DE102014111416B4

DE102014111416B4 - Absicherung einer Leitung

Info

Publication number: DE102014111416B4
Application number: DE102014111416.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Wortberg; Alfred Kerber; Erwin Lichtenberg; Jan Marquardt; Gernot Eyßler; Anton BACHMEIER
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2034-08-12
Also published as: DE102014111416A1; US20160043537A1; US9755418B2

Abstract

Vorrichtung zum Absichern einer Leitung- mit mindestens einem Sensor (105, 106; 203; 301, 302; 504, 505; 601; 703; 801, 802), anhand dessen eine elektrische Größe an mindestens zwei Orten einer Leitung (101; 201, 202; 305, 306; 501; 702) bestimmbar ist, und- mit einer Auswertung (109; 205; 304; 805), anhand derer die elektrischen Größen auswertbar sind, wobei die Auswertung dafür eingerichtet ist, abhängig von einem Auswerteergebnis ein Trennelement (104) so anzusteuern, dass es einen Stromfluss in der Leitung unterbricht,- wobei der Sensor mindestens einen GMR-Sensor (806 bis 809) umfasst,- wobei der Sensor (801, 802) eine Vollbrückenschaltung mit zwei GMR-Sensoren zur Erkennung eines parallelen Lichtbogens umfasst,- wobei anhand der Spannungen an Mittenabgriffen der Vollbrücken der Sensorvorrichtungen (801, 802) auch ein serieller Lichtbogen erkannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absichern einer Leitung sowie ein zugehöriges Verfahren.
In einem Bordnetz eines Fahrzeugs, das eine Betriebsspannung von beispielsweise 24V oder 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 können.
Ferner kann sich bei einem Kabelbruch in dem 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.
Es ist bekannt, zusätzliche Leitungen (z.B. Messleitungen, z.B. in Form einer Schirmung) vorzusehen und mit einer Auswerteelektronik zu koppeln, die eine Widerstands- oder Potentialänderung erkennt. Hierbei ist es von Nachteil, dass zusätzliche Leitungen teuer sind. Ferner ist eine Messleitung in Verbindung mit einer Nutzleitung schwierig und aufwändig zu kontaktieren, was z.B. zu teuren Steckern führt. Auf die Messleitung können Störungen einwirken, die zusätzlich die Verlässlichkeit der Auswertung verringern bzw. die Auswerteelektronik durch zusätzliche Maßnahmen, z.B. Filter, verteuern. Dies führt auch dazu, dass die Erkennung des Kurzschlusses (zu) lange dauert.
Die Druckschrift DE 198 50 397 A1 betrifft eine Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung, bei der Schalter zur Unterbrechung eines Stroms in den überwachten Strompfaden jeweils zumindest ein Mikrorelais aufweisen.
Die Druckschrift DE 10 2006 021 774 A1 betrifft einen Stromsensor zur galvanisch getrennten Strommessung.
Die Druckschrift DE 44 35 726 A1 bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage.
Die Druckschrift DE 10 2012 019 996 A1 betrifft ein Leitungsnetz und weiterhin ein Verfahren zur Überwachung und Schutz eines solchen Leitungsnetzes auf/vor Lichtbögen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Lösung anzugeben für eine schnelle und zuverlässige Abschaltung im Fehlerfall. Insbesondere soll im Fall eines parallelen und/oder seriellen Lichtbogens zuverlässig eine Einzelleitung oder eine Summenleitung von der Versorgungsspannung getrennt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Absichern einer Leitung vorgeschlagen

- mit mindestens einem Sensor, anhand dessen eine elektrische Größe an mindestens zwei Orten einer Leitung bestimmbar ist, und
- mit einer Auswertung, anhand derer die elektrischen Größen auswertbar sind, wobei die Auswertung dafür eingerichtet ist, abhängig von einem Auswerteergebnis das Trennelement so anzusteuern, dass es einen Stromfluss in der Leitung unterbricht,
- wobei der Sensor mindestens einen GMR-Sensor umfasst,
- wobei der Sensor eine Vollbrückenschaltung mit zwei GMR-Sensoren zur Erkennung eines parallelen Lichtbogens umfasst,
- wobei anhand der Spannungen an Mittenabgriffen der Vollbrücken der Sensorvorrichtungen auch ein serieller Lichtbogen erkannt wird.

