DE102006033044A1

DE102006033044A1 - Vorrichtung zum Überlastschutz eines Versorgungsstrangs für eine elektrische Last in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102006033044A1
Application number: DE200610033044
Authority: DE
Inventors: Thorsten Kuhnen; Bettina Köth
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-17

Abstract

Zur Überwachung einer elektrischen Komponente (12A, 14, 30) eines Versorgungsstranges für eine elektrische Last auf thermische Überlast, insbesondere des Versorgungsstranges eines KFZ-Bordnetzes, ist vorgesehen, dass anhand von aktuellen Betriebsdaten (3) mit Hilfe eines thermischen Berechnungsmodells die aktuelle Temperatur (T) der elektrischen Komponente (12A, 14, 30) errechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überlastschutz eines Versorgungsstrangs für eine elektrische Last, insbesondere für einen Fensterhebermotor, in einem Kraftfahrzeug.
Der elektrische Fensterhebermotor ist üblicherweise an eine hierarchisch gegliederte Bordnetzstruktur angeschlossen. Diese weist mehrere Verteilungsebenen für die Verteilung der von der Kraftfahrzeug-Batterie bereitgestellten Energie auf. Zum Schutz der Bordnetz-Leitungen gegen Überlast aufgrund eines Überlaststroms sind geeignete Sicherungen, meist Schmelzsicherungen, vorgesehen. Im Kraftfahrzeug sind hierzu in der Regel mehrere Sicherungsdosen angeordnet, in denen jeweils mehrere Sicherungselemente angeordnet sind. Entsprechend der hierarchischen Struktur des Bordnetzes wird über ein einzelnes Sicherungselement jeweils ein Teilbereich oder ein Unterteilbereich des Bordnetzes abgesichert. Die Versorgungsleitungen mehrerer Endverbraucher sind daher über ein üblicherweise als Schmelzsicherung ausgebildetes gemeinsames Sicherungselement gegen Überlast abgesichert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Absicherung einer Versorgungsleitung einer Last in einem Kraftfahrzeug gegen Überlast zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zur Bestimmung, ob eine Überlast vorliegt, wird danach auf eine Programmroutine (Algorithmus) zurückgegriffen, mit deren Hilfe aus den Betriebsdaten der Last und/oder der Versorgungsleitung die aktuelle Temperatur der Versorgungsleitung errechnet wird. Die Programmroutine beruht dabei auf einem thermischen Berechnungsmodell und liest als Parameter die über eine Sensorik oder über Sen sorelemente gemessenen aktuellen Betriebsparameter, insbesondere den aktuellen Stromwert ein. Anhand der aktuellen gemessenen Werte für die Betriebsparameter (Betriebsdaten) wird dann die jeweilige thermische Belastung errechnet.
Zur Überwachung auf Überlast wird daher auf ein Rechenmodell zurückgegriffen, welches die realen Gegebenheiten des Versorgungsstrangs möglichst exakt widerspiegelt, so dass rechnerisch mit Hilfe einer Softwareroutine eine aktuelle Temperatur einer Komponente des Leitungsstrangs errechnet wird, die der tatsächlichen realen Temperatur möglichst nahe kommt.
Zweckdienlicherweise wird hierbei ein komponentenspezifischer Parametersatz herangezogen und unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebsdaten wird die aktuelle Wärmeleistung, also die pro Zeiteinheit zugeführte Wärme ermittelt. Hieraus wird letztendlich die aktuelle Temperatur als Kriterium für das Vorliegen einer thermischen Überlast abgeleitet.
Vorzugsweise wird parallel zur Ermittlung der zugeführten Wärmeenergie aufgrund des durch den Versorgungsstrang fließenden Stroms auch die aktuelle thermische Verlustleistung ermittelt und eine Wärmebilanz erstellt, aus der dann eine Temperaturveränderung der Komponente abgeleitet und so auf eine absolute Ist-Temperatur geschlossen werden kann. Das thermische Berechnungsmodell geht hierbei davon aus, dass die zugeführte Wärmeleistung der elektrischen Verlustleistung aufgrund des Leitungswiderstands entspricht. Gleichzeitig geht das Berechnungsmodell davon aus, dass die zugeführte Energie nicht zu 100% zu einer entsprechenden Temperaturerhöhung führt, sondern dass vielmehr parallel zu der Wärmezufuhr auch Wärmeverluste vorliegen. Beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass die elektrische Energie nicht 100% in Wärmeenergie umgesetzt wird, oder dass Abstrahlungseffekte bestehen. Insgesamt wird mit Hilfe des thermischen Berechnungsmodells daher eine Wärme- oder Energiebilanz und aus dieser eine Temperaturveränderung ermittelt. Diese Temperaturveränderung wird einem zuvor bekannten oder postulierten Temperaturwert der Komponente hinzu gefügt (bzw. subtrahiert, so dass sich die aktuelle Temperatur der Komponente ergibt.
