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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Schaltschützes und ein System zum Überwachen eines Schaltschützes.
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Ein Schaltschütz bzw. Schütz verfügt, abhängig von einer Schaltspannung und einem Schaltstrom, nur über eine begrenzte Anzahl an Kontaktschaltzyklen. Nach Überschreiten einer Anzahl an Kontaktschaltzyklen bzw. Lebenszyklen, die von einem Hersteller des Schaltschützes geschätzt werden kann, ist bei weiterem Betrieb des Schaltschützes mit einer verminderten Isolationsfestigkeit und mit Kontaktverschleiß zu rechnen. Dies kann dazu führen, dass das Schaltschütz nicht mehr in der Lage ist, einen Stromkreis, für den das Schaltschütz vorgesehen ist, zu trennen, was jedoch aus sicherheitstechnischer Sicht unbedingt zu vermeiden ist.
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Die Druckschrift
US 2017/0307671 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines Hochvolt-Schützes in einem Fahrzeug.
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Ein Verfahren und ein Gerät zum Überwachen einer Güte eines Kontaktelements und eines Startgeräts sind in der Druckschrift
US 7,705,601 B2 beschrieben.
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Aus der Druckschrift
US 9,557,362 B2 sind ein Verfahren und Mittel zum Überwachen eines Kontaktelements in einer Ausrüstung eines elektrischen Fahrzeugs bekannt.
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Ein Verfahren zur Diagnose eines Betriebszustands für ein Schütz und ein Schütz zur Implementierung dieses Verfahrens sind in der Druckschrift
EP 2 584 575 B1 beschrieben.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, eine Abnutzung eines Schaltschützes zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des Systems und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Überwachen eines Schaltschützes bzw. Schützes, das bspw. in einem Schaltkreis zwischen zwei elektrischen Vorrichtungen geschaltet bzw. angeordnet und mit den elektrischen Vorrichtungen verbunden ist, unter Berücksichtigung eines Degradationsfaktors für das Schaltschütz vorgesehen, wobei für den Degradationsfaktor mindestens ein Schwellwert definiert wird. Das Schaltschütz wird bei jeweils einem Schaltzyklus bzw. Schaltvorgang geöffnet oder geschlossen. Nach einem jeweiligen Schaltzyklus bzw. nach einem Öffnen oder Schließen des Schaltschützes wird für das Schaltschütz und/oder für mindestens eine der Vorrichtungen, bspw. einer Brennstoffzelle, zumindest ein resultierender Wert mindestens eines elektrischen Parameters des Schaltschützes und/oder der mindestens einen Vorrichtung gemessen. In Abhängigkeit von dem zumindest einen Wert wird für den jeweils durchgeführten Schaltzyklus ein Degradationsbeitrag bzw. Abnutzungsbeitrag des Schaltschützes ermittelt, bspw. berechnet, wobei für das Schaltschütz nach jedem Schaltzyklus ein aktueller Wert für den Degradationsfaktor ermittelt, bspw. berechnet wird, der von einer Summe sämtlicher Degradationsbeiträge für sämtliche ausgehend von einem vorgegebenen Zeitpunkt bis zu einem aktuellen Zeitpunkt durchgeführte Schaltzyklen abhängig ist. Weiterhin wird eine Aktion durchgeführt, wenn bzw. sobald der mindestens eine definierte Schwellwert zwischen einem Wert des Degradationsfaktors für einen vorletzt durchgeführten Schaltzyklus und einem Wert des Degradationsfaktors für einen zuletzt durchgeführten Schaltzyklus liegt.
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Üblicherweise wird zumindest ein Wert eines Stroms, bspw. eines Schaltstroms, als elektrischer Parameter, der durch das Schaltschütz und/oder die mindestens eine Vorrichtung fließt, gemessen. Alternativ oder ergänzend wird zumindest ein Wert einer Spannung, bspw. einer Schaltspannung, als elektrischer Parameter, die an dem Schaltschütz und/oder an der mindestens einen Vorrichtung anliegt, gemessen.