Bei der elektrischen Größen kann es sich z.B. um einen Strom, eine Spannung oder ein Magnetfeld (z.B. magnetische Flussdichte) handeln. Der Sensor kann eine elektrische Größe oder mehrere elektrische Größen liefern. Pro Ort der Leitung kann eine elektrische Größe von dem Sensor bereitgestellt werden. Es ist auch möglich, dass ein einzelner Sensor die elektrische(n) Größe(n) an zwei Orten der Leitung bestimmt, insbesondere kann ein Magnetfeld mittels eines einzelnen Sensors an zwei Orten der Leitung, die benachbart zueinander sind, bestimmt werden.
Bei dem Trennelement handelt es sich beispielsweise um einen Schütz oder ein Relais. Das Trennelement ist von der Auswertung (auch bezeichnet als Auswerteschaltung) ansteuerbar. So kann der Stromkreis durch das Trennelement mittels der Auswerteschaltung unterbrochen werden. Insbesondere kann die Vorrichtung so eingerichtet sein, dass im stromlosen Zustand der Auswertung das Trennelement geöffnet ist.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Leitung eine Versorgungsleitung zwischen einer Batterie und mindestens einer Last ist.
Die mindestens zwei Orte können zueinander benachbart sein.
Beispielsweise kann es sich bei zwei Orten um Orte einer Leitung handeln, die Verbindungsleitungen zu bzw. von einer Last darstellen und so benachbart angeordnet sind, dass ein Magnetfeld oder eine Magnetfeldänderung, das bzw. die von den Verbindungsleitungen herbeigeführt wird, z.B. mittels eines Sensors detektierbar ist.
Der Sensor kann einen Widerstand in der Leitung umfassen, wobei von der Auswertung eine Spannung an dem Widerstand auswertbar ist.
Der Sensor kann einen Hall-Sensor umfassen, wobei von der Auswertung eine Hallspannung auswertbar ist.
Der Sensor umfasst mindestens einen GMR-Sensor.
Der Sensor umfasst eine Brückenschaltung mit mindestens einem GMR-Sensor, insbesondere eine Vollbrückenschaltung mit zwei GMR-Sensoren.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Sensor mit der Leitung mechanisch verbunden ist.
Insbesondere kann der Sensor auf einer (z.B. flexiblen) Leiterplatte angeordnet sein, die mit der Leitung mechanisch verbunden ist.
Eine Ausgestaltung ist es, dass anhand der Auswertung ein Vergleich, insbesondere umfassend mindestens eine Differenzbildung durchführbar ist.
Beispielsweise kann mindestens ein Vergleich durchgeführt werden, z.B. von mindestens zwei der elektrischen Größen miteinander und/oder mit mindestens einem vorgegebenen Schwellwert.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Auswertung derart eingerichtet ist, dass

- in einem ersten Vergleich zwei gemessene elektrische Größen verglichen werden und
- das Auswerteergebnis bestimmt wird, indem in einem zweiten Vergleich das Ergebnis des ersten Vergleichs mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird.

Liefert beispielsweise das Ergebnis des ersten Vergleichs einen Hinweis auf einen Strom, der größer als der vorgegebene Schwellwert ist, so kann das Trennelement geöffnet werden. Ist der Strom kleiner als der vorgegebene Schwellwert, bleibt das Trennelement geschlossen.
Auch kann beispielsweise die Auswertung einen Vergleich der elektrische(n) Größe(n) mit mindestens einem vorgegebenen Schwellwert durchführen und infolge des so erhaltenen Auswerteergebnisses das Trennelement ansteuern.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die elektrische Größe eine Spannung, ein Strom, eine Leistung ist oder auf einer magnetischen Größe basiert.
Je ein Sensor kann in einer Versorgungsleitung und in einer Masseleitung angeordnet sein.
Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst mittels eines Verfahrens zum Absichern einer Leitung, bei dem