Bei der Aufstellung der Wärmebilanz wird zweckdienlicherweise eine Wärmekapazität und vorzugsweise auch ein Wärmewiderstand der Komponente berücksichtigt. Durch diese Maßnahme wird das reale Verhalten der Komponente möglichst genau abgebildet, da aufgrund von kapazitiven Effekten eine kontinuierliche Energiezufuhr zu einem allmählichen Ansteigen der Temperatur führt.
Für die Berechnung der aktuellen Temperatur wird weiterhin in einer zweckdienlichen Ausgestaltung die aktuelle Umgebungstemperatur oder alternativ hierzu eine maximal anzunehmende postulierte Umgebungstemperatur berücksichtigt. Diese Umgebungstemperatur dient bei der erstmaligen Berechnung des Temperaturwerts mit Hilfe der Routine als Ausgangswert für die aktuelle Temperatur der Komponente, auf die dann die Temperaturänderung aufgerechnet wird. Gleichzeitig geht die Umgebungstemperatur vorzugsweise in die Berechnung der Temperaturänderung mit ein, da die Temperaturzu- oder -abnahme auch von der tatsächlich herrschenden Umgebungstemperatur beeinflusst wird.
Mit Hilfe der Programmroutine wird die aktuelle Temperatur der Komponente vorzugsweise kontinuierlich ermittelt. Hierzu wird das Programm iterativ und zyklisch aufgerufen. Die Zykluszeit zwischen zwei Programmaufrufen liegt hierbei im Millisekundenbereich und insbesondere im Bereich von 1 Millisekunde. Durch diese kontinuierliche Überwachung mit den extrem kurzen Zykluszeiten ist ein sehr schnelles Ansprechen der Überwachungseinrichtung bei einem Überlastfall erzielt. Insgesamt wird mit Hilfe dieses Berechnungsalgorithmusses innerhalb weniger Millisekunden auf einen Überlastfall erkannt. Unter Berücksichtigung, dass zwischen der Erkennung eines Überlastfalls und dem Abschalten der Stromzufuhr mit Hilfe beispielsweise eines Relais oder eines anderen Schaltelements noch Schaltzeiten erforderlich sind, ergibt sich insgesamt eine Reaktionszeit vom Auftreten des Überlast-Ereignisses bis zum Abschalten von unter 10 Millisekunden. Damit wird mit diesem Algorithmus ein sehr schnelles und zügiges sowie zuverlässiges Abschalten erreicht.
Bei der Überlastüberwachung wird vorzugsweise jeweils beim darauf folgenden Routinedurchlauf die im vorhergehenden Routinedurchlauf ermittelte Temperatur als Ausgangstemperaturwert für die Komponente herangezogen, auf die dann die im nächsten Routinedurchlauf errechnete Temperaturveränderung aufaddiert bzw. subtrahiert wird.
Als Kriterium für das Erkennen einer thermischen Überlast wird zweckdienlicherweise ein Temperatur-Maximalwert festgelegt. Sobald dieser überschritten wird, wird auf Überlast erkannt. Dieser Temperatur-Maximalwert bildet vorzugsweise einen einstellbaren Parameterwert. Hierdurch besteht daher die Möglichkeit, die Sensitivität der Überlasteinrichtung einzustellen.
Nach dem Erkennen einer Überlast wird die Programmroutine bevorzugt weiter kontinuierlich ausgeführt und es wird die Temperatur der Komponente weiterhin überwacht. Hierbei wird nunmehr berücksichtigt, dass keine elektrische Energie mehr zugeführt wird. Da der Berechnungsalgorithmus das reale Verhalten nachbildet, wird auf diese Weise auch die Abkühlphase der Komponente ermittelt. Sobald nunmehr die ermittelte Temperatur einen Minimalwert unterschreitet, wird die Stromzufuhr über den Versorgungsstrang wieder aufgenommen. Es ist also ein automatisches Zurücksetzen vorgesehen, so dass bei lediglich temporär auftretenden Störeffekten automatisch die Stromzufuhr wieder aufgenommen wird. Für den Fall, dass nach der erneuten Zuschaltung des Stroms sofort wieder auf eine Überlast erkannt wird, besteht die Möglichkeit, die über die Versorgungsleitung mit Strom versorgte Last dauernd von der Stromzufuhr abzutrennen und die Wiederherstellung der Stromzufuhr erst nach einem manuellen Zurücksetzen nach einer Problembehebung zu erlauben.
