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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen eines Leistungsrelais. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Prüfen eines Leistungsrelais.
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Bekannt sind Sicherheitsrelais, die einen fehlerhaften Zustand von Leistungsrelais signalisieren können.
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WO 2013/177582 A2 offenbart eine Versorgungseinrichtung für ein E-Fahrzeug mit einem Stromleitungskontakt mit einem ersten und einem zweiten Leitungseingang und einem ersten und einem zweiten Leitungsausgang. Ferner weist die Versorgungseinrichtung einen Verschweißungskontakt-Detektor mit einem Kontakterkennungs-Schaltkreis auf.
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WO 2013/145562 A1 offenbart ein Diagnostizierverfahren zum Diagnostizieren, ob ein Relais verschweißt ist ohne Verwendung eines Spannungsdetektionsschaltkreises.
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JP 2011-014282 A offenbart eine elektrische Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung für eine Baumaschine sowie eine elektrische Energieversorgungs-Einrichtung unter Verwendung der elektrischen Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung.
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DE 10 2013 110 993 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen zumindest eines elektronischen Schaltkontakts für ein Fahrzeug, wobei der Schaltkontakt einen ersten Anschluss für eine erste elektrische Leitung und einen zweiten Anschluss für eine zweite elektrische Leitung aufweist.
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DE 600 17 311 T2 offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Endstellung eines mobilen Elements und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei ist vorgesehen, einerseits einen Schalter geschlossen gehalten, während das mobile Element nicht in seiner Endstellung im Anschlag gegen letzteren ist, und den Schalter zu öffnen, wenn das mobile Element in seiner Endstellung im Anschlag gegen letzteren ist, und andererseits in dem Detektionsschaltkreis eine variable Spannung zu erzeugen und die resultierende Spannung am Ausgang des Detektionsschaltkreises zu detektieren.
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EP 2 883 068 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Onlineüberwachung von Medium und einen Hochspannungsschutzschalter.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Erkennen eines Zustands eines Leistungsrelais bereit zu stellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Prüfen eines Leistungsrelais, wobei zwei in Serie geschaltete Leistungsrelais jeweils mindestens einen Relaiskontakt aufweisen, aufweisend:
- - Mittel zum Herstellen eines definierten Potentialbezugs zwischen einem Massepotential der Vorrichtung und Schutzerdung;
- - eine Signalerzeugungseinrichtung, die mit einem Verbindungspunkt der beiden Relaiskontakte verschaltet ist, wobei mittels der Signalerzeugungseinrichtung ein elektrisches Wechselsignal in einem Frequenzbereich, der definiert höher als eine Netzfrequenz eines elektrischen Versorgungsnetzes ist, generierbar ist; und
- - eine Auswerteeinrichtung, die mit dem Verbindungspunkt der beiden Relaiskontakte verschaltet ist, wobei mittels der Auswerteeinrichtung eine Signalform des Wechselsignals der Signalerzeugungseinrichtung detektierbar ist.