- eine elektrische Größe an mindestens zwei Orten einer Leitung mittels mindestens eines Sensors bestimmt wird,
- die ermittelten elektrischen Größen ausgewertet werden und abhängig von einem Auswerteergebnis ein Trennelement so angesteuert wird, dass es einen Stromfluss in der Leitung unterbricht,
- wobei der der Sensor mindestens einen GMR-Sensor umfasst,
- wobei der Sensor eine Vollbrückenschaltung mit zwei GMR-Sensoren zur Erkennung eines parallelen Lichtbogens umfasst,
- wobei anhand der Spannungen an Mittenabgriffen der Vollbrücken der Sensorvorrichtungen auch ein serieller Lichtbogen erkannt wird.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass

- in einem ersten Vergleich zwei gemessene elektrische Größen miteinander verglichen werden und
- das Auswerteergebnis bestimmt wird, indem in einem zweiten Vergleich das Ergebnis der ersten Vergleichs mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird.

Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass das Trennelement geöffnet wird, falls das Ergebnis des ersten Vergleichs größer und/oder kleiner als der vorgegebene Schwellwert ist.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass das Auswerteergebnis bestimmt wird basierend auf zwei elektrischen Größen oder auf zeitliche aufeinanderfolgenden Werten einer elektrischen Größe.
Somit ist es möglich, dass eine Auswertung basierend auf zwei (nahezu) gleichzeitig vorliegenden elektrischen Größen, z.B. Spannungen oder Strömen, basiert. Alternativ (oder zusätzlich) kann die Auswertung auf einer Veränderung (mindestens) einer elektrischen Größe (z.B. Spannung, Strom, Magnetfeld) über die Zeit basieren. In beiden Fällen kann z.B. ein Schwellwertvergleich durchgeführt werden und bei Erreichen und/oder Überschreiten (ggf. auch Unterschreiten) des Schwellwerts kann das Trennelement geöffnet werden.
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 einem 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 Auswertung 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 Auswertung 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 und umgekehrt. 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 Differenzstrommessung an zwei Orten einer Leitung;
2 ein schematisches Schaltbild zur Differenzstrommessung mit einem Hall-Sensor;
3 ein alternatives Schaltbild zur Differenzstrommessung mit zwei Hall-Sensoren;
4 ein Schaltbild zur Differenzstrommessung mit zwei Hall-Sensoren basierend auf der Darstellung von 3, wobei anstatt der Last mehrere Lasten parallel geschaltet sind;
5 eine zu sichernde Versorgungsleitung (Zuleitung) mit zwei Kontaktierungen, wobei beispielhaft an oder in der Nähe jeder der Kontaktierungen je eine Sensorvorrichtung angeordnet ist;
6 eine Sensorvorrichtung, die mit einem Kabel mit Kabelschuh verbunden ist;
7 einen Stromverteiler mit einer Vielzahl von Kabeln, wobei jedes der Kabel mittels einer Schraubmontage mit dem Stromverteiler lösbar verbunden ist und jedes der Kabel eine Sensorvorrichtung direkt auf dem Kabel aufweist;
8 ein Schaltbild umfassend zwei Sensorvorrichtungen, die als GMR-Vollbrücken ausgeführt und an zwei Enden einer zu überwachenden Versorgungsleitung angeordnet sind;
9 ein Schaltbild basierend auf 8 mit zwei Energieversorgungen für die beiden Sensorvorrichtungen.