Für das Berechnungsmodell wird vorzugsweise der aktuell über die Versorgungsleitung fließende Strom direkt gemessen und herangezogen. Zweckdienlicherwei se wird hierbei direkt auch überprüft, ob der gemessene Strom einen Kurzschlussstrom-Schwellwert überschritten hat. In diesem Fall wird der Stromfluss über die Versorgungsleitung unterbunden. Zweckdienlicherweise erfolgt hierbei die Überprüfung auf den Stromschwellwert jeweils vor dem Start des eigentlichen Programmdurchlaufs. Mit dieser Maßnahme der Einstellung eines Kurzschlussstrom-Schwellwerts werden Kurzschlussströme sehr schnell und sicher detektiert. Insgesamt ist daher das thermische Modell zweistufig aufgebaut, wobei in einer ersten Stufe überprüft wird, ob eventuell ein Kurzschlussstrom vorliegt, in dessen Fall ein Abschalten erfolgt ist. In der zweiten Stufe wird überprüft, ob beispielsweise aufgrund eines dauerhaft hohen Stromes allmählich ein Temperaturwert erreicht wird, der möglicherweise zu einem Leitungsschaden führen könnte. Durch dieses zweistufige Vorgehen wird daher ein besonders effektiver Leitungsschutz erzielt.
Das Berechnungsmodell umfasst vorzugsweise ein thermisches Modell für unterschiedliche Komponenten des Versorgungsstranges. Diese Komponenten sind beispielsweise die Versorgungsleitung, ein Schaltelement wie ein Relais oder auch Kontaktierungselemente wie Steckkontakte oder sonstige Kontakte. Für jede dieser Komponenten ist wahlweise oder in Kombination ein spezielles Berechnungsmodell, also beispielsweise ein thermisches Leitungsmodell, ein thermisches Relaismodell oder ein thermisches Kontaktierungsmodell vorgesehen.
Diese verschiedenen Einzelmodelle sind zweckdienlicherweise zu einem Gesamtmodell zusammengefasst. D.h. innerhalb dieses Gesamtmodells wird parallel jedes dieser Berechnungsmodelle im Rahmen einer Ablaufroutine ausgeführt. Ergänzend hierzu erfolgt die Schwellwertbetrachtung für die Detektion eines Kurzschlussstromes. Die parallele Überwachung jeder der relevanten Komponenten hat den Vorteil, dass der gesamte Versorgungsstrang effektiv auf eine Überlast überwacht wird, da der Stromfluss immer dann unterbunden wird, wenn bei einer der Komponenten eine thermische Überlast auftritt. Für die verschiedenen Komponenten kann es nämlich bei unterschiedlichen Situationen zu unterschiedlichen Erwärmungseffekten kommen, so dass situationsabhängig unterschiedliche Komponenten thermisch überlastet werden können.
Für jedes dieser einzelnen Berechnungsmodelle der unterschiedlichen Komponenten ist ein spezieller Parametersatz vorgesehen, welcher die speziellen Gegebenheiten der unterschiedlichen Komponenten berücksichtigt. Diese unterschiedlichen Gegebenheiten sind insbesondere der elektrische Widerstand, der bevorzugt temperaturabhängig hinterlegt ist, unterschiedliche Wärmekapazitäten der Komponenten, unterschiedliche Wärmewiderstände oder unterschiedliches Abstrahlverhalten, etc. Über diese Parametersätze lässt sich der Berechnungsalgorithmus auch sehr einfach anpassen, wenn an den einzelnen Komponenten Modifikationen vorgenommen werden, wenn also beispielsweise ein anderer Leitungstyp oder ein anderer Verbindungstyp herangezogen wird, der beispielsweise einen anderen elektrischen Widerstand aufweist. Es braucht daher der Vorrichtung jeweils nur mitgeteilt zu werden, welche der Komponenten im Einsatz ist, indem ein entsprechender Parametersatz eingespielt wird.
In diesem Parametersatz können weiterhin auch Alterungsparameterwerte hinterlegt sein, die Alterungseffekte berücksichtigen. Auch ist vorzugsweise vorgesehen, dass aufgetretene Überlastereignisse für die zukünftige Überlastüberwachung berücksichtigt werden. Es wird also die Historie für die zukünftige Überlastüberwachung herangezogen. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, dass bestimmte Überlastfälle zu einem bleibenden Schaden der zu überwachenden Komponente, beispielsweise der Leitung, führen können, so dass aufgrund dieses bleibenden Schadens beispielsweise der Maximalwert, ab dem auf eine Überlast erkannt wird, für die Zukunft reduziert ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen
1 bis 3 alternative Ausgestaltungen eines Teillausschnitts aus einem Kraftfahrzeug-Bordnetz in Blockbild-Darstellungen,
4 ein thermisches Ersatzschaltbild für ein thermischen Leitungsmodel und
5 den Ablauf einer Programmroutine zur Überwachung einer Komponente eines Versorgungsstrangs auf thermische Überlast.
