DE102014005524B4

DE102014005524B4 - Unterbrechung eines Stromes

Info

Publication number: DE102014005524B4
Application number: DE102014005524.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Wortberg; Alfred Kerber; Jan Marquardt
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: CN105048401A; CN105048401B; US20150295395A1; US9859702B2; DE102014005524A1

Abstract

Verfahren zur Unterbrechung eines Stroms,- bei dem ein Signal einer Versorgungsleitung (110) über mindestens eine vorgegebene Zeitdauer (T1, T2) integriert wird;- bei dem der Strom in der Versorgungsleitung (110) mittels eines Trennelements (103) unterbrochen wird, falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer (T1, T2) integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung (608) erfüllt;- bei dem das Signal eine Spannung ist, die über einer Sicherung abfällt,- wobei anhand einer Temperatur ein Widerstandswert der Sicherung (104) bestimmt wird und anhand des Widerstandswerts und der Spannung der Strom durch die Sicherung (104) bestimmt wird, bei dem das Signal mittels mindestens zweier Integratoren (602, C1, R1; 603, C2, R2) integriert wird, wobei jeder der Integratoren eine eigene Integrationszeitkonstante (T1, T2) aufweist, und bei dem das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung erfüllt, falls es einen vorgegebenen Schwellwert (304) erreicht und/oder überschreitet, und wobei der Schwellwert eine Lastcharakteristik eines Fehlerfalls abbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterbrechung eines Stroms, insbesondere im Fall eines Lichtbogens, sowie eine zugehörige Vorrichtung und Sicherungsvorrichtung.
In einem Bordnetz eines Fahrzeugs, das eine Betriebsspannung von beispielsweise 48V aufweist, können sich parallele Lichtbögen bilden, die einerseits den Strom so begrenzen, dass eine Schmelzsicherung nicht auslöst, andererseits jedoch einen Brand in dem Fahrzeug verursachen.
Ferner kann sich bei einem Kabelbruch in dem 48V-Bordnetz ein serieller Lichtbogen ausbilden, der nicht durch eine Schmelzsicherung abgesichert werden kann, da der resultierende Strom geringer ist als der Laststrom. Auch solch ein serieller Lichtbogen kann eine Brandursache sein.
WO 2011/ 017 721 A1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Lichtbögen in einem Gleichstrompfad einer Photovoltaikanlage, wobei Werte eines Stroms des Gleichstrompfads während eines sich wiederholenden Zeitfensters erfasst und ein Mittelwert gebildet wird, sowie eine solche Photovoltaikanlage. Zur sicheren Detektion von Lichtbögen mit einer Komponente der Photovoltaikanlage werden während der Zeitfenster Werte einer Spannung des Gleichstrompfades erfasst und ein Mittelwert wird gebildet. Basierend auf den Mittelwerten für den Strom und die Spannung wird über ein Berechnungsverfahren zumindest ein Detektionssignal und zumindest eine Detektionsschwelle kontinuierlich berechnet.
EP 2 466 710 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren eines Störlichtbogenereignisses in einem Wechselspannungsnetz. Störlichtbögen insbesondere bei Hausinstallationssystemen im Strombereich zwischen 20 A und 50 A sollen sicherer erkannt werden. Es wird die Steilheit einer Flanke einer Halbwelle eines Stromstärkeverlaufs in dem Wechselspannungsnetz erfasst und ein Integral über der Zeit gebildet, wenn die Steilheit der Flanke einen vorbestimmten Steilheitsschwellwert überschreitet, solang die aktuelle Rauschleitung während der Halbwelle einen Leistungsschwellwert übersteigt. Schließlich wird entschieden, dass das Störlichtbogenereignis vorhanden ist, wenn das Integral einen vorgegebenen Integrationsschwellwert erreicht oder übersteigt.
US 5 682 101 A beschreibt ein Lichtbogenfehlerdetektionssystem in einem elektrischen Verteilungssystem mit einem Leiter, der mit einem Transformator verbunden ist. Dabei wird eine Änderung eines elektrischen Stroms in dem Leiter überwacht. Bei Überschreiten einer Schwelle wird ein Impuls erzeugt. Nach einer Filterung verbleibende Impulse werden überwacht, ob in einem ausgewählten Zeitintervall eine Anzahl von Impulsen eine Schwelle überschreitet, um dann ein Lichtbogen-Fehlersignal zu erzeugen.
US 7 009 406 B2 beschreibt einen Lichtbogendetektor. Eine Spannungsdifferenz über einen Shuntwiderstand wird erfasst, die ein Signal proportional zu einem Stromfluss durch den Shuntwiderstand erzeugt, wobei eine Änderung in dem Signal zum Erzeugen eines Lichtbogen-Fehlersignals erfasst wird.
DE 100 41 879 A1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Strommesseinrichtung zur Messung des Laststroms in einer elektrischen Leiteranordnung mit einem in Reihe zur Last liegenden Shuntwiderstand, an dem eine stromabhängige Spannungsdifferenz abgreifbar ist. An dem Shuntwiderstand ist eine Auswerteeinheit angeschlossen, von der aus der Spannungsdifferenz und Betriebsparametern des Shuntwiderstands der Laststrom berechenbar ist. Um die Nachteile eines zusätzlichen, im Hauptlastzweig liegenden Messwiderstands zu vermeiden und weniger aufwendigen Aufbau zu ermöglichen, wird der Shuntwiderstand durch ein Sicherungselement gebildet.
DE 195 37 495 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung der Stromaufnahme elektrischer Verbraucher mit einem Versorgungsstromkreis und einer Spannungsquelle, wobei in das Zuleitungskabel des Versorgungsstromkreises eine Schmelzsicherung geschaltet ist. An jede Seite der Schmelzsicherung ist eine Messschaltung geschaltet, die den zum Stromverbrauch des Verbrauchers proportionalen Spannungsabfall über der als Nebenschlusswiderstand wirkenden Schmelzsicherung abfühlt und ein den Stromverbrauch anzeigendes elektrisches Signal abgibt.
US 2003 / 0 063 420 A1 beschreibt ein elektrisches Betriebsmittel, welche durch eine mehrstufige Schutzschaltung vor Beschädigungen durch Fehler im Parallellichtbogen geschützt werden. Ein Halbleiterschalter und ein Stromsensor sind mit dem elektrischen Betriebsmittel in Reihe geschaltet. Wenn der Strom zu dem Betriebsmittel einen ersten Schwellenwert für eine vordefinierte Zeitdauer überschreitet, wird der Halbleiterschalter gesperrt, bis die Schaltung speziell zurückgesetzt wird. Wenn der Strom zum Gerät eine größere zweite Schwelle überschreitet, versetzt ein gepulstes Signal den Halbleiterschalter abwechselnd in einen leitenden und einen nicht leitenden Zustand, sodass der an das Gerät angelegte Durchschnittsstrom innerhalb eines akzeptablen Pegels liegt. Die Impulse werden gemessen, um festzustellen, ob ein Parallelbogenfehler aufgetreten ist. Wenn die gemessenen Impulse innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen, wird ein Parallelbogenfehler festgestellt und der Halbleiterschalter wird nichtleitend geschaltet. Sollte der Strom eine noch größere dritte Schwelle überschreiten, wird der Halbleiterschalter sofort gesperrt, bis die Schaltung manuell zurückgesetzt wird.
US 2004 / 0 027 749 A1 beschreibt, wie Lichtbogenfehler in Gleichstromversorgungssystemen von einer Vorrichtung erkannt werden, die auf einen vorbestimmten Spannungsabfall über einer Gleichstromlast oder einen von dieser aufgenommenen Strom reagiert. Die Spannungs- und Stromabfälle können gemessen oder auf die Quellenspannung skaliert werden. In einer anderen Anordnung wird der Laststrom vorübergehend unterbrochen, wenn eine stufenweise Abnahme des Stroms erfasst wird. Wenn der Gleichstrom vor der Unterbrechung nicht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu dem verringerten Wert zurückkehrt, wird eine Lichtbogenbildung angezeigt. In einer dritten Ausführungsform wird eine Drift des Laststroms nach der Erfassung einer Stufenverringerung entweder nach oben in Richtung eines Kurzschlusses oder nach unten in Richtung eines offenen Stromkreises als Hinweis auf eine Lichtbogenbildung genommen.
Die US 2003 / 0 142 449 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Auftretens eines intermittierenden Kurzschlusses.
Die JP H1 1-273 544 A offenbart ein Sicherungselement mit einer Funktion zur Bestimmung eines Kurzschlusses.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lösung zur Erkennung unerwünschter Zustände eines elektrischen Betriebsnetzes, insbesondere eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Unterbrechung eines Stroms angegeben,

