DE102017116009B3 - Verfahren und vorrichtung zum erkennen von lichtbögen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbögen vorgestellt. Dabei werden Stromwerte (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) je an einem Knoten (502) angeschlossener Komponente (504₁, 504₂, 504₃, 504₄, 504₅, ... 504_n) eingelesen, der Knotenstrom (Idc) und der Systemstrom (Is) unter Verwendung der Stromwerte (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) bestimmt, ein Korrelationsfaktor je Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) mit dem Knotenstrom (Idc) als Quotient (MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n) aus Knotenstrom (Idc) und dem jeweiligen Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) ermittelt, die einzelnen Quotienten MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n) gefiltert, um je Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) einen Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) zu bestimmen, eine korrigierte Knotenstromgleichung aufgestellt, wobei jeder Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) mit dem im Schritt d) bestimmten Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) verknüpft wird, um eine korrigierten Wert (Idi) der Knotenauswertung zu bestimmen, sowie schließlich eine Auslöseschwelle (304) unter Verwendung der korrigierten Knotenstromgleichung gesetzt.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Lichtbögen sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbögen.
• Stand der Technik
• Die Anzahl der Stromverbraucher in modernen Fahrzeugen sowie deren Leistungsaufnahme steigt immer weiter an. Deshalb werden Fahrzeuge mit einem 48 V-Bordnetz ausgestattet, welches in der Lage ist, verschiedene Verbraucher (Lasten) in dem Fahrzeug mit einer höheren Leistung bei gleichbleibender Stromstärke zu versorgen. Die Verwendung von 48 V führt jedoch zu dem Problem, dass sich im Schadensfall mit Kurzschluss stabile Lichtbögen ausbilden können, da 48 V über der Lichtbogen-Zündspannung liegt. Die Ausbildung stabiler Lichtbögen tritt jedoch nicht nur bei 48 V-Bordnetzen in Kraftfahrzeugen auf, sondern im Allgemeinen bei Bordnetzen, die mit einer Spannung über der Lichtbogen-Zündspannung betrieben werden, wie beispielsweise im Bereich von E-Mobilität und den dabei eingesetzten Hochvolt-Bordnetzen, sowie in Flugzeugen, Schiffen oder Schienenfahrzeugen. Herkömmlicherweise werden elektrische Leitungen in einem Bordnetz durch Schmelzsicherungen abgesichert. Da ein Lichtbogen jedoch als zusätzlicher Widerstand in der Leitung auftritt, wird der Kurzschlussstrom derart begrenzt, dass die Sicherung nicht auslöst.
• Sowohl serielle als auch parallele Lichtbögen erzeugen sehr hohe Temperaturen, sodass ein stabiler Lichtbogen große Schäden an dem Fahrzeug verursachen kann. Folglich ist es wünschenswert, das Entstehen eines Lichtbogens frühzeitig zu erkennen. Es ist jedoch sehr schwierig, die Strombegrenzung durch einen seriellen Lichtbogen von Schwankungen der Stromabnahme durch die Last zu unterscheiden. Insbesondere kann die Absicherung von Leitungen in einem 48-V-Bordnetz nicht über Schmelzsicherungen erfolgen, da der Strom durch die Sicherung durch die Lichtbogenwirkung so reduziert wird, dass die Sicherung nicht auslöst. Spezielle Probleme bereitet die Erkennung von Störungen (beispielsweise hochohmige Kurzschlüsse), wie sie beispielsweise beim langsamen Aufreiben der Leitung und/oder Elektromigration auftreten. Die Kurzschluss-Lichtbogenströme sind hier schwer zu erkennen, da sie im Lastbereich liegen können. Andererseits ist die Lichtbogenleistung nicht so hoch, sodass die Erkennung mehr Zeit in Anspruch nehmen kann.
• Als weitere Einflussgröße ist die Funktionale Sicherheit zu betrachten, die eine höhere Verfügbarkeit angeschlossener, sicherheitsrelevanter Verbraucher fordert. Für das zukünftige Bordnetz ergeben sich also erhöhte Anforderungen an die Erkennung von Fehlern in der Energieversorgung.
• DE 10 2014 008 494 A1 beschreibt eine Überwachungsvorrichtung zum Erkennen eines Defektes in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei das Bordnetz eine elektrische Energiequelle und mehrere mit der Energiequelle elektrisch verbundene elektrische Verbraucher aufweist. Eine Koordinatoreinheit ist ausgelegt, bei jeweiligem Empfangen eines Triggersignals mittels eines Sperrsignals die Verbraucher in einen Aus-Zustand, in welchem sie nur einen Ruhestrom verbrauchen, zu schalten und mittels eines Aus-Signals den Aus-Zustand zu signalisieren. Eine Messeinrichtung ist dazu ausgelegt, einen Stromstärkewert eines aus der Energiequelle fließenden elektrischen Gesamtstroms zu ermitteln, und eine Analyseeinrichtung ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von dem Aus-Signal ein Fehlersignal zu erzeugen, falls der Strommesswert betragsmäßig größer als ein vorbestimmter Ruhestromwert ist.
• WO 01/97356 A1 beschreibt eine elektrische Schaltanlage, d.h. eine Anordnung zur selektiven Auslösung von verzweigt angeordneten, selektiv gestaffelten Schutzschaltern, insbesondere von Leistungsschaltern. Ein als Einspeiseschalter dienender Schutzschalter ist mit einer zentralen Auslöseelektronik verbunden oder versehen, welche die Ströme an den maßgeblichen Knotenpunkten der Schaltanlage erfasst und den betreffenden Schutzschalter entsprechend seiner Rangfolge hinsichtlich der gewünschten Selektivität zum Auslösen und damit Abschalten bringt.