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Auf diese Weise wird eine Vorrichtung bereitgestellt, mittels derer es möglich ist, aufgrund der Signalform der Auswerteeinrichtung ein Verschweißen der Relaiskontakte zu erkennen. Dadurch kann die Vorrichtung vorteilhaft insbesondere für Applikationen verwendet werden, bei denen eine Überprüfung von schaltenden Leistungsrelais wichtig ist. Dabei wird erwartet, dass die beiden Relaiskontakte gleichzeitig geöffnet sind, um auf eine fehlerfreie Funktion der Relaiskontakte zu schließen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Prüfen eines Leistungsrelais, wobei ein Schaltelement zwei in Serie geschaltete Relais mit jeweils einem Relaiskontakt aufweisen, aufweisend die Schritte:
- - Mittel zum Herstellen eines definierten Potentialbezugs zwischen einem Massepotential der Vorrichtung und Schutzerdung;
- - Bereitstellen einer Signalerzeugungseinrichtung, die mit einem Verbindungspunkt der beiden Relaiskontakte verschaltet ist, wobei mittels der Signalerzeugungseinrichtung ein elektrisches Wechselsignal in einem Frequenzbereich, der definiert höher als eine Netzfrequenz eines elektrischen Versorgungsnetzes ist, generierbar ist; und
- - Bereitstellen einer Auswerteeinrichtung, die mit dem Verbindungspunkt der beiden Relaiskontakte verschaltet ist, wobei mittels der Auswerteeinrichtung eine Signalform des Wechselsignals der Signalerzeugungseinrichtung detektierbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Ansprüchen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Signalerzeugungseinrichtung ein elektrisches Wechselsignal mit wenigstens einem Zehnfachen der Netzfrequenz des elektrischen Versorgungsnetzes generierbar ist. Auf diese Weise lässt sich das elektrische Wechselsignal gut vom Signal des elektrischen Versorgungsnetzes unterscheiden, wodurch eine gute Erkennbarkeit eines Fehlers des Leistungsrelais unterstützt ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Signalerzeugungseinrichtung ein elektrisches Wechselsignal von vorzugsweise ca. 5kHz bis ca. 6kHz generierbar ist. Dadurch werden Frequenzen in einem Frequenzbereich bereitgestellt, mit denen es möglich ist, die Frequenz des Prüfsignals gut von der Netzfrequenz zu unterscheiden und dadurch eine einfache Auswertung des Signals der Auswerteeinrichtung zu ermöglichen. Dadurch wird ein für die Praxis nützlicher Frequenzbereich für das Wechselsignal bereitgestellt, mit welchem eine gute Erkennbarkeit eines Fehlers des Leistungsrelais unterstützt ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselsignal ein Sinussignal ist, das mittels der Auswerteschaltung in ein Rechtecksignal umsetzbar ist. Auf diese Weise kann das Signal am Ausgang der Auswerteeinrichtung z.B. mittels eines Mikrorechners ausgewertet werden. Ferner hat das Sinussignal keine hochfrequenten Anteile und ist dadurch günstig für eine elektromagnetische Verträglichkeitscharakteristik der Vorrichtung.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verschweißen mindestens eines Schaltkontaktes wenigstens eines der Leistungsrelais signalisierbar ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft erkennbar, dass eines der Leistungsrelais nicht mehr zu öffnen ist, wodurch geeignete Maßnahmen ergriffen werden können, beispielsweise die Vorrichtung vom elektrischen Versorgungsnetz zu trennen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung des Ausgangssignals der Auswerteschaltung per Software durchführbar ist. Auf diese Weise wird eine einfache und komfortable Auswertung des Zustands des Leistungsrelais bereitgestellt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in ein Ladekabel integrierbar ist. Vorzugsweise kann die Vorrichtung dabei in ein Ladekabel zum elektrischen Laden von Fahrzeugen integriert sein. Denkbar sind jedoch auch weitere Anwendungen, in denen ein Schalten von Leistungsrelais überwacht werden muss, z.B. in Industrieanlagen, Solarwechselrichtern, usw.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in wenigstens einem aus: Phasenleiter, Nullleiter, Schutzerdungsleiter des elektrischen Versorgungsnetzes integrierbar ist. Auf diese Weise sind vielfältige Anwendungen der Vorrichtung in unterschiedlichen elektrischen Versorgungsnetzen unterstützt.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Erkennens eines nicht zu öffnenden Leistungsrelais das andere Leistungsrelais abschaltbar ist und/oder zugeschaltet wird. Dadurch ist ein sicherer Betrieb der Applikationen, in denen die Vorrichtung eingesetzt ist, unterstützt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsrelais ein Mehrzweckrelais ist. Auf diese Weise ist eine kostengünstige Implementierung von Applikationen, in denen die Vorrichtung eingesetzt wird, unterstützt, weil ein Einsatz von technisch aufwendigen und kostenintensiven Sicherheitsrelais entfallen kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei sind in den Figuren vor allem die erfindungswesentlichen Prinzipien dargestellt, wobei an sich bekannte Elemente gemäß Stand der Technik nicht näher erläutert werden.
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Offenbarte Vorteile der Vorrichtung ergeben sich in analoger Weise aus offenbarten Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen der Vorrichtung und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Zweigs einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 2 einen prinzipiellen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung zum Prüfen eines Leistungsrelais.
