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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, einen Stromverteiler für ein Kraftfahrzeug mit einer Anzahl von entsprechenden Sicherungsvorrichtungen, ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem solchen Stromverteiler sowie ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Schmelzsicherungen für Fahrzeugbordnetze beschrieben. Die Erfindung kann aber in jeder Anwendung genutzt werden, in welcher Versorgungspfade abgesichert werden.
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Schmelzsicherungen werden in vielen elektrischen und elektronischen Geräten zum Schutz des Benutzers und von Komponenten oder Leitungen des Geräts eingesetzt. So findet sich in modernen Kraftfahrzeugen eine Vielzahl von Sicherungen, um einzelne Kabelstränge oder Lasten elektrisch abzusichern. Um den Austausch von ausgelösten Schmelzsicherungen zu erleichtern, werden diese häufig als Stecksicherung ausgeführt.
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Für einen zuverlässigen Betrieb des Kraftfahrzeuges oder von Teilsystemen des Kraftfahrzeuges sind Diagnosefunktionen über den Zustand der eingesetzten Sicherungen sinnvoll oder notwendig. Aktuell wird dies aufwändig in Steuergeräte integriert, wobei systembedingt keine sicherungsindividuelle Aussage getroffen werden kann. So beschreibt die
US 2012/0099235 A1 ein Schutzsystem für elektrische Schaltungen mit einem Steuermodul und einem Schaltungssensor. Das Steuermodul ist so konfiguriert, dass es einen sogenannten Verschlechterungsfaktor überwacht, der sich auf einen Energieschwellenwert der Sicherung bezieht, und den Schalter anweist, den Stromkreis zu öffnen, um zu verhindern, dass die Stromquelle Strom durch die Sicherung liefert. Der Schaltungssensor ist konfiguriert, um einen Energieparameter des Stroms zu messen, der von der Stromquelle durch die Schaltung geliefert wird, oder der von einer Last von der Stromquelle angefordert wird.
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Die
US 2006/0100822 A1 zeigt einen Anschlusskasten für ein Fahrzeug mit einem Sensorsystem zur Erfassung von Parametern und Betriebszuständen, und einem elektronischen System zur Speicherung der Parametern und Betriebszuständen.
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Gemäß der
US 2016/0372289 A1 wird eine Trennschaltvorrichtung mit Schmelzsicherung offenbart, wobei die Trennschaltvorrichtung ein Trennschaltgehäuse umfasst, das angepasst ist, zumindest einen Teil einer entfernbaren Überstromschutzsicherung aufzunehmen und in Eingriff zu bringen, wobei die Überstromschutzsicherung erste und zweite Klemmenelemente und ein schmelzbares Element einschließt. Ein schaltbarer Kontakt ist mit der ersten Klemme assoziiert und eine elektronische Schaltung überwacht den Stromfluss durch zumindest die erste Klemme und/oder den Schaltungspfad des schmelzbaren Elements, wobei die elektronische Schaltung den aktuellen Stromfluss mit einem vorgegebenen Basisliniensatz von Zeit-Strom-Datenerwartung bei permanenter Öffnung des schmelzbaren Elements vergleicht.
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Die Zustandsdiagnose von Schmelzsicherungen wird deshalb aktuell in einem Standardbordnetz in der Regel nicht beachtet. Für die Themen des automatisierten Fahrens wird in Zukunft eine Diagnoseabdeckung immer wichtiger werden. Ein erster Ansatz ist dabei zumindest eine Auslösung einer Schmelzsicherung zu diagnostizieren. So wird in der nachveröffentlichten
DE 10 2017 101 293 A1 eine Schmelzsicherung für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Ein erstes Kontaktelement, von dem ein erster Endabschnitt auf einer ersten Gehäuseseite aus einem Gehäuse herausragt, ein zweites Kontaktelement, von dem ein zweiter Endabschnitt auf der ersten Gehäuseseite aus dem Gehäuse herausragt, wobei das erste und zweite Kontaktelement durch einen in dem Gehäuse aufgenommenen Schmelzleiter miteinander elektrisch verbunden sind, und ein Diagnosekontaktelement, von dem ein Diagnoseendabschnitt aus der ersten Gehäuseseite herausragt und das mit einem Koppelpunkt des ersten Kontaktelements mit dem Schmelzleiter elektrisch verbunden ist.
