DE102018121729A1

DE102018121729A1 - Sicherungsvorrichtung und Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Verbindung

Info

Publication number: DE102018121729A1
Application number: DE102018121729.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Flieser; Alexander Hahn; Dirk Lehmkuhl; Johannes Kollmer
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: DE102018121729B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) zur Absicherung einer elektrischen Verbindung, mit einem Leistungseingang (101, 301) und einem Leistungsausgang (102, 302), einem steuerbaren Unterbrechungselement (105, 205, 305), welches ausgebildet ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) gesteuert zu unterbrechen, einem Stromsensor (106, 306), welcher ausgebildet ist, den Strom zu messen, welcher zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) fließt, einer Steuereinrichtung (108, 208, 308), welche mit dem Unterbrechungselement (105, 205, 305) und dem Stromsensor (106, 306) gekoppelt ist und ausgebildet ist, das Unterbrechungselement (105, 205, 305) basierend auf dem von dem Stromsensor (106, 306) erfassten Strom anzusteuern, und einer drahtlosen Energieschnittstelle (103, 303), welche ausgebildet ist, drahtlos elektrische Energie zu empfangen und das Unterbrechungselement (105, 205, 305) und die Steuereinrichtung (108, 208, 308) mit elektrischer Energie zu versorgen. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung zur Absicherung einer elektrischen Verbindung und ein entsprechendes Verfahren.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen beschrieben. Es versteht sich aber, dass die vorliegende Erfindung in jeder Anwendung eingesetzt werden kann, in welcher elektrische Verbindungen gesteuert unterbrochen werden müssen.
In modernen Fahrzeugen werden insbesondere zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs verstärkt Elektromotoren als Antriebsmotoren eingesetzt. Solche Elektromotoren können einen Verbrennungsmotor ersetzen, sog. Elektrofahrzeug, oder ergänzen, sog. Plug-In-Hybrid. Zur Versorgung der Elektromotoren mit elektrischer Energie können z.B. Batterien oder Brennstoffzellen genutzt werden.
Um ein Fahrzeug mit Hilfe des Elektromotors bewegen zu können, sind Elektromotoren mit großen Leistungen nötig. Mögliche Elektromotoren in Plug-In-Hybriden können z.B. Leistungen von 40 kW und mehr aufweisen. In Elektrofahrzeugen können Elektromotoren mit Leistungen von mehreren hundert Kilowatt zum Einsatz kommen.
Üblicherweise werden solche Elektromotoren mit hohen Spannungen von mehreren hundert Volt, z.B. 400 V oder 800 V, betrieben. Üblicherweise werden in solchen Fahrzeugen Stromschienen eingesetzt, welche die auftretenden Ströme bei den jeweiligen Spannungen übertragen.
Um bei Bedarf die Fahrzeugbatterie sicher vom Bordnetz des Fahrzeugs trennen zu können, werden üblicherweise aktive Sicherungen eingesetzt, da herkömmliche Schmelzsicherungen die elektrische Verbindung nicht immer sicher trennen. Dies kann z.B. bei Auftreten eines Lichtbogens mit geringen Strömen der Fall sein, bei dem eine Schmelzsicherung nicht auslösen würde.
Die aktiven Sicherungen als Bestandteil des Bordnetzes in einem Fahrzeug erzeugen einen erhöhten Aufwand für die Montage und Ansteuerung.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine aktive Sicherung in einem Fahrzeugbordnetz zu integrieren.
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.
Eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung zur Absicherung einer elektrischen Verbindung weist auf: einen Leistungseingang und einen Leistungsausgang, ein steuerbares Unterbrechungselement, welches ausgebildet ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang gesteuert zu unterbrechen, einen Stromsensor, welcher ausgebildet ist, den Strom zu messen, welcher zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließt, eine Steuereinrichtung, welche mit dem Unterbrechungselement und dem Stromsensor gekoppelt ist und ausgebildet ist, das Unterbrechungselement basierend auf dem von dem Stromsensor erfassten Strom anzusteuern, und eine drahtlose Energieschnittstelle, welche ausgebildet ist, drahtlos elektrische Energie zu empfangen und das Unterbrechungselement und die Steuereinrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Verbindung weist die folgenden Schritte auf: drahtloses Empfangen elektrischer Energie mit einer drahtlosen Energieschnittstelle, Versorgen einer Steuereinrichtung und eines Unterbrechungselements mit der drahtlos empfangenen elektrischen Energie, wobei das steuerbare Unterbrechungselement die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang gesteuert unterbrechen kann, Steuern des Unterbrechungselements mit der Steuereinrichtung basierend auf einem von einem Stromsensor erfassten Strom.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Installation und Ansteuerung herkömmlicher aktiver Sicherungen, z.B. einer sog. Pyrofuse, sehr aufwändig ist. Beispielsweise müssen die Versorgungsleitungen und die Steuerleitungen für die aktive Sicherung galvanisch von der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang getrennt sein. Ferner müssen in dem Leistungssatz des Bordnetzes, in welchem eine aktive Sicherung eingesetzt wird, entsprechende Leitungen vorgesehen werden.
