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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis einer elektrischen Überbeanspruchung einer elektrischen Einrichtung durch einen Strom. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen einfachen Aufbau einer solchen Vorrichtung.
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Batteriesysteme verfügen über Stromsensoren, welche die auftretenden Lade- und Entladeströme sehr genau messen können. Um die erforderlichen Toleranzen einhalten zu können, können die verwendeten Sensoren üblicherweise nur solche Ströme, wie sie während des Fahrbetriebes auftreten (100 A bis 800 A), messen. Sobald die Ströme jedoch höher sind, kann der genaue Strom nicht mehr gemessen werden. Lithium-Ionen-Batteriesysteme haben Kurzschlussströme von bis zu ca. 10 kA. In einem solchen Fall kann über den allgemein verwendeten Stromsensor nicht mehr bestimmt werden, ob der Maximalstrom im Fehlerfall bei 1 kA oder bei 10 kA lag. An den Hauptanschlüssen der Batterie werden üblicherweise Schütze eingesetzt. Durch die Bauweise werden die Schütze in Abhängigkeit des aufgetretenen Kurzschlussstroms im Fehlerfall unterschiedlich stark beschädigt und müssen demnach bei hohen Kurzschlussströmen ausgewechselt werden. Dadurch aber, dass im Nachhinein nicht mehr nachvollzogen werden kann, ob der Kurzschlussstrom bei 1 kA oder 10 kA lag, werden die Schütze nach einem Kurzschluss immer gewechselt. Da es eigentlich hinreichend wäre, Schütze lediglich dann zu wechseln, wenn der Kurzschlussstrom mehr als 2 bis 4 kA betragen hat, ist gemäß dem Stand der Technik Sparpotential bezüglich Hardware und Instantsetzung bislang ungenutzt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, den bei einem Kurzschluss aufgetretenen Kurzschlussstrom der Höhe nach zu bestimmen bzw. zu klassifizieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Nachweis einer elektrischen Überbeanspruchung einer elektrischen Einrichtung durch einen elektrischen Strom gelöst. Die Vorrichtung kann beispielsweise für die Verwendung in elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmitteln dimensioniert und eingerichtet sein. Sie umfasst eine Sicherungseinheit, welche beispielsweise ein Schütz oder mehrere Schütze umfassen kann. Zudem ist eine Sensoreinheit zum Erkennen eines Stromes vorgesehen. Die Sensoreinheit kann beispielsweise eingerichtet sein, die Überbeanspruchung durch den Strom anhand eines durch den Strom induzierten Magnetfeldes zu erkennen. Schließlich ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche eine Information speichert, mittels welcher nach der Überbeanspruchung erkannt werden kann, ob die erste Sicherungseinheit zu ersetzen ist. Erfindungsgemäß ist die erste Sicherungseinheit eingerichtet, sowohl im Falle einer ersten Beanspruchungsstufe als auch im Falle einer zweiten (höheren) Beanspruchungsstufe den Strom zu stoppen. Dies kann beispielsweise durch ein Öffnen eines Schützes innerhalb der ersten Sicherungseinheit erfolgen. In Abhängigkeit des das Schütz durchfließenden Stromes ist das Schütz anschließend zu ersetzen oder kann weiterverwendet werden. Zur Unterstützung der Entscheidung über Ersatz oder Weiterverwendung des Schützes ist die Sensoreinheit eingerichtet, im Rahmen einer Überbeanspruchung einem durch den Strom aufgebauten Magnetfeld ausgesetzt zu sein und eine von einer Größe des Magnetfeldes abhängige Information zu speichern. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung ein Vermeiden unnötiger Tauschvorgänge für im Rahmen einer Überbeanspruchung angesprochene Schütze.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Größe des Magnetfeldes kann bevorzugt eine Magnetfeldstärke und/oder eine Änderung der Magnetfeldstärke über der Zeit umfassen. Während die Magnetfeldstärke beispielsweise mittels des Hall-Prinzips ermittelt werden kann, kann die Änderung der Magnetfeldstärke beispielsweise durch eine Induktionsschleife erkannt werden, welche ein energiesparendes und passives Messverfahren darstellt. Verfahren zur Magnetfeldstärke- bzw. Magnetfeldstärkeänderungsmessung sind im Stand der Technik bekannt und kostengünstig verfügbar. Daher kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung unter Verwendung der vorgenannten Größen einfach und kostengünstig aufgebaut werden.