• Versuche eine 100%-Verfügbarkeit der elektrischen Energieversorgung durch qualitätssteigernde Maßnahmen zu sichern führt zu erheblichen Mehrkosten und führt schlussendlich nicht zu funktionaler Sicherheit. Fehler in der Energieversorgung treten heute auf und werden in der Zukunft grundsätzlich auftreten. Die Aufgabenstellung liegt darin die Fehler zu erkennen und mittels eines zu implementierenden Sicherheitskonzeptes zu beherrschen.
• Beschreibung der Erfindung
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel Lichtbögen in einem Stromnetz wie beispielsweise einem Fahrzeug-Bordnetz zu erkennen, insbesondere auch bei steigender Systemlast.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
• In einem Verfahren zum Erkennen von Lichtbögen wird für jede an einem Knoten angeschlossene Komponente ein Stromwert eingelesen, und dann sowohl der Knotenstrom als auch der Systemstrom unter Verwendung der eingelesenen Stromwerte bestimmt. Des Weiteren wird je eingelesenem Stromwert ein Korrelationsfaktor unter Verwendung des Knotenstroms und der jeweiligen Stromwerte ermittelt. Hierzu wird ein Quotient aus Knotenstrom und dem jeweiligen Stromwert gebildet. Diese einzelnen Quotienten je Stromwert werden gefiltert, um einen Korrekturfaktor je Stromwert zu bestimmen. Anschließend wird eine korrigierte Knotenstromgleichung aufgestellt, wobei jeder Stromwert mit dem zugeordneten Korrekturfaktor verknüpft wird, um einen korrigierten Wert der Knotenauswertung zu bestimmen. Über die korrigierte Knotenstromgleichung definiert sich ein Fehlerraum für den Knoten, sodass unter Verwendung der korrigierten Knotenstromgleichung eine Auslöseschwelle zum Erkennen von Lichtbögen gesetzt werden kann. Ein Lichtbogen wird erkannt, wenn das Ergebnis der korrigierten Knotenstromgleichung oberhalb der gesetzten Auslöseschwelle liegt.
• Bei den eingelesenen Stromwerten handelt es sich um diskrete Werte je an den Knoten angeschlossener Komponente über die Zeit. So kann es sich bei dem Knoten um einen Stromverteiler handeln. Beispiele für an den Knoten angeschlossene Komponenten sind eine Batterie, ein Elektromotor, ein Steuergerät, ein Starter-Generator oder ein weiterer Stromverteiler. In der Regel wird die Stromaufnahme der angeschlossenen Komponenten an deren Eingang überwacht. Der so erfasste Stromwert kann somit einer übergeordneten Auswerteeinrichtung bereitgestellt werden. So kann der an der Komponente erfasste Stromwert von dem am Knotenausgang bereitgestellten Strom sich unterscheiden, bedingt durch Leitungsverluste oder Fehler. So kann es sich bei den angeschlossenen Komponenten um elektrische Quellen oder Verbraucher, auch als Last oder Senke bezeichnet, handeln. Im Idealfall werden die eingelesenen Stromwerte je Komponente zeitgleich erfasst. Der Knotenstrom ist als Summe aller Stromwerte zu einem Zeitpunkt definiert. Ohne Messfehler oder sonstige Fehler im System oder zu erkennenden Lichtbogen ist der Knotenstrom null. Ein von null abweichender Knotenstrom entspricht der Summe aller Messfehler der eingelesenen Stromwerte oder der Summe aller Messfehler plus eines Lichtbogens im System. Der Systemstrom wird als Summe aller Absolutwerte der Stromwerte bestimmt.
• Vorteilhafterweise werden die Stromwerte kontinuierlich über die Zeit eingelesen jeweils der Knotenstrom und Systemstrom bestimmt, um dann den Korrelationsfaktor zu ermitteln. Das Filtern der Quotienten, die den Korrelationsfaktor darstellen, kann über eine zeitliche Tiefpassfilterung erster Ordnung mittels eines numerischen Tiefpassfilters erfolgen. Dabei können beispielsweise zeitlich betrachtet die letzte 1 Sekunde oder letzten 10 Sekunden oder auch ein längerer Zeitraum in die Tiefpassfilterung mit einfließen. Allgemein formuliert kann der zuvor bestimmte Korrelationsfaktor mittels eines numerischen Korrelationsfilters gefiltert werden.
• Beim Aufstellen der korrigierten Knotenstromgleichung wird der Korrekturfaktor jeweils von Eins abgezogen und das Ergebnis mit dem entsprechenden Stromwert multipliziert. Das Ergebnis der Knotenauswertung ist dann entsprechend die Summe der mit dem Korrekturfaktor verrechneten Stromwerte.
• Mithilfe der korrigierten Knotenstromgleichung wird ein Fehlerraum bestimmt. Der Fehlerraum zeigt die messfehlerbasierten Abweichungen des Knotenstroms über den Systemstrom. Messfehler-basierte Abweichungen liegen nun innerhalb der Grenzen des mit der korrigierten Knotenstromgleichung bestimmten Fehlerraums. Die Auslöseschwelle zum Erkennen von Lichtbögen kann nun einen vordefinierten Prozentsatz beabstandet zur Grenze des korrigierten Fehlerraums gesetzt werden.
• Optional kann die Grenze des Fehlerraums und ergänzend oder alternativ die Auslöseschwelle gespeichert werden, sodass Änderungen hiervon rückverfolgbar und auswertbar sind. So kann die Grenze des Fehlerraums oder die Auslöseschwelle gespeichert werden, wenn diese sich von einer zuletzt gespeicherten Grenze des Fehlerraums oder Auslöseschwelle unterscheidet. Vorteilhafterweise können so schleichende Fehler erkannt werden. Wenn sich die Grenze trotz Tiefpassfilterung verschiebt und somit die Auslöseschwelle angepasst wird, deutet dies auf Fehler, unabhängig von Lichtbögen an dem Knoten, den angeschlossenen Komponenten oder diese verbindenden Leitungen hin. So können zusätzlich schleichende Fehler, beispielsweise bedingt durch Alterung oder Korrosion, erkannt werden.