- bei dem ein Signal einer Versorgungsleitung über mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integriert wird und
- bei dem der Strom in der Versorgungsleitung mittels eines Trennelements unterbrochen wird, falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung erfüllt.

Insbesondere können eine Vielzahl von (ggf. unterschiedlichen) Zeitdauern integriert und im Rahmen der vorgegebenen Bedingung ausgewertet werden.
Bei dem Signal der Versorgungsleitung kann es sich um ein Signal in der Versorgungsleitung oder um ein Signal, das mittels der Versorgungsleitung bestimmbar ist, handeln. Beispielsweise kann es sich um einen Strom durch ein Bauteil handeln, das mit der Versorgungsleitung verbunden ist. Auch kann es sich um einen Spannung handeln, die an dem Bauteil abfällt, das mit der Versorgungsleitung verbunden ist.
Hierbei ist es von Vorteil, dass eine genaue Signalbestimmung (z.B. Strombestimmung) pro mindestens einem Zeitraum möglich ist, wobei der Zeitraum flexibel ausgestaltet sein kann. Insbesondere kann der mindestens eine Zeitraum kurz im Vergleich zu einem Zeitraum sein, in dem eine herkömmliche (z.B. Schmelz-)Sicherung auslösen würde. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mehrere Zeiträume bestimmt und miteinander verknüpft werden können, um beispielsweise eine Lastcharakteristik eines Fehlerfalls, z.B. eines Lichtbogens, (möglichst genau) zu berücksichtigen. Im Ergebnis kann somit eine herkömmliche Sicherung mit einer vorgegebenen Auslösekennlinie um eine aktive Auslösecharakteristik erweitert werden, die insbesondere Zeiträume berücksichtigt, während der die in der Sicherung detektierte Energie nicht zum Auslösen der Sicherung ausgereicht hätte.
Eine Weiterbildung ist es, dass der Strom in der Versorgungsleitung nicht unterbrochen wird,

- falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal die vorgegebene Bedingung nicht erfüllt oder
- falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal eine andere vorgegebene Bedingung erfüllt.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung erfüllt, falls es einen vorgegebenen Schwellwert erreicht und/oder überschreitet.
Insbesondere können mehrere Schwellwerte vorgesehen sein, z.B. je ein Schwellwert für jedes über eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal anhand einer Mittelwertbildung bestimmt wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Mittelwertbildung eine quadratische Mittelwertbildung ist.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass das Signal ein Strom oder eine Spannung ist oder umfasst.
Das Signal ist eine Spannung, die über einer Sicherung abfällt, wobei anhand einer Temperatur ein Widerstandswert der Sicherung bestimmt wird und anhand des Widerstandswerts und der Spannung der Strom durch die Sicherung bestimmt wird.
Das Signal wird mittels mindestens zweier Integratoren integriert, wobei jeder der Integratoren eine eigene Integrationszeitkonstante (also eine eigene Zeitdauer) aufweist.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die vorgegebene Bedingung mittels einer logischen Verknüpfung basierend auf den Ergebnissen der mindestens zwei Integratoren realisiert ist.
Es gibt eine Vielzahl möglicher logischer Verknüpfungen. Beispielsweise können die integrierten Signale die vorgegebene Bedingung erfüllen, wenn sie jeweils größer oder gleich einem Schwellwert (oder mehrerer Schwellwerte) sind. Beispielsweise kann hierzu eine logische UND-Verknüpfung eingesetzt werden.
Vorzugsweise kann der Schwellwert eine Lastcharakteristik eines Fehlerfalls, z.B. eines seriellen und/oder eines parallelen Lichtbogens berücksichtigen oder abbilden. Hierdurch kann wirksam und effizient die im Verhältnis ggf. langsame Auslösecharakteristik der Sicherung um eine schnelle aktive Auslösecharakteristik erweitert werden. Es ergibt sich somit ein Sicherungssystem umfassend die Sicherung sowie eine Detektionseinheit mit Trennelement, mit der z.B. Lichtbögen detektiert werden können und bei detektiertem Lichtbogen eine Abschaltung des Stroms zu einer Last erfolgen kann.
Ergänzend sei angemerkt, dass die Unterbrechung des Stroms in der Versorgungsleitung vorübergehend oder dauerhaft erfolgen kann. Insbesondere kann zusätzlich eine Signalisierung durchgeführt werden, die z.B. einem Steuergerät anzeigt, dass ein Lichtbogen detektiert wurde. Gegebenenfalls könnte das Trennelement solange geöffnet bleiben, bis der Fehler behoben ist und/oder ein Steuergerät die hier vorgestellte Schaltung zurücksetzt.
Die Ausführungen zum Verfahren gelten für die anderen Anspruchskategorien entsprechend.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung

- mit einem Trennelement,
- mit einer Detektionseinheit, anhand derer ein Signal einer Versorgungsleitung über mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierbar ist,
- wobei die Detektionseinheit derart eingerichtet ist, dass ein Strom in der Versorgungsleitung mittels des Trennelements unterbrechbar ist, falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung erfüllt.

Eine Weiterbildung ist es, dass die Vorrichtung eine Sicherung umfasst, wobei das Signal ein Strom durch die Sicherung oder eine Spannung, die über der Sicherung abfällt, ist.
Die Sicherung ist beispielsweise eine Schmelzsicherung im Strompfad der Versorgungsleitung.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Detektionseinheit umfasst:

- einen Differenzverstärker, anhand dessen eine an der Sicherung abfallende Spannung detektierbar ist, und
- eine Auswerteeinheit, die die vorgegebene Bedingung anhand der an der Sicherung abfallenden Spannung überprüft und das Trennelement entsprechend ansteuert.