Auf einer Zuleitung (z.B. von einer Stromversorgung zu einer Last) auftretende Ströme sind oft nicht eindeutig unterscheidbar hinsichtlich eines Fehlerstroms oder eines Stroms im normalen Betrieb. Somit bleiben mache Störungen unerkannt und können nicht zum Auslösen einer Sicherung, z.B. einer Schmelzsicherung, führen. Ein Beispiel für eine solche Störung ist ein paralleler Lichtbogen (paralleler Kurzschluss), der zu einem begrenzten aber unerwünschten Stromfluss führt.
Es wird vorgeschlagen, dass eine elektrische Größe, z.B. ein Strom und/oder eine Spannung, an mindestens zwei Orten (z.B. Punkten) einer Leitung bestimmt und ausgewertet wird. Die mindestens zwei Orte können entfernt voneinander oder benachbart zueinander sein. Zur Bestimmung der elektrischen Größe können unterschiedliche Sensoren eingesetzt werden. Insbesondere ist es möglich, dass mindestens eine Messbrücke zur Bestimmung der elektrischen Größe eingesetzt wird. Eine Auswertung (z.B. Auswerteschaltung) umfasst beispielsweise einen Vergleich der ermittelten elektrischen Größen. Beispielsweise wird von der Auswertung ein Trennelement (z.B. ein Schütz oder ein Relais) so angesteuert, dass bei erkanntem Fehlerstrom der Stromkreis, insbesondere zwischen Energiequelle (z.B. Batterie) und Last unterbrochen wird.
Zur Bestimmung der elektrischen Größe kann z.B. ein GMR-Sensor (Magnetfeldsensor) oder ein Hall-Sensor (basierend auf dem Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern) eingesetzt werden. Der GMR-Sensor (auch bezeichnet als GMR-Element) kann beispielsweise in einer Brückenschaltung mit ohmschen Widerständen eingesetzt werden.
Ein sogenannter GMR-Effekt (GMR = giant magnetoresistance oder Riesenmagneto-widerstand) wird in Strukturen beobachtet, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Der Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt, und zwar ist er bei Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei Magnetisierung in die gleiche Richtung.
Optional kann eine Temperaturkompensation erfolgen.
Vorteilhaft kann der hier vorgestellte Ansatz in bestehenden Systemen, insbesondere deren Leitungen und/oder deren Stecksystemen eingesetzt werden.
Durch den hier vorgeschlagenen Vergleich der ermittelten elektrischen Größe an unterschiedlichen Orten, z.B. in Form einer Differenzbildung, kann ein solcher paralleler Kurzschluss erkannt werden. Dieser Ansatz erfordert keine zusätzlichen Leitungen (z.B. mir mehreren Schirmungen oder Messleitungen), was den Einsatz in bestehenden Systemen, z.B. Steckern und Kabeln, erleichtert.
Beispiel: Differenzstrommessung mit zwei Messwiderständen:
1 zeigt ein schematisches Schaltbild zur Differenzstrommessung an zwei Orten einer Leitung 101.
Die Leitung 101 verbindet eine Batterie 102 über ein Trennelement 104 mit einer Last 103. In der Leitung 101 sind an einem ersten Ort ein Messwiderstand 105 und an einem zweiten Ort ein Messwiderstand 106 angeordnet. Die Messwiderstände 105 und 106 werden auch als „Shunt“-Widerstände bezeichnet. Eine an dem Messwiderstand 105 abfallende Spannung (diese ist proportional zu einem Strom I1 durch den Messwiderstand 105) wird über einen Verstärker 107 einer Auswertung 109 zugeführt. Eine an dem Messwiderstand 106 abfallende Spannung (diese ist proportional zu einem Strom I2 durch den Messwiderstand 106) wird über einen Verstärker 108 der Auswertung 109 zugeführt. Von der Auswertung 109 werden die an den Messwiderständen 105 und 106 abfallenden Spannungen (und damit die Ströme durch die Messwiderstände 105 und 106) miteinander verglichen und abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs kann das Trennelement 104 von der Auswertung 109 geöffnet werden, so dass die Batterie 102 von der Last 103 getrennt wird.
Somit können parallele Lichtbögen erkannt werden. Beispielsweise ist ein Lichtbogenstrom im Falle eines parallelen Lichtbogens größer als 5A. Ist die Stromdifferenz zwischen den Strömen I1 und I2 größer als 5A, so liegt ein paralleler Lichtbogen oder ein Nebenschluss vor. Das Trennelement 104 wird daraufhin von der Auswertung 109 geöffnet, so dass der Stromfluss von der Batterie 102 zur Last 103 unterbrochen ist.
