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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes in einem Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Hybridfahrzeuge, Plug-in-, rein elektrische Fahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge sowie Batterieladesysteme nutzen in der Regel auch Spannungen über 60 V. Batteriebetriebene Fahrzeuge müssen gemäß gesetzlichen Vorgaben, wenn die wieder aufladbaren Energiespeichersysteme durch Überstrom überhitzt werden können, mit Schutzvorrichtungen wie z. B. Sicherungen, Schutzschaltern oder Hauptschützen, ausgestattet sein, die bei Überstrom, unabhängig von dessen Stromrichtung, den Energiespeicher sicher vom Hochvolt-Stromkreis trennen. Entsprechende Schütze sind bekannt. Ein solcher Schütz besteht aus zwei elektrischen Kontakten, die durch ein bewegliches Schaltstück geschlossen beziehungsweise verbunden werden. Das bewegliche Schaltstück wird beispielweise mittels eines über eine Spule und in der Spule geführten Ankers zwischen einer Ruheposition und einer Schaltposition bewegt. Ein Problem der Schütze sind sich nicht vollständig lösende Kontakte. So kann es beispielsweise zu einem einpoligen Schützkleber kommen. Hierbei sind die zwei Kontakte zwar elektrisch unterbrochen, der bewegliche Anker kann aber trotzdem nicht in seine Ruhelage zurückfahren, da eine Seite des Schaltstücks am Kontakt festklebt.
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Die
deutsche Patentanmeldung 102015224658.2 der Anmelderin beschreibt einen elektromechanischen Schutzschalter mit zwei Kontaktpaaren, wobei jeweils ein Kontakt der Kontaktpaare auf einer Kontaktbrücke voneinander räumlich getrennt angeordnet ist. Des Weiteren beinhaltet der Schutzschalter einen Anker, der mit der Kontaktbrücke verbunden ist und entlang eines Verfahrweges beweglich ist. Darüber hinaus ist ein Mikroschalter vorgesehen, der nahe dem Anker oder der Kontaktbrücke vorgesehen ist. Dieser Mikroschalter ist so zum Anker, beziehungsweise der Kontaktbrücke beabstandet, dass bei einem Absenken des Ankers beziehungsweise der Kontaktbrücke, um den Verfahrweg der Mikroschalter betätigt wird. Über den zusätzlich in den Schutzschalter eingebrachten Mikroschalter ist ein Defekt erkennbar. Nur wenn sich der Anker um den vorgesehenen Verfahrweg bewegt hat, wird der Mikroschalter betätigt und der Schutzschalter schaltet fehlerfrei.
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In der
WO 2008/064694 A1 wird ein Verfahren zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.
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Aus der
WO 2013/189527 A1 ist eine Schaltanordnung und ein Verfahren zur Überwachung eines elektromagnetischen Relais bekannt.
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Die
US 2014/0002093 A1 beschreibt ein Verfahren für eine Relais-Kontaktüberwachung und -steuerung.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den im Stand der Technik bekannten Nachteil zumindest teilweise zu überwinden und Schützkleber zu erkennen, um diese Information in einer Steuereinrichtung für weitere Maßnahmen zur Verfügung zu haben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der Figurenbeschreibung beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes in einem Fahrzeug umfasst eine Schnittstelle zum Einlesen eines Messwerteverlaufs, eine Auswerteeinrichtung sowie eine Vergleichseinrichtung. Der überwachte Hochvolt-Schütz weist eine Spule mit einem Anker auf. Der Anker ist mit einem Schaltstück gekoppelt, welches durch eine Bewegung des Ankers aus einer Ruheposition in eine Schaltposition bewegbar ist und umgekehrt. In der Schaltposition werden zwei Kontakte des Hochvolt-Schützes elektrisch verbunden. Zum Schalten des Hochvolt-Schützes wird die Spule mit einem Spulenstrom oder einer Spulenspannung angesteuert. So wird der Hochvolt-Schütz durch eine Bewegung des Ankers geschaltet, wodurch auch die Induktivität der Spule verändert wird.