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1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines Zweigs einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Prüfen eines Leistungsrelais. Man erkennt einen ersten Relaiskontakt 10 eines ersten Leistungsrelais und einen zweiten Relaiskontakt 11 eines zweiten Leistungsrelais, die elektrisch in Serie an einem Verbindungspunkt P verschaltet sind. Die Leistungsrelais 10, 11 sind vorzugsweise als NO-Relais (engl. normally open) ausgebildet, d.h. dass sie geöffnet sind, wenn die Relaisspule nicht bestromt ist.
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Die Leistungsrelais 10, 11 sind vorzugsweise Mehrzweckrelais, d.h. insbesondere keine Sicherheitsrelais und sind zur Schaltung von hohen elektrischen Spannungen bzw. Strömen vorgesehen, die beispielsweise einem öffentlichen Versorgungsnetz (nicht dargestellt) von 220 V Phasenspannung entnommen werden. Am Verbindungspunkt P der beiden Leistungsrelais 10, 11 ist eine Signalerzeugungseinrichtung 20 angeschaltet. Die Signalerzeugungseinrichtung 20 weist einen elektrischen Signalgenerator 21 auf, der ein elektrisches Wechselsignal mit einer definiert höheren Frequenz als die Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzes (z.B. 50 Hz oder 60 Hz) erzeugt.
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Ein Anschluss des Leistungsrelais 10 ist über eine Impedanz 25 mit der Schutzerdung PE verbunden.
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Ein Anschluss des Leistungsrelais 11 ist über eine Impedanz 24 mit dem Massepotential GND verbunden.
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Auf diese Weise kann ein Signal des Signalgenerators 21 über das Leistungsrelais 10 mit der Schutzerdung PE und/oder über das Leistungsrelais 11 mit dem Massepotential GND verbunden sein, wodurch eine Abschwächung des Signals des Signalgenerators 21 erreicht wird, welches von einer Signalformungseinrichtung 34 detektiert werden kann. Die Impedanzen 24, 25 können resistiv und/oder induktiv und/oder kapazitiv ausgebildet sein.
Der in 1 dargestellte Zweig der Vorrichtung 100 ist dabei in einer Phasenleitung, und/oder einem Nullleiter und/oder einem Schutzerdungsleiter des elektrischen Versorgungsnetzes denkbar, so dass vielfältige Einsatzmöglichkeiten für die Vorrichtung 100 denkbar sind. Erforderlich ist lediglich, dass an wenigstens einer Stelle ein Potentialbezug der Elektronikmasse (GND) zum Netz bereitgestellt ist, wie das in elektrischen TN-, TNS- und TNC-Versorgungsnetzen in der Regel der Fall ist.
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In einem rechts in 1 dargestellten Detailschaltbild ist ein Potentialbezug zwischen einem Massepotential GND („Elektronikmasse“) der Vorrichtung 100 und der Schutzerdung PE dargestellt. Man erkennt, dass ein Erfordernis einer galvanischen Erdung der Vorrichtung 10 nicht zwingend erforderlich ist, sondern dass lediglich ein definierter Potentialbezug zwischen der Elektronikmasse GND und der Schutzerdung PE bestehen muss. Dies wird durch eine Impedanz erreicht, die beispielsweise kapazitiv und/oder resistiv ausgebildet ist. In der Figur ist die Impedanz als eine Parallelschaltung eines kapazitiven Anteils mit einem resistiven Anteil angedeutet. Ein Erfordernis einer galvanischen Erdung bzw. festen Erdung der Vorrichtung 100 besteht somit nicht.
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Dies gilt auch für einen nicht in Figuren dargestellten Sonderfall, in welchem eines der Leistungsrelais 10, 11 an die Schutzerdung PE angeschlossen ist und dadurch die Schutzerdung PE schaltet. In diesem Fall ist die Impedanz zwischen der Elektronikmasse GND und der Schutzerdung PE sehr gering.
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Vorteilhaft muss jedoch die Signalerzeugungseinrichtung 21 lediglich einfach bereitgestellt werden und kann für alle Zweige, in denen die Vorrichtung 100 eingesetzt wird, verwendet werden.