• Ein Lichtbogen wird erkannt, wenn das Ergebnis der korrigierten Knotenstromgleichung oberhalb der Auslöseschwelle liegt. Durch die Verkleinerung des Fehlerraums kann die Auslöseschwelle viel niedriger gesetzt werden und auch verhältnismäßig kleine Lichtbögen können trotz sehr hohem Systemstrom zuverlässig erkannt werden.
• Die erfinderische Idee lässt sich auch gut in einer Vorrichtung umsetzen, wobei die Vorrichtung Einrichtungen aufweist, die geeignet sind Schritte des vorgestellten Verfahrens zum Erkennen von Lichtbögen auszuführen. Eine entsprechende Vorrichtung kann Mikroprozessoren, FPGAs, ASICs, DSPs oder ähnliches sowie Speicher aufweisen, um eine Variante des vorgestellten Verfahrens auszuführen. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Einlesen von Stromwerten, wobei je an dem Knoten angeschlossener Komponente ein Stromwert je Zeiteinheit eingelesen wird, eine Einrichtung zum Bestimmen des Knotenstroms und des Systemstroms unter Verwendung der eingelesenen Stromwerte, eine Einrichtung zum Ermitteln eines Korrelationsfaktors je einer Komponente zugeordnetem Stromwert bzw. eines je einer Komponente zugeordnetem Stromwert Verlaufs, eine Filtereinrichtung zum Filtern der Korrelationsfaktoren sowie eine Einrichtung zum Ermitteln korrigierter Werte einer auf einer korrigierten Knotenstromgleichung basierenden Knotenauswertung. In einer weiteren Einrichtung des Setzens einer Auslöseschwelle wird unter Verwendung der korrigierten Werte der auf der korrigierten Knotenstromgleichung basierenden Knotenauswertung die Auslöseschwelle zum Erkennen von Lichtbögen gesetzt.
• Figurenliste
• Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
• 1 gemessene Ströme eines Verteilerknotens über die Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 2 einen Knotenstrom über die Zeit, d. h. die Summe der in 1 dargestellten gemessenen Ströme, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 3 einen Fehler-Zustandsraum bezogen auf die in 1 dargestellten Ströme eines Verteilerknotens;
• 4 & 5 jeweils ein Lichtbogenevent bezogen auf in 1 dargestellten Ströme eines Verteilerknotens;
• 6 einen Vergleich des in 2 dargestellten Knotenstroms mit einem korrigierten Knotenstrom gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 7 eine Darstellung der Konvergenz der über das vorgestellte Verfahren laufend ermittelten Korrekturfaktoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 8 eine Darstellung eines Fehler Zustandsraums entsprechend 3 und im Vergleich hierzu in
• 9 eine Darstellung eines korrigierten Fehler-Zustandsraums gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen von Lichtbögen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
• 11 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbögen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Detaillierte Beschreibung
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Fahrzeugbordnetzen beschrieben. Die Erfindung kann aber in jeder Anwendung genutzt werden, in welcher Stromverteiler eingesetzt werden, wobei für alle angeschlossenen Lasten sowie in der Zuleitung zumindest eine Strommessung durchgeführt wird und Lichtbögen beispielsweise an entsprechenden Schaltelementen auftreten können.
• In der elektrischen Energieversorgung treten ungewollt Fehler in der Verbindung (Quelle zu Senke) und Fehlerströme auf. Diese führen grundsätzlich dazu, dass zwei Basisbeziehungen verletzt werden:
1. 1. Verletzung der Knotengleichung: Die Ströme aller mit einem (Verteiler-) Knoten verbundenen Ströme sollte null sein. Ist die Summe aller Ströme (z.B. Batteriestrom minus Strom aller Lasten) nicht null, so lässt dies auf einen Fehlerstrom gegen Masse oder ein anderes Potential schließen.
2. 2. Verletzung der Maschengleichung: Die Spannung an der Last sollte gleich der Spannung an der Quelle reduziert um den bekannten und erlaubten Widerstand der elektrischen Verbindung sein.
• Ist die Spannungsabfall von der Quelle zu Senke höher als der Laststrom multipliziert mit der bekannten Impedanz der elektrischen Verbindung, so lässt dies auf eine (serielle) Fehlstelle in der Verbindung schließen. Es ist also grundsätzlich möglich alle Verbindungsfehler im Betrieb (Online) im Bordnetz zu erkennen, vorausgesetzt es stehen Messdaten bezüglich Zweigströmen und Spannungen (Quellen, Verbraucher) zur Verfügung. In der praktischen Anwendung ergibt sich nun das Problem, dass die Spannungen und Ströme in den intelligenten Quellen (wie beispielsweise Batterie, riemengetriebener Starter-Generator, DC/DC-Wandler) zwar gemessen werden, diese Messungen aber fehlerbehaftet und zudem asynchron sind. So kann ein DC/DC-Wandler beispielsweise seinen Ausgangsstrom bestimmen, allerdings nur mit einer Genauigkeit von +/- 5 %. Mit der Alterung der Komponente kann der Fehler zudem auf +/-10% anwachsen. Da an einem Versorgungsknoten (beispielsweise an der Batterie) sehr viele Lasten angeschlossen sind, können sich die Fehler der Einzellasten konstruktiv addieren. Auch ohne Fehlerstrom (kein Kurzschluss oder Lichtbogen gegen Masse) ergibt die Knotenauswertung ΣI = Idc, bedingt durch die Messfehler, bereits einen sehr großen Wert für den Knotenstrom Idc. Ohne Messfehler wäre ΣI = Idc = 0.
• Werden die Messwerte der an dem Verteilerknoten angeschlossenen Lasten an eine Auswerteeinheit gesendet, so kann in der Auswerteeinheit der Knotenstrom Idc bestimmt werden, beispielsweise: $$Idc=I_1+I_2+I_3+I_4+I_5+\dots +I_n$$