Das ausschnittsweise dargestellte Bordnetz umfasst gemäß 1 eine zentrale Sicherungsdose 2, in der mehrere gemeinsame Sicherungselemente 4 zur Absicherung von Bordnetz-Leitungen 6, 6A gegen Überlast vorgesehen sind. Im Ausführungsbeispiel ist lediglich ein gemeinsames Sicherungselement 4 angedeutet, das die Leitung 6A des Bordnetzes gegen Überlast absichert. Die Sicherungsdose 2 selber ist wiederum durch eine Zuleitung 8 mit einer übergeordneten Hierarchieebene des Bordnetzes verbunden, beispielsweise mit einer Vorsicherungsdose, die unmittelbar der Kraftfahrzeug-Batterie nachgeschaltet ist.
Über die Leitung 6A ist ein Steuergerät 10 an das Bordnetz angebunden, von dem mehrere Versorgungsleitungen 12, 12A abgehen. Die Versorgungsleitungen 12, 12A sind daher gemeinsam durch das gemeinsame Sicherungselement 4 gegen Überlast abgesichert.
Das Steuergerät 10 ist über die Versorgungsleitung 12A und über einen in das Steuergerät 10 integrierten Schalter 14 mit einem elektrischen Fensterhebermotor 16 verbunden. Das Steuergerät 10 ist üblicherweise innerhalb eines Türmoduls einer Kraftfahrzeugtür integriert und dient zur Ansteuerung und Versorgung der im Türmodul integrierten Komponenten, wie beispielsweise zur Ansteuerung des Fensterhebermotors oder auch zum Anschluss von Bedienelementen, beispielsweise für die ferngesteuerte Öffnung der Motorhaube, des Kofferraums, weiterer Fensterhebermotoren usw. Das Steuergerät 10 ist hierbei üblicherweise über eine hier nicht näher dargestellte Schnitt- oder Trennstelle mit der Leitung 6A verbunden. Diese Schnittstelle ist üblicherweise als Stecker verwirklicht. Alternativ zu dem im Steuergerät 10 implementierten Schalter 14 ist dieser dem Steuergerät nachgeschaltet angeordnet. Der Schalter 14 dient zum Trennen der Versorgungsleitung 12A und bildet somit ein als Trennschalter ausgebildetes Sicherungselement.
Das Steuergerät 10 weist ein kombiniertes Programm 18 auf, in dem ein erstes Überwachungsprogramm 20A sowie ein zweites Überwachungsprogramm 20B miteinander kombiniert sind. Im Steuergerät 10 ist weiterhin neben weiteren hier nicht näher dargestellten Komponenten ein Speicher 22 vorgesehen. Das Steuergerät 10 empfängt über eine erste Datenleitung 24A Betriebsdaten B' des Fensterhebermotors 16. Die Betriebsdaten B' sind die aktuellen Ist-Werte von Betriebsparametern, wie beispielsweise Motordrehzahl, Versorgungsspannung, Versorgungsstrom, etc. Wie durch den gestrichelten Pfeil dargestellt, können zusätzlich auch Betriebsdaten B der Versorgungsleitung 12A erfasst und dem Überwachungsprogramm 20A zur Verfügung gestellt werden.
Zur Erfassung der Betriebsdaten B' der Last 16 sind ein oder mehrere geeignet ausgebildete und in Sensorik bildende Sensorelemente 25 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel ist lediglich ein Sensorelement 25 als Teil des Fensterhebermotors 16 dargestellt. Das Sensorelement 25 ist beispielsweise der Stromausgang eines Halbleiterleistungsschalters, der anstelle eines Relais eingesetzt wird. Alternativ hierzu ist das Sensorelement 25 ein Mess- oder Schaltwiderstand. Auch kann das Sensorelement 25 ein Hall-Sensor zur Drehzahlmessung sein. Vorzugsweise wird hierbei auf Sensorelemente 25 zurückgegriffen, die bereits für anderweitige Funktionen verwendet werden, so dass kein zusätzlicher Aufwand für die Implementierung der Sensorik besteht.
Über eine zweite Datenleitung 24B ist das Steuergerät 10 mit einem Temperatursensor 26 verbunden. Dieser dient zur Messung der Umgebungstemperatur und übermittelt entsprechende Temperaturdaten X an das Steuergerät 10.