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Die Vorrichtung ist geeignet, einen Hochvolt-Schütz zu überwachen. Dieser hat in der Regel einen Arbeitsbereich von 60 V bis 1000 V oder bis 1500 V. Die Überwachung solcher Hochvolt-Schütze ist in einem Fahrzeug für die Sicherheit relevant. Die Vorrichtung kann in einer Ausführungsform auch andere Schütze oder Relais überwachen, die beispielsweise auch in einer Niedervolt-Spannungsversorgung eingesetzt werden.
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Die Schnittstelle zum Einlesen eines Messwerteverlaufs ist dazu ausgebildet, einen Messwerteverlauf während eines Schaltvorganges des Hochvolt-Schützes einzulesen. Der Messwerteverlauf repräsentiert dabei die entstehende Spulenspannung beziehungsweise den entstehenden Spulenstrom. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, den Messwerteverlauf auszuwerten, um eine Bewegungsinformation zu erlangen. Dabei repräsentiert die Bewegungsinformation eine Bewegungsstrecke des Ankers. Unter der Bewegungsinformation kann somit in einem einfachen Fall eine Bewegungswert oder eine Wegstrecke, die durch einen Wert bestimmbar ist, verstanden werden. Die Bewegungsinformation kann weiterhin eine Information einer Bewegung über die Zeit umfassen.
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Physikalisch betrachtet wird eine sich ändernde Induktivität der Spule beobachtet und ausgewertet, die durch die Bewegung des Ankers hervorgerufen wird. Dabei verhält sich die ändernde Induktivität proportional zur Bewegung des Ankers. Die Vergleichseinrichtung ist ausgebildet, die Bewegungsinformation mit einer Schwellwertinformation zu vergleichen, wobei bei Unterschreiten der Schwellwertinformation durch die Bewegungsinformation ein Fehlersignal bereitgestellt wird. In einem einfachen Fall handelt es sich bei der Schwellwertinformation um einen Schwellwert und bei der Bewegungsinformation um einen Bewegungswert, sodass zwei Werte direkt verglichen werden. So kann einfach ermittelt werden, ob der Anker eine vordefinierte Wegstrecke zurückgelegt hat. Die Bewegungsinformation repräsentiert eine Bewegung beziehungsweise eine Strecke, um die der Anker sich bewegt. In einer Weiterbildung kann die Bewegungsinformation eine Bewegung über die Zeit repräsentieren. Vorteilhaft können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch einseitige Schützkleber erkannt werden.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Messwerteverlauf um einen Stromverlauf eines Spulenstroms des Hochvolt-Schützes über die Zeit. Mit anderen Worten kann der Spulenstrom über die Zeit erfasst und eingelesen werden. Der Strom kann vorteilhaft einfach überwacht werden. Die Überwachung des Spulenstroms bietet den Vorteil, dass in dem Messwerteverlauf ein (einseitiger oder beidseitiger) Schützkleber sowohl beim Schließvorgang als auch während des Öffnens detektierbar ist. Somit kann ein auftretender Fehler sehr schnell erkannt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform repräsentiert der Messwerteverlauf einen Spannungsverlauf einer Spulenspannung des Hochvolt-Schützes über die Zeit. Auch eine Spannungsmessung kann einfach realisiert werden. Eine Spannungsüberwachung ist in einer Vielzahl von Steuergeräten standardmäßig vorgesehen. Auch ist eine Spannungsmessung messtechnisch einfach umzusetzen und verändert die anliegende Spulenspannung nicht. So kann in einer besonderen Ausführungsform auf ein bereits vorliegendes Signal für den Messwerteverlauf zurückgegriffen werden. Damit ist eine Umsetzung sehr kostengünstig möglich.
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In einer speziellen Ausführungsform können sowohl Strom als auch Spannung überwacht werden. Durch die redundante Ausführung kann die Erkennung robuster werden.