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Das elektrische Wechselsignal kann vorzugsweise als ein Sinussignal ausgebildet sein, was den Vorteil hat, dass dieses keine hochfrequenten Anteile aufweist und daher günstig für elektromagnetische Eigenschaften (EMI) der Vorrichtung 100 ist. Eine Frequenz des elektrischen Wechselsignals ist signifikant größer als eine Frequenz des öffentlichen Versorgungsnetzes und beträgt vorzugsweise wenigstens das Zehnfache der Frequenz des öffentlichen Versorgungsnetzes, vorzugsweise ca. 5 kHz bis ca. 6 kHz. Dies bedeutet, dass das Verfahren mit einer Frequenz des elektrischen Wechselsignals ab ca. 500 Hz durchführbar ist. Die Signalerzeugungseinrichtung 21 ist galvanisch mit einer ersten Kapazität 22 und mit einem Strombegrenzungswiderstand 23 an den Verbindungspunkt P, sowie an Schutzerde verbunden.
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Im rechten Abschnitt der Vorrichtung 100 erkennt man eine Auswerteeinrichtung 30 mit einem Strombegrenzungswiderstand 31, einem Kondensator 32 und einem Erdungswiderstand 33, die zwischen den Verbindungspunkt P und ein Hochpassfilter bzw. eine Signalformungseinrichtung 34 angeschaltet sind. Mittels der Auswerteeinrichtung 30 ist es möglich, das von der Signalerzeugungseinrichtung 20 bereitgestellte elektrische Wechselsignal in Form eines Sinussignals im Falle, dass die beiden Relaiskontakte 10, 11 geöffnet sind, in ein Rechtecksignal umzuwandeln. Dadurch ist nachgewiesen, dass die beiden Relaiskontakte 10, 11 geöffnet sind und daher einwandfrei funktionieren.
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Im Falle, dass eine Verschweißung eingetreten ist, z.B. wenn nur der erste Relaiskontakt 10 geöffnet ist, tritt das Wechselsignal der Signalerzeugungseinrichtung 20 gegenüber dem Signal des elektrischen Versorgungsnetzes mit beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz in den Hintergrund und ist daher für die Auswerteeinrichtung 30 nicht mehr detektierbar.
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Auf diese Weise kann mittels der Auswerteeinrichtung 30 nachgewiesen werden, dass wenigstens einer der Relaiskontakte 10, 11 ungewollt geschlossen bzw. verschweißt ist. Dadurch ist der Relaiskontakt 10, 11 nachteilig nicht mehr in der Lage, geöffnet zu werden und stellt dadurch ein Sicherheitsrisiko für eine Applikation, in der die Vorrichtung 100 verwendet wird, dar.
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Im Falle, dass der erste Relaiskontakt 10 aufgrund eines ungewollten Schließ- bzw. Verschweißprozesses dauerhaft an Massepotential angeschaltet ist, ist an der Auswerteeinrichtung 30 kein elektrisches Signal detektierbar.
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Im Falle, dass nur der zweite Relaiskontakt 11 geschlossen bzw. verschweißt ist, wird der Ausgang der Signalerzeugungseinrichtung 20 durch eine Kapazität 24, die vorzugsweise speziellen Sicherheitsvorschriften genügt (Y-Kapazität) mit Massepotential verbunden. Dadurch wird das Wechselsignal der Signalerzeugungseinrichtung 20 durch die Kapazität 24 kurzgeschlossen und es ist für die Auswerteeinrichtung 30 kein Signal detektierbar.
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Wenn beide Relaiskontakte 10, 11 geschlossen sind, tritt das gleiche Prozedere ein, wie wenn nur der erste Relaiskontakt 10 geschlossen ist.
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Im Ergebnis kann die Vorrichtung 100 auf einfache Weise durch ein gleichzeitiges Detektieren eines geöffneten Zustands der Relaiskontakte 10, 11 erkennen, dass die Relaiskontakte 10, 11 voll funktionsfähig sind („sicherer Zustand“).
