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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Lichtbögen in einem
Stromkreis, insbesondere in einem Kraftfahrzeugbordnetz, umfassend zumindest
ein Rauschsensormittel zur Erfassung eines Wechselstromanteils oder
eines Wechselspannungsanteils des durch den Stromkreis fließenden Stroms
und zur Erzeugung eines entsprechenden Sensorsignals, zumindest
ein Strom- oder Spannungssensormittel zur Erfassung einer Veränderung des
Stroms oder der Spannung in dem Stromkreis und zur Erzeugung eines
entsprechenden Sensorsignals und zumindest ein Auswertemittel für die Erkennung
eines Lichtbogens.
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Eine
derartige Vorrichtung ist in der nachveröffentlichten Offenlegungsschrift
zu der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2004 037 139 bekannt.
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Bei
Kraftfahrzeugen werden derzeit überwiegend
Bordnetzspannungen von 14 Volt und 28 Volt eingesetzt. In neueren
Kraftfahrzeugen wird jedoch vielfach schon eine höhere Bordnetzspannung,
nämlich
eine Bordnetzspannung von 48 Volt verwendet, um den steigenden Leistungsbedarf
hinsichtlich Energieverbrauch, Sicherheit und Komfort der Kraftfahrzeuge
gewährleisten
zu können.
Lichtbögen
können, je
nach Material zwischen dem die Lichtbögen sich bilden, bei ca. zwischen
13 und 20 Volt entstehen. Daher sind bei Bordnetzspannungen um 48
Volt stabile Lichtbögen
zu beobachten, die nicht von selbst verlöschen. Die in den 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
die seriellen Lichtbögen
und die parallelen Lichtbögen.
Serielle Lichtbögen
treten in Reihe zum Verbrauch 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 beim 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 Kabelisolierungen, wie sie durch in die Kabelisolierung
eindringende Karosserieblechteile, beispielsweise im Crashfall hervorgerufen
werden können.
Bei parallelen Lichtbögen
entstehen im Lichtbogen und dessen Umgebung relativ hohe Leistungsdichten
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 Lichtbogenstroms
im Einzelfall deutlich geringer sein kann als die Größe eines
möglichen
vollen Kurzschlussstroms, der zu einem zuverlässigen Auslösen der Schmelzsicherung führt.
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Herkömmliche
Sicherungssysteme mit Schmelzsicherungen sind aus den vorgenannten Gründen nicht
in der Lage, Lichtbögen
zuverlässig
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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Bei
der in der nachveröffenlichten
Offenlegungsschrift beschriebenen Vorrichtung kann mit dem Stromsensormittel
für die
Erfassung einer Veränderung
des Stroms in dem Stromkreis und den Rauschsensormitteln eine zuverlässige Erkennung von
Lichtbögen
erreicht werden. Die Auswertemittel der Vorrichtung können bei
Erfassung 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
und anzeigen. Durch die Berücksichtigung zweier
Kriterien, nämlich
zum einen die Feststellung eines Wechselanteils, der einem Rauschen
durch die Lichtbögen
entspricht, und durch Feststellung einer Veränderung des Stroms, die für einen
Lichtbogen charakteristisch ist, kann mit großer Sicherheit und effektiv
sowohl auf parallele als auch auf serielle Lichtbögen geschlossen
werden. Dennoch sind Fehlinterpretationen nicht ausgeschlossen.
So ist es beispielsweise möglich,
dass die Kombination des Einschaltens oder Ausschaltens eines Verbrauchers
im Stromkreis mit einem Rauschen, hervorgerufen durch eine Kommutierung
an einem Motor das Auswertemittel dazu veranlasst, einen Lichtbogen
zu erkennen, obwohl kein Lichtbogen vorliegt. Die Vorrichtung der
eingangs genannten Art kann also dazu führen, dass zu häufig der
Stromkreis unterbrochen wird, auch wenn kein Fehler vorliegt.