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Ferner kann die die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, eine Flanke des Messwerteverlaufs auszuwerten und somit die Bewegungsinformation zu bestimmen. Dabei ist es vorteilhaft, die Flanke auf ein Vorliegen eines lokalen Maximums und eines lokalen Minimums zu überwachen. Ein Vorhandensein eines lokalen Maximums und eines lokalen Minimums stellt einen Signaleinbruch während der Flanke dar. Durch die sich ändernde Induktivität der Spule sollte ein zeitlich befristeter Einbruch des Spulenstroms oder der Spulenspannung detektierbar sein. So kann eine stetig steigende oder stetig fallende Flanke (ohne Einbrüche) auf einen Fehler hinweisen.
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Vorteilhaft kann ein Differential über ein erstes Zeitintervall und ein Differential über ein zweites Zeitintervall gebildet werden und beide Differentiale verglichen werden. Alternativ kann beispielsweise überprüft werden, ob ein Differential über ein bestimmtes Zeitintervall sich von einem Differential des übrigen Flankenverlaufs unterscheidet.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann in der Auswerteeinrichtung die Bewegungsinformation als Funktion eines Signalabstandes zwischen dem lokalen Maximum und dem lokalen Minimum (Signaleinbruch) im Vergleich zur vollen Flankenhöhe bestimmt werden. So kann ein Signaleinbruch während des Signalübergangs, das heißt während der Flanke, bestimmt und ausgewertet werden. So kann das Verhältnis eines Signaleinbruchs zur maximalen Signaländerung, das heißt der Flankenhöhe, bestimmt und ausgewertet werden. Vorteilhaft kann die Schwellwertinformation für das überwachte Hochvolt-Schütz dann auf ein entsprechendes Verhältnis abgestellt sein. In einer Ausführungsform kann die Schwellwertinformation größer 5% der Flankenhöhe betragen, das heißt also, dass der Signaleinbruch zumindest 5% der maximalen Signaländerung beträgt, insbesondere vorteilhaft kann die Schwellwertinformation größer 10% der Flankenhöhe betragen, insbesondere besonders vorteilhaft ist, wenn die Schwellwertinformation größer 20% der Flankenhöhe beträgt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Bewegungsinformation als Funktion einer Zeitdifferenz zwischen dem lokalen Maximum und dem lokalen Minimum und der Zeitspanne der Flanke bestimmt werden. In diesem Fall bezieht sich die Schwellwertinformation entsprechend der Zeitdifferenz zwischen dem lokalen Maximum und dem lokalen Minimum oder alternativ dem Quotienten der beiden genannten Zeitdifferenzen. So kann man die Zeitdifferenzen auch als ein Zeitintervall bezeichnen.
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Ferner kann in einer Ausführungsform unter der Schwellwertinformation ein Schwellwertband verstanden werden. So kann das Schwellwertband einem idealen Messwerteverlauf mit einem vordefinierten Toleranzbereich entsprechen. In diesem Fall kann die Bewegungsinformation mit dem Schwellwertband verglichen werden. So kann das Fehlersignal bereitgestellt werden, wenn der Messwerteverlauf das Schwellwertband verlässt. Vorteilhaft kann der Toleranzbereich um den idealen Messwerteverlauf mit der Steigung beziehungsweise über die Zeit angepasst werden, sodass Bereiche mit einer größeren Toleranz und Bereiche mit einer hierzu geringeren Toleranz kombiniert werden können. Ein solches Schwellwertband kann vorteilhaft unterschiedliche Fehler eingrenzen. So werden mehr Signalanteile überwacht und es kann sicherer ein Fehler erkannt werden.
