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Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Erkennung eines nicht funktionsgemäßen Ausfalls mindestens einer ersten Sicherungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einem Kraftfahrzeug mit einer solchen Schaltungsanordnung und einem Verfahren zur Erkennung eines nicht funktionsgemäßen Ausfalls mindestens einer ersten Sicherungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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Elektrifizierte Fahrzeuge haben in allen relevanten Stromkreisen eine Sicherung, die den Fahrer und das Fahrzeug im Fehlerfall, zum Beispiel einem Kurzschluss, vor elektrisch verursachten Schäden schützen soll.
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Zur Verwendung von Sicherungen beschreibt beispielsweise die
DE 102 47 307 B3 ein Fahrzeugbordnetz mit einer Verteilereinheit und einer Vielzahl elektrischer Leitungen zur Stromversorgung angeschlossener Lasten. Weiterhin weist die Verteilereinheit eine Vielzahl an Sicherungen auf, die mit den elektrischen Leitungen verbunden sind, wobei eine entsprechende Anzahl an Sicherungen je nach vorgesehener Last parallel geschaltet werden kann, um nicht jede Sicherung einzeln für eine jeweilige, angeschlossene Last auslegen zu müssen.
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Weiterhin offenbart die
DE 198 18 114 A1 eine zentrale Steuerung für Fahrzeug-Beleuchtungsanlagen. Dabei schaltet eine zentrale Beleuchtungssteuerung beim Ausfall von einer oder mehr der ursprünglich vorgesehenen Leuchten der Warnblinkanlage stattdessen eine geeignete Ersatzlichtquelle ein. Jede der Lichtquellen ist dabei mit mindestens einer eigenen Sicherung abgesichert, wobei anstelle einer einzelnen Sicherung auch mindestens zwei Sicherungen parallel geschaltet werden können, um bei Ausfall einer dieser Sicherungen aus Gründen wie Materialermüdung oder fehlerhafte Fertigung die Stromversorgung der Lichtquelle über eine der anderen intakt gebliebenen Sicherungen sicherzustellen.
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Sicherungseinrichtungen, insbesondere Schmelzsicherungen, besitzen dabei einen Schmelzleiter, der bei Überströmen schmilzt und somit den Stromkreis trennt.
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Neben diesen bestimmungsgemäßen Auslösungen oder Trennungen kann eine Sicherung, wie bereits erwähnt, durch zum Beispiel mechanische Fehlbelastungen oder Produktionsfehler vorzeitig und ungewollt ausfallen.
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Bei Hochvoltsystemen ist es üblich, dass nach einem schwerwiegenden Fehler, wie zum Beispiel einem Kurzschluss, die ausgelöste Sicherung nicht einfach ersetzt wird, sondern die gesamte Batterie von Experten untersucht und zur weiteren Benutzung freigegeben wird. So sollen Folgefehler durch zum Beispiel im Kurzschluss leicht veränderte Sensorempfindlichkeiten vermieden werden.
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Fällt eine Sicherung hingegen aufgrund von Produktionsfehlern aus, ist es gewünscht, diese kostengünstig und durch Servicepersonal austauschen zu können.
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Dieser Austausch einer Sicherung durch Servicepersonal erfordert eine sichere Unterscheidung der beiden genannten Ausfallklassen, also erstens dem bestimmungsgemäßen Auslösen bei zum Beispiel Kurzschlüssen und zweitens dem ungewollten defekt durch zum Beispiel Produktionsfehler. Nur im zweiten Fall darf die Sicherung ohne weitere Prüfung ausgetauscht werden.
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Klassische Ansätze gehen daher von einer lückenlosen Überwachung des Stromes aus. Falls der im Fahrzeug verbaute Sensor keine Ströme im Kurzschlussbereich, insbesondere bis zu mehreren tausend Ampere, detektiert und die Sicherung trotzdem ausfällt, ist von einem unerwünschten Ausfall auszugehen.