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In Ausgestaltung wird vor einem ersten Schaltzyklus und/oder bevor das Schaltschütz zwischen den Vorrichtungen angeordnet wird, d. h. zu einem vorgegebenen Zeitpunkt ein Ausgangswert für den Degradationsfaktor vorgesehen und/oder eingestellt. Jeder Zeitpunkt, an dem jeweils der Ausgangswert eingestellt wird, definiert dann jeweils den vorgegebenen Zeitpunkt, ausgehend von welchem die Degradationsbeiträge aufsummiert werden. Der Degradationsfaktor wird bspw. nach einem Austausch eines alten Schaltschützes gegen ein neues Schaltschütz auf den Ausgangswert zurückgesetzt. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn ein bisher genutztes Schaltschütz, sobald dessen Degradationsfaktor einen Schwellwert erreicht hat, für den als Aktion ein Austausch des bisher genutzten Schaltschützes vorgesehen ist, durch ein neues Schaltschütz ersetzt wird.
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Dabei ist es möglich, dass der aktuelle Wert des Degradationsfaktors nach dem jeweiligen Schaltzyklus durch Abziehen der Summe sämtlicher Degradationsbeiträge von dem Ausgangswert ermittelt, bspw. berechnet wird, wobei die Aktion durchgeführt wird, wenn bzw. sobald der Wert des Degradationsfaktors für den zuletzt durchgeführten Schaltzyklus den mindestens einen Schwellwert ausgehend von dem Wert des Schaltzyklus für den vorletzt durchgeführten Schaltzyklus unterschreitet bzw. unterschritten hat. Somit wird der Degradationsfaktor ausgehend von seinem Ausgangswert, bspw. 1, bei jedem Schaltzyklus um einen jeweiligen Degradationsbeitrag reduziert. Alternativ oder ergänzend wird der aktuelle Wert des Degradationsfaktors durch Addieren der Summe sämtlicher Degradationsbeiträge zu dem Ausgangswert ermittelt, bspw. berechnet, wobei die Aktion durchgeführt wird, wenn bzw. sobald der aktuelle Wert des Degradationsfaktors für den zuletzt durchgeführten Schaltzyklus den mindestens einen Schwellwert ausgehend von dem Wert des Schaltzyklus für den vorletzt durchgeführten Schaltzyklus überschreitet bzw. überschritten hat. Somit wird der Degradationsfaktor ausgehend von seinem Ausgangswert, bspw. 0, bei jedem Schaltzyklus um einen jeweiligen Degradationsbeitrag erhöht.
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Es ist möglich, dass der resultierende Wert des mindestens einen elektrischen Parameters nach Abwarten einer Entprellzeit für das Schaltschütz nach dem jeweiligen Schaltzyklus bzw. nach dem Öffnen oder Schließen des Schaltschützes, gemessen wird. Dabei kann die Entprellzeit eine Zeitspanne angeben, die besagt, wie lange ein Strom, bspw. ein Schaltstrom, durch das Schaltschütz fließt und/oder wie lange an dem Schaltschütz eine Spannung, bspw. eine Schaltspannung, anliegt.
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Ergänzend ist es möglich, dass für den mindestens einen elektrischen Parameter des Schaltschützes und/oder der mindestens einen Vorrichtung auch vor einem Öffnen oder Schließen des Schaltschützes für den bzw. bei dem jeweiligen Schaltzyklus zusätzlich zumindest ein Wert gemessen wird. In diesem Fall kann der Degradationsbeitrag für den jeweiligen Schaltzyklus abhängig von dem zumindest einen resultierenden Wert des mindestens einen Parameters nach dem jeweiligen Schaltzyklus und dem zumindest einen zusätzlichen Wert des mindestens einen Parameters vor dem jeweiligen Schaltzyklus berechnet werden.
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Ein Schaltzyklus bzw. Schaltvorgang wird in Ausgestaltung anhand einer Änderung eines Werts des mindestens einen elektrischen Parameters und somit anhand eines Pegelwechsels des mindestens einen elektrischen Parameters, der sich für das Schaltschütz ergibt, erkannt. Ein aus dem Schaltzyklus resultierender Degradationsbeitrag ist von dem Wert des mindestens eine Parameters vor und/oder nach dem Schaltzyklus abhängig.