Bei der Ausführungsvariante gemäß 2 ist im Unterschied zu der gemäß 1 keine Sensorik zur Erfassung der Betriebsdaten B' der Last 16 vorgesehen. Viel mehr werden in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines weiteren Sensorelements 28 die Betriebsdaten B der Versorgungsleitung 12A direkt erfasst und dem Überwachungsprogramm 20A zur Verfügung gestellt. Im Ausführungsbeispiel ist das weitere Sensorelement 28 ein Shunt-Widerstand zur direkten Strommessung des in die Versorgungsleitung 12A eingespeisten Stroms.
Bei der Ausführungsvariante gemäß 3 ist schließlich ebenfalls die direkte Messung des über die Versorgungsleitung 12A fließenden Stroms vorgesehen. Das weitere Sensorelement 28 ist hierbei als ein sogenannter SenseFet ausgebildet, der zudem gleichzeitig den Schalter 14 darstellt, über den die Versorgungsleitung 12A bei Bedarf getrennt wird. Sensorelement 28 und Sicherungselement 14 werden daher durch ein einziges Bauteil verwirklicht.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist weiterhin die Versorgungsleitung 12A als eine FPC-Leitung ausgebildet und der SenseFet 28 ist auf dieser FPC-Leitung als integriertes Bauelement implementiert. Die FPC-Leitung ist direkt an das Steuergerät 10 sowie an den Fensterhebermotor 16, beispielsweise über geeignete Steckverbinder, angeschlossen.
Bei den Ausführungsvarianten gemäß den 2 und 3 können zusätzlich auch wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Betriebsdaten B' der Last 16 ergänzend herangezogen werden.
Da über das Sicherungselement 4 gleichzeitig mehrer Versorgungsleitungen 12 abgesichert sind, kann aus sicherheitstechnischen Gründen ohne ergänzende Maßnahmen die Versorgungsleitung 12A nicht durch eine für kleinere Ströme ausgelegte Versorgungsleitung ausgetauscht werden. Das Sicherungselement 4 ist zur Absicherung der Versorgungsleitungen 12, 12A beispielsweise als eine 3A-Sicherung ausgebildet, weist also einen Sicherungswert von 3 Ampere auf. Alle hierarchisch im Bordnetz nachgeordneten Leitungen 6A, 12, 12A, die über das Sicherungselement 4 abgesichert sind, müssen zumindest für einen Strom von 3 Ampere ausgelegt sein, selbst dann, wenn die tatsächlich zu erwartende Strom aufnahme der jeweiligen Last deutlich darunter liegt. Auch wenn eine solche Versorgungsleitung 12A mit einem kleineren Leiterquerschnitt für die Stromversorgung des Fensterhebermotors 16 ausreichend wäre. Der Einsatz von kleineren oder weiter entwickelten Fensterhebermotoren 16 erlaubt daher herkömmlich keine Anpassung der Versorgungsleitung 12A.
Um für die Versorgungsleitung 12A einen effektiven Überlastschutz vorzusehen ist ein softwaretechnisch verwirklichter Überlastschutz implementiert. Hierzu wird mit Hilfe des Überwachungsprogramms 20A anhand der erhaltenen Betriebsdaten B. B' sowie unter Berücksichtigung der Temperaturdaten X die erwartete Temperatur der Versorgungsleitung 12A abgeleitet und als Kriterium für die Entscheidung herangezogen, ob eine Überlast vorliegt oder nicht. Für diese Entscheidung greift das Überwachungsprogramm 20A hierbei auf nicht näher dargestellte Kennlinien zurück, die im Speicher 22 abgelegt sind.
So wird beispielsweise in einer ersten Alternative aus der gemessenen Motordrehzahl, der gemessenen Versorgungsspannung und der Motorkennlinie auf die zu erwartende Temperaturbelastung der Versorgungsleitung 12A rückgeschlossen. In einer zweiten Alternative werden beispielsweise die Versorgungsspannung und der Versorgungsstrom erfasst und hieraus die zu erwartende Temperatur der Versorgungsleitung 12A ermittelt.
Im Speicher 22 sind jeweils die für die aktuelle Konfiguration gültigen Parametersätze und Kennlinien abgelegt. Die aktuelle Konfiguration umfasst die Art der Versorgungsleitung 12A und die Art des eingesetzten Fensterhebermotors 16. Bei der Beurteilung, ob eine Überlast vorliegt, werden hierbei auch die Temperaturdaten X für die Außentemperatur sowie die Anzahl der Schaltzustände in einem vorgegebenen Zeitintervall, also die Schalthäufigkeit, herangezogen. Diese wird bevorzugt von der Steuerungseinheit 10 selbst ermittelt, indem die zeitliche Abfolge der von ihr veranlassten Schaltimpulse an den Fensterhebermotor 16 ausgewertet wird.