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Aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeit derartiger Kurzschlüsse (< 1 ms) erfordert dies sehr schnelle und damit teure Sensoren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Erkennung eines nicht funktionsgemäßen Ausfalls mindestens einer ersten Sicherungseinrichtung bereitzustellen, mittels welchen auf kostengünstigere Weise eine Unterscheidung zwischen einem bestimmungsgemäßen Auslösen einer Sicherungseinrichtung und einem nicht funktionsgemäßen Ausfall einer Sicherungseinrichtung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einem Kraftfahrzeug mit einer solchen Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 4 und einem Verfahren zur Erkennung eines nicht funktionsgemäßen Ausfalls mindestens einer ersten Sicherungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erkennung eines nicht funktionsgemäßen Ausfalls mindestens einer ersten Sicherungseinrichtung ist mit einer Energiequelle und einem Verbraucher koppelbar. Dabei weist die Schaltungsanordnung mindestens eine erste Sicherungseinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, im Auslösefall der mindestens einen ersten Sicherungseinrichtung einen durch die hindurch fließenden Strom zu unterbrechen. Des Weiteren weist die Schaltungsanordnung eine Sensoreinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, den Auslösefall der mindestens einen ersten Sicherungseinrichtung zu detektieren. Erfindungsgemäß weist die Schaltungsanordnung weiterhin mindestens eine zweite Sicherungseinrichtung auf, die parallel zur mindestens einen ersten Sicherungseinrichtung geschaltet ist, wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Auslösefall der mindestens einen zweiten Sicherungseinrichtung zu detektieren.
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Durch die Parallelschaltung der ersten und der zweiten Sicherungseinrichtung, insbesondere statt der Verwendung nur einer Sicherung, können beide Auslösefälle, das heißt ein bestimmungsgemäßes Auslösen, wie beispielsweise bei einem Kurzschluss, und ein nicht funktionsgemäßer Ausfall einer Sicherung, auf besonders kostengünstige Weise unterschieden werden. Im Fall eines Kurzschlusses und beispielweise bei einer gleichartigen Ausbildung der ersten und zweiten Sicherungseinrichtung verteilt sich der Strom annähernd gleich auf beide Sicherungen. Bei asymmetrischer Belastung würde sich eine Sicherung stärker erwärmen, damit einen höheren Widerstand bekommen und somit weniger Strom führen, so dass der Strom automatisch gleich verteilt ist. Der so auf beide Sicherungen gleich verteilte Kurzschlussstrom wird damit auch beide Sicherungen in annähernd gleicher Zeit zum Schmelzen bringen. Nach einem Kurzschluss haben daher immer beide Sicherungen ausgelöst. Ungewollte Ausfälle durch mechanische Fehlbelastungen oder Produktionsfehler weisen eine sehr starke Streuung auf. Es ist daher nahezu ausgeschlossen, das ein derartiger Fehler zum exakt gleichen Zeitpunkt in beiden Sicherungen gleichzeitig auftritt. Der Fehler wird somit in nur einer der Sicherungen auftreten, die andere Sicherung bleibt leitfähig. Die verbleibende Sicherung wird damit mit der doppelten der erlaubten Stromstärke belastet, ist also nicht dauerbetriebsfähig. Die Auslösezeiten bei derartigen geringen Überlasten liegen jedoch bei vielen Minuten bis Stunden, so dass ausreichend Zeit für eine Detektion des Einzelausfalls mit der daraus folgenden asymmetrischen Belastung bleibt. Schnelle und damit teure Sensoren zur Detektion des Auslösefalls einer Sicherung sind damit nicht mehr erforderlich, was eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung der Sensoreinrichtung ermöglicht.
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Da bei einem nichtfunktionsgemäßen Ausfall eine der Sicherungseinrichtungen durch die andere der beiden Sicherungseinrichtungen der Strom weiter fließen kann, funktioniert eine klassische Sicherungsausfalldetektion, basierend auf einem Logikvergleich, ob ein Strom fließt, wenn die Spannung angeschaltet ist, nicht mehr. Die Überlast lässt sich jedoch durch die nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen der Sensoreinrichtung auf besonders einfache Weise ermitteln.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinrichtung mindestens einen Temperatursensor auf, der dazu ausgelegt ist, eine Temperatur in einem Bereich der zumindest einen ersten Sicherungseinrichtung und/oder in einem Bereich der zumindest einen zweiten Sicherungseinrichtung zu messen.