Die vorliegende Erfindung verringert den Aufwand für den Einsatz eines Sicherungselements in einem Bordnetz durch die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung.
Die Sicherungsvorrichtung weist einen Leistungseingang und einen Leistungsausgang auf, über welche die Sicherungsvorrichtung z.B. mit einer Stromschiene eines Bordnetzes gekoppelt werden kann. Dazu können der Leistungseingang und der Leistungsausgang z.B. mit einer Stromschiene verschweißt und/oder verschraubt und/oder verklebt werden oder dergleichen. Es versteht sich, dass Eingang und Ausgang in Verbindung mit den Leistungsanschlüssen lediglich der Unterscheidung der zwei Anschlüsse dient und dass damit keine Polarität oder dergleichen impliziert wird. Ferner können der Leistungseingang und der Leistungsausgang auch lediglich Abschnitte auf einer durchgängigen Stromschiene sein, wenn die Sicherungsvorrichtung z.B. die Stromschiene umschließt bzw. auf diese aufgesetzt wird.
Zum gesteuerten Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang ist das Unterbrechungselement vorgesehen. Die Steuereinrichtung übernimmt innerhalb der Sicherungsvorrichtung die Ansteuerung des Unterbrechungselements. Da die Steuereinrichtung innerhalb der Sicherungsvorrichtung angeordnet wird, müssen in dem Bordnetz folglich keine weiteren Steuerleitungen zu der Sicherungsvorrichtung vorgesehen werden.
Die Sicherungsvorrichtung sieht ferner die drahtlose Energieschnittstelle vor, über welche die Sicherungsvorrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden kann. In dem Bordnetz müssen folglich keine dedizierten Versorgungsleitungen für die Sicherungsvorrichtung vorgesehen werden.
Die vorliegende Erfindung stellt damit eine autarke, also von einer dedizierten Ansteuerung, unabhängige Sicherungsvorrichtung bereit, die mit geringem Aufwand in ein Bordnetz z.B. eines Fahrzeugs integriert werden kann. Ferner ist die Sicherungsvorrichtung potentialfrei gegenüber z.B. einem Niedervoltbereich eines Fahrzeugbordnetzes bzw. galvanisch von diesem getrennt.
Beispielsweise kann die Sicherungsvorrichtung als sog. Mid-Pack-Fuse in dem Batteriepaket integriert werden, ohne dass zusätzliche Steuerleitungen in dem Batteriepaket vorgesehen werden müssen.
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform kann die drahtlose Energieschnittstelle eine induktive Energieschnittstelle aufweisen, welche insbesondere zum Empfang elektrischer Energie bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 80 kHz ausgebildet sein kann.
In Fahrzeugen mit Elektromotoren als Antriebsmotoren werden üblicherweise Umrichter eingesetzt, um eine von der Fahrzeugbatterie bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln, mit welcher die Elektromotoren betrieben werden.
Solche Umrichter erzeugen üblicherweise hochfrequente Störungen, die sich über die Leitungen des Bordnetzes ausbreiten. Mögliche Frequenzbereiche für solche Störungen liegen typischerweise zwischen 20 kHz und 80 kHz, andere Frequenzen sind aber ebenfalls möglich.
Die hochfrequenten Störungen treten als üblicherweise unerwünschte „Abfallprodukte“ in den Umrichtern auf. Über die induktive Energieschnittstelle können diese hochfrequenten Störungen aber zur Versorgung der Sicherungsvorrichtung genutzt werden. Dazu kann die induktive Energieschnittstelle z.B. an einer Stromschiene angeordnet sein, in welcher die hochfrequenten Störungen vorhanden sind.
Insbesondere in den Leistungsverteilern, wie den Stromschienen, eines Bordnetzes sind die hochfrequenten Störungen mit hohen Feldstärkeänderungen vorhanden. Die Sicherungsvorrichtung kann folglich zumindest im Betrieb des Fahrzeugs und damit auch des Umrichters bzw. Elektromotors sicher mit elektrischer Energie versorgt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die induktive Energieschnittstelle eine Aufnahmespule aufweisen, welche mit einem Eingang eines Gleichrichters gekoppelt sein kann, welcher ausgangsseitig mit einer Speicherschaltung, insbesondere einer mehrstufigen Speicherschaltung, gekoppelt sein kann.