Wird vom Überwachungsprogramm 20A auf Überlast der Versorgungsleitung 12A erkannt, so wird der Schalter 14 geöffnet und der Fensterhebermotor 16 von dem restlichen Bordnetz getrennt. Anschließend kann der Schalter 14 wieder geschlossen werden und der Fensterhebermotor 16 kann wieder seinen normalen Betrieb aufnehmen.
Durch diesen softwaretechnischen Leitungsschutz ist ein effektiver reversibler Schutzmechanismus verwirklicht. Durch die Reversibilität ist im Gegensatz zu einer Schmelzsicherung kein manuelles Eingreifen nach Auslösung des Schutzmechanismus erforderlich. Aufgrund der softwaretechnischen Verwirklichung ist der Leitungsschutz zudem sehr kostengünstig und es sind keine Hardwarebauteile erforderlich. Weiterhin ist vorgesehen, dass der tatsächliche Leitungsquerschnitt der Versorgungsleitung 12A im Vergleich zu einem für den Sicherungswert des Sicherungselements 4 notwendigen Leitungsquerschnitt verringert und an die tatsächliche Stromaufnahme des Fensterhebermotors 16 angepasst ist. Bevorzugt wird als Versorgungsleitung 12A eine neue Leitungstechnologie, insbesondere eine Folienleitung eingesetzt.
Ergänzend zum Leitungsschutz ist über das zweite Überwachungsprogramm 20B ein softwaretechnisch verwirklichter Thermoschutz für den Fensterhebermotor 16 ausgebildet. Somit ist die gesamte Hierarchieebene im Anschluss an das Steuergerät 10 über ein einziges Programmmodul, nämlich das kombinierte Programm 18, sowohl gegen einen Überstrom als auch gegen thermische Überlast geschützt. Zum thermischen Überlastschutz greift das zweite Überwachungsprogramm 20B ebenfalls auf Betriebsdaten B' des Fensterhebermotors 16 zu und wertet diese aus. Bei einer thermischen Überbelastung wird ebenfalls der Schalter 14 geöffnet.
In 4 ist ein thermisches Ersatzschaltbild gezeigt, welches für das thermische Berechnungsmodell für die Überprüfung der Versorgungsleitung 12A auf thermische Überlast zugrunde gelegt wird. Das thermische Ersatzschaltbild ist hierbei an eine einfache elektrische Schaltung angelehnt. Die thermischen Größen lassen sich äquivalent zu den elektrischen Größen betrachten. Und zwar wird die elektrische Spannung U mit einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur der Leitung 12A und der Umgebungstemperatur, die elektrische Kapazität C mit einer Wärmekapazität C_th, der elektrische Widerstand R mit einem Wärmewiderstand R_Th identifiziert. Bei diesem thermischen Modell findet daher im Wesentlichen Eingang die Wärmekapazität C_th der jeweiligen zu überwachenden Komponente 12A sowie ein Wärmewiderstand R_th der jeweils zu überwachenden Komponente 12A. Unter Wärmewiderstand R_th wird hierbei der Widerstand verstanden, der einem Wärmestrom I bei der Ausbreitung in der Komponente 12A entgegensteht. In Analogie zum Ohm'schen Gesetz ist der Wärmewiderstand R_th anstelle des ohm'schen Widerstands R und eine Wärmeleistung P_th anstelle des Stroms und ein Temperaturabfall Δϑ anstelle eines Spannungsabfalls definiert. Und es gilt: Pth = Δϑ/Rth.
Neben der hierdurch definierten Wärmeleitung P_th lässt sich für die Wärmekapazität C_th die Gleichung aufstellen Pth = Cth·dϑ/dt: ...
Unter Temperaturdifferenz ΔT versteht man den Unterschied der Leitungstemperatur zur Umgebung. Ausgehend von diesen grundsätzlichen Überlegungen wird eine Energiebilanz aufgestellt wie folgt: Ewärmezu = Ewärmeab + Eaufheizen,wobei E_wärmezu der zugeführten Energie, E_wärmeab die abgegebene Wärmeenergie und E_aufheizen der in einer Temperaturänderung resultierenden Aufheizenergie entspricht. Die zugeführte Wärmeenergie E_wärmezu entspricht der elektrischen Verlustenergie aufgrund des ohm'schen Leitungswiderstand (P_v = I²·R(T)·t). Unter Berücksichtigung dieser Annahmen lässt sich ein einfaches Modell aufstellen, anhand dessen sich die Temperaturveränderung Δϑ errechnen lässt.