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Eine Temperaturmessung stellt dabei eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, um einen Auslösefall einer Sicherungseinrichtung zu detektieren, und zudem auch, um einen bestimmungsgemäßen Auslösefall von einem nicht funktionsgemäßen Ausfall einer Sicherung zu unterscheiden. Bei einem nicht funktionsgemäßen Ausfall einer der beiden Sicherungen wird die defekte Sicherung kalt, und die überlastete Sicherung hingegen sehr warm. Bei einem bestimmungsgemäßen Auslösen der Sicherungen dagegen wird der Stromfluss durch beide Sicherungen unterbrochen, und beide Sicherungen werden kalt, was eine eindeutige Erkennung erlaubt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinrichtung mindestens einen Spannungssensor auf, der dazu ausgelegt ist, einen Spannungsabfall an der Parallelschaltung aus erster und zweiter Sicherungseinrichtung zu messen. Der Spannungssensor ist dabei insbesondere parallel zur Parallelschaltung aus erster und zweiter Sicherungseinrichtung geschaltet. Auf diese Weise ist es möglich, dass durch einen Spannungssensor, der nach dem ohmschen Gesetz die über der Parallelschaltung der Sicherungen abfallende Spannung misst, den Ausfall einer Sicherung auf einfache und kostengünstige Weise zu detektieren, denn bei Ausfall nur einer Sicherung verdoppelt sich der Widerstand, das heißt der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung, so dass sich auch die an der Parallelschaltung abfallende Spannung verdoppelt. Bei Ausfall beider Sicherungen kommt es dagegen zu einem deutlich höheren Spannungsabfall an der Parallelschaltung.
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Damit ist insgesamt eine besonders kostengünstige und sichere Detektion und Unterscheidung von gewollten und ungewollten Sicherungsauslösungen beziehungsweise Ausfällen möglich. Damit kann ein Sicherungsaustausch kostengünstig je nach detektiertem Fall freigegeben oder verboten werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere mit einer Hochvolt-Batterie, mit einer, insbesondere mit der Hochvolt-Batterie gekoppelten, erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungsvarianten. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist gerade im Zusammenhang mit einer als Hochvolt-Batterie ausgestalteten Energiequelle besonders vorteilhaft, da gerade das Erfordernis einer aufwendigen Untersuchung der gesamten Batterie in einem Auslösefall eine möglichst kostengünstige und gleichzeitig zuverlässige Unterscheidungsmöglichkeit zwischen einem funktionsgemäßen Auslösefall und einem nicht funktionsgemäßen Ausfall einer Sicherung wünschenswert macht.
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Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erkennung eines nicht funktionsgemäßen Ausfalls mindestens einer ersten Sicherungseinrichtung einer Schaltungsanordnung, die mit einer Energiequelle gekoppelt ist, mit einer Sensoreinrichtung zum Detektieren eines Auslösefalls der mindestens einen ersten Sicherungseinrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaltungsanordnung mindestens eine zweite Sicherungseinrichtung aufweist, die parallel zur mindestens einen ersten Sicherungseinrichtung geschaltet ist, und die Sensoreinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Auslösefall der zumindest einen zweiten Sicherungseinrichtung zu detektieren, wobei, wenn durch die Sensoreinrichtung zumindest für eine vorbestimmte Zeitdauer der Auslösefall nur der mindestens einen ersten Sicherungseinrichtung oder nur der mindestens einen zweiten Sicherungseinrichtung detektiert wird, der Auslösefall als ein nicht funktionsgemäßer Ausfall der mindestens einen ersten Sicherungseinrichtung oder der mindestens zweiten Sicherungseinrichtung erkannt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden, wenn durch die Sensoreinrichtung innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer der Auslösefall der mindestens einen ersten Sicherungseinrichtung und der Auslösefall der mindestens einen zweiten Sicherungseinrichtung detektiert wird, die Auslösefälle als bestimmungsgemäße Auslösefälle erkannt. Da die Auslösezeiten bei geringen Überlasten, wie dies der Fall ist, wenn eine der beiden Sicherungen der Parallelschaltung auslöst und die andere nicht, bei vielen Minuten bis Stunden liegen, kann die vorbestimmte Zeitdauer deutlich größer als eine Millisekunde, beispielsweise im Minutenbereich, gewählt werden, weshalb zur Detektion des Auslösens der Sicherungen keine schnellen und teuren Sensoren erforderlich sind und die Sensoreinrichtung damit besonders kostengünstig ausgestaltet werden kann und gleichzeitig eine zuverlässige Unterscheidung zwischen diesen Fällen möglich ist.