Die Aufnahmespule dient der Aufnahme elektrischer Energie aus den Feldern, welche sich auf Grund der hochfrequenten Störungen z.B. um eine Stromschiene ergeben. Dazu kann die Aufnahmespule z.B. in einem Gehäuse der Sicherungsvorrichtung derart angeordnet sein, dass sie an der Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang angeordnet ist, also dort, wo die Ströme durch die Sicherungsvorrichtung fließen.
Der Gleichrichter dient dazu, die von der Aufnahmespule ausgegebenen Wechselspannungen in eine Gleichspannung zu wandeln, um diese in der Speicherschaltung speichern zu können.
Die Speicherschaltung kann einen Speicher, z.B. einen Kondensator oder dergleichen, aufweisen, um elektrische Energie zu speichern. Es versteht sich, dass die Größe der Speicher den Zeitraum bestimmt, über welchen die Elemente der Sicherungsvorrichtung ohne weitere Zufuhr elektrischer Energie autark versorgt werden können. Mit ausreichend großen Energiespeichern kann die Sicherungsvorrichtung beispielsweise Phasen überbrücken, in welchen ein Fahrzeug abgestellt ist. Mit kleineren Energiespeichern dagegen kann die Sicherungsvorrichtung jeweils mit dem Einschalten des Fahrzeugs bzw. des entsprechenden Elektromotors aktiviert werden.
Bei einer mehrstufigen Speicherschaltung können mehrere Speicher vorgesehen sein, um unterschiedliche Spannungen abgreifen zu können. Beispielsweise können Paare aus jeweils einem Kondensator mit einer in Serie geschalteten Z-Diode in Reihe angeordnet werden, wobei die in den jeweiligen Stufen abgreifbare Spannung durch die Z-Spannung der Z-Dioden bestimmt wird. Dies kann z.B. vorteilhaft sein, wenn die Betriebsspannung der Steuereinrichtung von der Betriebsspannung des Unterbrechungselements abweicht. Es versteht sich, dass identische Z-Dioden oder unterschiedliche Z-Dioden mit unterschiedlichen Z-Spannungen genutzt werden können.
In noch einer Ausführungsform kann der Stromsensor als Hallsensor ausgebildet sein.
Es versteht sich, dass jede Art von Messelement genutzt werden kann, welches den Strom zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang erfassen kann. Beispielsweise können Shunt-Widerstände oder dergleichen genutzt werden.
Wird aber ein Hallsensor als Stromsensor eingesetzt, kann der Strom zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang kontaktlos und potentialfrei sehr einfach erfasst werden. Der Hallsensor kann z.B. ein analoger Hallsensor sein, welcher eine Hallspannung an die Steuereinrichtung liefert. Die Steuereinrichtung kann die Hallspannung dann z.B. über einen Analog/Digital-Wandler auswerten.
Alternativ kann ein Hallsensor genutzt werden, der eine eigene Logik zur Auswertung der Hallspannung aufweist. Ein solcher Sensor kann z.B. eine digitale Schnittstelle zur Steuereinrichtung aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Unterbrechungselement eine Sprengkapsel aufweisen, welche ausgebildet sein kann, bei einer Zündung die Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang mechanisch zu unterbrechen.
Die Sprengkapsel kann eine Kapsel mit einer Sprengladung sein. Die Sprengladung kann ähnlich der Sprengladung in einem Airbag ausgebildet sein und elektrisch gezündet werden.
Beim Auslösen der Sprengladung zerstört die Sprengung die Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang mechanisch. Es handelt sich folglich um eine nicht-reversible Unterbrechung der elektrischen Verbindung. Eine solche nicht-reversible Unterbrechung kann insbesondere dann durchgeführt werden, wenn Schäden in dem Bordnetz erkannt werden, z.B. ein Kurzschluss in einer Fahrzeugbatterie oder den Stromschienen des Bordnetzes.
In noch einer Ausführungsform kann das Unterbrechungselement eine reversible Schaltvorrichtung, insbesondere ein bistabiles Relais, aufweisen.