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Die erfinderische Idee kann auch mit einem Verfahren zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes umgesetzt werden. Dabei umfasst das Verfahren zumindest einen Schritt des Einlesens eines Messwerteverlaufs, einen Schritt des Ermittelns einer Bewegungsinformation des Ankers unter Verwendung des Messwerteverlaufs und einen Schritt des Vergleichens der Bewegungsinformation mit einer Schwellwertinformation. Dabei repräsentiert der Messwerteverlauf die Spulenspannung oder den Spulenstrom während eines Schaltvorganges des Hochvolt-Schützes. Im Schritt des Vergleichens wird ein Fehlersignal ausgegeben, wenn die Vergleichsoperation negativ ausfällt. So repräsentiert das Fehlersignal insbesondere einen aufgetretenen Schützkleber des Hochvolt-Schützes. Dabei kann unter einem Schützkleber ein nur einseitig offener Hochvolt-Schütz verstanden werden.
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Die Schritte des Verfahrens können in besonderen Ausführungsformen entsprechend der Vorrichtung weitergebildet werden. Weiterhin kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Erfassens oder Messens umfassen, in dem der Spulenstrom und gleichzeitig oder alternativ die Spulenspannung des Hochvolt-Schützes erfasst und als Messwerteverlauf bereitgestellt wird. Der Messwerteverlauf umfasst dabei eine Vielzahl von Messwerten innerhalb eines vorabdefinierten Mess-Zeitintervalls, in welchem der Schütz schaltet. Dies wird auch in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen verdeutlicht.
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Die vorstehenden Erläuterungen betreffend die Vorrichtung gelten für das Verfahren entsprechend und umgekehrt. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Ferner kann die Vorrichtung in einen ASIC integriert sein.
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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.
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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.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes in einem Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes in einem Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 bis 4 zeigen Messwerteverläufe zum entstehenden Spulenstrom (I) während eines Schaltvorganges unterschiedlicher Hochvolt-Schütze;
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5 bis 6 zeigen Messwerteverläufe zur entstehenden Spulenspannung (U) bzw. zum entstehenden Spulenstrom (I) während eines Schaltvorganges unterschiedlicher Hochvolt-Schütze;
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7 bis 10 zeigen je einen Messwerteverlauf eines Spulenstroms; und
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11 bis 18 zeigen Messwerteverläufe zur entstehenden Spulenspannung (U) bzw. zum entstehenden Spulenstrom (I) während eines Schaltvorganges unterschiedlicher Hochvolt-Schütze.
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Im Folgenden wird die erfinderische Idee der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren und zumindest einem Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 100 zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes 110 in einem Fahrzeug 140. Bei dem Fahrzeug 140 handelt es sich um ein Hybridfahrzeug 140, ein Plug-in-, ein rein elektrisches Fahrzeug 140 oder ein Brennstoffzellenfahrzeug 140. So weist das (Hochvolt-)Bordnetz 124 des Fahrzeugs 140 eine Spannung über 60 Volt Gleichspannung (VDC) auf, insbesondere in einem Ausführungsbeispiel höher 480 VDC. In einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel weist das Fahrzeug ein weiteres (nicht dargestelltes) Niedervolt-Bordnetz mit 12VDC, 24VDC oder 48VDC-Niedervoltspannung auf.
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Der Hochvolt-Schütz 110 weist eine Spule 112 und einen Anker 114 auf, wobei der Anker 114 in der Spule 112 beweglich angeordnet ist. Weiterhin ist der Anker 114 mit einem Schaltstück 132 gekoppelt, welches in einer Schaltposition 136 einen ersten Kontakt 128 mit einem zweiten Kontakt 130 elektrisch verbindet. Die Kontakte 128 und 130 sind Teil des Hochvolt-Bordnetzes 124 des Fahrzeugs 140. Bei geschlossenem Hochvolt-Schütz 110 ist somit das Hochvolt-Bordnetz 124 geschlossen und steht unter Spannung. Dabei ist der Anker 114 beziehungsweise das mit diesem gekoppelte Schaltstück 132 zwischen der Schaltposition 132 und einer Ruheposition 134 bewegbar. Zwischen den beiden Positionen 128, 130 legt der Anker die Bewegungstrecke 126 zurück. An den Anschlüssen der Spule 112 ist der Spulenstrom I oder die Spulenspannung U abgreifbar.