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Hier
setzt die vorliegende Erfindung an.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so zu verbessern, dass Fehlinterpretationen, die zu
unnötigen
Unterbrechungen des Stromkreises führen könnten, ausgeschlossen werden.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Vorrichtung zumindest eine Schnittstelle zu einem BUS-System
umfasst, über
welche Informationen über
den Zustand von in den Stromkreis eingesetzten Verbrauchern in die
Vorrichtung einlesbar sind, und dass durch das Auswertemittel aufgrund
der Sensorsignale des Rauschsensormittels und des Strom- oder Spannungsmittels
und der Informationen über den
Zustand der Verbraucher das Vorliegen eines Lichtbogens erkennbar
ist. Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, kann es sich bei dem BUS um einen
LIN- oder CAN-BUS handeln. Durch das Einlesen der Informationen über den
Zustand der in dem Stromkreis eingesetzten Verbraucher kann eine
zusätzliche
Plausibilitätsüberprüfung durchgeführt werden.
Das Ergebnis dieser zusätzlichen
Plausibilitätsüberprüfung kann
sein, dass obwohl die Verknüpfung
der Sensorsignale der Rauschsensormittel und des Ausgangssignals
des Strom- beziehungsweise Spannungssensormittels das Vorliegen
eines Lichtbogens anzeigen, eine Abschaltung beziehungsweise Unterbrechung des
Stromkreises unterbleibt, insbesondere dann wenn einer der Verbraucher
in dem Stromkreis ein- oder ausgeschaltet wird und zugleich ein
Rauschen, hervorgerufen durch das Kommutieren in einen Elektromotor,
von den Rauschsensormitteln erfasst wird.
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Das
Rauschsensormittel und/oder das Strom- oder Spannungssensormittel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können so
ausgestaltet sein, dass verschiedene Parameter der Sensormittel einstellbar
sind. Durch die einstellbaren Parameter können die Sensormittel auf den
jeweiligen Stromkreis angepasst werden oder aber auch nachträglich nach
einer Veränderung
des Stromkreises an die Veränderung
des Stromkreises angepasst werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann einen Mikrocontroller aufweisen, mit welchem die Parameter
des Rauschsensormittels und/oder des Strom- oder Spannungssensormittels
gegebenenfalls unter Verwendung einer Schnittstelle extern oder
gegebenenfalls intern einstellbar sind.
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Für den Mikrocontroller
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
können über eine
Schnittstelle der Vorrichtung, insbesondere über die Schnittstelle zum BUS-System
selbsttätig
eine Veränderung
der Anzahl und/oder des Typs einer der Verbraucher erkennbar sein.
Dadurch kann eine selbsttätige
Anpassung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
an die Verbraucher in dem Stromkreis ermöglicht werden.
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Der
Mikrocontroller umfasst vorteilhaft das Auswertemittel.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann dann das Vorliegen eines Lichtbogens erkennen, wenn das Rauschsensormittel
einen Wechselstrom- oder einen Wechselspannungsanteil über einem
voreingestellten Wert erfasst, dass das Strom- oder Spannungssensormittel
eine Veränderung
des Stroms oder der Spannung über
einen voreingestellten Wert erfasst und eine Information über ein
Ein- oder Ausschalten eines Verbrauchers nicht vorliegt.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann einen Ausgang umfassen, an welchem das Erkennen eines Lichtbogens
angezeigt wird. Ferner kann ein Schaltmittel zur Unterbrechung des
Stromkreises beim Erkennen eines Lichtbogens Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
sein.
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Zwischen
das Strom- oder Spannungssensormittel oder eines der Rauschsensormittel
und dem Stromkreis Signalpassungsmittel geschaltet sind, welches
den gemessenen Strom oder die gemessene Spannung an die Sensormittel
anpasst.
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Über die
Schnittstelle zum BUS-System kann bei einer vorteilhaften Vorrichtung
auch (zusätzlich)
eine Information über
den Schaltzustand eines oder mehrer Verbraucher des Stromkreises
(zum Beispiel des Anlassers) eingelesen werden. Sofern die Information
vorliegt, dass ein solcher Verbraucher eingeschaltet ist, könnte über ein
Deaktivierungselement die Lichtbogenerkennung der Vorrichtung deaktiviert
sein, um Fehlfunktionen der Vorrichtung aufgrund dieses oder dieser
Verbraucher zu verhindern.