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Zustandsdiagnostizierbare Schmelzsicherungen werden in zukünftigen Systemen wichtig, welche unter der Prämisse automatisiertes Fahren laufen, d.h. hochautomatisiertes Fahren (HAF - englisch: Highly Automated Driving, HAD) mit dem Automatisierungsgrad L3 oder vollautomatisiertem Fahren (VAF) mit dem Automatisierungsgrad L4. Die Wichtigkeit ergibt sich aus der sogenannten Diagnoseabdeckung (englisch: Diagnostic Coverage, DC), welche bei sicherheitsrelevanten Systemen eine Rolle spielt um Fehlerraten in Bauteilen zu senken. Diese Diagnoseabdeckung fordert nicht nur, dass ein Fehler erkannt wird, was beim Ausfall einer Sicherung einfach wäre, sondern auch, dass der Fehler beherrschbar ist. Die Beherrschbarkeit kann z.B. über Redundanz erfolgen oder wie hier beschrieben über eine Zustandserkennung der Sicherung erreicht werden. Falls es also gelingt, eine Zustandsänderung eines Versorgungspfades für alle „langsamen Fehler“ vorhersehbar zu machen und eine Warnung, mit ausreichendem Abstand, vor dem Ausfall des Versorgungspfades zu melden, würde über die Diagnoseabdeckung die Ausfallrate der Sicherung verringert werden können und diese könnte in Systemen mit ASIL-Einstufungen (ASIL = Automotive Safety Integrity Level) entsprechend ISO 26262 eingesetzt werden. Welche Einstufungen möglich sind, muss im jeweiligen Projekt bestimmt werden.
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in funktionskritischen Anwendungen (z.B. für HAF oder VAF) ist es vorteilhaft, die Betriebsbereitschaft einer Schmelzsicherung zu kennen. Dazu zählt auch die Erkennung einer Degradation der Sicherung. Heutige Schmelzsicherungen weisen dazu keine Möglichkeit auf.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Schmelzsicherung zu schaffen, deren Betriebsbereitschaft überwacht wird beziehungsweise Zustandsentwicklung bezüglich Alterung im laufenden Betrieb - unabhängig von Normal- oder Fehlerbetrieb - beurteilbar ist.
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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.
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Eine erfindungsgemäße Schmelzsicherung für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug umfasst zwei Kontaktelemente, die über einen elektrisch leitenden Auslöseabschnitt miteinander verbunden sind. Der Auslöseabschnitt ist als sogenannter Schmelzleiter als funktioneller Bestandteil bezüglich Leitungsabsicherung ausgebildet, der die Auslösecharakteristik der Schmelzsicherung definiert. Weiterhin weist die Schmelzsicherung einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer auf die Schmelzsicherung wirkenden Beschleunigung über eine Zeit als Beschleunigungssignalverlauf und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln eines Zustands der Schmelzsicherung unter Verwendung des Beschleunigungssignalverlaufs.
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Die Schmelzsicherung ist eingerichtet, eine elektrische Leitung in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz abzusichern. Unter dem Schmelzleiter kann dabei zumindest ein Schmelzabschnitt verstanden werden. Bei den Kontaktelementen kann es sich um Messerkontakte, Kontaktzungen, Kontaktstifte, Steckkontakte oder ähnliches handeln. Letztlich ist die erfindungsgemäße Schmelzsicherung mit einer klassischen Schmelzsicherung vergleichbar, jedoch um eine Diagnosefähigkeit erweitert.
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Der von dem Beschleunigungssensor gewonnene Beschleunigungssignalverlauf kann als analoges Spannungssignal oder als digitales Signal der Auswerteeinrichtung bereitgestellt werden. Ein analoges Spannungssignal kann einfach von einem Mikrocontroller entweder direkt oder unter Zuhilfenahme eines Analog-Digital-Wandlers (A/D-Wandler) ausgewertet werden. Wenn es sich um ein digitales Signal handelt, so kann dies konform zu einem standardisierten Feldbus ausgebildet sein. Insbesondere eignet sich hier ein LIN-Bus. Sowohl das Übertragungsprotokoll als auch die physikalischen Eigenschaften sind in diesem Fall an den gewählten Feldbus angepasst. Je nach Anwendungsfall und unter Berücksichtigung numerischer Aspekte kann die Auswahl beschränkt werden.