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Bevorzugt kann die von der Größe des Magnetfeldes abhängige Information in Form einer elektrischen Spannung und/oder in Form einer wärmebedingten permanenten Veränderung eines vordefinierten Bauteils gespeichert sein. Die elektrische Spannung kann beispielsweise auf einer Kapazität gespeichert werden, welche gegen eine unerwünschte Entladung nach dem Fehlerfall, z.B. durch einen Schalter und/oder einen nichtlinearen Zweipol, geschützt ist. Die wärmebedingte permanente Veränderung eines vordefinierten Bauteils kann beispielsweise ein Verbrennen eines einen elektrischen Strom führenden Abschnittes eines elektrischen Leiters umfassen. Während eine gespeicherte elektrische Spannung einer Einzahlkennzeichnung der Information/der Höhe der Überbeanspruchung entspricht, können wärmebedingte Veränderungen des Bauteils zusätzliche Rückschlüsse aufgrund der Art und/oder der Position der Veränderung umfassen.
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Die erste Sicherungseinheit kann – wie oben erwähnt – ein Schütz umfassen und/oder als Schütz ausgestaltet sein. Das Schütz ist bevorzugt derart dimensioniert, dass es nach einem Ansprechen der ersten Sicherungseinheit aufgrund der ersten Beanspruchungsstufe grundsätzlich funktionsfähig bleibt, während es nach einem Ansprechen der ersten Sicherungseinheit aufgrund der zweiten Beanspruchungsstufe (welche die erste Sicherungseinheit stärker beansprucht als die erste Beanspruchungsstufe) auszuwechseln ist. Auf diese Weise können kostengünstig dimensionierte Schütze für die Mehrzahl wahrscheinlicher Überbeanspruchungen ausgelegt werden, während erfindungsgemäß erfasste zweite (stärkere) Beanspruchungen der ersten Sicherungseinheit erkannt und durch Austausch der ersten Sicherungseinheit und/oder des Schützes behoben werden können.
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Die Sensoreinheit kann eingerichtet sein, zumindest im Falle der zweiten Beanspruchungsstufe durch ein mittels des Stromes erzeugtes Magnetfeld eine Spannung in der Auswerteeinheit zu erzeugen und nach einem Ansprechen der Sicherungseinheit eine mit einem Wert der Spannung korrespondierende elektrische Größe auf einem Kondensator zu speichern und für eine anschließende Auswertung bereitzuhalten. Insbesondere kann die Sensoreinheit eine mittels des Fehlerstroms induzierte Spannung auf dem Kondensator speichern, dessen Zustand durch eine in Reihe geschaltete Diode über längere Zeit im Wesentlichen unverändert bleibt. Sofern lediglich eine Magnetfeldstärkeänderung des stromdurchflossenen Leiters erkannt werden soll, bietet sich als Sensoreinheit also eine Induktionsschleife an, welche einen induzierten Strom in Flussrichtung zur Diode auf den Kondensator leitet. Die auf dem Kondensator entstehende Spannung kann anschließend gemessen und einem Stromfluss während der Überbeanspruchung zugeordnet werden. Der vorstehend genannte Aufbau lässt sich besonders kostengünstig und platzsparend realisieren.
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Bevorzugt ist die Sensoreinheit weiter eingerichtet, im Falle der ersten Beanspruchungsstufe durch ein mittels des Stromes erzeugtes Magnetfeld eine Spannung an einer ersten Position der Auswerteeinheit zu erzeugen und im Falle der zweiten Beanspruchungsstufe durch ein mittels des Stromes erzeugtes Magnetfeld eine Spannung an einer zweiten (von der ersten Position verschiedenen) Position der Auswerteeinheit zu erzeugen. Die erste Position und die zweite Position können beispielsweise durch unterschiedliche Elektroden definiert sein, welche in Abhängigkeit der Stärke des Magnetfeldes mit einem Elektronenstrahl beaufschlagt werden. Alternativ oder zusätzlich kann daher auch zu der Spannung an der jeweiligen Position ein Strom an der jeweiligen Position erzeugt werden. Die Auswerteeinheit ist ihrerseits eingerichtet, in Abhängigkeit der Beanspruchungsstufe die erste Position bzw. die zweite Position zu speichern. Dies kann beispielsweise durch eine wärmebedingte permanente Veränderung eines vordefinierten Bauteils erfolgen, welches an der ersten Position bzw. an der zweiten Position angeordnet wurde und elektrisch mit Elektroden an der jeweiligen Position verbunden ist. Insbesondere für den Fall, dass mehr als zwei Positionen in Abhängigkeit des Magnetfeldes angesprochen werden, können unterschiedliche Klassen für das Magnetfeld bzw. seine Änderung zum Zeitpunkt der Überbeanspruchung vordefiniert und ausgewertet werden.