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ZEICHNUNGEN
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Zwei
Ausführungsbeispiele
für erfindungsgemäße Vorrichtungen
zum Erkennen von Lichtbögen in
einem Stromkreis sind in der Zeichnung näher dargestellt. Darin zeigt
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einem Stromsensormittel und
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einem Spannungssensormittel.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den 1 und 2 ist ein Stromkreis 1 dargestellt,
der eine Spannungsquelle aus in Reihe geschalteten Batterien 2 und
Verbraucher 3 umfasst. Zwischen dem positiven Pol der Batterien 2 und
den Lasten 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 zur Erkennung
von Lichtbögen
in dem Stromkreis 1 eingesetzt.
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Die
in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 4 umfasst
einen Messwiderstand 5. Zur Messung des durch den Messwiderstand 5 fließenden Stroms
erfolgt ein Abgriff an dem positiven Potential und an dem negativen
Potential des Messwiderstands 5. Die Abgriffe sind zu einem
Signalanpassungsmittel 6 geführt, in welchem das Spannungssignal
in geeigneter Weise verändert
werden kann. Das Signalanpassungsmittel kann dabei so gestaltet
sein, dass unterschiedliche Frequenzbereiche unterschiedlich verstärkt oder
gedämpft
werden. Der Ausgang des Signalanpassungsmittels 6 ist mit
einem Stromsensormittel 7 zur Erfassung einer Veränderung
des Stroms in dem Stromkreis und zur Erzeugung eines entsprechenden
Sensorsignals verbunden. Außerdem
ist der Ausgang des Signalanpassungsmittels 6 mit zwei
Rauschsensormitteln 8, 9 zur Erfassung eines Wechselstromanteils
des durch den Stromkreis fließenden
Stroms und zur Erzeugung eines entsprechenden Sensorsignals verbunden.
Ausgangssignale des Stromsensormittels 7 und der Rauschsensormittel 8, 9 können auf
eine bekannte Art und Weise dazu benützt werden, um einen seriellen
oder parallelen Lichtbogen in dem Stromkreis zu erkennen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 1 sind
die Ausgänge
des Stromsensormittels 7 und der Rauschsensormittel 8, 9 mit
einem Mikrocontroller 11 verbunden. In dem Mikrocontroller 11 werden
die von dem Stromsensormittel 7 und dem Rauschsensormittel 8, 9 erzeugten
Signale miteinander verknüpft,
um einen seriellen oder parallelen Lichtbogen in dem Stromkreis
zu erkennen. Ist ein Lichtbogen in dem Stromkreis erkannt worden,
könnte
dies an einem Ausgang 13 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 durch
den Mikrocntroller 11 angezeigt werden.
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Zusätzlich weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 jedoch
eine Schnittstelle 12 zu einem Bus-System auf. Dieses Bus-System
ist mit den Verbrauchern 3 in dem Stromkreis verbunden
und über das
Bus-System können
Informationen über
den Zustand der Verbraucher 3 in die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 eingelesen
werden. So kann insbesondere eine Information darüber in die
erfindungsgemäße Vorrichtung 4 eingelesen
werden, ob ein Verbraucher ein- oder ausgeschaltet wird oder ist.
In einem optionalen Signalaufbereitungsmittel 10 wird die über die
Schnittstelle 12 eingelesene Information über den Zustand
der Verbraucher 3 aufbereitet und dann dem Mikrocontroller 11 zur
Verfügung
gestellt. Die Informationen über
den Zustand der Verbraucher 3 fließt in die Auswertung, die in
dem Mikrocontroller 11 vorgenommen wird, mit ein. D. h.,
die Information über den
Zustand der Verbraucher 3 wird mit den Ausgangssignalen
des Stromsensormittels 7 und der Rauschsensormittel 8, 9 verknüpft.
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Diese
Verknüpfung
dient einer Plausibilitätsüberprüfung, der
aus den Ausgangssignalen des Stromsensormittels 7 und der
Rauschsensormittel 8, 9 gewonnen Kenntnis über das
Vorliegen eines Lichtbogens in den Stromkreis. Hat beispielsweise
das Stromsensormittel 7 eine positive Stromflanke erkannt,
spricht dies grundsätzlich
für einen
Kurzschluss parallel zu einem der Verbraucher 3. Als Folge
des Kurzschlusses kann dann ein paralleler Lichtbogen entstehen.