Wird eine reversible Schaltvorrichtung als Unterbrechungselement genutzt, kann die Unterbrechung der elektrischen Verbindung rückgängig gemacht werden. Ähnlich einem herkömmlichen Sicherungsautomaten für eine Hausinstallation kann z.B. ein mechanisches bzw. manuelles Zurücksetzen der reversiblen Schaltvorrichtung vorgesehen sein.
Alternativ kann eine elektrisch rücksetzbare reversible Schaltvorrichtung, wie z.B. ein bistabiles Relais, vorgesehen werden. Erkennt die Steuereinrichtung zum Beispiel, dass die Ursache für das Trennen der elektrischen Verbindung behoben ist, kann die Steuereinrichtung über eine solche reversible Schaltvorrichtung die elektrische Verbindung wieder schließen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, das Unterbrechungselement zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang anzusteuern, wenn der von dem Stromsensor erfasste Strom ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.
Die Steuereinrichtung kann zur Ansteuerung des Unterbrechungselements eine Logik aufweisen, welche basierend auf dem vom Stromsensor erfassten Strom entscheidet, ob das Unterbrechungselement die elektrische Verbindung trennen muss oder nicht.
Es versteht sich, dass eine solche Logik z.B. als Computerprogramm ausgebildet sein kann, welches in einem Prozessor, z.B. einem Mikrocontroller, ausgeführt werden kann. Alternativ kann die Steuereinrichtung z.B. einen ASIC, FPGA, CPLD oder dergleichen aufweisen, welcher die Logik zur Ansteuerung des Unterbrechungselements implementieren kann.
Das vorgegebene Kriterium kann sich auf beliebige Eigenschaften des gemessenen Stroms beziehen, wie im Folgenden dargelegt.
In einer weiteren Ausführungsform kann das vorgegebene Kriterium einen Stromschwellwert vorgeben und die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, das Unterbrechungselement zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang anzusteuern, wenn der von dem Stromsensor erfasste Strom den Stromschwellwert übersteigt.
Gibt das Kriterium einen Stromschwellwert vor, verhält sich die Sicherungsvorrichtung ähnlich einer herkömmlichen Sicherung, die bei Überschreiten des Stromschwellwerts auslöst.
In noch einer Ausführungsform kann das vorgegebene Kriterium einen Stromgradienten vorgeben und die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, das Unterbrechungselement zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang anzusteuern, wenn der Gradient des von dem Stromsensor erfassten Stroms den Stromgradienten übersteigt.
In einem Bordnetz eines Fahrzeugs können im Normalbetrieb lediglich Stromgradienten mit einem systembedingten Maximalwert auftreten. Höhere Stromgradienten können dagegen lediglich im Fehlerfall auftreten, z.B. bei einem Kurzschluss innerhalb einer Fahrzeugbatterie.
Die Messung des Stromgradienten erlaubt es folglich, die elektrische Verbindung bereits dann zu unterbrechen, wenn ein sehr hoher Stromgradient gemessen wird, der Strom aber noch keinen schädlich hohen Wert erreicht hat. Insbesondere beim Einsatz der Sicherungsvorrichtung als sog. Mid-Pack-Fuse können Schäden innerhalb der Batterie frühzeitig erkannt und der Stromfluss entsprechend früh unterbrochen werden.
In noch einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, basierend auf dem von dem Stromsensor erfassten Strom eine Lichtbogenerkennung durchzuführen und das Unterbrechungselement zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang anzusteuern, wenn die Steuereinrichtung einen Lichtbogen erkennt.
Die oben bereits erwähnte Logik in der Steuereinrichtung kann zusätzlich zu der reinen Betrachtung des Stroms bzw. des Gradienten des Stroms weiterführende Analysen durchführen.
Aktive Lichtbögen zeichnen sich z.B. durch charakteristische Frequenzspektren aus, die im durch den Stromsensor erfassten Strom enthalten sind. Die Steuereinrichtung kann folglich den von dem Stromsensor erfassten Strom entsprechend verarbeiten und analysieren, um den Strom auf das Vorhandensein der entsprechenden Frequenzanteile zu untersuchen. Sind die entsprechenden Frequenzanteile in dem erfassten Strom vorhanden, kann ein Lichtbogen als erkannt gelten und die Steuereinrichtung kann das Unterbrechungselement ansteuern.
Es versteht sich, dass auch andere - nicht frequenzbasierte - Methoden zur Erkennung von Lichtbögen genutzt werden können, welche als Eingangsgröße den von dem Stromsensor erfassten Strom benötigen.
In einer Ausführungsform kann die Sicherungsvorrichtung einen Sensor aufweisen, welcher ausgebildet sein kann, eine physikalische Größe zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung mit dem Sensor gekoppelt sein kann und ausgebildet sein kann, das Unterbrechungselement zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang anzusteuern, wenn die erfasste physikalische Größe ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.