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Mechanische Belastungen, welche sich beispielsweise als eine Beschleunigung darstellen, können zu einer Alterung des Auslöseabschnitt, bzw. des Schmelzleiters führen. Die Idee der Diagnose der hier beschriebenen Sicherungsvorrichtung beruht auf einer Früherkennung von Schäden bzw. der Alterung der Schmelzsicherung. Der Zustand gibt eine Information, ob die Schmelzsicherung gefährdet ist oder nicht, bevor diese auslöst. So handelt es sich bei dem Zustand um eine Information über eine Alterung der Schmelzsicherung bzw. um einen State of Health (SOH). So erlangt man eine Information, welche für eine ASIL-Betrachtung eines Gesamtsystems wichtig ist. Für die Schmelzsicherung sind verschiedene Ausfallmechanismen gültig. Bei der hier beschriebenen Schmelzsicherung handelt es sich im weitesten Sinne um eine um eine Diagnoseabdeckung erweiterte Schmelzsicherung. Mithilfe des Beschleunigungssensors kann ein spezifischer Ausfallmechanismus der Schmelzsicherung abgedeckt werden. Der hier untersuchte Ausfallmechanismus von Schmelzsicherungen leitet sich von mechanischen Belastungen wie beispielsweise Vibrationen ab, welche über die Zeit und/oder die Intensität eine Veränderung im Material hervorrufen, was wiederum zu einem Ausfall der entsprechenden Schmelzsicherung führen kann. So kann unter Verwendung des Beschleunigungssensors die Anzahl und die Größe von durch Schwingungen hervorgerufenen Belastungen gemessen werden.
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Der Auslöseabschnitt kann in einer besonderen Ausführungsform auf einer Leiterplatte (=Platine) integriert sein. In diesem Fall können auch die Kontaktelemente jeweils am Rand der Leiterplatte angeordnet und in diese integriert sein. Vorteilhafterweise ist dann auch die Auslöseeinrichtung mechanisch mit der Leiterplatte verbunden beziehungsweise auf dieser angeordnet.
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Zur kosteneffizienten Produktion können optional die Kontaktelemente und der Auslöseabschnitt einteilig aus Sicherungsblech bestehen. Beispielsweise kann das Sicherungsblech im Bereich der Kontaktelemente und ergänzend oder alternativ im Bereich der Messstelle mehrlagig ausgebildet sein, um die Stromtragfähigkeit und auch die mechanische Belastbarkeit in diesem Bereich zu erhöhen.
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Der Auslöseabschnitt kann in einem elektrisch isolierenden Sicherungsgehäuse angeordnet sein. Die Kontaktelemente sind dann jeweils teilweise innerhalb des Sicherungsgehäuses und teilweise außerhalb des Sicherungsgehäuses angeordnet. So erstreckt sich jeweils ein Endabschnitt der Kontaktelemente von dem Sicherungsgehäuse weg oder mit anderen Worten ragt jeweils der Endabschnitt der Kontaktelemente aus dem Sicherungsgehäuse heraus. In einer Ausführungsform ist das Sicherungsgehäuse im Wesentlichen quaderförmig. So ist eine dichte, d.h. kompakte Anordnung von einer Vielzahl von Stecksicherungen realisierbar.
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Der Beschleunigungssensor ist innerhalb des Sicherungsgehäuses angeordnet, und wenn die Auswerteeinrichtung außerhalb des Sicherungsgehäuses angeordnet ist, so weist in einer ersten Variante die Schmelzsicherung zumindest ein Diagnose-Kontaktelement auf, über die das die Beschleunigung repräsentierende Sensorsignal, d. h. der Beschleunigungssignalverlauf, extern zum Sicherungsgehäuse der Auswerteeinrichtung zur Verfügung steht. In einer zweiten Variante wird das die Beschleunigung repräsentierende Sensorsignal, bzw. Beschleunigungssignalverlauf, auf die an der Schmelzsicherung anliegende Spannung aufgeprägt und von der Auswerteeinrichtung an einem anderen Ort entsprechend eingelesen. Bei einer Anordnung des Beschleunigungssensor und der Auswerteeinrichtung ebenfalls innerhalb des Sicherungsgehäuses, erfolgt eine direkte Verbindung zwischen dem Beschleunigungssensor und der Auswerteeinrichtung, über die das Sensorsignal bereitgestellt wird.
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Die Auswerteeinrichtung kann eine Speichereinrichtung aufweisen. Die Speichereinrichtung ist dazu eingerichtet, den Beschleunigungssignalverlauf und ergänzend oder alternativ einen oder mehrere davon abgeleitete Werte zu speichern. Dies kann über einen zeitlichen Verlauf wiederholt werden. So kann beispielsweise minütlich ein von dem Beschleunigungssignalverlauf abgeleiteter Wert gespeichert werden. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, den Zustand der Schmelzsicherung unter Verwendung des einen bzw. mehrerer Beschleunigungssignalverläufe und ergänzend oder alternativ des einen oder mehreren von den Beschleunigungssignalverläufen abgeleiteten Werten zu ermitteln. Auf diese Art und Weise kann eine Gesamtbelastung beispielsweise über die Lebensdauer oder die Alterung der Sicherungsvorrichtung ermittelt werden. Dabei kann die Speichereinrichtung in einer Ausführungsform in die Auswerteeinrichtung integriert oder alternativ mit dieser gekoppelt sein.