Dazu muss der Strom nach der Flanke einen einstellbaren Wert erreichen
oder übersteigen.
Gleichzeitig kann aber nur dann ein Lichtbogen vorliegen, wenn von
den Rauschsensormitteln 8, 9 zugleich ein für einen
Lichtbogen typisches Rauschen erkannt wird.
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Durch
die über
die Schnittstelle 12 eingelesenen Informationen über den
Zustand der Verbraucher 3 kann nun der Mikrocontroller 11 feststellen,
ob das Vorliegen eines parallelen Lichtbogens plausibel ist. Wenn
nämlich
zugleich mit dem Auftreten der positiven Stromflanke ein Verbraucher 3 zum
Beispiel ein Anlasser eingeschaltet wurde, spricht viel dafür, dass
kein paralleler Lichtbogen vorliegt. Das Einschalten des Verbrauchers
hat nämlich
je nach Größe des Verbrauchers
eine mehr oder weniger hohe und steile Stromflanke zur Folge. Das
von den Rauschsensormitteln 8, 9 erkannte Rauschen
könnte darüber hinaus
nicht nur durch einen Lichtbogen erzeugt werden, sondern beispielsweise
auch durch das Bürstenfeuer
des Anlassermotors.
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Wenn
also die über
die Schnittstelle 12 eingelesenen Informationen über den
Zustand der Verbraucher 3 das Einschalten eines Verbrauchers 3 anzeigen,
spricht viel dafür,
dass kein Kurzschluss und infolgedessen kein paralleler Lichtbogen
vorliegt. In diesem Fall würde
der Mikrocontroller 11 keine Fehlermeldung am Ausgang 13 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 anzeigen.
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Eine
negative Stromflanke, die von dem Stromsensormittel 7 erkannt
wird spricht grundsätzlich
für einen
seriellen Lichtbogen. Sobald das Stromsensormittel 7 einen
Strom unterhalb einer einstellbaren Grenze erkennt, gibt das Stromsensormittel 7 ein
Stromsensorsignal ab, welches dieses anzeigt. Liegt gleichzeitig
an den Ausgängen
der Rauschsensormittel 8, 9 ein das Rauschen eines
Lichtbogen anzeigende Signal an, verknüpft der Mikrocontroller 11 diese
Ausgangssignale der Sensormittel 7, 8, 9 und erkennt
vorläufig
das Vorliegen eines seriellen Lichtbogens.
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Der
Mikrocontroller zeigt das Vorliegen eines seriellen Lichtbogens
am Ausgang 13 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 an,
sobald aufgrund der Plausibilitätsüberprüfung davon
ausgegangen werden kann, dass tatsächlich ein serieller Lichtbogen
vorliegt. Bei der Plausibilitätsüberprüfung wird die über die
Schnittstelle 12 eingelesene Information über den
Zustand der Verbraucher 3 ausgewertet. Geben die Informationen
an, dass ein Verbraucher zum Beispiel ein Anlassermotor, ausgeschaltet
worden ist, spricht sehr viel dafür, dass die negative Stromflanke
durch das Ausschalten des Verbrauchers hervorgerufen wurde. In einem
solchen Fall unterbleibt dann das Anzeigen eines seriellen Lichtbogens
am Ausgang 13 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
Vorrichtung gemäß der 2 unterscheidet
sich von der Vorrichtung gemäß 1 dadurch,
dass kein Stromsensormittel vorgesehen ist, sondern stattdessen
ein Spannungssensormittel 7. Außerdem ist kein Messwiderstand 5 vorgesehen,
da die Spannung unmittelbar zwischen dem positiven Pol der Batterien 2 und
der Masse abgegriffen und dem Signalanpassungsmittel 6 zugeführt wird.
An den Ausgang des Signalanpassungsmittels 6 sind analog
zu der Vorrichtung gemäß 1,
das Spannungssensormittel 7 und die Rauschsensormittel 8, 9 angeschlossen.
Im übrigen
arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 gemäß der 2 wie
die erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß 1.