Eine zusätzliche Weiterbildung ist es, dass das Trennelement ein elektronischer oder ein fernbetätigter Schalter ist.
Auch wird zur Lösung der vorstehenden Aufgabe eine Sicherungsvorrichtung angegeben umfassend mindestens eine der hier beschriebenen Vorrichtungen.
Diese Sicherungsvorrichtung kann auch als ein Sicherungssystem aufgefasst werden.
Im Rahmen einer Weiterbildung kann die Sicherungsvorrichtung in einem Betriebsnetz, insbesondere in einen Bordnetz, z.B. einem 48V-Bordnetz, eines Fahrzeugs, eingesetzt werden.
Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Die hier genannte Detektionseinheit und/oder Auswerteeinheit kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Detektionseinheit und/oder Auswerteeinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:

1 ein schematisches Schaltbild zur Detektion eines parallelen Lichtbogens und zur Durchführung einer entsprechenden Aktion nach Detektion des Lichtbogens;
2 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einen Stroms im Fall des parallelen Lichtbogens;
3 ein Diagramm, dessen y-Achse eine Zeitdauer für einen Zeitraum t_RMS aufweist, während dessen ein quadratischer Mittelwert (RMS) gebildet wird und dessen y-Achse einen von dieser Zeit abhängigen Strom I(t) ausweist;
4 ein schematisches Schaltbild basierend auf 1 für den Fall eines seriellen Lichtbogens;
5 ein Diagramm mit mehreren zeitlichen Signalverläufen: einem Gesamtstrom durch die Last, einer Spannung an der Sicherung und einer Spannung an der Last;
6 eine beispielhafte Schaltung für die in 1 oder 4 gezeigte Detektionseinheit und
7 eine beispielhafte mechanische Integration eines analogen Filters.