Als Eingangsdaten werden hierbei benötigt der durch die Leitung 12A fließende Strom I, der vorzugsweise direkt erfasst oder auch indirekt ermittelt wird. Weiter hin ist der elektrische Leitungswiderstand R_el erforderlich, der als Parameterwert hinterlegt wird. Bevorzugt wird der elektrische Leitungswiderstand R_el temperaturabhängig hinterlegt. Der Wärmewiderstand R_th sowie die Wärmekapazität C_th werden anhand empirischer Modelle rechnerisch ermittelt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass im stationären Zustand bei konstanter Wärmeleistung P_th, wenn also kein Aufheiz- oder Abkühleffekt auftritt, die Wärmeleistung P_th mit der elektrischen Verlustleistung P_v gleichgesetzt werden kann und die sich einstellende Temperaturdifferenz Δϑ somit die Endtemperatur der Leitung abzüglich der Umgebungstemperatur ist. Danach lässt sich nach der Formel Rth = Δϑ/Pv der Wärmewiderstand R_th berechnen. In ähnlicher Weise lässt sich auch unter Zuhilfenahme empirischer Messungen an der jeweiligen zu überwachenden Komponente die Wärmekapazität C_th ermitteln und als Parameter hinterlegen.
Die Überwachung auf Überlast erfolgt kontinuierlich, wobei zyklisch das Programm zur Überwachung auf Überlast gestartet wird. Die Zykluszeit liegt hierbei vorzugsweise bei etwa 1 Millisekunde. Der Zyklus bzw. die Programmroutine ist in 5 dargestellt. Nach dem Start der Programmroutine wird zunächst der tatsächliche Stromwert I ermittelt, vorzugsweise direkt gemessen. Alternativ kann er beispielsweise auch aus Kenngrößen der Last 16 abgeleitet werden. In einem ersten Entscheidungsschritt wird dann überprüft, ob der gemessene insbesondere mittlere Stromwert I' einen Schwellwert S übersteigt. Der Schwellwert S steht für einen Kurzschlussstromwert. Unter mittlerem Stromwert I' wird der über eine gewisse Messzeit gemittelte Stromwert I verstanden. Sofern der mittlere Stromwert I' den Schwellwert S übersteigt, führt dies sofort zum Trennen der Versorgungsleitung 12A von der Stromzufuhr. D.h. es wird veranlasst, dass der Schalter 14 geöffnet wird.
Falls der mittlere Stromwert I' den Schwellwert S nicht überschreitet, wird im nächsten Schritt mit Hilfe des thermischen Berechnungsmodells die aktuelle Temperatur T der Versorgungsleitung 12A errechnet. Übersteigt diese einen vorgebbaren Temperaturmaximalwert MAX, so folgt wiederum ein Trennen der Ver sorgungsleitung 12A von der Stromversorgung. Das Übersteigen des Temperaturmaximalwerts MAX wird daher als Kriterium für eine Überlast herangezogen. Ist T < MAX so wird im nächsten Schritt überprüft, ob T < einem Temperaturminimalwert MIN ist. Dies ist dann bedeutsam, wenn der Schalter 14 geöffnet wurde und somit die Versorgungsleitung 12A abkühlen kann. Ist T < MIN wird der Schalter 14 wieder geschlossen und die Last 16 wieder mit Strom versorgt. Anschließend beginnt die Routine von neuem.
Bei der nächsten Routine wird der zuvor berechnete Temperaturwert T als Ausgangstemperaturwert berücksichtigt. Beim erstmaligen Start der Routine wird entweder ein gemessener Temperaturwert, beispielsweise die Umgebungstemperatur, herangezogen oder es wird von einem postulierten Temperaturwert ausgegangen. Aufgrund des iterativen Vorgehens und der Übernahme des zuvor ermittelten Temperaturwerts T werden allmähliche Temperaturanstiege erkannt. Durch diese Maßnahme wird daher auch dann auf eine thermische Überlast erkannt, wenn der gemessene Strom deutlich unterhalb des Schwellwerts S liegt, jedoch so groß ist, dass die Versorgungsleitung 12A sich kontinuierlich erwärmt und einen Temperaturwert T erreicht, ab dem eine Schädigung der Leitung 12A zumindest zu befürchten ist.