Bei der physikalischen Größe kann es sich um jede Größe - außer dem bereits erfassten Strom - handeln.
Beispielsweise kann der Sensor als ein Thermosensor ausgebildet sein und die Temperatur in der Sicherungsvorrichtung oder der Umgebung der Sicherungsvorrichtung erfassen.
Die vorliegende Erfindung offenbart ferner ein Elektrofahrzeug mit einer Sicherungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung eine Traktionsbatterie mit einer Sicherungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Elektrofahrzeug.
Die vorliegende Erfindung offenbart ferner ein Elektrofahrzeug in dem ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug in der ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
Figurenliste
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Sicherungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Sicherungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Sicherungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 ein Ablaufdiagram eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß 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
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Sicherungsvorrichtung 100. Die Sicherungsvorrichtung 100 dient der Absicherung einer elektrischen Verbindung zwischen einem Leistungseingang 101 und einem Leistungsausgang 102 der Sicherungsvorrichtung 100.
Dazu weist die Sicherungsvorrichtung 100 ein steuerbares Unterbrechungselement 105 auf, welches mit einer Steuereinrichtung 108 gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung 108 ist ferner mit einem Stromsensor 106 gekoppelt.
Zur Versorgung der Steuereinrichtung 108 und des Unterbrechungselements 105 weist die Sicherungsvorrichtung 100 eine drahtlose Energieschnittstelle 103 auf.
Die drahtlose Energieschnittstelle 103 empfängt drahtlos elektrische Energie und versorgt das Unterbrechungselement 105 und die Steuereinrichtung 108 mit einer entsprechenden Versorgungsspannung. Die drahtlose Energieschnittstelle 103 kann z.B. als induktive Schnittstelle ausgebildet sein, welche elektrische Energie insbesondere im Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz aufnimmt.
Zur Absicherung der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 kann die Steuereinrichtung 108 mit Hilfe des Stromsensors 106 den Strom 107 zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 erfassen und überwachen.
Erfüllt der Strom 107 ein vorgegebenes Kriterium kann die Steuereinrichtung 108 das Unterbrechungselement 105 ansteuern, so dass dieses die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 unterbricht. Das vorgegebene Kriterium kann z.B. ein Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes durch den erfassten Strom 107 sein. Zusätzlich oder alternativ kann das vorgegebene Kriterium das Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Stromgradienten durch den Strom 107 sein.
Weitere Kriterien können z.B. das Vorhandensein eines Lichtbogens in dem System sein, in welchem die Sicherungsvorrichtung 100 installiert ist. Das Vorhandensein eines Lichtbogens kann die Sicherungsvorrichtung 100 z.B. durch eine Analyse des erfassten Stroms 107 im Frequenzbereich detektieren.
Es versteht sich, dass jede Art von Stromsensor 106 zur Erfassung des Stroms 107 genutzt werden kann. Insbesondere eigenen sich zur Erfassung des Stroms 106 Hallsensoren, welche galvanisch getrennt und kontaktlos den Strom 107 erfassen können.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Sicherungsvorrichtung 200. In der 2 ist insbesondere die Energieversorgung der Sicherungsvorrichtung 200 über die Stromschiene 210 im Detail dargestellt. Die Stromschiene 210 ist Teil des Systems in welchem die Sicherungsvorrichtung 200 eingesetzt wird.
Die Sicherungsvorrichtung 200 weist eine Aufnahmespule 211 auf, welche mit der Stromschiene 210 magnetisch gekoppelt ist, also von den Magnetfeldern beeinflusst wird, welche sich um die Stromschiene 210 bilden, wenn diese von sich ändernden Strömen durchflossen wird.
Die Aufnahmespule 211 ist mit dem Eingang eines Gleichrichters 212 gekoppelt. Der Gleichrichter 212 ist lediglich beispielhaft als Gleichrichter mit vier Dioden dargestellt. Es versteht sich, dass jeder andere Aufbau ebenfalls möglich ist.
Der Ausgang des Gleichrichters 212 ist mit einer Speicherschaltung 213 gekoppelt, welche die Steuereinrichtung 208 und das Unterbrechungselement 205 mit elektrischer Energie versorgt.
Es ist zu erkennen, dass die Speicherschaltung 213 mehrstufig aufgebaut ist. Jede der Stufen weist dabei eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer Z-Diode auf und die einzelnen Stufen sind elektrisch in Serie geschaltet. Dies ermöglicht es, an den Knotenpunkten zwischen den einzelnen Stufen unterschiedliche Spannungen abzugreifen.