Die hier beschriebene Lösung ist für elektrische Betriebsnetze, beispielsweise für Bordnetze von Fahrzeugen, insbesondere 48V-Bordnetze, einsetzbar.
1 zeigt ein schematisches Schaltbild umfassend eine Batterie 101, die gegenüber Masse 102 beispielhaft eine Spannung von 48V bereitstellt. Der positive Pol der Batterie 101 ist über ein Trennelement 103, eine Sicherung 104 und eine Versorgungsleitung 110 mit dem positiven Pol einer Last 105 verbunden. Der negative Pol der Batterie 101 ist über eine Masseleitung 111 mit dem negativen Pol der Last 105 verbunden.
Bei der Last 105 kann es sich um einen beliebigen Verbraucher oder einen beliebigen Schaltkreis, z.B. ein Betriebsgerät in einem Fahrzeug, handeln.
Ein Spannungsabfall über der Sicherung 104 wird von einer Detektionseinheit 107 bestimmt, indem je ein Anschluss der Sicherung 104 mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 108 verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 108 ist mit einer Auswerteeinheit 109 verbunden, die abhängig von dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 108 das Trennelement 103 ansteuert, d.h. das Trennelement 103 öffnet oder schließt.
Die Auswerteeinheit 109 und der Differenzverstärker 108 sind beispielhaft als Teil der Detektionseinheit 107 ausgeführt.
Anhand der Detektionseinheit 107 wird somit ein Spannungsabfall an der Sicherung 104 bestimmt und anhand dieses Spannungsabfall auf einen Strom durch die Sicherung 104, insbesondere eine Veränderung des Stroms (dl/dt), geschlossen.
Die Auswerteeinheit 109 kann als ein (Mikro-)Controller, ein Prozessor o.ä. ausgeführt sein. Auch kann die Auswerteeinheit 109 in Form einer zumindest teilweise analogen Schaltung (umfassend z.B. ein analoges Filter) realisiert sein.
Bei dem Trennelement 103 handelt es sich beispielsweise um einen elektronisch ansteuerbaren Schalter. Hierbei kann ein Halbleiterschalter, z.B. ein Transistor, MOSFET, JFET, IGBT, etc. und/oder ein sonstiger fernbetätigter Schalter (z.B. ein Relais) eingesetzt werden.
1 zeigt zusätzlich einen Fehlerfall in Form eines parallelen Lichtbogens 106, der sich zwischen der Versorgungsleitung 110 und Masse 102 (als paralleler Kurzschluss) bildet. Ein solcher intermittierender Lichtbogen 106 begrenzt den Strom durch die Sicherung 104 so, dass der energetische Mittelwert nicht für ein Auslösen der Sicherung 104 ausreicht. Somit kann der Lichtbogen 106 unerkannt bleiben und eine Brandursache darstellen.
Um dies zu verhindern, wird die Spannung, die über der Sicherung 104 abfällt, über den Differenzverstärker 108 der Auswerteeinheit 109, z.B. einem Analogeingang eines Mikrocontrollers, zugeführt. Damit kann der Spannungsabfall an der Sicherung 104, z.B. kontinuierlich oder zu bestimmten vorgegebenen Zeitpunkten, gemessen und von der Auswerteeinheit 109 erfasst werden. Beispielsweise verfügt die Auswerteeinheit 109 hierzu über einen Analog-Digital-Wandler, der das von dem Differenzverstärker 108 bereitgestellte Signal in digitale Werte (Samples) wandelt, und diese digitalen Werte verarbeitet. Insbesondere kann ein zeitlicher Verlauf der so erhaltenen digitalen Werte, z.B. über einen vorgegebenen Zeitraum, berücksichtigt werden, um auf eine Veränderung des Spannungsabfalls an der Sicherung 104 rückzuschließen.
Anhand eines Modells der Sicherung 104 oder anhand eines Temperatursensors kann die Temperatur der Sicherung 104 bestimmt werden. Die Temperatur ist mit einem Widerstandswert der Sicherung 104 verknüpft, der z.B. von der Auswerteeinheit 109 mittels gespeicherter Daten (z.B. in Form einer Look-Up-Tabelle) ermittelt werden kann. Mit dem so erhaltenen (temperaturabhängigen) Widerstandswert kann anhand der bekannten an der Sicherung abgefallenen Spannung der Strom durch die Sicherung gemäß dem Ohmschen Gesetz bestimmt werden (abgefallene Spannung geteilt durch den Widerstandswert).
Der ermittelte Strom kann z.B. für mindestens einen vorgegebenen Zeitraum gemittelt werden. Beispielsweise können Zeitfenster mit einer Dauer von 0,1ms, 1ms, 10ms genutzt werden. Insbesondere kann eine Mittelung erfolgen, indem der quadratische Mittelwert (auch bezeichnet als RMS oder QMW) gebildet wird. Bei der quadratischen Mittelwertbildung haben größere Werte einen stärkeren Einfluss als kleinere Werte.
Werden mehrere Zeiträume berücksichtigt, können die Ergebnisse der für den jeweiligen Zeitraum bestimmten Mittelwerte miteinander verknüpft werden und die Verknüpfung liefert ein Signal, anhand dessen das Trennelement 103 geöffnet werden kann. Bei der Verknüpfung kann es sich beispielsweise um eine UND-Verknüpfung handeln. Auch kann ein Vergleich mit einem vorgegebenen Schwellwert erfolgen, anhand dessen eine aktive Auslösecharakteristik, also ein Maß für das Öffnen des Trennelements 103, bestimmt wird.
2 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einen Stroms im Fall des parallelen Lichtbogens. Der parallele Lichtbogen verursacht unregelmäßige Stromspitzen mit hohen Strömen, teilweise bis über 700A. Diese Stromspitzen sind im vorliegenden Fall zu kurz als dass die damit übertragene Energie zum Auslösen der Sicherung 104 ausreichen würde.
3 zeigt ein Diagramm, dessen y-Achse eine Zeitdauer für einen Zeitraum t_RMS aufweist, während dessen ein quadratischer Mittelwert (RMS) gebildet wird und dessen y-Achse einen von dieser Zeit abhängigen Strom I(t) ausweist.