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Weiterhin gelten die für die Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile in gleicher Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und ihren Ausgestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch weitere Verfahrensschritte.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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1 eine schematische Darstellung einer mit einer Hochvolt-Batterie gekoppelten Schaltungsanordnung, welche eine Parallelschaltung aus zwei Sicherungen und zwei Temperatursensoren zur Erkennung von nicht funktionsgemäßen Ausfällen der Sicherungen umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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2 eine schematische Darstellung einer mit einer Hochvolt-Batterie gekoppelten Schaltungsanordnung mit einer Parallelschaltung aus zwei Sicherungen und einem Spannungssensor zur Erkennung von nicht funktionsgemäßen Ausfällen der Sicherungen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10, die mit einer als Hochvolt-Batterie 12 ausgebildeten Energiequelle gekoppelt ist. Die Schaltungsanordnung umfasst nun eine erste Sicherungseinrichtung, insbesondere eine erste Sicherung F1, wie beispielsweise eine Schmelzsicherung, und eine zweite Sicherungseinrichtung, insbesondere eine zweite Sicherung F2, die ebenfalls als Schmelzsicherung ausgebildet sein kann, wobei die erste Sicherung F1 und die zweite Sicherung F2 zueinander parallel geschaltet sind. Durch diese Parallelschaltung der beiden Sicherungen F1 und F2 statt der Verwendung nur einer einzelnen Sicherung wird es auf besonders kostengünstige und einfache Weise ermöglicht, zwischen einem funktionsgemäßen Auslösen der Sicherungen F1 und F2 und einen nicht funktionsgemäßen Ausfall der Sicherungen F1 beziehungsweise F2 unterscheiden zu können. Die Sicherungen F1 und F2 sind bevorzugt gleichartig ausgestaltet, das heißt sie weisen einen gleichen Widerstand, einen gleichen Nennstrom und/oder Auslösecharakteristik auf. Dies stellt die einfachste und vorteilhafteste Möglichkeit der Ausgestaltung der beiden Sicherungen F1 und F2 dar, jedoch sind auch unterschiedliche Ausgestaltungen der beiden Sicherungen F1 und F2 denkbar.
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Tritt nun ein Kurzschluss auf, und ruft einen Kurzschlussstrom durch die beiden Sicherungen F1 und F2 hervor, so lösen in annähernd gleicher Zeit beide Sicherungen F1 und F2 aus. Weist dagegen eine der Sicherungen F1 oder F2 einen defekt auf, wodurch ein nicht funktionsgemäßer Ausfall dieser Sicherung F1 oder F2 bewirkt wird, ist der Stromfluss durch diese Sicherung F1 oder F2 unterbrochen, wodurch sich der Stromfluss durch die andere der beiden Sicherungen F1 oder F2 erhöht, und insbesondere bei gleichartiger Ausbildung der Sicherungen F1 und F2 verdoppelt. Durch diese Überlast ist die andere, noch intakte Sicherung F1 oder F2 zwar nicht dauerbetriebsfähig, jedoch liegt die Auslösezeit bei derartig geringen Überlasten bei vielen Minuten bis Stunden. Dadurch lassen sich die beiden Situationen, das funktionsgemäße Ausfallen beider Sicherungen, zum Beispiel im Kurzschlussfall, und dem nicht funktionsgemäßen Ausfall einer der Sicherungen F1 oder F2 und dem darauf folgenden, zeitlich beabstandeten Auslösen der anderen der beiden Sicherungen F1 oder F2, sehr leicht durch kostengünstige Sensoren unterscheiden. Beispielsweise können dazu einfache Temperatursensoren S1 und S2, wie in 1 dargestellt, vorgesehen werden. Bei einem nicht funktionsgemäßen Ausfall einer der Sicherungen F1 oder F2 erniedrigt sich die Temperatur der ausgefallenen Sicherung F1 oder F2 und die Temperaturen der dadurch mit Überstrom beaufschlagten Sicherung F1 oder F2 erhöht sich, zumindest bis auch diese aufgrund der Überlast ausfällt. Da dies jedoch erst nach vielen Minuten bis Stunden erfolgt, ist es möglich, die Temperaturänderungen der jeweiligen