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Die Vorrichtung 100 umfasst eine Schnittstelle zum Einlesen eines Messwerteverlaufs 106, eine Auswerteeinrichtung 104 sowie eine Vergleichseinrichtung 116. Der Messwerteverlauf 106 repräsentiert ein Signal des Spulenstroms I oder der Spulenspannung U des Hochvolt-Schützes. Zusätzlich weist die Vorrichtung 100 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine optionale Messeinrichtung 122 auf, die ausgebildet ist, den Spulenstrom I und gleichzeitig oder alternativ die Spulenspannung U zu erfassen und als Messwerteverlauf 106 bereitzustellen. Der Messwerteverlauf repräsentiert die Spulenspannung U respektive den Spulenstrom I über die Zeit. In der Regel werden die einzelnen Messwerte äquidistant abgetastet sein.
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Über die Schnittstelle 102 wird der Messwerteverlauf 106 in die Vorrichtung 100 eingelesen. Die Auswerteeinrichtung 104 ist eingerichtet, den Messwerteverlauf 106 zu verarbeiten und eine Bewegungsinformation 108 zu bestimmen. Die Bewegungsinformation repräsentiert dabei die von dem Anker 114 zurückgelegte Bewegungsstrecke 126 über die Zeit. Hierzu umfasst die Auswerteeinrichtung 104 je nach Ausführungsbeispiel unterschiedliche Funktionen, um die Bewegungsinformation qualitativ oder quantitativ zu bestimmen.
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In der Vergleichseinrichtung 116 wird die Bewegungsinformation 108 mit einer Schwellwertinformation 118 verglichen und entsprechend des Ergebnisses des Vergleichs ein Fehlersignal 120 bereitgestellt. So stellt die Schwellwertinformation 118 mit anderen Worten eine Vergleichsinformation dar. Wenn die Bewegungsinformation 108 ein einzelner die Bewegungsstrecke repräsentierender Bewegungswert ist, so handelt es sich entsprechend bei der Schwellwertinformation 118 um einen einzelnen Schwellwert. Wie die weiteren Ausführungen zeigen werden, kann in alternativen Ausführungsbeispielen die Bewegungsinformation 108 auch eine Bewegung über die Zeit repräsentieren. In letzterem Fall handelt es sich dann auch bei der Schwellwertinformation 118 über ein Signal über die Zeit.
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Wie bereits angedeutet handelt es sich bei dem Messwerteverlauf 106 je nach Ausführungsbeispiel um einen Stromverlauf des Spulenstroms I über die Zeit oder alternativ um die Spulenspannung U über die Zeit, entweder beim Ein- oder Ausschalten des Hochvolt-Schützes 110. In einem besonderen, bevorzugten Ausführungsbeispiel werden vorteilhafterweise beide Signale bei beiden Schaltvorgängen überwacht, um somit die Auswertesicherheit zu erhöhen und Fehler frühzeitig zu erkennen. Vorteilhafterweise werden entsprechende Schützkleber somit bereits bei ihrem Auftreten und nicht erst bei einem der folgenden Schaltvorgänge erkannt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteinrichtung 104 dazu eingerichtet, eine Flanke des Messwerteverlaufs 106 auszuwerten. Dabei wird in einem ersten Schritt die Flanke auf lokale Maxima und lokale Minima untersucht. Wenn kein lokales Maximum und kein lokales Minimum gefunden wird, so zeigt dies bereits einen Fehlerfall an. In einem zweiten Schritt werden die gefundenen lokalen Maxima und Minima weiter ausgewertet. Die Messwerteverläufe in den 3 ff zeigen einen charakteristischen Signaleinbruch in der Flanke, der sich entsprechend der anliegenden Spannung und des verwendeten Hochvolt-Schützes unterscheidet.