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 208 eine Mikrokontroller-Schaltung mit einer Betriebs- oder Nennspannung von 1,7 V bis 2,3 V sein. Das Unterbrechungselement 205 kann dagegen z.B. eine Betriebs- oder Nennspannung von 16 V aufweisen. Bei geeigneter Dimensionierung der Stufen in der Speicherschaltung 213 kann z.B. eine Spannung von 2 V direkt nach der ersten Stufe abgegriffen werden. Die Spannung von 16 V kann z.B. über alle Stufen abgegriffen werden.
Die typische Stromaufnahme moderner Mikrocontroller liegt bei wenigen Mikroampere. Werden die Kondensatoren z.B. als 5 F Kondensatoren ausgeführt, kann die Sicherungsvorrichtung 200 bei vollgeladenen Kondensatoren ca. 30 Tage in einem Standby-Betriebsmodus betrieben werden. Es versteht sich, dass die Steuereinrichtung 208 z.B. auch erfassen kann, ob die Speicherschaltung 213 über den Gleichrichter 212 geladen wird und ihren Betriebsmodus entsprechend anpassen kann.
Ferner versteht sich, dass Kondensatoren z.B. mit einer geringeren Kapazität vorgesehen werden können. Die Sicherungsvorrichtung 200 kann dann z.B. während dem Betrieb eines Fahrzeugs betrieben werden und wird deaktiviert, wenn das Fahrzeug gestoppt wird.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Sicherungsvorrichtung 300. Die Sicherungsvorrichtung 300 basiert auf der Sicherungsvorrichtung 100. Folglich weist die Sicherungsvorrichtung 300 ein steuerbares Unterbrechungselement 305 auf, welches mit einer Steuereinrichtung 308 gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung 308 ist ferner mit einem Stromsensor 306 gekoppelt. Zur Versorgung der Steuereinrichtung 308 und des Unterbrechungselements 305 weist die Sicherungsvorrichtung 300 eine drahtlose Energieschnittstelle 303 auf.
Die Sicherungsvorrichtung 300 weist ferner einen Temperatursensor 316 auf, der die Temperatur innerhalb der Sicherungsvorrichtung 300 oder in der Umgebung der Sicherungsvorrichtung 300 erfasst. Der Temperatursensor 316 ist mit der Steuereinrichtung 308 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 308 kann folglich die Temperatur auswerten und das Unterbrechungselement 305 entsprechend ansteuern, beispielsweise wenn die Temperatur einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Ferner weist in der Sicherungsvorrichtung 300 das Unterbrechungselement 305 eine Sprengkapsel 315 auf. Die Sprengkapsel 315 ist ein pyrotechnisches Element, welches mit einer Sprengladung versehen ist, die elektrisch gezündet werden kann. Steuert die Steuereinrichtung 308 also die Sprengkapsel 315 an, zündet die Sprengladung und die Leitung, welche die elektrische Verbindung zwischen Leistungseingang 301 und Leistungsausgang 302 herstellt, wird mechanisch zerstört.
Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1-3 als Referenz beibehalten.
4 zeigt ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Absichern einer elektrischen Verbindung zwischen einem Leistungseingang 101, 301 und einem Leistungsausgang 102, 302.
In einem ersten Schritt S1 des drahtlosen Empfangens wird elektrische Energie mit einer drahtlosen Energieschnittstelle 103, 303 drahtlos empfangen. In einem zweiten Schritt S2 des Versorgens werden eine Steuereinrichtung 108, 208, 308 und ein Unterbrechungselement 105, 205, 305 mit der drahtlos empfangenen elektrischen Energie versorgt. Dabei kann das steuerbare Unterbrechungselement 105, 205, 305 die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101, 301 und dem Leistungsausgang 102, 302 gesteuert unterbrechen. In einem dritten Schritt S3 des Steuerns wird das Unterbrechungselement 105, 205, 305 mit der Steuereinrichtung 108, 208, 308 basierend auf einem von einem Stromsensor 106, 306 erfassten Strom gesteuert.
Die elektrische Energie kann z.B. über eine induktive Energieschnittstelle 103, 303 empfangen werden. Die induktive Energieschnittstelle 103, 303 kann z.B. elektrische Energie insbesondere bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 80 kHz empfangen. Ferner kann die induktive Energieschnittstelle 103, 303 z.B. mindestens zwei unterschiedliche Spannungen bereitstellen.