Eine Kurve 303 stellt eine Auslösecharakteristik der Sicherung 104 dar. Beispielsweise kann die Sicherung 104 bei einem dauerhaft anliegenden Strom von 100A auslösen. Liegt der Strom jedoch nur für wenige Millisekunden oder wenige Zehn-Millisekunden an, so löst die Sicherung 104 nicht aus.
Eine Kurve 302 zeigt eine Lastcharakteristik des parallelen Lichtbogens 106 entsprechend z.B. dem in 2 gezeigten Verlauf. Da der zeitabhängige Strom I(t) des Lichtbogens 106 nicht die Auslösecharakteristik der Sicherung 104 erreicht (also die Kurve 302 links von der Kurve 303 liegt), führt der Lichtbogen 106 nicht zu einer Aktivierung und einer Stromkreisunterbrechung durch die Sicherung 104.
Die hier gezeigte Lösung ermöglicht mittels der Detektionseinheit 107, dass die Auslösecharakteristik der Sicherung 104 (Kurve 303) um eine aktive Auslösecharakteristik gemäß einer Kurve 304 erweitert wird, die insbesondere solche Zeiträume berücksichtigt, die typisch für einen Lichtbogen aber zu kurz zum Auslösen der Sicherung 104 sind. Mittels der aktiven Auslösecharakteristik kann bereits mit Erreichen bzw. Überschreiten (von links nach rechts in 3) der Kurve 304 das Trennelement 103 geöffnet und somit der Lichtbogen 106 unterbrochen werden. Dadurch, dass die Kurve 304 in der Nähe der Kurve 302, also der Lastcharakteristik des Lichtbogens 106, ist, kann die Zahl der Fehlauslösungen reduziert bzw. insbesondere minimiert werden.
Beispielsweise kann die Kurve 304 derart realisiert werden, dass z.B. für den Zeitraum t_RMS=1ms ein zugehöriger Stromwert 305 bestimmt wird. Dieser Stromwert 305 kann für einen ersten Vergleich des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 108 genutzt werden. Optional kann ein zweiter Vergleich durchgeführt werden, indem ein zweiter Stromwert 306 bestimmt wird basierend auf dem Zeitraum t_RMS=0,1ms. Der erste und der zweite Vergleich können auf unterschiedliche Arten verknüpft werden, um zu bestimmen, ob das Trennelement 103 geöffnet werden soll. Eine beispielhafte Realisierung für eine Verknüpfung ist z.B. nachfolgend in 6 dargestellt.
Durch die Erweiterung der Auslösecharakteristik der Sicherung 104 anhand der aktiven Auslösecharakteristik ergibt sich ein maximaler Nutzungsbereich wie er beispielhaft links von einer Kurve 301 gezeigt ist.
4 zeigt ein schematisches Schaltbild basierend auf 1. Diesbezüglich wird auf vorstehende Erläuterungen verwiesen. Im Unterschied zu 1 zeigt 4 einen seriellen Lichtbogen 401 in der Versorgungsleitung 110. Zusätzlich ist parallel zu der Last 105 eine Kapazität 402 angeordnet. Diese Kapazität 402 kann auch als Teil der Last 105 ausgeführt sein (wenn beispielsweise die Last 105 eine Schaltung mit einem parallel zu dieser Schaltung angeordneten Kondensator umfasst). Vorzugsweise umfasst die Kapazität 402 mindestens einen Kondensator, wobei parallel zu der Last 105 beispielsweise ein Kapazitätswert im einstelligen Millifaradbereich und mit einem Widerstand von beispielsweise weniger als 20mOhm vorgesehen ist. Insbesondere ist es möglich, die Kapazität 402 verbraucherspezifisch zu dimensionieren.
Um einen Schutz vor solch einem seriellen Lichtbogen 401 und der damit verbundenen Gefahr eines Brandes zu gewährleisten, wird der Strom durch die Sicherung 104 anhand des Spannungsabfalls an der Sicherung 104 detektiert, wie dies oben für den Fall des parallelen Lichtbogens 106 beschrieben ist.
Der serielle, intermittierende Lichtbogen 401 unterbricht die Verbindung zur Last 105 kurz, nach der Unterbrechung wird die Verbindung wiederhergestellt. Da ab dem Moment der Unterbrechung die Last 105 aus der Kapazität 402 versorgt wird, wird die Kapazität 402 zumindest teilweise (oder vollständig) entladen. Sobald der Lichtbogen wieder eine leitende Verbindung herstellt, ergeben sich große Stromspitzen zum Laden der Kapazität 402. Derartige Stromspitzen können wie im Fall des parallelen Lichtbogens 106 zur Detektion des seriellen Lichtbogens 401 verwendet werden.
5 zeigt ein Diagramm mit mehreren zeitlichen Signalverläufen. Ein Signalverlauf 501 zeigt einen Gesamtstrom durch die Last 105 (und die Sicherung 104), ein Signalverlauf 502 zeigt eine Spannung an der Sicherung 104 und ein Signalverlauf 503 zeigt eine Spannung an der Last 105.
In dem in 5 gezeigten Beispiel wird zu einem Zeitpunkt t1 die Versorgungsleitung 110 unterbrochen. Der Gesamtstrom 501 und die Spannung an der Sicherung 104 fallen auf 0, die Spannung an der Last 105 fällt allmählich auf 0, weil zunächst die Last 105 durch die in der Kapazität 402 gespeicherte Energie versorgt wird. Von dem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 unterbricht der intermittierende serielle Lichtbogen 401 den Stromkreis. Ab dem Zeitpunkt t2 ist die Verbindung der Versorgungsleitung 110 temporär wiederhergestellt, aufgrund der zuvor entladenen Kapazität 402 treten hohe Stromspitzen des Gesamtstroms 501 auf, die deutlich über dem Gesamtstrom 501 im eingeschwungenen Zustand liegen (im vorliegenden Beispiel sind die Stromspitzen deutlich über 100A und unter -100A, während im Normalbetrieb der Gesamtstrom 501 nahezu konstant ca. 50A beträgt). Entsprechend ergibt sich der Signalverlauf 502 als Spannungsabfall an der Sicherung. Dieser Signalverlauf 502 kann ausgewertet werden, so dass die Auswerteeinheit 109 den seriellen Lichtbogen 401 detektieren kann und das Trennelement 103 öffnet.