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die Bewegungsinformation 108 als Funktion eines Signalabstandes zwischen dem charakterisierenden lokalen Maximum und dem entsprechenden lokalen Minimum bestimmt. Dies wird je nach Ausführungsbeispiel im Verhältnis zur Flankenhöhe oder alternativ zur Dauer des Zeitintervalls der Flanke gesetzt. Die Schwellwertinformation 118 wird in entsprechenden Ausführungsbeispielen in Prozent der Flankenhöhe oder des entsprechenden Zeitintervalls definiert, beispielsweise 5%, 10%, 15% oder 20%. Dies kann in direkter Abhängigkeit von dem untersuchten Hochvolt-Schütz 110 geschehen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden vorabdefinierte Schwellwerte für das lokale Maximum und ergänzend oder alternativ für das lokale Minimum überwacht. Dies lässt sich durch einen einfachen Vergleich in einem ASIC oder durch eine Komparatorschaltung bei einer analogen Auswertung einfach und kostengünstig realisieren.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel repräsentiert die Schwellwertinformation 118 ein Schwellwertband. Die Vergleichseinrichtung 116 ist in dieser Variante dazu ausgebildet, die Bewegungsinformation 108 mit dem Schwellwertband zu vergleichen. Da die Flanke des Messwerteverlaufs 106 bereits die Bewegung des Ankers 114 repräsentiert, kann der Messwerteverlauf 106 mit einem Schwellwertband verglichen werden und das Fehlersignal 120 bereitgestellt werden, wenn das untersuchte Signal 106 oder 108 das Schwellwertband verlässt.
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2 zeigt ein Verfahren 200 zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes in einem Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Fahrzeug kann es sich um eine Variante eines in 1 gezeigten Fahrzeugs 140 handeln. Dementsprechend kann die dort gezeigte Vorrichtung 100 Einrichtungen aufweisen, um die Schritte des hier gezeigten Verfahrens 200 auszuführen.
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Das Verfahren 200 weist einen Schritt S1 des Einlesen eines Messwerteverlaufs zur entstehenden Spulenspannung (U) bzw. zum entstehenden Spulenstrom (I) während eines Schaltvorganges des Hochvolt-Schützes, einen Schritt S2 des Ermittelns einer eine Bewegungsstrecke repräsentierenden Bewegungsinformation des Ankers aus dem Messwerteverlauf sowie einen Schritt S3 des Vergleichens der Bewegungsinformation mit einer Schwellwertinformation auf, wobei bei Unterschreiten der Schwellwertinformation durch die Bewegungsinformation ein Fehlersignal bereitgestellt wird.
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In einem optionalen Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 200 einen zusätzlichen nicht dargestellten Schritt des Filterns oder Glättens des Messwerteverlaufs vor dem Schritt des Auswertens auf, um kleine Signaländerungen von der weiteren Auswertung zu verbergen beziehungsweise herauszufiltern.
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3 bis 6 zeigen Messwerteverläufe 322 zum entstehenden Spulenstrom (I) während eines Schaltvorganges unterschiedlicher Hochvolt-Schütze. Dabei entsprechen die Messwerteverläufe 322 dem in 1 mit dem Bezugszeichen 106 bezeichneten Messwerteverlauf. Zusätzlich zeigt das Signal 323 den elektrischen Zustand der Schaltkontakte des Hochvolt-Schützes. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Spannung respektive der Strom dargestellt. Der Messwerteverlauf 320 repräsentiert ein Spannungssignal 320 oder einen Verlauf der Spulenspannung über die Zeit, der Messwerteverlauf 322 repräsentiert ein Stromsignal 322 oder einen Stromverlauf 322 eines Spulenstroms des Hochvolt-Schützes.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist mit dem Bezugszeichen 324 das als Flanke 324 bezeichnete Signalsegment des Spannungssignals 320 bezeichnet. Die Flanke 324 hat eine Zeitdauer ∆t1. Die Flanke 324 weist ein lokales Maximum 326 und ein lokales Minimum 328 auf. Die Flankenhöhe oder der Signalhub sind mit dem Bezugszeichen 330 gekennzeichnet. Die Zeitdauer ∆t2 bezeichnet das Zeitintervall oder die Dauer zwischen dem Auftreten des lokalen Maximums 326 und dem lokalen Minimum 328.
