht, und durch Feststellung einer
Veränderung
des Stroms, die für
einen Lichtbogen charakteristisch ist, kann sehr sicher und effektiv
sowohl auf einen parallelen als auch auf einen seriellen Lichtbogen
geschlossen werden. Gleichzeitig können Fehlinterpretationen bei
Einschaltvorgängen
oder dem Bürstenfeuer
eines Motors oder dergleichen zuverlässig ausgeschlossen werden.
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Gemäß Anspruch
2 kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Verknüpfungsmittel
umfasst, die die Ausgangssignale der Rauschsensormittel und der
Stromsensormittel mittelbar oder unmittelbar UND-verknüpfen können. Durch
die UND-Verknüpfung
wird gewährleistet,
dass nur bei Erfassen für
einen Lichtbogen typischer Wechselanteile bzw. Stromveränderungen
durch die Rauschsensormittel und die Stromsensormittel auf Vorliegen
eines Lichtbogens erkannt werden.
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Gemäß Anspruch
3 kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Anpassungs- und/oder
Filtermittel umfasst, die mit dem Ausgang der Rauschsensormittel
verbunden sind und eine Voreinstellung von Grenzwerten zur Erkennung
von Lichtbögen
ermöglichen.
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Weiterhin
kann gemäß Anspruch
4 vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Anpassungs- und/oder Filtermittel
umfasst, die mit dem Ausgang der Sensormittel verbunden sind und
eine Voreinstellung von Grenzwerten zur Erkennung von Lichtbögen ermöglichen.
Durch die jeweils mit den Sensormitteln verbundenen Anpassungs-
und/oder Filtermittel kann entsprechend den Gegebenheiten in dem
zu überwachenden
Stromkreis eine Schwelle definiert werden, ab deren Überschreiten
auf Vorliegen eines Lichtbogens erkannt wird.
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Dabei
können
beispielsweise gemäß Anspruch
5 die Stromsensormittel und/oder die Anpassungs- und/oder Filtermittel
derart ausgebildet sein, dass eine Flanke eines Stromanstieges oder
eines Stromabfalles in dem Stromkreis erkannt werden kann. Die Erkennung
einer Flanke eines Stromanstieges oder eines Stromabfalles erweist
sich in der Regel einfacher als der Vergleich unterschiedlicher
Stromstärken
miteinander zur Erkennung einer Änderung
der Sromstärke.
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Gemäß Anspruch
6 kann vorgesehen sein, dass die Ausgänge der Anpassungs- und/oder
Filtermittel mit einem Schmitt-Trigger verbunden sind. Auch ein
Schmitt-Trigger kann als Schwellwertschalter funktionieren, so dass
auch durch den Schmitt-Trigger erst bei Vorliegen eines bestimmten Rauschpegels
oder bei einer bestimmten Stromveränderung pro Zeiteinheit das
Ausgangssignal des Schmitt-Triggers geändert wird.
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Gemäß Anspruch
7 kann vorgesehen sein, dass der Ausgang der mit den Rauschsensormitteln verbundenen
Anpassungs- und/oder Filtermittel oder der Ausgang des mit diesen
Anpassungs- und/oder Filtermitteln
verbundenen Schmitt-Triggers mit einem Monoflop verbunden ist.
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Gemäß Anspruch
8 besteht die Möglichkeit, dass
die Stromsensormittel in der Plusleitung oder in der Masseleitung
des Stromkreises angeordnet sind.
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Gemäß Anspruch
9 kann vorgesehen sein, dass die Stromsensormittel als Shuntsensorik,
Magnetfeldsensorik oder als intelligente Halbleiterschalter ausgeführt sind.
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Gemäß Anspruch
10 kann vorgesehen sein, dass der Ausgang der Verknüpfungsmittel
mittelbar oder unmittelbar mit einem Aktor zur Unterbrechung des
Stromkreises und/oder mit einem Anzeigemittel zur Signalisierung
eines Fehlers in dem Stromkreis verbunden ist. Als Anzeigemittel
kommt hier beispielsweise bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug
eine Signalleuchte in der Schalttafel oder beispielsweise ein Symbol
innerhalb eines Anzeigefeldes beziehungsweise eines Displays in
der Schalttafel zur optischen Signalisierung eines Fehlers in Betracht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch
11 sieht vor, dass zusätzlich
eine Veränderung
des Stroms in dem Stromkreis erfasst wird und nach vorgegebenen
Kriterien zur Erkennung eines Lichtbogens ausgewertet wird.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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ZEICHNUNGEN
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1 eine
schematische Schaltungsanordnung einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
schematische Schaltungsanordnung einer zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
in den Figuren abgebildete Vorrichtung kann zur Überwachung einzelner Lastausgänge aber auch
zur zentralen Überwachung
mehrerer angeschlossener Lasten in Vorsicherungsboxen oder dergleichen
verwendet werden.
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Ein
Lichtbogenstrom besteht in der Regel aus einem hochfrequenten Anteil,
der als weißes Rauschen
bezeichnet werden kann, und aus einem Gleichanteil. Die Größe des sich
einstellenden Lichtbogenstromes ist abhängig vom Kreiswiderstand, und
somit von der Stromquelle, den Leitungen, den Kontaktierungen und
den Lasten, sowie vom Abstand der Stromleiter zueinander, zwischen
denen sich der Lichtbogen aufbaut. Bei den auftretenden Bordnetzspannungen
in Kraftfahrzeugen mit höheren Bordnetzspannungen
ist vor dem Zünden
eines Lichtbogens eine niederohmige, leitende Verbindung erforderlich.