  

  $$Idc=I_1\left[m\right]+I_2\left[m\right]+I_3\left[m\right]+I_4\left[m\right]+I_5\left[m\right]+\cdots +I_n\left[m\right]$$

  

  $$Idc=I_{Bat\_com}\left[m\right]+I_{RGSG\_com}\left[m\right]+I_{DCDC\_com}\left[m\right]+I_{E-Mot\_com}\left[m\right]+I_{Vert\_com}\left[m\right]+\cdots +I_n\left[m\right]$$

  
• Des Weiteren wird der Gesamt-Systemstrom Is ermittelt. Das ist die Summe der Absolutwerte aller Ströme des Verteilerknotens: $$Is=\left|I_1\right|+\left|I_2\right|+\left|I_3\right|+\left|I_4\right|+\left|I_5\right|+\cdots +\left|I_n\right|$$

  

  $$Is=\left|I_1\left[m\right]\right|+\left|I_2\left[m\right]\right|+\left|I_3\left[m\right]\right|+\left|I_4\left[m\right]\right|+\left|I_5\left[m\right]\right|+\cdots +\left|I_n\left[m\right]\right|$$

  

  $$\begin{array}{c}Is=\left|I_{Bat\_com}\left[m\right]\right|+\left|I_{RSG\_com}\left[m\right]\right|+\left|I_{DCDC\_com}\left[m\right]\right|+\left|I_{E-Mot\_com}\left[m\right]\right|+\left|I_{Vert\_com}\left[m\right]\right|+\cdots \\ +\left|I_n\left[m\right]\right|\end{array}$$

  
• Sind die Messfehler proportional zur Größe der Messwerte, so ist klar, dass umso höher der Systemstrom Is ist, umso höher ist der zu erwartende Wert für den Knotenstrom Idc als durch Messfehler verursachtes Ungleichgewicht in der Knotenauswertung.
• 1 zeigt in einem kartesischen Koordinatensystem gemessene Ströme eines Verteilerknotens. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Sekunden [s] und auf der Ordinate der Strom in Ampere [A] dargestellt. Beispielhaft sind hier vier Verbraucher (Stromwert eines Starter-Generators I_{RSG_com} Stromwert eines DC/DC-Wandlers I_{DCDC_com} ; Stromwert eines E-Motors I_{E-Mot_com} ; Stromwert eines Stromverteilers I_{vert_com} ) und eine Quelle (Stromwert einer Batterie I_{Bat_com} ) dargestellt, in 2 ist dann entsprechend die Summe der Stromwerte der fünf Komponenten an dem Knoten über die Zeit dargestellt: $$Idc=I_1+I_2+I_3+I_4+I_5=I_{Bat\_com}+I_{RSG\_com}+I_{DCDC\_com}+I_{E-Mot\_com}+I_{Vert\_com}$$