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Ferner kann in einer Ausführungsform die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein, den Beschleunigungssignalverlauf über die Zeit zu integrieren, um einen Belastungswert für die Schmelzsicherung zu bestimmen. In einer Variante kann die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein, den Beschleunigungssignalverlauf über die Zeit zu integrieren, wenn dieser oberhalb eines Vibrationsschwellwerts liegt, um einen Belastungswert zu bestimmen. Wenn die Auswerteeinrichtung einen Belastungswert bestimmt, so kann dieser mit einem Belastungsschwellwert verglichen werden und eine Zustandsinformation bereitgestellt werden basierend auf diesem Vergleich. Dabei kann eine Korrelation zwischen dem Ergebniswert des Integrals und der Alterung der Schmelzsicherung bestehen. So kann eine erste Warnstufe bzw. allgemein formuliert eine Zustandswarnung bereitgestellt werden, wenn der Belastungswert den Belastungsschwellwert übersteigt. Dabei können eine Mehrzahl unterschiedlicher Belastungsschwellwerte definiert werden, deren Überschreiten durch den Belastungswert dann jeweils eine unterschiedliche Zustandsinformation repräsentieren.
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Die jeweilige Anwendung bestimmt die Komplexität der nachfolgenden Systematik. Ab einem ersten Schwellwert (Belastungsschwellwert, Frequenzschwellwert, Frequenz-Belastungsschwellwert) wird das Integral Tdt erstellt und die Lebensdauer der Sicherung entsprechend reduziert. Ab dem ersten Schwellwert oder eventuell einem kleineren Schwellwert kann beispielsweise ein erster Warnhinweis ergehen. Das Integral Tdt bestimmt letztendlich in Zusammenhang mit der Definition der Anwendung wie die weitere Verfahrensvorgehensweise bestimmt wird (beispielsweise kann ab einer Reduktion der Lebensdauer auf einen bestimmten Restwert der Prozess ‚sicheres Abstellen‘ eingeleitet werden beziehungsweise die HAF-Funktion neutralisiert werden. Dies kann auch in Zusammenspiel mit der Restlebensdauer der zweiten redundanten Versorgung erfolgen. Durch die beschriebene Schmelzsicherung werden lediglich die Informationen bereitgestellt, die Vorgehensweise wird in der jeweiligen Anwendung bestimmt. Für das Integral ist es sinnvoll ab einem weiteren Schwellwert die Aufzeichnungsrate 1/dt entsprechend zu erhöhen für eine exaktere Überwachung. Dies obliegt allerdings ebenfalls dem Anwendungsfall.
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In einer Ausführungsform kann der Vibrationsschwellwert, der Belastungsschwellwert und ergänzend oder alternativ der Frequenz-Belastungsschwellwert in Abhängigkeit eines ermittelten Alterungszustands bestimmt werden. So kann der Vibrationsschwellwert, der Belastungsschwellwert und ergänzend oder alternativ der Frequenz-Belastungsschwellwert langsam in Korrelation zum Zustand der Schmelzsicherung abgesenkt werden. So kann einer mit einer zunehmenden Alterung der Schmelzsicherung einhergehenden Änderung der Auslösecharakteristik Rechnung getragen werden. Allgemein kann je nach Ausprägung der Auswerteeinrichtung unter einem Schwellwert der Vibrationsschwellwert, der Belastungsschwellwert und ergänzend oder alternativ der Frequenz-Belastungsschwellwert verstanden werden.
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In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung eingerichtet, den Beschleunigungssignalverlauf in den Frequenzraum zu transformieren das Ergebnis kann als Beschleunigungsfrequenzverlauf bezeichnet werden. Wenn ein solcher Beschleunigungsfrequenzverlauf bestimmt wird, kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, den Zustand der Schmelzsicherung unter Verwendung des Beschleunigungsfrequenzverlaufs und ergänzend oder alternativ einem oder mehreren von dem Beschleunigungsfrequenzverlauf abgeleiteten Werten zu ermitteln. Dabei können insbesondere einzelne Frequenzen bzw. Frequenzbänder betrachtet werden und ein Energieeintrag innerhalb dieser Frequenzbänder eine entsprechende Zustandsinformation bereitgestellt werden.