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Bevorzugt kann die Auswerteeinheit an der ersten Position bzw. an der zweiten Position jeweilige Schmelzleiter vorsehen, welche eingerichtet sind, in Abhängigkeit des erzeugten Magnetfeldes durchzubrennen. Auf diese Weise wird eine platzsparende und kostengünstige Speicherung der Information zur Größe des Magnetfeldes realisiert.
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Eine Möglichkeit zur Erzeugung einer von einem Magnetfeld abhängigen Spannung an einer ersten Position bzw. an einer zweiten Position der Auswerteeinheit kann ein Elektronenstrahl mittels einer Elektronenstrahlröhre erzeugt werden, welcher sich im Einflussbereich eines um den abzusichernden Leiter erzeugten Magnetfeldes befindet. Je stärker nun das Magnetfeld um den abzusichernden Leiter ist, desto enger ist die Kreisbahn, auf welche der Elektronenstrahl gezwungen wird. Bei geeigneter Anordnung unterschiedlicher Elektroden (gegebenenfalls mit zugeordneten Schmelzleitern), kann nach einem Ansprechen der erfindungsgemäßen Vorrichtung über die Position der vom Elektronenstrahl beaufschlagten Elektrode auf die Stärke des Magnetfeldes und somit auf die Stromstärke zum Zeitpunkt der Überbeanspruchung geschlossen werden.
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Sofern keine separaten Elektroden, sondern ein durch den Elektronenstrahl dauerhaft veränderlicher Schirm verwendet wird, um die Ablenkung des Elektronenstrahls zu dokumentieren, kann die Auswerteeinheit eine stufenlose Aufzeichnung der Maximalstromstärke und zudem eine Stromstärkeverteilung über dem Zeitraum der Überbeanspruchung dokumentieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Induktionsschleife 2 als Sensoreinheit, in welche eine Reihenschaltung aus einer Diode D und einem Kondensator C als Auswerteeinheit 3 angeordnet ist. Über elektrische Anschlüsse 4, 5 lässt sich die elektrische Spannung Uc über dem Kondensator C abgreifen. Die Induktionsschleife 2 befindet sich im Einflussbereich eines Magnetfeldes B, welches in konzentrischen Kreisen einen in die Zeichnungsebene hinein verlaufenden elektrischen Leiter L umgibt. Über eine Änderung des Magnetfeldes B über der Zeit wird in der Induktionsschleife 2 eine elektrische Spannung induziert, welche einen Stromfluss Ic durch die Induktionsschleife 2, die Diode D und den Kondensator C bewirkt. Je größer die induzierte Spannung, desto größer ist die an den elektrischen Anschlüssen 4, 5 abgreifbare Kondensatorspannung Uc. Auch nach einem Abschalten des Magnetfeldes B bzw. nach einem Ausbleiben einer Änderung desselben über der Zeit bleibt die Spannung Uc gespeichert.
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2 zeigt einen parallel zur Zeichnungsebene verlaufenden elektrischen Leiter L, welcher mit einem Schütz 1 als Sicherungseinheit ausgestattet ist. Das Schütz 1 wird durch eine (nicht dargestellte) Ansteuereinheit bei einer vordefinierten Stromstärke ausgelöst, wobei das Auslösen aufgrund der Trägheit des Systems nicht unmittelbar bei Erreichen des vordefinierten Schwellenwertes für den Strom I erfolgt. Erfindungsgemäß ist daher eine Elektronenstrahlröhre 6 vorgesehen, deren Elektronenstrahl E1, E2, E3 im Einflussbereich des den Leiter L umgebenden Magnetfeldes B ist. Der Elektronenstrahl kommt aufgrund einer Beschleunigungsspannung U6 zustande, welche durch eine Spannungsquelle veranschaulicht wird. In Abhängigkeit der Stärke des Magnetfeldes B werden durch die Elektronenstrahlen E1, E2, E3 separate Anoden A1, A2, A3 an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Auswerteeinheit beaufschlagt. An die Anoden A1, A2, A3 sind jeweilige Schmelzleiter S1, S2, S3 als Bauteile angeschlossen, welche durch eine wärmebedingt permanente Veränderung eine Information über die Stärke des Magnetfeldes speichern können. Auf diese Weise ist die aus der Elektronenstrahlröhre 6, den Anoden A1, A2, A3 und den Schmelzleitern S1, S2, S3 bestehende Auswerteeinheit 3 eingerichtet, eine von der Größe des Magnetfeldes B abhängige Information in Form eines geschmolzenen Schmelzleiters S1, S2, S3 zu speichern.