Sowohl bei seriellen als auch bei parallelen Lichtbögen ist
diese Bedingung erfüllt,
weil nämlich
bei seriellen Lichtbögen
eine leitende Verbindung unterbrochen wurde, beispielsweise in Form
eines Leitungsbruches, und weil bei parallelen Lichtbögen ein
Kurzschluss einer Plusleitung gegen Masse, wie z. B. gegen das Karosserieblech
vorausgeht.
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Die
aus 1 und 2 ersichtlichen Vorrichtungen
umfassen jeweils eine beispielsweise als Batterie ausgeführte Spannungsquelle 1,
einen Verbraucher 2 und eine Sicherung 3. Mit
dem Bezugszeichen 4 ist ein paralleler Lichtbogen bezeichnet, der
parallel zu dem Verbraucher 2 zwischen dem Pluspol und
der Masse auftritt. Die Vorrichtungen sind jedoch ebenso auf die
Erkennung von seriellen Lichtbögen
(nicht dargestellt) anwendbar.
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Weiterhin
umfassen beide der abgebildeten Vorrichtungen jeweils Rauschsensormittel 5 und Stromsensormittel 6, 15.
Die Vorrichtungen unterscheiden sich lediglich dadurch, dass bei
der Vorrichtung gemäß 1 die
Stromsensormittel 6 in der Masseleitung angeordnet sind,
wohingegen bei der Vorrichtung gemäß 2 die Stromsensormittel 15 in
der Plusleitung angeordnet sind.
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Die
Stromsensormittel 6, 15 überwachen den Strom des zu
schützenden
Stromkreises und erkennen bei einem seriellen Lichtbogen eine Stromreduzierung
bzw. bei einem parallelen Lichtbogen eine Stromerhöhung. Die
Stromsensormittel können
beispielsweise durch eine Shuntsensorik, eine Magnetfeldsensorik
oder als Strommessung über
intelligente Halbleiterschalter ausgebildet sein. Die Stromsensormittel 6, 15 sind
seriell in die Masseleitung (1) oder
in die Plusleitung (2) eingebracht.
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Die
Rauschsensormittel 5 sind in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel
zwischen Masseleitung und Plusleitung angeordnet, so dass sie den
Wechselanteil der Bordnetzspannung erfassen können. Die Rauschsensormittel 5 können den
Wechselanteil der Bordnetzspannung insbesondere durch kapazitive
oder induktive Auskopplung abgreifen. Alternativ dazu können die
Rauschsensormittel 5 auch seriell in der Masseleitung oder
der Plusleitung angeordnet sein bzw. über einen in der Masse oder
Plusleitung angeordneten Widerstand den Wechselanteil des Stroms
erfassen.
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Die
Ausgänge
sowohl der Rauschsensormittel 5 als auch der Stromsensormittel 6, 15 sind
jeweils mit Anpassungs- und/oder Filtermitteln 7, 8 verbunden,
die eine Voreinstellung von Grenzwerten zur Erkennung von Lichtbögen ermöglichen.
Beispielsweise können
die den Stromsensormitteln 6, 15 zugeordneten
Anpassungs- und/oder Filtermittel 7 durch ihre Voreinstellung
zwischen deutlichen, einem Lichtbogen zuzuordnenden Stromänderungen
und weniger deutlichen Stromänderungen,
die auf andere Ursachen zurückzuführen sind,
unterscheiden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass hierbei durch
die Stromsensormittel 6, 15 und die Anpassungs- und/oder
Filtermittel 8 die Flanke eines Stromanstieges oder eines
Stromabfalles erkannt wird.
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Im
Anschluss an die Anpassungs- und/oder Filtermittel 7 und
im Anschluss an die Anpassungs- und/oder Filtermittel 8 ist
jeweils ein Schmitt-Trigger 9, 10 vorgesehen.
Weiterhin ist im Anschluss an den Schmitt-Trigger 9, der
letztlich das Signal der Rauschsensormittel 5 weitergibt,
ein Monoflop vorgesehen, das getriggert wird, sobald eine wählbare Schwelle
des Schmitt-Triggers 9 überschritten
wird.
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Der
Ausgang dieses Monoflops 11 und das aufbereitete Stromsignal
aus dem mit den Stromsensormitteln 6, 15 verbundenen
Schmitt-Triggers 10 werden in Verknüpfungsmitteln 12 UND-verknüpft. Wenn
beide Voraussetzungen für
das Vorhandensein eines Lichtbogens erfüllt sind, d. h. wenn sowohl
der Rauschpegel als auch der Strompegel den voreinstellbaren Grenzwert
für eine
Mindestzeitdauer überschritten
haben, wird von den Verknüpfungsmitteln 12 ein
weiteres Monoflop 13 angetriggert. Der Ausgang 14 dieses
weiteren Monoflops 13 kann z. B. einen Aktor ansteuern,
der zur Unterbrechung desjenigen Stromkreises, in dem der Lichtbogen
auftritt, dient. Alternativ oder zusätzlich besteht auch die Möglichkeit,
dem Fahrer des Kraftfahrzeuges optisch einen Fehler im Bordnetz
zu signalisieren.