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Die durch den sich einseitig aus der Spule heraus- bzw. hineinbewegenden Anker sich ändernde Induktivität der Spule führt zu einem Signaleinbruch innerhalb der (steigenden) Flanke 324 des Spannungssignals 320. Die Dauer ∆t2 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ca. 15%–20% der Zeitdauer ∆t1 der Flanke 324. Der Signalabstand zwischen dem lokalen Maximum 326 und dem lokalen Minimum 328 im Verhältnis zur Flankenhöhe 330 beträgt in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest 60%.
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Mögliche Parameter zum Erkennen einer ordnungsgemäßen Funktion sind der Beginn des Einbruchs, die Dauer des Einbruchs und die Stromdifferenz des Einbruchs. Diese Parameter variieren natürlich in Abhängigkeit vom eingesetzten Schütz, können aber für jedes Schütz definiert werden. Es lässt sich eine Aussage zum Schützzustand treffen, ohne dass Modifikationen am Schütz (z.B. zusätzlicher Diagnosekontakt) nötig sind.
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3 zeigt den Verlauf des Spulenstroms 322 beim Einschalten, 4 zeigt den Verlauf des Spulenstroms 322 beim Ausschalten des Hochvolt-Schützes. In 4 sieht man, dass beim Ausschalten der Strom beim Öffnen durch die Anker-Bewegungsenergie ansteigt.
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In 4 bewegt sich der Messwerteverlauf 322 innerhalb eines Schwellwertbandes 432. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Schwellwertinformation als ein Schwellwertband 432 dargestellt. Die Bewegungsinformation wird durch den Messwerteverlauf 322 repräsentiert. So ist einfach zu überprüfen, ob der Messwerteverlauf 322 innerhalb des Schwellwertbandes 432 verläuft. Ein Fehlersignal wird ausgegeben, wenn der Messwerteverlauf 322 das Schwellwertband verlässt.
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In einer Variante entspricht das Schwellwertband 432 einem idealen Messwerteverlauf 322 mit einem vordefinierten Toleranzbereich.
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5 zeigt ein defektes Hochvolt-Schütz EVC500 beim Einschalten, 6 dasselbe defektes Hochvolt-Schütz EVC500 beim Ausschalten. Das in 3 und 4 deutlich erkennbare Einbrechen des Stromverlaufs 322 während der Flanke 324 bleibt aus.
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7 bis 10 zeigen je einen Messwerteverlauf 322 eines Spulenstroms 322 unterschiedlicher Hochvolt-Schütze. 7 zeigt einen Spulenstrom 322 während eines Einschaltvorgangs eines Hochvolt-Schützes HFE18V-40, 8 eines Hochvolt-Schützes EVC175, 9 eines Hochvolt-Schützes EVC250 und 10 eines Hochvolt-Schützes EVC500.
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Die hier gezeigte Lösung ermöglicht mit einem relativ geringen Aufwand eine Beobachtung des Spulenstromes 322 während des Schließvorganges. Bei der Bewegung des Ankers verändert sich die Induktivität der Spule, da unterschiedliche Ankerlängen sich im Bereich des elektromagnetischen Feldes der Spule befinden. Die Bewegung des Ankers in der Spule führt zu einem Signaleinbruch des Stromsignals. Durch die beschriebenen Effekte kommt es kurz nach dem Ansteuern der Spule zu einem signifikanten Einbruch des Spulenstromes 322. Dies lässt sich mit geringem Aufwand durch eine Software-Lösung oder eine entsprechende Vorrichtung beispielsweise in Form eines ASIC detektieren. Im Falle eines Schützklebers (auch eines einseitigen Schützklebers) wird sich der Anker nicht oder nur wenig bewegen. Dadurch ergibt sich ein anderer Spulenstromverlauf 322 beim Einschalten. Die Diagnose kann bei jedem Schließvorgang durchgeführt werden.