Sicherungen F1 und F2 bei einem Ausfall nur einer der Sicherungen F1 oder F2 mittels der Temperatursensoren S1 und S2 zuverlässig festzustellen, und dadurch auf einen nicht funktionsgemäßen Ausfall der betreffenden Sicherung F1 oder F2 zu schließen. Lösen dagegen bei einem Kurzschluss beide Sicherungen F1 und F2 aus, so wird sich die Temperatur beider Sicherungen F1 und F2 in gleicher Weise erniedrigen, was durch die Temperatursensoren S1 und S2 festgestellt werden kann, wodurch auf ein funktionsgemäßes Auslösen der Sicherungen F1 und F2 geschlossen werden kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10, welche mit einer Hochvolt-Batterie 12 als Energiequelle gekoppelt ist. Die Schaltungsanordnung 10 weist wiederum eine Parallelschaltung aus zwei Sicherungen F1 und F2 auf. Statt der Temperatursensoren S1 und S2 ist hierbei nun ein Spannungssensor S vorgesehen, der parallel zur Parallelschaltung aus den Sicherungen F1 und F2 geschaltet ist, und mittels welchem sich ebenfalls die Fälle eines funktionsgemäßen Auslösens der Sicherungen F1 und F2 und dem nicht funktionsgemäßen Ausfall einer der Sicherungen F1 und F2 unterscheiden lassen. Der Spannungssensor S misst nach dem ohmschen Gesetz die über der Parallelschaltung der Sicherungen F1 und F2 abfallende Spannung. Bei Ausfall einer der Sicherungen F1 oder F2 erhöht sich der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung, insbesondere verdoppelt sich dieser, wenn die beiden Sicherungen F1 und F2 gleichartig ausgestaltet sind und den gleichen Widerstand im leitfähigen Zustand der Sicherungen F1 und F2 aufweisen. Durch eine Verdoppelung des Widerstands verdoppelt sich auch die an der Parallelschaltung abfallende Spannung. Durch die Detektion einer Spannungsverdopplung mittels des Spannungssensors S kann somit auf einfache Weise auf einen nicht funktionsgemäßen Ausfall einer der beiden Sicherungen F1 oder F2 geschlossen werden. Kommt es dagegen zu einem funktionsgemäßen Auslösen beider Sicherungen F1 und F2, so wird durch den Spannungssensor S, aufgrund des daraus resultierenden unendlichen Widerstands der Parallelschaltung, eine deutlich höhere Spannung als nur die Doppelte detektiert, wodurch auf das funktionsgemäße Auslösen beider Sicherungen F1 und F2 geschlossen werden kann.
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Weiterhin können die Schaltungsanordnungen 10 gemäß 1 und 2 noch weitaus mehr Sicherungen aufweisen, insbesondere kann jede in herkömmlichen Schaltungsanordnungen vorhandene kritische Sicherung durch eine Parallelschaltung von zwei angepassten Sicherungen ersetzt sein und eine kostengünstige Sensoreinrichtung zur Überwachung und Detektion des Ausfalls einer jeweiligen Sicherung vorgesehen werden. Weiterhin ist es auch möglich, mehr als zwei Sicherungen parallel zu schalten. Dies ermöglicht eine noch zuverlässigere Unterscheidungsmöglichkeit oben genannter Fälle und bewirkt für den Fall, dass eine Sicherung nicht funktionsgemäß ausfällt, noch längere Auslösezeiten der übrigen Sicherungen aufgrund der durch die höhere Anzahl an Sicherungen bedingten geringeren Überlast einer jeweiligen noch intakten Sicherung.
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Die Erfindung ermöglicht insgesamt eine kostengünstige und sichere Detektion beziehungsweise Unterscheidung von gewollten und ungewollten Sicherungsauslösungen beziehungsweise -ausfällen und kann damit einen Sicherungstausch freigeben oder verbieten. Entgegen klassischer Lösungen mit extrem schnellen Stromsensoren reichen vorteilhafter Weise zur Detektion kostengünstige Temperatur- und/oder Spannungssensoren aus.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltungsanordnung
- 12
- Hochvolt-Batterie
- F1
- Erste Sicherungseinrichtung
- F2
- Zweite Sicherungseinrichtung
- S1
- Temperatursensor
- S2
- Temperatursensor
- S
- Spannungssensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10247307 B3 [0003]
- DE 19818114 A1 [0004]