6 zeigt eine beispielhafte Schaltung für die Detektionseinheit 107. Die Spannung an der Sicherung 104 wird mittels eines Differenzverstärkers 601 bestimmt (dieser kann dem vorstehend genannten Differenzverstärker 108 entsprechen).
Wie vorstehend erläutert, führen Stromspitzen im Verlauf eines parallelen Kurzschlusses (verursacht durch den parallelen Lichtbogen 106) zu einem proportionalen Spannungsabfall über der Sicherung 104 bzw. ergeben sich über der Sicherung 104 Stromspitzen durch die Ladung der Kapazität 402 parallel zu der Last 105 im Fall des seriellen Lichtbogens.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 601 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 602 und mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 603 verbunden. Zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 602 und seinem Ausgang ist ein Kondensator C1 angeordnet, zu dem ein Widerstand R1 parallel geschaltet ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 602 ist über einen Widerstand R3 mit Masse verbunden. Zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 603 und seinem Ausgang ist ein Kondensator C2 angeordnet, zu dem ein Widerstand R2 parallel geschaltet ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 603 ist über einen Widerstand R4 mit Masse verbunden.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 602 ist mit dem ersten Eingang eines Komparators 604 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 603 ist mit dem ersten Eingang eines Komparators 605 verbunden. Der zweite Eingang des Komparators 604 ist mit dem zweiten Eingang des Komparators 605 verbunden und wird über einen Knoten mit einer Referenzspannung Uref versorgt. Die Referenzspannung Uref entspricht beispielhaft derjenigen Spannung, die die aktive Auslösecharakteristik in Richtung der Kurve 304 verschiebt.
Der Ausgang des Komparators 604 ist mit dem ersten Eingang eines UND-Gatters 606 und der Ausgang des Komparators 605 ist mit dem zweiten Eingang des UND-Gatters 606 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 606 stellt ein Signal 607 bereit, das einen Lichtbogenfehler anzeigt und anhand dessen das Trennelement 103 geöffnet werden kann.
Im vorliegenden Beispiel gemäß 6 stellen die Operationsverstärker 602 und 603 mit jeweiliger Beschaltung Integrierer dar, die abhängig von der Dimensionierung der Beschaltung unterschiedliche Zeiträume für die Integration (Integrationszeitkonstanten) bestimmen. Die Beschaltung des Operationsverstärkers 602 bestimmt einen Zeitraum T1 gemäß $T 1 = 2 π R 1 C 1,$
und die Beschaltung des Operationsverstärkers 603 bestimmt einen Zeitraum T2 gemäß $T 2 = 2 π R 2 C 2.$
Beispielsweise kann die Schaltung für T1=1ms und T2=10ms ausgelegt sein.
Am Ausgang jedes Operationsverstärkers 602 und 603 liegt pro Zeitraum T1 bzw. T2 eine Spannung an, die proportional zu einer Energie ist, die während dieses Zeitraums von der Sicherung aufgenommen wurde. Im Beispiel gibt es zwei Zeiträume T1 und T2, für die jeweils ein Vergleich mit der Referenzspannung Uref durchgeführt wird, wobei das Signal 607 nur dann das Trennelement 103 öffnet, wenn die in jedem der beiden Zeiträume T1 und T2 integrierte Energie jeweils größer als ein durch die Referenzspannung Uref bestimmter Schwellwert ist.
Die in 6 gezeigte logische Verknüpfung 608 der Ausgangssignale der Operationsverstärker 602 und 603 zu dem Signal 607 ist eine von vielen möglichen Realisierungen. Beispielsweise könnten andere logische Verknüpfungen (z.B. unterschiedliche Gatter) bzw. mehrere Referenzspannungen vorgesehen sein. Auch ist es eine Möglichkeit, dass nur ein einziger Integrierer oder mehr als zwei Integrierer vorgesehen sind.
Ein Vorteil der hier vorgestellten Lösung ist es, dass eine genaue Strombestimmung pro mindestens einem Zeitraum möglich ist, wobei der Zeitraum flexibel ausgestaltet sein kann. Insbesondere kann der mindestens eine Zeitraum kurz im Vergleich zu einem Zeitraum sein, in dem eine herkömmliche (z.B. Schmelz-)Sicherung auslösen würde. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mehrere Zeiträume bestimmt und miteinander verknüpft werden können, um beispielsweise eine Lastcharakteristik eines Fehlerfalls, z.B. eines Lichtbogens, (möglichst genau) zu berücksichtigen. Im Ergebnis kann somit eine herkömmliche Sicherung mit einer vorgegebenen Auslösekennlinie um eine aktive Auslösecharakteristik erweitert werden, die insbesondere Zeiträume berücksichtigt, während der die in der Sicherung detektierte Energie nicht zum Auslösen der Sicherung ausreicht.
7 zeigt eine beispielhafte mechanische Integration eines analogen Filters 704, z.B. gemäß der in 6 gezeigten Schaltung, zur Detektion eines Lichtbogens. 7 zeigt eine (z. B.48V-)Schraubsicherung 701 in einer Draufsicht 707 sowie einer Seitenansicht 702, wobei die Schraubsicherung 701 über Abstandshalter 703 mit dem analogen Filter 704 verbunden ist. Weiterhin sind in 7 Schraubverbindungen 705 gezeigt.
Mittels einer Anschlussleitung 706 können mehrere der in 7 gezeigten Sicherungen mit analogem Filter parallel geschaltet werden.
Alternativ kann das analoge Filter 704 auch oberhalb der Schraubsicherung 701 eingelegt und/oder verschraubt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