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Im Falle, dass lediglich ein einziger Relaiskontakt 10, 11 verschweißt ist, ist es für eine Applikation, in der die Vorrichtung eingesetzt wird, immer noch vorteilhaft möglich, einen sicheren Zustand durch ein Abschalten der restlichen Relaiskontakte herbeizuführen.
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Vorteilhaft kann das Auswerten des Ausgangssignals der Auswerteeinrichtung 30 als eine Software ausgebildet werden, welche auf der Vorrichtung 100 abläuft und dadurch mit geeigneten programmtechnischen Mitteln auf einfache Weise geändert und adaptiert werden kann. Dabei kann auch vorgesehen sein, Steuergeräte (nicht dargestellt) anzusteuern, die das Öffnen der Relaiskontakte 10, 11 steuern.
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Dadurch ist unter dem Gesichtspunkt der Funktionssicherheit eine Applikation, die die Vorrichtung 100 nutzt, inhärent sicher. Niederfrequenzsignale werden nämlich nur im sicheren Zustand generiert, d.h. im Falle, dass die Vorrichtung 100 einwandfrei funktioniert, wobei die Relaiskontakte 10, 11 einwandfrei geöffnet werden können.
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Vorzugsweise kann die Vorrichtung 100 zum Beispiel in ein elektrisches Ladekabel (zum Beispiel Mode-2-Kabel) zum Laden einer Energiespeichereinrichtung (z.B. Akku) eines Elektrofahrzeugs ausgebildet sein. Denkbar sind auch andere Applikationen im industriellen Umfeld, in denen Leistungsrelais geschaltet und überwacht werden müssen, z.B. Solarinverter, usw.
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Vorzugsweise kann die Vorrichtung 100 ein Signalisierungs- bzw. Meldeelement (nicht dargestellt) aufweisen, welches einen Fehlerzustand eines der Relaiskontakte 10, 11 z.B. akustisch und/oder optisch signalisiert.
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Vorteilhaft können für die vorgeschlagene Vorrichtung Standardrelais bzw. Mehrzweckrelais verwendet werden, wobei insbesondere eine Verwendung von kostenintensiven, konventionellen Sicherheitsrelais mit zwangsgeführten Kontakten nicht erforderlich ist, welche zwar einen Fehlerzustand signalisieren können, jedoch nicht der Lage sind, verschweißte Relaiskontakte zu öffnen.
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Im Ergebnis ist dadurch für eine Applikation in Form des genannten Ladekabels ein sicherer und kostengünstiger Ladevorgang ermöglicht. Im Falle einer Fehlverdrahtung oder eines Isolationsmangels innerhalb eines Ladeüberwachungseinrichtung des Fahrzeugs, kann auf sichere Weise der geschlossene Relaiskontakt geöffnet und dadurch verhindert werden, dass ein Chassis des Fahrzeugs das elektrische Spannungsniveau des elektrischen Versorgungsnetzes annimmt.
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2 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Prüfen eines Leistungsrelais, wobei ein Schaltelement zwei in Serie geschaltete Relais mit jeweils einem Relaiskontakt 10, 11 aufweisen.
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In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen von Mittel zum Herstellen eines definierten Potentialbezugs zwischen einem Massepotential GND der Vorrichtung 100 und Schutzerdung PE durchgeführt.
In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen einer Signalerzeugungseinrichtung 20, die mit einem Verbindungspunkt P der beiden Relaiskontakte 10, 11 verschaltet ist durchgeführt, wobei mittels der Signalerzeugungseinrichtung 20 ein elektrisches Wechselsignal in einem Frequenzbereich, der definiert höher als eine Netzfrequenz eines elektrischen Versorgungsnetzes ist, generierbar ist.
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In einem Schritt 220 wird Bereitstellen einer Auswerteeinrichtung 30, die mit dem Verbindungspunkt P der beiden Relaiskontakte 10, 11 verschaltet ist, durchgeführt, wobei mittels der Auswerteeinrichtung 30 eine Signalform des Wechselsignals der Signalerzeugungseinrichtung 20 definiert änderbar ist.
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Der Fachmann wird auch vorgehend nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