Hierbei sei angemerkt, dass die Batterie eine beliebige elektrische Energiequelle sein kann, z.B. ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Die Last kann ein Verbraucher, z.B. ein Steuergerät oder ein Aktor in dem Kraftfahrzeug, sein.
Beispiel: Differenzstrommessung mit einem Magnetfeldsensor
2 zeigt ein schematisches Schaltbild zur Differenzstrommessung mit einem Hall-Sensor 203.
Wieder verbindet eine Leitung die Batterie 102 über das Trennelement 104 mit der Last 103. Die Leitung umfasst einen Leitungsabschnitt 201 (Versorgungsleitung) zu der Last 103 und einen Leitungsabschnitt 202 (Masseleitung) von der Last. Ein Magnetfeld der Leitungsabschnitte 201 und 202 wird von dem Hall-Sensor 203 detektiert, die sich ergebende Hall-Spannung wird über einen Verstärker 204 einer Auswertung 205 zugeführt.
Wird ein Hall-Sensor 203 von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist (Hall-Effekt). In diesem Beispiel ist eine separate Stromversorgung für den Hall-Sensor 203 vorgesehen, der in das Magnetfeld des Leiters (hier: der Leitungsabschnitte 201 und 202) gebracht wird.
Beispielsweise heben sich die Magnetfelder der beiden in Gegenrichtung mit dem gleichen Strom durchflossenen Leitungsabschnitte 201 und 202 (fast) vollständig auf, so dass der Hall-Sensor (fast) kein Signal ausgibt.
Im Falle eines parallelen Lichtbogens fließt ein Teil des Stroms über den Lichtbogen nach Masse ab. Die Differenz des Stroms durch den Leitungsabschnitt 201 und des Stroms durch den Leitungsabschnitt 202 führt zu einem von dem Hall-Sensor 203 detektierbaren Magnetfeld und somit zu einer von dem Hall-Sensor 203 ausgegebene Signalspannung (Hall-Spannung). Diese (Veränderung der) Hall-Signalspannung wird als Fehlersignal von der Auswertung 205 genutzt, um das Trennelement 104 zu öffnen und den Stromfluss von der Batterie 102 zu der Last 103 zu unterbrechen.
Beispiel: Messung mit zwei Hall-Sensoren
3 zeigt ein alternatives Schaltbild zur Differenzstrommessung mit zwei Hall-Sensoren 301 und 302.
Der Hall-Sensor 301 ist in einem Leitungsabschnitt 305 (Versorgungsleitung) zwischen der Batterie 102 und der Last 103 und der Hall-Sensor 302 ist in einem Leitungsabschnitt 306 (Masseleitung) zwischen der Last 103 und Masse platziert.
Der Hall-Sensor 301 liefert eine Hall-Spannung an den ersten Eingang eines Verstärkers 303 (der als ein Komparator ausgeführt sein kann) und der Hall-Sensor 302 liefert eine Hall-Spannung an den zweiten Eingang des Verstärkers 303. Der Ausgang des Verstärkers 303 ist mit einer Auswertung 304 verbunden. Die Auswertung 304 kann z.B. anhand mindestens eines Schwellwertvergleichs bestimmen, ob der von dem Hall-Sensor 302 detektierte Strom um mehr als einen vorgegebenen Wert von dem durch den Hall-Sensor 303 detektierten Strom abweicht und ggf. das Trennelement 104 öffnen, um den Stromfluss zwischen der Batterie 102 und der Last 103 zu unterbrechen.
Gemäß der in 3 gezeigten Darstellung ist es somit möglich, durch entsprechende Positionierung der Hall-Sensoren auch die Zuleitungen zu der Last 103 zu überwachen.
Grundsätzlich ist es möglich, dass mehrere Sensoren, z.B. Hall-Sensoren, an unterschiedlichen Stellen in einem System, z.B. einem Kraftfahrzeug, vorgesehen sein können. Insbesondere kann ein gemessenes Signal (z.B. über einen Verstärker) der Auswertung zugeführt werden, die einen Vergleich mit anderen gemessenen Signalen oder Schwellwerten durchführt, um zu bestimmen, ob ein Fehler vorliegt. Im Fehlerfall wird beispielsweise, wie in der Figur gezeigt, das Trennelement 104 geöffnet.
Beispiel: Messung eines Summensignales einer Gruppe von Verbrauchern
4 zeigt ein Schaltbild zur Differenzstrommessung mit zwei Hall-Sensoren 301 und 302 basierend auf der Darstellung von 3, wobei anstatt der Last 103 mehrere Lasten 401 bis 404 parallel geschaltet sind.