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In den Bordnetzen elektrisch antreibbarer Fahrzeuge, in welchen die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft einsetzbar ist, werden Kurzschlüsse, wenn der Strom hoch genug ist (größer 1 bis 2 kA) durch in den Hauptstrompfad eingebundene Sicherungen getrennt. Diese Sicherungen verfügen im Allgemeinen über Schmelzelemente, die eine sehr kleine thermische Masse haben. Bei hohen Strömen (z.B. 6 kA) lösen die Sicherungen bereits nach wenigen Millisekunden aus. Bei niedrigeren Kurzschlussströmen jedoch (z.B. 1 kA) kann die Sicherung länger (ca. 1s) brauchen, um den Strom endgültig zum Erliegen zu bringen. Durch die kleine thermische Masse der Schmelzelemente werden die hohen Kurzschlussströme extrem schnell getrennt, ohne dass sich andere Batteriekomponenten, z.B. Stromschienen, merklich erwärmen. Bei niedrigen Strömen wird daher ein Teil der Wärme aus der Sicherung über die Stromschienen abgeleitet, welche eine erheblich höhere Wärmekapazität aufweisen. Somit muss mehr Wärmeenergie zum Schmelzen der Elemente in die Schmelzsicherung eingebracht werden. Strommesseinrichtungen im elektrischen Energiespeicher (z.B. in Form von Hall-Stromsensoren, Shunt-Sensoren) können die Ströme lediglich mit einer geringen zeitlichen Auflösung messen. Somit werden Kurzschlussströme, die bis zum Auslösen der Sicherung fließen (größer ca. 2 kA) nicht oder nur während der Anstiegsphase erkannt. Die Sicherung löst je nach Strombereich nach einigen Mikrosekunden bis hin zu einigen Millisekunden aus. Die vorliegende Erfindung kann daher beispielsweise in den elektrochemischen Energiespeicher eingebaut werden, um nach einem aufgetretenen Überstrom eine Auswertung des maximalen Stroms während der Überbelastung zu ermöglichen. Nachdem die Sicherung (z.B. ein Schütz) ausgelöst hat, muss sie gewechselt werden. Im Zuge des hierzu erforderlichen Werkstattaufenthaltes kann somit die vorliegende Erfindung (z.B. in Form einer Strommesseinrichtung) ebenfalls ausgebaut, ausgewertet und je nach dem, ob die Schütze durch den Kurzschlussstrom beschädigt worden sind, was in Abhängigkeit der gespeicherten Information beurteilt werden kann, müssen diese ersetzt werden. Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Anordnung schlägt vor, dass um die abzusichernde Leitung (Hochstromkabel, Stromschiene) senkrecht eine oder mehrere Spulen angeordnet sein sollen. Dass sich bei einem Kurzschlussstrom aufbauende Magnetfeld induziert eine Spannung in der Spule, die in einen Kondensator integriert wird. Die Auswertung bedient sich der Gesetzmäßigkeit
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Die Spannung über dem Kondensator kann entweder direkt über eine integrierte Messelektronik ausgelesen werden oder später in einer Werkstatt gemessen werden. Um zu verhindern, dass sich der Kondensator über die Spule entlädt, wird eine Diode vorgeschlagen. Die maximale Kurzschlussstromstärke kann dann anhand der Kondensatorspannung bestimmt werden. Alternativ kann die durch die Änderung des Magnetfelds induzierte Spannung bei einer Überstromflanke auch von einer Operationsverstärkerschaltung o.ä. ausgelesen werden.
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Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedient sich einer Elektronenstrahlröhre mit mehreren Anoden, wobei als Beschleunigungsspannung die Packspannung einer abzusichernden Batterie verwendet werden kann, welche gegebenenfalls durch einen Spannungsregler stabilisiert werden kann. Alternativ kann ein gegebenenfalls vorhandenes 12V-Bordnetz zur Erzeugung des Elektronenstrahls verwendet werden. Ein hoher Strom (wie bei einem Kurzschluss) hat ein entsprechend starkes Magnetfeld, um den stromführenden Leiter zur Folge. Die Stromstärke sowie das magnetische Feld hängen vom Abstand r zum stromführenden Leiter ab:
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Wegen des inhomogenen Magnetfeldes ist vorteilhaft, die Ablenkung zur jeweiligen Stromstärke zu kalibrieren. Je nach magnetischer Feldstärke wird der Elektronenstrahl also durch die Lorentzkraft abgelenkt und von einer zugeordneten Anode detektiert. Als Nachweis kann eine direkt angeschlossene Messelektronik verwendet werden. Alternativ können feine Drähte als flinke Sicherungen an den Anoden eingesetzt werden. Die Stromstärke kann dann anhand durchgebrannter Drähte (in Verbindung mit deren Position) nachgewiesen werden.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