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11 bis 18 zeigen Messwerteverläufe 106 zur entstehenden Spulenspannung (U) bzw. zum entstehenden Spulenstrom (I) während eines Schaltvorganges unterschiedlicher Hochvolt-Schütze.
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Die folgenden Figuren basieren auf einem Versuchsaufbau, bei dem das zu untersuchende Schütz direkt mit der Spannungsversorgung angeregt wurde. In den folgenden Messungen ist also keine Elektronik beteiligt gewesen. Der Spulenstrom wurde mit einer Strommesszange aufgenommen.
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11 zeigt einen Stromverlauf 322 eines defekten Hochvolt-Schützes EVC250 beim Einschalten, 12 einen Stromverlauf 322 desselben defekten Hochvolt-Schützes beim Ausschalten.
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13 zeigt einen Stromverlauf 322 eines intakten Hochvolt-Schützes EVC250 beim Einschalten. Beim Einschalten bricht der Strom nach ca. 9,5ms für eine Dauer von 5ms ein, bevor er auf den Maximalwert ansteigt. Dies ist das erwartete Verhalten, dass durch eine Diagnose überprüft werden kann. 14 zeigt einen Stromverlauf 322 desselben intakten Hochvolt-Schützes beim Ausschalten. Auch beim Ausschalten steigt der Spulenstrom noch einmal an, wenn der Anker zurückfällt. Entwickelt man die Elektronik so, dass ein Messen des Spulenstromes auch beim Ausschalten möglich ist, kann schon direkt beim Ausschalten ein Schützkleber erkannt werden.
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Je nach Schaltung kann auch die Spannung über der Spule zur Diagnose beim Ausschalten verwendet werden. In den ab 15 gezeigten Extremfällen wurde die Leitung zum Schütz hart unterbrochen, sodass der Spulenstrom sofort auf 0A geht. Hier baut sich aber eine Induktionsspannung auf, die auch wieder eine Abhängigkeit zur Ankerbewegung hat.
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15 und 16 zeigen ein fehlerfreies Hochvolt-Schütz EVC250. In 15 ist der Messwerteverlauf 106 der Spulenspannung 320 beim Einschalten und in 16 beim Ausschalten dargestellt.
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Analog hierzu zeigen 17 und 18 ein fehlerfreies Hochvolt-Schütz vom Typ EVC500.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 102
- Schnittstelle zum Einlesen
- 104
- Auswerteeinrichtung
- 106
- Messwerteverlauf
- 108
- Bewegungsstrecke
- 110
- Hochvolt-Schütz
- 112
- Spule
- 114
- Anker
- I
- Spulenstrom
- U
- Spulenspannung
- 116
- Vergleichseinrichtung
- 118
- Schwellwert
- 120
- Fehlersignal
- 122
- Messeinrichtung
- 124
- Hochvolt-Bordnetz
- 126
- Bewegungsstrecke
- 128
- Erster Kontakt
- 130
- Zweiter Kontakt
- 132
- Schaltstück
- 134
- Ruheposition
- 136
- Schaltposition
- 140
- Fahrzeug
- 200
- Verfahren
- S1
- Schritt des Einlesens
- S2
- Schritt des Ermittelns
- S3
- Schritt des Vergleichens
- 320
- Messwerteverlauf, Spannungssignal
- 322
- Messwerteverlauf, Stromsignal, Stromverlauf eines Spulenstroms
- 323
- elektrischer Zustand der Schaltkontakte
- 324
- Flanke
- 326
- lokales Maximum
- 328
- lokales Minimum
- 330
- Signalhub, Flankenhöhe
- ∆t1
- Zeitdauer der Flanke
- ∆t2
- Zeitdauer
- 432
- Schwellwertband