Entsprechend kann ein Summensignal zu den Lasten 401 bis 404 mit einem Summensignal von den Lasten 401 bis 404 verglichen werden, um festzustellen, ob ein Fehlerfall, z.B. ein paralleler Lichtbogen, vorliegt und entsprechend das Trennelement 104 geöffnet werden muss.
Somit kann mit der Differenz der Ströme durch die Zuleitungen 305 und 306 zuverlässig ein Kurzschluss innerhalb der Gruppe von Lasten 401 bis 404 festgestellt und damit auch die Zuleitung überwacht werden.
Dieser Ansatz ist von Vorteil, wenn die Lasten 401 bis 404 nicht oder nur schwer unterscheidbar sind. Auch ist diese Lösung von Vorteil, wenn die Lasten 401 bis 404 nur mit hohem Aufwand einzeln mit Sensoren versehen werden können.
Beispiel: Differenzstrommessung mit Magnetfeldsensor in Brückenschaltung
Mittels einer Messbrücke kann ein Ungleichgewicht zwischen einem Stromeingang in eine Leitung zu einem Stromausgang von der Leitung bestimmt werden. Die Erfassung des jeweiligen Stroms erfolgt anhand des den Leiter umschließenden Magnetfelds. Für eine solche Strom-Bestimmung eignet sich beispielsweise ein GMR-Sensor oder ein Hall-Sensor.
5 zeigt eine zu sichernde Versorgungsleitung 501 (Zuleitung) mit zwei Kontaktierungen 502 und 503, wobei beispielhaft an oder in der Nähe jeder der Kontaktierungen 502, 503 je eine Sensorvorrichtung 504, 505 angeordnet ist. Die Sensorvorrichtungen 504 und 505 sind über eine zweiadrige Leitung 506 (die z.B. als eine verdrillte („twisted-pair“) Leitung ausgeführt ist) miteinander verbunden. Optional können die Sensorvorrichtung 504 und 505 eine Verbindung (mindestens eine Ader) betreffend ihre elektrische Versorgung aufweisen.
Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 504 mit der Versorgungsleitung 501 und/oder mit der Kontaktierung 502 lösbar oder fest verbunden sein. Auch ist es eine Option, dass die Sensorvorrichtung 505 zusammen mit der Kontaktierung 503 in einem Stromverteiler 507 angeordnet ist. Insbesondere kann der Stromverteiler 507 eine Auswertung aufweisen.
Somit wird mittels der jeweiligen Sensorvorrichtung 504, 505 das magnetische Feld (B-Feld) gemessen, das auf dem Stromfluss durch die Versorgungsleitung 501 basiert. Eine derartige B-Feld-Messung, d.h. Strommessung, erfolgt an den oder in der Nähe der Kontaktierungen 502 und 503, z.B. an gegenüberliegenden Punkten der zu überwachenden Versorgungsleitung 501. Zur Messung des B-Feldes können Hall-Sensoren mit einem Magnetkreis oder GMR-Sensoren eingesetzt werden. Im Falle der GMR-Sensoren ist kein geschlossener Magnetkreis erforderlich.
Im Falle eines parallelen Lichtbogens fließt ein Teil des Stroms über den Lichtbogen nach Masse ab und verstimmt die Brückenschaltung mit den GMR-Elementen (Details zur Brückenschaltung sind 8 und 9 entnehmbar); eine derartige Verstimmung kann mittels der Auswertung erkannt werden und infolgedessen kann das Trennelement geöffnet und so die Stromversorgung unterbrochen werden.
8 zeigt ein Schaltbild umfassend eine Sensorvorrichtung 801, die als eine GMR-Vollbrücke ausgeführt ist und eine Sensorvorrichtung 802, die ebenfalls als eine GMR-Vollbrücke ausgeführt ist. Beide Sensorvorrichtungen 801 und 802 sind mit einer Versorgungsspannung 803 verbunden. Die Mittenabgriffe der Sensorvorrichtung 801 sind über eine verdrillte zweiadrige Leitung 804 mit einer Auswertung 805 verbunden. Auch sind die Mittenabgriffe der Sensorvorrichtung 802 mit der Auswertung 805 verbunden.
Jede der Vollbrücken weist eine Parallelschaltung aus zwei Strängen auf, wobei jeder Strang eine Reihenschaltung aus einem GMR-Element und einem Widerstand aufweist. Die Stränge sind antiparallel angeordnet, d.h. jeder Knoten der Parallelschaltung ist mit einem GMR-Element des einen Strangs und mit einem Widerstand des anderen Strangs verbunden.
Die Sensorvorrichtung 801 weist entsprechend die GMR-Elemente 806, 807 und die Widerstände R1, R2 auf. Die Sensorvorrichtung 802 weist entsprechend die GMR-Elemente 808, 809 und die Widerstände R3, R4 auf.