Das Unterbrechungselement 105, 205, 305 kann eine Sprengkapsel 315 aufweisen, welche bei einer Zündung die Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101, 301 und dem Leistungsausgang 102, 302 mechanisch unterbricht, also z.B. eine Leitung zerstört. Das Unterbrechungselement 105, 205, 305 kann alternativ auch eine reversible Schaltvorrichtung, insbesondere ein bistabiles Relais, aufweisen.
Die Steuereinrichtung 108, 208, 308 kann das Unterbrechungselement 105, 205, 305 zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101, 301 und dem Leistungsausgang 102, 302 ansteuern, wenn der von dem Stromsensor 106, 306 erfasste Strom ein vorgegebenes Kriterium erfüllt. Das vorgegebene Kriterium kann z.B. einen Stromschwellwert vorgeben. Die Steuereinrichtung 108, 208, 308 kann das Unterbrechungselement 105, 205, 305 zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101, 301 und dem Leistungsausgang 102, 302 ansteuern, wenn der von dem Stromsensor 106, 306 erfasste Strom den Stromschwellwert übersteigt.
Zusätzlich oder alternativ kann das vorgegebene Kriterium einen Stromgradienten vorgeben. Die Steuereinrichtung 108, 208, 308 kann das Unterbrechungselement 105, 205, 305 zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101, 301 und dem Leistungsausgang 102, 302 ansteuern, wenn der Gradient des von dem Stromsensor 106, 306 erfassten Stroms den Stromgradienten übersteigt.
Die Steuereinrichtung 108, 208, 308 kann auch weiterführende Analysen des Stroms 107 durchführen und z.B. basierend auf dem von dem Stromsensor 106, 306 erfassten Strom 107 eine Lichtbogenerkennung durchführen. Die Steuereinrichtung 108, 208, 308 kann das Unterbrechungselement 105, 205, 305 zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101, 301 und dem Leistungsausgang 102, 302 dann ansteuern, wenn die Steuereinrichtung 108, 208, 308 einen Lichtbogen erkennt.
Ferner kann ein Sensor 316 eine physikalische Größe, z.B. eine Temperatur, erfassen. Die Steuereinrichtung 108, 208, 308 kann mit dem Sensor 316 gekoppelt sein und das Unterbrechungselement 105, 205, 305 zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101, 301 und dem Leistungsausgang 102, 302 ansteuern, wenn die erfasste physikalische Größe ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, also die Temperatur z.B. über einem vorgegebenen Schwellwert liegt.
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

100, 200, 300: Sicherungsvorrichtung
101, 301: Leistungseingang
102, 302: Leistungsausgang
103, 303: drahtlose Energieschnittstelle
104, 304: Versorgungsspannung
105, 205, 305: steuerbaren Unterbrechungselement
106, 306: Stromsensor
107, 307: Strom
108, 208, 308: Steuereinrichtung
210: Stromschiene
211: Aufnahmespule
212: Gleichrichter
213: Speicherschaltung
315: Sprengkapsel
316: Temperatursensor
S1, S2, S3: Verfahrensschritte

Claims

Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) zur Absicherung einer elektrischen Verbindung, mit einem Leistungseingang (101, 301) und einem Leistungsausgang (102, 302), einem steuerbaren Unterbrechungselement (105, 205, 305), welches ausgebildet ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) gesteuert zu unterbrechen, einem Stromsensor (106, 306), welcher ausgebildet ist, den Strom zu messen, welcher zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) fließt, einer Steuereinrichtung (108, 208, 308), welche mit dem Unterbrechungselement (105, 205, 305) und dem Stromsensor (106, 306) gekoppelt ist und ausgebildet ist, das Unterbrechungselement (105, 205, 305) basierend auf dem von dem Stromsensor (106, 306) erfassten Strom anzusteuern, und einer drahtlosen Energieschnittstelle (103, 303), welche ausgebildet ist, drahtlos elektrische Energie zu empfangen und das Unterbrechungselement (105, 205, 305) und die Steuereinrichtung (108, 208, 308) mit elektrischer Energie zu versorgen.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach Anspruch 1, wobei die drahtlose Energieschnittstelle (103, 303) eine induktive Energieschnittstelle (103, 303) aufweist, welche insbesondere zum Empfang elektrischer Energie bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 80 kHz ausgebildet ist.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach Anspruch 2, wobei die induktive Energieschnittstelle (103, 303) eine Aufnahmespule (211) aufweist, welche mit einem Eingang eines Gleichrichters (212) gekoppelt ist, welcher ausgangsseitig mit einer Speicherschaltung (213), insbesondere einer mehrstufigen Speicherschaltung (213), gekoppelt ist.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Stromsensor (106, 306) als Hallsensor ausgebildet ist.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Unterbrechungselement (105, 205, 305) eine Sprengkapsel (315) aufweist, welche ausgebildet ist, bei einer Zündung die Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) mechanisch zu unterbrechen.