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In einer besonderen Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung eingerichtet, aus dem Beschleunigungsfrequenzverlauf eine Frequenz-Belastungsanzahl zu bestimmen. Dabei wird eine Anzahl von Ereignissen gezählt, an denen der Beschleunigungsfrequenzverlauf einen Frequenz-Belastungsschwellwert überschreitet. So kann ein Überschreiten der Signalamplitude eines hierzu festgelegten Schwellwerts in einem vorbestimmten Zeitintervall gezählt werden. Alternativ kann aus dem Zeitsignal, d. h. dem Beschleunigungssignalverlauf, in einer Zusammenschau mit dem Beschleunigungsfrequenzverlauf eine Dauer des Überschreitens eines vorbestimmten Schwellwerts gewonnen werden und daraus eine Belastung für die Schmelzsicherung bestimmt werden. So kann die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein den Zustand der Schmelzsicherung unter Verwendung der Belastungsanzahl und oder einem daraus abgeleiteten Wert zu ermitteln und eine entsprechende Zustandsinformation bereitzustellen.
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Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, eine Zeitdauer zu bestimmen, in der der Beschleunigungssignalverlauf über einem bestimmten Schwellwert liegt, und dann den Zustand der Schmelzsicherung unter Verwendung dieser Zeitdauer zu bestimmen. So kann eine erste Zeitdauer bestimmt werden, in der der Beschleunigungssignalverlauf über dem ersten Schwellwert liegt und eine zweite Zeitdauer bestimmt werden, in der der Beschleunigungssignalverlauf über dem zweiten Schwellwert liegt, usw. Eine derart ermittelte Zeitdauer kann in einem internen Speicher abgelegt werden, sodass eine Gesamtzeit ermittelt werden kann, in der der Beschleunigungssignalverlauf über dem betreffenden Schwellwert lag. So können also verschiedene Zeitintervalle, die mit einem bestimmten Schwellwert verbunden sind, entsprechend einer mathematischen Verknüpfung aufgerechnet werden und das Ergebnis zur Bestimmung des Zustands beziehungsweise der Alterung der Schmelzsicherung verwendet werden. In einer vereinfachten Version können verschiedene Zeitintervalle, die mit einem bestimmten Schwellwert verbunden sind, addiert werden.
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Wie bereits dargelegt kann der Zustand oder eine den Zustand beschreibende Zustandsinformation einen Alterungszustand der Schmelzsicherung repräsentieren. Der Alterungszustand kann in einer Ausführungsform eine Alterung des Schmelzleiters beziehungsweise des Auslöseabschnitts repräsentieren. Eine Auslösecharakteristik des Schmelzleiters kann über die Belastung, welche durch die Alterung beschrieben wird, sich verändern. Weiterhin kann ein Kontakt oder ein Kontaktelement insbesondere durch Reibkorrosion altern. So kann ein Übergangswiderstand zwischen einem Kontaktelement und einer damit verbundenen Kontakt beispielsweise eines Stromverteilers oder einer Stromschiene sich über die Zeit erhöhen, was eine Verschlechterung oder Alterung bedeutet. Insbesondere modellbasiert kann der Alterungszustand der Kontaktelemente oder ein Kontakt zwischen einem Kontaktelement und einer das Kontaktelement kontaktierenden Versorgungsleitung bestimmt werden. So kann eine Früherkennung auf Kontaktprobleme etabliert werden. Auch für Kontakte gilt, dass der Übergangswiderstand mit steigender Belastung zunimmt. Eine Früherkennung von Kontaktproblemen kann durch einen zusätzlichen Temperatursensor noch erweitert werden. In diesem Fall ist ein Temperatursensor nah am Kontakt zu platzieren.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte Darstellung einer Schmelzsicherung in einem Stromverteiler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 einen Beschleunigungssignalverlauf einer Variante einer beispielsweise in 1 oder 3 bis 7 gezeigten Schmelzsicherung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 ein Kraftfahrzeug mit einem Stromverteiler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 4 bis 7 vereinfachte Darstellungen von Schmelzsicherungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt eine Schmelzsicherung 100, welche ein erstes Kontaktelement 102 sowie ein zweites Kontaktelement 104 und einen die beiden Kontaktelemente 102, 104 verbindenden Auslöseabschnitt 106. Weiterhin umfasst die Schmelzsicherung 100 einen Beschleunigungssensor 109 sowie eine Auswerteeinrichtung 110. Der Auslöseabschnitt 106 ist als Schmelzleiter 114 ausgebildet. Der Beschleunigungssensor 109 ist eingerichtet, eine auf die Schmelzsicherung 100 wirkende Beschleunigung zu erfassen und als einen Beschleunigungssignalverlauf 117 bereitzustellen. Die Auswerteeinrichtung 110 ist ausgebildet, den Beschleunigungssignalverlauf 117 einzulesen und unter Verwendung des Beschleunigungssignalverlaufs 117 einen Zustand 118 (d.h. Alterungszustand) zu bestimmen. Der Zustand 118 kann auch als eine Zustandsinformation bezeichnet werden.