Die Auswertung 805 bestimmt eine Differenzspannung U1 zwischen den Spannungen an den Mittenabgriffen der Vollbrücke der Sensorvorrichtung 801 und eine Differenzspannung U2 zwischen den Spannungen an den Mittenabgriffen der Vollbrücke der Sensorvorrichtung 802. Die Auswertung stellt eine Differenzspannung Udelta bereit gemäß $Udelta = | U2 - U1 | .$
Die Sensorvorrichtungen 801 und 802 können, wie vorstehend beschrieben, an unterschiedlichen Stellen einer Leitung platziert werden. Gemäß dem in 8 gezeigten Beispiel werden insgesamt parallel zu der Leitung vier Adern benötigt (zwei Adern für die Stromversorgung der Sensorvorrichtung 801 und zwei Adern für die Bereitstellung der Spannungen an den Mittenabgriffen der Vollbrücke).
Die Ausführungsform ist von Vorteil, wenn beide Sensorvorrichtungen 801, 802 jeweils aus der Systemspannung 803 versorgt werden können und damit zusätzlich der Spannungsfall über die Leitung detektiert wird.
Anhand der Spannungen an den Mittenabgriffen der Vollbrücken der Sensorvorrichtungen 801 und 802 kann auch ein serieller Lichtbogen erkannt werden.
Die beiden Sensorvorrichtungen 801, 802 können gegenüberliegend angeordnet werden und sind aufgrund Ihrer Größe vorteilhaft an oder in der Nähe der zu überwachenden Leitung integrierbar. Durch die verdrillte zweiadrige Leitung 804 wird die Wirkung möglicher Störungen vermindert.
Vorteilhaft ist die Leitung mit vorhandenen Stecksystemen kombinierbar. Die Sensorvorrichtung 802 kann zusammen mit der Auswertung 805 in einem Stromverteiler angeordnet sein.
Die hier vorgeschlagene Lösung ermöglicht auch die flexible und effiziente Absicherung einer Summenstromleitung.
9 zeigt ein auf 8 basierendes Schaltbild, wobei zusätzlich eine Versorgungspannung 901 für die Sensorvorrichtung 801 vorgesehen ist. Damit kann eine Ader entfallen, die Versorgungsspannungen 901 und 803 hängen an einer gemeinsamen Masseleitung.
6 zeigt eine Sensorvorrichtung 601, die z.B. auf einer (flexiblen) Leiterplatte angeordnet und mit einem Kabel mit Kabelschuh 602 verbunden ist. Die Sensorvorrichtung 601 kann von einem Schrumpfschlauch 603 umgeben sein.
7 zeigt einen Stromverteiler 701 mit einer Vielzahl von Kabeln 702, wobei jedes der Kabel 702 mittels einer Schraubverbindung 704 mit dem Stromverteiler 701 lösbar verbunden ist und jedes der Kabel 702 eine Sensorvorrichtung 703 direkt auf dem Kabel aufweist. Die Kabel 702 können mittels Leitungsfixierungen 705 gehalten werden.
Die Sensorvorrichtungen können auch auf einer gemeinsamen Leiterplatte direkt unterhalb der Leitungen angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Aufnahme für die Leitungen vorgesehen sein, die eine definierte Positionierung der jeweiligen Leitung der Sensorvorrichtung bestimmt. Auf der Leiterplatte kann die Auswertung für die Sensorvorrichtungen angeordnet sein.
Hierbei ist es von Vorteil, dass nur wenig Bauraum für die Sensorvorrichtung erforderlich ist. Auch können mechanische Befestigungsteile für die Sensorvorrichtung entfallen.
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: Leitung
102: Batterie
103: Last
104: Trennelement (z.B. Relais oder Schütz)
105: Messwiderstand
106: Messwiderstand
107: Verstärker
108: Verstärker
109: Auswertung
201: Leistungsabschnitt (Versorgungsleitung)
202: Leistungsabschnitt (Masseleitung)
203: Hall-Sensor
204: Verstärker
205: Auswertung
301: Hall-Sensor
302: Hall-Sensor
303: Verstärker
304: Auswertung
305: Leistungsabschnitt (Versorgungsleitung)
306: Leistungsabschnitt (Masseleitung)
401 bis 404: Last
501: Versorgungsleitung (Zuleitung)
502: Kontaktierung der Versorgungsleitung 501
503: Kontaktierung der Versorgungsleitung 501
504: Sensorvorrichtung
505: Sensorvorrichtung
506: zweiadrige (verdrillte) Leitung
507: Stromverteiler
601: Sensorvorrichtung
602: Kabelschuh
603: Schrumpfschlauch
701: Stromverteiler
702: Kabel
703: Sensorvorrichtung
704: Schraubverbindung
705: Leitungsfixierung
801: Sensorvorrichtung
802: Sensorvorrichtung
803: Batterie
804: (verdrillte) zweiadrige Leitung
805: Auswertung
806 bis 809: GMR-Element (GMR-Sensor)
R1 bis R4: Widerstand
901: Batterie