  
• Somit zeigt 2 den Knotenstrom Idc über die Zeit.
• Aufgrund der Messfehler aller angeschlossenen Lasten und Quellen ergibt sich ein signifikanter Wert für den Knotenstrom Idc. In einem Fehler-Zustandsraum 300 kann der Knotenstrom Idc aufgetragen werden gegen den Systemstrom Is. Wird die Auswertung über eine große Anzahl von Kombinationen von Messgrößen gemacht, so zeichnet sich ein Zustandsraum des Messfehlers ab.
• Der in 2 dargestellte Knotenstrom wird in 3 über den Systemstrom Is aufgetragen. So ist in einem kartesischen Koordinatensystem auf der Abszisse der Systemstrom Is und auf der Ordinate der Knotenstrom Idc jeweils in [A] aufgetragen. Dabei ergibt sich ein Fehler-Zustandsraum 300 mit entsprechenden Grenzen 302 des Fehlerraums 300. Zur Grenze 302 wird mit einem bestimmten Abstand, der entweder absolut oder proportional zur Grenze 302 gewählt wird, eine Auslöseschwelle 304 definiert.
• Die Auslösekennlinie 304 für die Erkennung eines Fehlerstroms (Lichtbogen, Kurzschluss) muss außerhalb des Fehlerraums 300 liegen, da es sonst zu Fehlauslösungen kommen kann. Es wird ersichtlich, dass aufgrund der Messfehler nur sehr große Fehlerströme 410 erkannt werden können. Umso mehr Lasten an dem Knoten verbunden sind und umso ungenauer die Messwerte sind und umso größer der Gesamtsystemstrom Is ist, umso „blinder“ wird die Erkennung.
• 4 zeigt den Fehlerraum 300 und die Auslösekennlinie 304 entsprechend der Darstellung in 3. Zusätzlich ist als Fehlerstrom 410 ein stehender Lichtbogenevent mit 80 A bis 1000 J dargestellt. Da zum Zeitpunkt des Fehlerstroms 410 der Gesamt-Systemstrom Is bei ca. 300 A liegt, ist der Fehlerraum noch verhältnismäßig klein und der Fehlerstrom 410 übersteigt die Auslösekennlinie 304. Somit wird der Fehlerstrom 410 erkannt. Der Fehler tritt auf, wenn der Systemstrom Is (zufällig) gerade sehr gering ist. Der Knotenstrom Idc auf Basis des Messfehlers plus dem Anteil verursacht durch den Lichtbogen führt zu einem „Reißen“ der Auslösekennlinie 304. Der Fehler wird also erkannt.
• Anders verhält es sich bei dem in 5 dargestellten Beispiel. Der Fehlerstrom 410 ist n stehender Lichtbogenevent mit 80 A bis 1000 J. Da dieser jedoch bei einem Gesamt-Systemstrom Is von ca. 1700 A auftritt, ist der Fehlerraum 300 größer und der Fehlerstrom 410 verbleibt unterhalb der Auslösekennlinie 304. Der parallele Lichtbogen tritt bei einem großen Systemstrom Is und überwiegend negativem Messfehler auf. Der Lichtbogen geht im Fehlerraum 300 „unter“ und kann nicht erkannt werden. Dies zeigt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Fehlerraum einzugrenzen, um die Sensitivität der Fehlererkennung zu erhöhen.
• Der Wert des Knotenstroms Idc entspricht der Summe aller Messfehler. Jeder einzelne Messfehler (als Teil des Knotenstroms Idc, wenn man den Knotenstrom Idc in seine Bestandteile auflösen könnte) würde mit seinen Messgrößen korrelieren. Im Folgenden wird die laufende Korrelation von Idc(t) mit allen Messgrößen I_{DCDC_com} , I_{RSG_com} usw. ermittelt. Dafür wird zuerst der Quotient von Idc mit jeder einzelnen Messgröße für jedes m beziehungsweise jede Zeitscheibe dt ermittelt. MFc_X macht also eine Aussage über den Anteil des Gesamtfehlers Idc zur einzelnen Messgröße. (Hier beispielhaft vier Größen): $$MF{c}_{Bat}=\raisebox{1ex}{$Idc$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$I_{Bat\_com}\left[m\right]$}\right.$$

  

  $$MF{c}_{RGS}=\raisebox{1ex}{$Idc$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$I_{RSG\_com}\left[m\right]$}\right.$$

  

  $$MF{c}_{E-Motor}=\raisebox{1ex}{$Idc$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$I_{E-Motor\_com}\left[m\right]$}\right.$$

  

  $$MF{c}_{Vert}=\raisebox{1ex}{$Idc$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$I_{Vert\_com}\left[m\right]$}\right.$$

  
• Im Weiteren erfolgt eine zeitliche Tiefpassfilterung erster Ordnung über ein numerisches Tiefpassfilter. Korreliert beispielsweise der Batteriestrom I_{Bat_com} nicht mit dem Knotenstrom Idc, so mittelt sich der Wert aus und es resultiert ein kleiner Korrekturfaktor c_Bat . Korreliert der Wert hingegen, so ergibt sich ein Korrekturfaktor c_Bat , welcher ein direktes Maß für den Messfehler der Strommessung in der Batterie darstellt. Die erfinderische Lösung nutzt einen lernenden Algorithmus, der sich auf unterschiedliche und sich (langsam) ändernde Messfehler z.B. durch Alterung einstellen kann. $${\text{c}}_{\text{Bat}}\left[\text{m}+1\right]=\frac{\left({\text{c}}_{\text{Bat}}\left[\text{m}\right]\ast \text{tcm}1\right)+MF{c}_{Bat}}{\text{tc}}$$