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Weiterhin weist die Schmelzsicherung 101 ein Sicherungsgehäuse 120 auf, welches den Auslöseabschnitt 106 umschließt und auf diese Art und Weise den Schmelzleiter 114 vor manchen mechanischen Einflüssen schützt..
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schmelzsicherung 100 auf einer Leiterplatte 134 angeordnet. Auf derselben Leiterplatte 134 befindet sich der Beschleunigungssensor 109 sowie die Auswerteeinrichtung 110. In dem konkreten Ausführungsbeispiel sind das erste Kontaktelement 102 sowie das zweite Kontaktelement 104 mit nicht explizit dargestellten Leiterbahnen auf der Leiterplatte 134 elektrisch verbunden, beispielsweise mittels einer Löt-Verbindung.
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Die Leiterplatte 134 ist innerhalb von einem Gehäuse 136 angeordnet. Dabei sind Kontakte 138 auf der Leiterplatte angeordnet und mit dieser verbunden, wobei die Kontakte 138 das Gehäuse 136 durchdringen, sodass diese von extern zu dem Gehäuse 136 kontaktiert war sind. So kann es sich beispielsweise bei dem Gehäuse 136 um ein Gehäuse eines Stromverteilers handeln. Die Leiterplatte 134 ist mechanisch fest mit dem Gehäuse 136 verbunden, sodass Beschleunigungen, die auf das Gehäuse 136 wirken, unverändert auf die Leiterplatte 134 und auch die Schmelzsicherung 100 wirken. Dies vorausgeschickt wird deutlich, dass mittels eines Beschleunigungssensors 109 eine Vielzahl von Auslöseabschnitten 110 überwachen kann.
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Im Folgenden wird die Kombination von dem ersten Kontaktelement 102, dem zweiten Kontaktelement 104 sowie dem Auslöseabschnitt 106 als Sicherungselement 138 bezeichnet. Ein solches Sicherungselement 138 kann auch als eine klassische Schmelzsicherung betrachtet werden. Die ansonsten hier beschriebene Schmelzsicherung 100 unterscheidet sich von dem Sicherungselement 138 insbesondere durch die zusätzliche Diagnoseabdeckung, welche durch den Beschleunigungssensor 109 sowie die Auswerteeinrichtung 110 erreicht wird. Dabei kann, wie bereits dargestellt, eine Diagnoseabdeckung mit einem Beschleunigungssensor 109 sowie einer zugeordneten Auswerteeinrichtung 110 für eine Vielzahl von Sicherungselementen 138 erfolgen.
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Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den Elementen in 1 als Referenz beibehalten, auch wenn die Elemente nicht gezeigt werden.
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2 zeigt einen Beschleunigungssignalverlauf 260 über die Zeit t. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate ein eine Beschleunigung a charakterisierender Wert dargestellt. Dies kann beispielsweise eine Summe der Beträge der Amplituden eines zwei- oder drei-achsigen Beschleunigungssensors 109 sein. Dabei sind ein erster Schwellwert a1 und ein zweiter Schwellwert a2 eingezeichnet. Der Beschleunigungssignalverlauf 260 überschreitet zum Zeitpunkt t1 den ersten Schwellwert a1 , um dann zum Zeitpunkt t2 wieder unterhalb des ersten Schwellwerts a1 zu sinken. Zum Zeitpunkt t3 übersteigt der Beschleunigungssignalverlauf 260 den ersten Schwellwert a1 , zum Zeitpunkt t4 übersteigt der Beschleunigungssignalverlauf 260 den zweiten Schwellwert a2 . Zum Zeitpunkt t5 sinkt der Beschleunigungssignalverlauf 260 unter den zweiten Schwellwert a2 , zum Zeitpunkt t6 sinkt der Beschleunigungssignalverlauf 260 unter den ersten Schwellwert a1 . Im Folgenden wird das Zeitintervall zwischen t1 und t2 als Δt1 , das Zeitintervall zwischen t3 und t6 als Δt2 sowie das Zeitintervall zwischen t4 und t5 als Δt3 bezeichnet.