Das im Zusammenhang mit den 4 und 5 erläuterte Vorgehen im Zusammenhang mit der Versorgungsleitung 12A lässt sich gleichermaßen auch auf andere Komponenten eines Versorgungsstranges übertragen. Insbesondere sind derartige weitere Komponenten ein als Relais ausgebildeter Schalter 14 oder Verbindungselemente 30, wie beispielsweise Steckverbinder oder Stecker, über die die Versorgungsleitung 12A mit der Last 16 bzw. mit dem Steuergerät 10 verbunden ist (vgl. beispielhaft 1). Der zu überwachende Versorgungsstrang ist daher gebildet durch die Versorgungsleitung 12A, den Verbindungselementen 30 sowie Schalter 14. Vorzugsweise ist für jede dieser Komponenten ein eigenes thermisches Berechnungsmodell vorgesehen und zu jeder dieser Komponenten ist im Steuergerät 10 ein Parametersatz hinterlegt. Die einzelnen Modelle sind bevorzugt zu einem Gesamtmodell zusammengefasst, welches derart arbeitet, dass die einzelnen Modelle parallel nebeneinander jeweils durchlaufen werden, wobei bei allen drei Modellen der aktuell gemessene Stromwert I eingeht und im Rahmen des Gesamtmodells einmalig mit dem hinterlegten Schwellwert S verglichen wird.

2: Sicherungsdose
4: Sicherungselement
6: Leitung
8: Zuleitung
10: Steuergerät
12, 12A: Versorgungsleitung
14: Schalter
16: Fensterhebermotor
18: Programm
20A: erstes Überwachungsprogramm
20B: zweites Überwachungsprogramm
22: Speicher
24A, B: Datenleitung
25: Sensorelement
26: Temperatursensor
28: weiteres Sensorelement
30: Verbindungselement
B, B': Betriebsdaten
T: Temperaturdaten
Δϑ: Temperaturdifferenz der Leitung aufgrund einer Wärmezufuhr
ΔT: Temperaturdifferenz Leitung – Umgebung
t: Zeit
R_th: thermischer Widerstand
C_th: Wärmekapazität
P_th: Wärmeleistung
P_v: elektrische Verlustleistung
I: gemessener Strom
I': gemittelter Stromwert
S: Schwellwert
T: errechneter Temperaturwert
MAX: Temperatur-Maximalwert
MIN: Temperatur-Minimalwert

Claims

Vorrichtung zur Überwachung einer elektrischen Komponente (12A, 14, 30) eines Versorgungsstranges für eine elektrische Last auf thermische Überlast, insbesondere des Versorgungsstranges eines KFZ-Bordnetzes, die derart eingerichtet ist, dass anhand von aktuellen Betriebsdaten (3) mit Hilfe eines thermischen Berechnungsmodells die aktuelle Temperatur (T) der elektrischen Komponente (12A, 14, 30) errechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das thermische Berechnungsmodell unter Berücksichtigung eines komponentenspezifischen Paramtersatzes der Komponente (12A, 14, 30), eine aktuelle Wärmeleistung (P_th) aufgrund des aktuell durch die Komponente fliegenden Stroms (3) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aktuelle thermische Verlustleistung ermittelt, eine Wärmebilanz erstellt und eine Temperaturveränderung (Δ-P) der Komponente (12A, 14, 30) errechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei zur Aufstellung der Wärmebilanz eine Wärmekapazität (C_th) der Komponente (12A, 14, 30) berücksichtigt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktuelle Umgebungstemperatur (X) für die Ermittlung der Temperaturveränderung (Δ-P) berücksichtigt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktuelle Temperatur (T) in einer iterativ ablaufenden Programmroutine kontinuierlich ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die im vorhergehenden Routinedurchlauf ermittelte Temperatur (T) beim nächsten Routinedurchlauf als Ausgangstemperaturwert für die Temperatur der Komponente (12A, 14, 30) herangezogen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die derart eingerichtet ist, dass auf eine thermische Überlast erkannt und der Stromfluss über die Versorgungsleitung unterbunden wird, falls die ermittelte Temperatur (T) einen Maximalwert (MAX) überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die derart eingerichtet ist, dass der Stromfluss wiederhergestellt wird, falls die ermittelte aktuelle Temperatur (T) einen Minimalwert (MIN) unterschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eingerichtet ist zu überprüfen, ob ein über die Komponente (12A, 14, 30) fließender Strom einen Schwellwert (S) überschritten hat und bei Überschreiten des Schwellwertes (S) der über die elektrische Komponente (12A, 14, 30) fließende Strom unterbunden wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Berechnungsmodell ein thermisches Leitungsmodell und die elektrische Komponente eine Versorgungsleitung (12A) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Berechnungsmodell ein thermisches Relaismodell und die elektrische Komponente ein Relais (14) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Berechnungsmodell ein thermisches Kontaktierungsmodell und die elektrische Komponente ein Kontaktelement (30) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere elektrische Komponenten (12A, 14, 30) eines gemeinsamen Versorgungsstranges überwacht werden und hierzu mehrere thermische Modelle herangezogen werden, wobei bei Überschreiten des Temperatur-Maximalwerts (MAX) innerhalb eines Modells der über den Versorgungsstrang fließende Strom (3) unterbunden wird.