  

  $${\text{c}}_{\text{RSG}}\left[\text{m}+1\right]=\frac{\left({\text{c}}_{\text{RSG}}\left[\text{m}\right]\ast \text{tcm}1\right)+MF{c}_{RSG}}{\text{tc}}$$

  

  $${\text{c}}_{\text{E-Motor}}\left[\text{m}+1\right]=\frac{\left({\text{c}}_{\text{E-Motor}}\left[\text{m}\right]\ast \text{tcm}1\right)+MF{c}_{E-Motor}}{\text{tc}}$$

  

  $${\text{c}}_{\text{Vert}}\left[\text{m}+1\right]=\frac{\left({\text{c}}_{\text{Vert}}\left[\text{m}\right]\ast \text{tcm}1\right)+MF{c}_{Vert}}{\text{tc}}$$

  
• tc wird in der exponentiellen Glättung (Tiefpass) in differentieller Schreibweise typischerweise mit 60s/dt eingestellt und tcm1 mit (60s/dt-1).
• 6 zeigt die Korrekturfaktoren c_Bat , c_RSG , c_E-Motor , c_Vert über die Zeit, angewendet auf die in 1 dargestellten Ströme eines Verteilerknotens.
• Die so ermittelten Korrekturfaktoren werden auf die Knotengleichung mit dem Faktor (1-c_XX[m]) angewendet: $$Idi=I_1\times \left(1-c_1\left[m\right]\right)+I_2\times \left(1-c_2\left[m\right]\right)+I_3\times \left(1-c_3\left[m\right]\right)+\cdots +I_n\times \left(1-c_n\left[m\right]\right)$$

  

  $$Idi=I_1\left[m\right]\times \left(1-c_1\left[m\right]\right)+I_2\left[m\right]\times \left(1-c_2\left[m\right]\right)+\cdots +I_n\left[m\right]\times \left(1-c_n\left[m\right]\right)$$

  

  $$\begin{array}{l}Idi=I_{Bat\_com}\left[m\right]\times \left(1-c_{Bat}\left[m\right]\right)+I_{RSG\_com}\left[m\right]\times \left(1-c_{RSG}\left[m\right]\right)+I_{DCDC\_com}\left[m\right]\times (1\\ \begin{array}{llllll}\hfill & \hfill & \hfill & \hfill & \hfill & -c_{DCDC}\left[m\right])+I_{E-Mot\_com}\left[m\right]\times \left(1-c_{E-Motor}\left[m\right]\right)+I_{Vert\_com}\left[m\right]\times (1\hfill \\ \hfill & \hfill & \hfill & \hfill & \hfill & -c_{Vert}\left[m\right])+\cdots +I_n\left[m\right]\times \left(1-c_n\left[m\right]\right)\hfill \end{array}\end{array}$$