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Die Auswerteeinrichtung 110 ist ausgebildet, den Zustand der Schmelzsicherung 100 unter Verwendung des Beschleunigungssignalverlauf 260 und insbesondere der Information über das über- und unterschreiten der verschiedenen Schwellwerte a1 , a2 zu bestimmen. So kann der Zustand der Schmelzsicherung 100 unter Verwendung der Anzahl des Überschreitens der einzelnen Schwellwerte a1 , a2 , der Dauer des Überschreitens der einzelnen Schwellwerte a1 , a2 , oder einem Integral über den Beschleunigungssignalverlauf 260, solange der Beschleunigungssignalverlauf 260 über einem entsprechenden Schwellwert a1 , a2 ist, bestimmt werden. Für die so bestimmte Anzahl des Überschreitens, Dauer des Überschreitens oder ein entsprechend gebildetes Integral können bestimmte Grenzen definiert werden, die bei Erreichen oder Überschreiten ein Indiz für einen Zustand der Schmelzsicherung 100 sind. Dabei kann eine Mehrzahl von Grenzen definiert werden, die jeweils einen unterschiedlichen Zustand definieren.
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Mit anderen Worten wird eine auf den Schmelzleiters 114 wirkende Beschleunigung mit den für die Schmelzsicherung 100 festgelegten Belastungsschwellwerten a1 , a2 verglichen und dadurch die Funktionsfähigkeit/Funktionsbereitschaft der Schmelzsicherung 100 bewertet. Wobei die Funktionsfähigkeit/Funktionsbereitschaft durch die Festlegung mehrerer Schwellwerte a1 , a2 qualitativ abgestuft bewertet werden kann. Zusätzlich kann ein zeitlicher Faktor dem Beschleunigungssignalverlauf 260 zugeordnet werden. Die Verweilzeit über den als Schwellwert a1 , a2 definierten Beschleunigungswerten kann entlang der Betriebszeit der Schmelzsicherungen 100 für eine zusätzliche Bewertung der Funktionsfähigkeit/Funktionsbereitschaft der Schmelzsicherung 100 erfasst und bewertet werden. Außer im Bereich des Schmelzleiters 114 wirkenden Beschleunigung und gegebenenfalls der Zeit Δt1 , Δt2 wird keine weitere Messgröße erfasst. Die Verarbeitung der Messwerte t1 , t2 , t3 , t4 , t5 , t6 , Δt1 , Δt2 , Δt3 erfolgt außerhalb der Schmelzsicherung 100 und wird beispielsweise zur Lastreduzierung oder Signalisierungen verwendet.
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3 zeigt ein Fahrzeug 370 mit einem Bordnetz 372, in dem zumindest ein Stromverteiler 374 und eine Anzahl Lasten 376 angeordnet sind. Der Stromverteiler 374 weist zu mindestens eine Schmelzsicherung 100 gemäß einem der Ausführungsbeispiele, wie dieses beispielhaft in den Figuren 1 sowie 4 bis 7 dargestellt ist, auf, über die zumindest eine Last 376 mit Energie versorgt wird. Der Stromverteiler 374 ist mit einem Energieversorgungssystem 378 verbunden und verteilt die von dort bezogene Energie auf die über Leitungen 380 angeschlossenen Lasten 376.
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4 bis 7 zeigen Varianten von Schmelzsicherungen 100. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Elemente der Schmelzsicherung 100 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 134 angeordnet. Wie bereits bei dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst die Schmelzsicherung 101 erstes Kontaktelement 102, ein zweites Kontaktelement 104, einen Auslöseabschnitt 106, einen Beschleunigungssensor 109 sowie eine Auswerteeinrichtung 110, die alle auf der Leiterplatte 134 angeordnet sind oder mit dieser verbunden sind. Die Verbindung zwischen den einzelnen Elementen erfolgt über auf der Leiterplatte 134 angeordneten Leiterbahnen 482. An einer ersten Stirnseite der Leiterplatte 134 ist das erste Kontaktelement 102 derart angeordnet, dass ein wesentlicher Kontaktbereich des Kontaktelements 102 über die Leiterplatte 134 hinaus ragt. Das zweite Kontaktelement 104 ist auf einer zur ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite entsprechend angeordnet. Der Auslöseabschnitt 106 ist als Schmelzleiter 114 ausgebildet, wobei auch der Schmelzleiter 114 direkt auf der Leiterplatte 134 angeordnet ist. Das erste Kontaktelement 102 ist mit einem ersten Ende des Schmelzleiters 114 mittels einer Leiterbahn 482 elektrisch gekoppelt. Das zweite Kontaktelement 104 ist mit einem zweiten Ende des Schmelzleiters 114 mittels einer Leiterbahn 482 elektrisch gekoppelt. Der Beschleunigungssensor 109 ist ebenfalls mittels zumindest einer Leiterbahn 482 mit der Auswerteeinrichtung 110 elektrisch gekoppelt, um das Signal des Beschleunigungssignalverlaufs 260 an die Auswerteeinrichtung 110 zu übertragen. Der Beschleunigungssensor 109 ist in einer räumlichen Nähe neben dem Schmelzleiter 114 angeordnet. In dem konkreten Fall beträgt der seitliche Abstand zwischen dem Schmelzleiter 114 und dem Beschleunigungssensor 109 in etwa die Hälfte der Längserstreckung des Auslöseabschnitt 106.