Claims

Vorrichtung zum Absichern einer Leitung - mit mindestens einem Sensor (105, 106; 203; 301, 302; 504, 505; 601; 703; 801, 802), anhand dessen eine elektrische Größe an mindestens zwei Orten einer Leitung (101; 201, 202; 305, 306; 501; 702) bestimmbar ist, und - mit einer Auswertung (109; 205; 304; 805), anhand derer die elektrischen Größen auswertbar sind, wobei die Auswertung dafür eingerichtet ist, abhängig von einem Auswerteergebnis ein Trennelement (104) so anzusteuern, dass es einen Stromfluss in der Leitung unterbricht, - wobei der Sensor mindestens einen GMR-Sensor (806 bis 809) umfasst, - wobei der Sensor (801, 802) eine Vollbrückenschaltung mit zwei GMR-Sensoren zur Erkennung eines parallelen Lichtbogens umfasst, - wobei anhand der Spannungen an Mittenabgriffen der Vollbrücken der Sensorvorrichtungen (801, 802) auch ein serieller Lichtbogen erkannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Leitung eine Versorgungsleitung zwischen einer Batterie (102) und mindestens einer Last (103; 401 bis 404) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor mit der Leitung mechanisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der anhand der Auswertung ein Vergleich, insbesondere umfassend mindestens eine Differenzbildung, durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Auswertung derart eingerichtet ist, dass - in einem ersten Vergleich zwei gemessene elektrische Größen verglichen werden und - das Auswerteergebnis bestimmt wird, indem in einem zweiten Vergleich das Ergebnis des ersten Vergleichs mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrische Größe eine Spannung, ein Strom, eine Leistung ist oder auf einer magnetischen Größe basiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Trennelement Teil der Vorrichtung ist.
Verfahren zum Absichern einer Leitung, bei dem - eine elektrische Größe an mindestens zwei Orten einer Leitung (101; 201, 202; 305, 306; 501; 702) mittels mindestens eines Sensors (105, 106; 203; 301, 302; 504, 505; 601; 703; 801, 802) bestimmt wird, - die ermittelten elektrischen Größen ausgewertet werden und abhängig von einem Auswerteergebnis ein Trennelement (104) so angesteuert wird, dass es einen Stromfluss in der Leitung unterbricht, - wobei der Sensor mindestens einen GMR-Sensor (806 bis 809) umfasst, - wobei der Sensor (801, 802) eine Vollbrückenschaltung mit zwei GMR-Sensoren zur Erkennung eines parallelen Lichtbogens umfasst, - wobei anhand der Spannungen an Mittenabgriffen der Vollbrücken der Sensorvorrichtungen (801, 802) auch ein serieller Lichtbogen erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem - in einem ersten Vergleich zwei gemessene elektrische Größen miteinander verglichen werden und - das Auswerteergebnis bestimmt wird, indem in einem zweiten Vergleich das Ergebnis der ersten Vergleichs mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Trennelement geöffnet wird, falls das Ergebnis des ersten Vergleichs größer oder kleiner als der vorgegebene Schwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Auswerteergebnis bestimmt wird basierend auf zwei elektrischen Größen oder auf zeitliche aufeinanderfolgenden Werten einer elektrischen Größe.