  
• Idi stellt also das Ergebnis der korrigierten Knotenauswertung dar. 7 zeigt in einem kartesischen Koordinatensystem auf der Abszisse die Zeit in Sekunden [s] sowie auf der Ordinate die Abweichung von der Knotenstromgleichung in Ampere [A]. Das Diagramm zeigt den Knotenstrom Idc als originärer Knotenfehler wegen Messfehler und Jitter sowie den korrigierten Knotenstrom Idi als konvergierendes Knotenfehlersignal unter Einbeziehung berechneter Messungenauigkeit der Kanäle. Es ist zu erkennen, wie der Knotenstrom Idc mit dem Korrelationsfilter, d.h. der korrigierte Knotenstrom Idi, immer geringer wird. Nach ca. 150 s sind die Werte für die Messfehler der einzelnen Lasten konvergiert. Wenn große Lasten vorliegen ergeben sich initial größere Fehler und der Algorithmus konvergiert schneller.
• 8 und 9 stellen den Fehlerraum 300 ohne und den korrigierten Fehlerraum 900 mit der beschriebenen Korrelationsfunktion gegenüber. Mit der „lernenden“ Korrelationsfunktion gelingt es den Fehlerraum erheblich zu verkleinern. Es wird deutlich, dass die Auslöseschwelle 304 erheblich abgesenkt werden kann. In diesem Beispiel ist der Algorithmus so eingestellt, dass der Lernvorgang erst dann startet, wenn der Knotenstrom Idc größer als 50A wird.
• Der lernende Algorithmus adaptiert auch auf den Fehlerstrom selber. Dieser wird aber weiterhin als solcher erkannt, weil:
1. 1. Der Algorithmus nur langsam adaptiert und plötzliche Fehler somit auf sich nicht ändernde Auslöseschwellen in der aktiven Zeit des Fehlers treffen.
2. 2. Eine maximale Grenze der Adaptierung vorgegeben wird, beispielsweise +/-10%
• Des Weiteren ist es sehr sinnvoll die eingelernten Grenzen 302 des Fehlerraums 300 bei Änderungen in die Cloud zu kommunizieren. Hier kann eine übergeordnete Auswertung auf potentielle, schleichende Fehler erfolgen oder eine präventive Wartung initiiert werden.
• Diese Erfindung zeigt die Anwendung von Zustandsräumen und die Anwendung von einfachen numerischen Korrelationsfiltern für die lernende Kompensation von Messfehlern.
• Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den vorangegangenen Figuren als Referenz beibehalten.
• 10 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Erkennen von Lichtbögen. Das Verfahren umfasst einen Schritt S1 des Einlesens eines Stromwertes I₁ , I₂ , I₃ , I₄ , I₅ , ... I_n je an einem Stromverteiler/Knoten angeschlossener Komponente 504₁ , 504₂ , 504₃ , 504₄ , 504₅ , ... 504_n, einen Schritt S2 des Bestimmens des Knotenstroms Idc und des Systemstroms Is unter Verwendung der Stromwerte I₁ , I₂ , I₃ , I₄ , I₅ , ... I_n , einen Schritt S3 des Ermittelns eines Korrelationsfaktors je Stromwert I₁ , I₂ , I₃ , I₄ , I₅ , ... I_n mit dem Knotenstrom Idc als Quotient MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n aus Knotenstrom Idc und dem jeweiligen Stromwert I₁ , I₂ , I₃ , I₄ , I₅ , ... I_n , einen Schritt S4 des Filterns der einzelnen Quotienten MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n, um je Stromwert I₁ , I₂ , I₃ , I₄ , I₅ , ... I_n einen Korrekturfaktor c₁ , c₂ , c₃ , c₄ , c₅ , ... c_n zu bestimmen, einen Schritt S5 des Aufstellens einer korrigierten Knotenstromgleichung, wobei jeder Stromwert I₁ , I₂ , I₃ , I₄ , I₅ , ... I_n mit dem im Schritt S4 bestimmten Korrekturfaktor c₁ , c₂ , c₃ , c₄ , c₅ , ... c_n verknüpft wird, um eine korrigierten Wert Idi der Knotenauswertung zu bestimmen, sowie einen Schritt S6 des Setzens einer Auslöseschwelle unter Verwendung der korrigierten Knotenstromgleichung.
• 11 zeigt ein Fahrzeug 500 mit einem Stromverteiler 502. Mit dem Stromverteiler 502 sind eine Batterie Bat, ein Starter-Generator RSG, ein DC/DC-Wandler DCDC, ein Elektromotor E-Motor sowie ein weiterer Verteiler Vert verbunden. In dem Fahrzeug 500 ist eine Vorrichtung 506 zum Erkennen von Lichtbögen vorgesehen. Die Vorrichtung 506 weist Einrichtungen auf, um das in 10 beschriebene Verfahren beziehungsweise die dort beschriebenen Verfahrensschritte in den entsprechenden Einrichtungen auszuführen. Die hier beispielhaft dargestellten Komponenten Batterie Bat, Starter-Generator RSG, DC/DC-Wandler DCDC, Elektromotor E-Motor sowie weiterer Verteiler Vert sind eingerichtet, den momentan fließenden Strom zu überwachen und den entsprechenden Stromwert I₁ ; I₂ ; I₃ ; I₄ ; I₅ ; I_n bzw. Stromwert I_{Bat_com} , I_{RSG_com} , I_{DCDC_com} , I_{E-Mot_com} , I_{vert_com} an die Vorrichtung 506 zu kommunizieren.
• Optional weist die Vorrichtung 506 eine Kommunikationseinrichtung auf, um eine geänderte Auslösekennlinie 304, geänderte Grenzen 302 des Fehlerraums 300 oder neue Korrekturfaktoren c₁ , c₂ , c₃ , c₄ , c₅ , ... c_n an einen entsprechenden Speicher, wie beispielsweise eine Cloud 508 zu senden. So können diese Daten überwacht werden und für prädiktive Diagnose weiter ausgewertet werden. Eine entsprechende Speicherung kann im Fahrzeug erfolgen und die Daten fahrzeugbezogen ausgewertet werden oder aber dezentral für eine Vielzahl von Fahrzeugen erfolgen, wodurch auch eine Auswertung über eine Anzahl von Fahrzeugen erfolgen kann, um mit Mitteln des Data Mining weitergehende Auswertungen durchzuführen.
• Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft.
• Bezugszeichenliste

I₁; I₂; I₃; I₄; I₅; I_n

Stromwert einer Last

I_{Bat_com}

Stromwert einer Batterie

I_{RSG_com}

Stromwert eines Starter-Generators

I_{DCDC_com}

Stromwert eines DC/DC-Wandlers

I_{E-Mot_com}

Stromwert eines E-Motors

I_{Vert_com}

Stromwert eines Stromverteilers

Idc

Knotenstrom

Is

Systemstrom

300

Fehler-Zustandsraum

302

Grenze des Fehlerraums 300

304

Auslöseschwelle

410

Fehlerstrom

Idi

Ergebnis der korrigierten Knotenauswertung

500

Fahrzeug

502

Stromverteiler, Knoten

504₁, Bat

Batterie, Komponente, Quelle

504₂, RSG

Starter-Gernerator, Komponente, Verbraucher, Last, Senke

504₃, DCDC

DC/DC-Wandler, Komponente, Verbraucher, Last, Senke

504₄, E-Mot

E-Motor, Elektromotor, Komponente, Verbraucher, Last, Senke

504₅, Vert

Verteiler, Komponente, Verbraucher, Last, Senke

506

Vorrichtung

508

Speicher, Cloud

Claims (7)