101: Batterie
102: Masse
103: Trennelement (z.B. elektronischer Schalter oder Relais)
104: Sicherung (z.B. Schmelzsicherung)
105: Last
106: paralleler Lichtbogen
107: Detektionseinheit
108: Differenzverstärker
109: Auswerteeinheit
110: Versorgungsleitung
111: Masseleitung
301: Kurve (Grenze des maximalen Nutzungsbereichs)
302: Kurve (Lastcharakteristik des Lichtbogens)
303: Auslösecharakteristik der Sicherung 104
304: Aktive Auslösecharakteristik
305: Stromwert
306: Stromwert
401: serieller Lichtbogen
402: Kapazität (umfassend z.B. mindestens einen Kondensator)
501: Gesamtstrom durch die Last 105 (und die Sicherung 104)
502: Spannung an der Sicherung 104
503: Spannung an der Last 105
601: Differenzverstärker
602, 603: Operationsverstärker
604, 605: Komparator
606: UND-Gatter
607: Signal (Lichtbogenfehler)
608: logische Verknüpfung
R1,..., R4: Widerstand
C1, C2: Kondensator
701: Schraubsicherung
702: Seitenansicht
703: Abstandshalter
704: analoges Filter
705: Schraubverbindung
706: Anschlussleitung
707: Draufsicht