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Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Schmelzsicherung 100 bzw. eines Stromverteiler 374 unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere durch weitere Sicherungselemente 138, welche auf derselben Leiterplatte 134 angeordnet sind. So weist die Schmelzsicherung 101 ein erstes Kontaktelement 102 sowie ein zweites Kontaktelement 104 auf, welche über ein erstes Sicherungselement 138 verbunden sind weiterhin ein drittes Kontaktelement 502 sowie ein viertes Kontaktelement 504, welche über ein zweites Sicherungselement 138' miteinander verbunden sind. Weiterhin ist ein n-1-tes Kontaktelement 502n-1 sowie ein n-tes Kontaktelement 504n dargestellt, welche über ein n/2-tes Sicherungselement 138n/2 verbunden sind. Punkte deuten an, dass die Anzahl der Sicherungselemente 138 entsprechend erhöht werden kann und es sich hierbei um eine symbolische Darstellung handelt. Die Leiterplatte 134 weist weiterhin eine Auswerteeinrichtung 110 sowie einen jeweiligen Beschleunigungssensor 109 unmittelbar angeordnet bei den Sicherungselemente 138, 138' auf, die über eine Leiterbahn 482 miteinander gekoppelt sind.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schmelzsicherung 100, wobei im Unterschied zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die Auswerteeinrichtung 110 extern zur Leiterplatte 134 angeordnet ist. An einer Stirnseite der Leiterplatte 134 ist ein Diagnosekontakt 640 angeordnet, der über eine Leiterbahn 482 mit einem Beschleunigungssensor 109, welcher in räumlicher Nähe zu dem Sicherungselement 138 angeordnet ist, verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung 110 ist über eine elektrische Leitung mit dem Diagnosekontakt 640 verbunden.
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Das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel weist Elemente der in 4 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiele auf. So weist die Schmelzsicherung 100 auch einen Diagnosekontakt 640 auf, die Auswerteeinrichtung 110 ist jedoch auf der Leiterplatte 134 angeordnet. Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt an dem Diagnosekontakt 640 ein den Zustand 118 bzw. dich Zustandsinformation repräsentierendes Signal an. Im Unterschied hierzu liegt bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel an dem Diagnosekontakt 640 das Beschleunigungssignal 260 bzw. der Beschleunigungssignalverlauf an. Bei den beiden in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen wird ein den Zustand 118 der Schmelzsicherung 100 repräsentierendes Signal auf einen der spannungsführenden Kontakte, d. h. beispielsweise das zweite Kontaktelement 104 oder auch auf eine Mehrzahl dieser Kontakte, beispielsweise das zweite Kontaktelement 104, das vierte Kontaktelement 504 usw. aufmoduliert. Durch eine entsprechende Demodulation kann die Zustandsinformation von einem übergeordneten Steuergerät (hier nicht explizit dargestellt aus dem Spannungssignal „herausgelesen“ werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schmelzsicherung
- 102
- erstes Kontaktelement
- 104
- zweites Kontaktelement
- 106
- Auslöseabschnitt
- 109
- Beschleunigungssensor
- 110
- Auswerteeinrichtung
- 114
- Schmelzleiter
- 117
- Beschleunigungssignalverlauf
- 118
- Zustand, Zustandsinformation
- 120
- Sicherungsgehäuse
- 134
- Leiterplatte
- 136
- Gehäuse
- 138
- Sicherungselement
- 260
- Beschleunigungssignal, Beschleunigungssignalverlauf
- a1, a2
- Schwellwert
- t1, t2, t3, t4, t5, t6
- Zeitpunkt
- Δt1, Δt2, Δt3
- Zeitintervall, Zeitdauer
- 370
- Fahrzeug, Kraftfahrzeug
- 372
- Bordnetz
- 374
- Stromverteiler
- 376
- Last
- 378
- Energieversorgungssystem
- 380
- Leitungen
- 482
- Leiterbahn
- 502
- drittes Kontaktelement
- 504
- viertes Kontaktelement
- 502n-1
- n-1. Kontaktelement
- 504n
- n. Kontaktelement
- 640
- Diagnosekontakt, Diagnosekontaktelement