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, wobei das Unterbrechungselement (105, 205, 305) eine reversible Schaltvorrichtung, insbesondere ein bistabiles Relais, aufweist.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (108, 208, 308) ausgebildet ist, das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) anzusteuern, wenn der von dem Stromsensor (106, 306) erfasste Strom ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach Anspruch 7, wobei das vorgegebene Kriterium einen Stromschwellwert vorgibt und die Steuereinrichtung (108, 208, 308) ausgebildet ist, das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) anzusteuern, wenn der von dem Stromsensor (106, 306) erfasste Strom den Stromschwellwert übersteigt; und/oder wobei das vorgegebene Kriterium einen Stromgradienten vorgibt und die Steuereinrichtung (108, 208, 308) ausgebildet ist, das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) anzusteuern, wenn der Gradient des von dem Stromsensor (106, 306) erfassten Stroms den Stromgradienten übersteigt.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (108, 208, 308) ausgebildet ist, basierend auf dem von dem Stromsensor (106, 306) erfassten Strom eine Lichtbogenerkennung durchzuführen und das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) anzusteuern, wenn die Steuereinrichtung (108, 208, 308) einen Lichtbogen erkennt.
Sicherungsvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Sensor (316), welcher ausgebildet ist, eine physikalische Größe zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung (108, 208, 308) mit dem Sensor (316) gekoppelt ist und ausgebildet ist, das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) anzusteuern, wenn die erfasste physikalische Größe ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.
Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Verbindung zwischen einem Leistungseingang (101, 301) und einem Leistungsausgang (102, 302), mit den Schritten: drahtloses Empfangen (S1) elektrischer Energie mit einer drahtlosen Energieschnittstelle (103, 303), Versorgen (S2) einer Steuereinrichtung (108, 208, 308) und eines Unterbrechungselements (105, 205, 305) mit der drahtlos empfangenen elektrischen Energie, wobei das steuerbare Unterbrechungselement (105, 205, 305) die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) gesteuert unterbrechen kann, Steuern (S3) des Unterbrechungselements (105, 205, 305) mit der Steuereinrichtung (108, 208, 308) basierend auf einem von einem Stromsensor (106, 306) erfassten Strom.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die elektrische Energie über eine induktive Energieschnittstelle (103, 303) empfangen wird, welche elektrische Energie insbesondere bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 80 kHz empfängt, wobei die induktive Energieschnittstelle (103, 303) insbesondere mindestens zwei unterschiedliche Spannungen bereitstellt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 und 12, wobei das Unterbrechungselement (105, 205, 305) eine Sprengkapsel (315) aufweist, welche bei einer Zündung die Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) mechanisch unterbricht; oder wobei das Unterbrechungselement (105, 205, 305) eine reversible Schaltvorrichtung, insbesondere ein bistabiles Relais, aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 13, wobei die Steuereinrichtung (108, 208, 308) das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) ansteuert, wenn der von dem Stromsensor (106, 306) erfasste Strom ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, wobei das vorgegebene Kriterium insbesondere einen Stromschwellwert vorgibt und die Steuereinrichtung (108, 208, 308) das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) ansteuert, wenn der von dem Stromsensor (106, 306) erfasste Strom den Stromschwellwert übersteigt; und/oder wobei das vorgegebene Kriterium insbesondere einen Stromgradienten vorgibt und die Steuereinrichtung (108, 208, 308) das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) ansteuert, wenn der Gradient des von dem Stromsensor (106, 306) erfassten Stroms den Stromgradienten übersteigt; und/oder wobei die Steuereinrichtung (108, 208, 308) insbesondere basierend auf dem von dem Stromsensor (106, 306) erfassten Strom eine Lichtbogenerkennung durchführt und das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) ansteuert, wenn die Steuereinrichtung (108, 208, 308) einen Lichtbogen erkennt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 14, wobei ein Sensor (316) eine physikalische Größe erfasst, und wobei die Steuereinrichtung (108, 208, 308) mit dem Sensor (316) gekoppelt ist und das Unterbrechungselement (105, 205, 305) zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang (101, 301) und dem Leistungsausgang (102, 302) ansteuert, wenn die erfasste physikalische Größe ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.