Claims

Verfahren zur Unterbrechung eines Stroms, - bei dem ein Signal einer Versorgungsleitung (110) über mindestens eine vorgegebene Zeitdauer (T1, T2) integriert wird; - bei dem der Strom in der Versorgungsleitung (110) mittels eines Trennelements (103) unterbrochen wird, falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer (T1, T2) integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung (608) erfüllt; - bei dem das Signal eine Spannung ist, die über einer Sicherung abfällt, - wobei anhand einer Temperatur ein Widerstandswert der Sicherung (104) bestimmt wird und anhand des Widerstandswerts und der Spannung der Strom durch die Sicherung (104) bestimmt wird, bei dem das Signal mittels mindestens zweier Integratoren (602, C1, R1; 603, C2, R2) integriert wird, wobei jeder der Integratoren eine eigene Integrationszeitkonstante (T1, T2) aufweist, und bei dem das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung erfüllt, falls es einen vorgegebenen Schwellwert (304) erreicht und/oder überschreitet, und wobei der Schwellwert eine Lastcharakteristik eines Fehlerfalls abbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Strom in der Versorgungsleitung nicht unterbrochen wird, - falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal die vorgegebene Bedingung nicht erfüllt oder - falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal eine andere vorgegebene Bedingung erfüllt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal anhand einer Mittelwertbildung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Mittelwertbildung eine quadratische Mittelwertbildung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Signal ein Strom oder eine Spannung ist oder umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vorgegebene Bedingung mittels einer logischen Verknüpfung (608) basierend auf den Ergebnissen der mindestens zwei Integratoren (602, C1, R1; 603, C2, R2) realisiert ist.
Vorrichtung - mit einem Trennelement (103), mit einer Detektionseinheit (107), anhand derer ein Signal einer Versorgungsleitung (110) über mindestens eine vorgegebene Zeitdauer (T1, T2) mittels mindestens zweier Integratoren (602, C1, R1; 603, C2, R2) integrierbar ist, wobei jeder der Integratoren eine eigene Integrationszeitkonstante (T1, T2) aufweist, und bei dem das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung erfüllt, falls es einen vorgegebenen Schwellwert (304) erreicht und/oder überschreitet, und wobei der Schwellwert eine Lastcharakteristik eines Fehlerfalls abbildet, - wobei die Detektionseinheit (107) derart eingerichtet ist, dass ein Strom in der Versorgungsleitung (110) mittels des Trennelements (103) unterbrechbar ist, falls das über die mindestens eine vorgegebene Zeitdauer (T1, T2) integrierte Signal eine vorgegebene Bedingung (608) erfüllt, - wobei das Signal eine Spannung, die über der Sicherung abfällt, ist, und wobei anhand einer Temperatur ein Widerstandswert der Sicherung (104) bestimmbar ist und anhand des Widerstandswerts und der Spannung der Strom durch die Sicherung (104) bestimmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Detektionseinheit (107) umfasst: - einen Differenzverstärker (108), anhand dessen eine an der Sicherung (104) abfallende Spannung detektierbar ist, - eine Auswerteeinheit (109), die die vorgegebene Bedingung anhand der an der Sicherung (104) abfallenden Spannung überprüft und das Trennelement (103) entsprechend ansteuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der das Trennelement ein elektronischer oder ein fernbetätigter Schalter ist.
Sicherungsvorrichtung umfassend mindestens eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Sicherungsvorrichtung in einem Betriebsnetz, insbesondere in einen Bordnetz eines Fahrzeugs, einsetzbar ist.