1. Verfahren zum Erkennen von Lichtbögen mit den folgenden Schritten: a) Einlesen eines Stromwertes (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) jeder an einem Knoten (502) angeschlossener Komponente (504₁, 504₂, 504₃, 504₄, 504₅, ... 504_n), b) Bestimmen eines Knotenstroms (Idc) des Knotens (502) und eines Systemstroms (Is) des Knotens (502) unter Verwendung der eingelesenen Stromwerte (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) jeder an dem Knoten (502) angeschlossener Komponente (504₁, 504₂, 504₃, 504₄, 504₅, ... 504_n), wobei der Knotenstrom (Idc) als Summe aller Stromwerte (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) und der Systemstrom (Is) als Summe aller Absolutwerte der Stromwerte (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) bestimmt wird, c) Ermitteln eines Korrelationsfaktors je Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) mit dem Knotenstrom (Idc) als Quotient MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n) aus Knotenstrom (Idc) und dem jeweiligen Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n), d) Filtern der einzelnen Quotienten MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n), um je Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) einen Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) zu bestimmen, e) Aufstellen einer korrigierten Knotenstromgleichung, wobei jeder Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) mit dem im Schritt d) bestimmten Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) verknüpft wird, um einen korrigierten Wert (Idi) der Knotenauswertung zu bestimmen, wobei der jeweilige Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) vom Wert Eins abgezogen und dann mit dem zugeordneten Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) multipliziert wird, wobei der korrigierte Wert (Idi) der Knotenauswertung die Summe der Terme ist, sowie f) Setzen einer Auslöseschwelle (304) unter Verwendung der korrigierten Knotenstromgleichung, wobei ein korrigierter Fehlerraum (900) bestimmt wird und die Auslöseschwelle (304) einen vordefinierten Prozentsatz beabstandet zu einer Grenze des korrigierten Fehlerraums (900) gesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt d) des Filterns eine zeitliche Tiefpassfilterung erster Ordnung erfolgt, um den Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) je Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) zu bestimmen.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Speicherns der Grenze (302) des Fehlerraums (300; 900), wenn diese sich von einer zuvor gespeicherten Grenze (302) des Fehlerraums (300; 900) unterscheidet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, mit einem Schritt des Auswertens der gespeicherten Grenzen (302) des Fehlerraums (300; 900) über die Zeit, um schleichende Fehler zu diagnostizieren.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem im Schritt d) des Filterns der einzelnen Quotienten MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n) ein alternativer numerischer Korrelationsfilter verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Erkennens eines Lichtbogens, wobei der Systemstrom (Is) und/oder das Ergebnis (Idi) der korrigierten Knotenauswertung größer der Auslöseschwelle (304) ist.
7. Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens, mit a) einer Einrichtung zum Einlesen eines Stromwertes (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) jeder an einem Knoten (502) angeschlossener Komponente (504₁, 504₂, 504₃, 504₄, 504₅, ... 504_n), b) einer Einrichtung zum Bestimmen eines Knotenstroms (Idc) des Knotens (502) und eines Systemstroms (Is) des Knotens (502) unter Verwendung der eingelesenen Stromwerte (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) jeder an dem Knoten (502) angeschlossener Komponente (504₁, 504₂, 504₃, 504₄, 504₅, ... 504_n), wobei der Knotenstrom (Idc) als Summe aller Stromwerte (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) und der Systemstrom (Is) als Summe aller Absolutwerte der Stromwerte (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) bestimmt wird, c) einer Einrichtung zum Ermitteln eines Korrelationsfaktors je Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) mit dem Knotenstrom (Idc) als Quotient MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n) aus Knotenstrom (Idc) und dem jeweiligen Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... In), d) einer Einrichtung zum Filtern der einzelnen Quotienten (MFc₁, MFc₂, MFc₃, MFc₄, MFc₅, ... MFc_n), um je Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) einen Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) zu bestimmen, e) einer Einrichtung zum Aufstellen einer korrigierten Knotenstromgleichung, wobei jeder Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) mit dem im Schritt d) bestimmten Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) verknüpft wird, um einen korrigierten Wert (Idi) der Knotenauswertung zu bestimmen, wobei der jeweilige Korrekturfaktor (c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, ... c_n) vom Wert Eins abgezogen und dann mit dem zugeordneten Stromwert (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, ... I_n) multipliziert wird, wobei der korrigierte Wert (Idi) der Knotenauswertung die Summe der Terme ist, sowie f) einer Einrichtung zum Setzen einer Auslöseschwelle (304) unter Verwendung der korrigierten Knotenstromgleichung, wobei ein korrigierter Fehlerraum (900) bestimmt wird und die Auslöseschwelle (304) einen vordefinierten Prozentsatz beabstandet zu einer Grenze des korrigierten Fehlerraums (900) gesetzt wird.

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