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Wie bereits erwähnt, ist das Schaltschütz zwischen den beiden elektrischen Vorrichtungen geschaltet und/oder angeordnet, wobei über das Schaltschütz zwischen den beiden elektrischen Vorrichtungen Strom transportiert werden kann, wenn das Schaltschütz geschlossen ist. Wenn das Schaltschütz geöffnet ist, ist ein Transport von Strom zwischen den beiden elektrischen Vorrichtungen unterbrochen. Der mindestens eine elektrische Parameter kann nach und/oder vor dem Schaltzyklus bzw. Schaltvorgang gemessen werden. Hierbei ist es denkbar, den Wert des mindestens einen Parameters, der nach einem unmittelbar vorhergehenden Schaltzyklus gemessen wird, auch als zusätzlicher Wert für diesen mindestens einen Parameter vor dem unmittelbar nachfolgenden Schaltzyklus zu verwenden.
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Der Degradationsbeitrag ist somit von dem zumindest einen vor dem Schaltzyklus und/oder dem zumindest einen nach dem Schaltzyklus gemessenen Wert des mindestens einen Parameters abhängig. Dabei ist es auch möglich, den Wert des mindestens einen Parameters vor dem Schaltzyklus, d. h. vor einem Schließen oder Öffnen des Schaltschützes, in einem Speicher eines Auswertegeräts zu speichern, da es möglich ist, dass das Schaltschütz über eine längere Zeit geöffnet oder geschlossen bleibt. Dieser bereits gemessene Wert des mindestens einen elektrischen Parameters wird nach dem Schaltzyklus verwendet, wobei der nach dem Schaltzyklus gemessene Wert des mindestens einen elektrischen Parameters und zusätzlich der vor dem Schaltzyklus gemessene Wert, der gespeichert worden ist, zum Ermitteln des Degradationsbeitrags des jeweiligen Schaltzyklus berücksichtigt werden. Dabei kann bspw. eine Differenz zwischen den beiden vor und nach dem Schaltzyklus gemessenen Werten berücksichtigt werden.
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Der von dem mindestens einen elektrischen Parameter abhängige Degradationsbeitrag wird mit mindestens einer Kennlinie eines Kennfelds ermittelt, die eine Abhängigkeit des Degradationsbeitrags von einem sog. primären elektrischen Parameter, in der Regel entweder des Stroms oder der Spannung bzw. von dessen Wert vor und/oder nach dem jeweiligen Schaltzyklus beschreibt. Das bedeutet, dass die Kennlinie durch eine von dem primären elektrischen Parameter abhängige Funktion beschrieben wird bzw. definiert ist.
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In Ausgestaltung wird eine Schar aus mehreren Kennlinien, d. h. ein Kennfeld berücksichtigt, wobei eine Kennlinie abhängig von zumindest einem Wert eines sog. sekundären bzw. zweiten elektrischen Parameters, d. h. der Spannung oder des Stroms, ausgewählt wird. Mit dieser Kennlinie, die abhängig von dem zumindest einen Wert des sekundären Parameters aus mehreren möglichen Kennlinien ausgewählt worden ist, wird der Degradationsbeitrag abhängig von zumindest einem Wert des primären bzw. ersten elektrischen Parameters, d. h. des Stroms oder der Spannung, ermittelt.
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Bei dem Verfahren ist es möglich, dass beide über das Schaltschütz verbundene elektrische Vorrichtungen als Komponenten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs bzw. Autos, ausgebildet sind. Weiterhin ist es möglich, dass eine der beiden Komponenten als Brennstoffzelle und somit als elektrische Energiequelle bzw. Energieerzeuger ausgebildet ist. Dabei kann elektrische Energie, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, über das Schaltschütz zu der anderen elektrischen Vorrichtung durch Transport von elektrischem Strom übertragen werden. Die andere elektrische Vorrichtung ist als elektrischer Verbraucher und/oder elektrischer Energiespeicher und somit als Energiesenke bzw. Energieabnehmer ausgebildet, dem bzw. der von der Brennstoffzelle elektrische Energie bereitgestellt wird.
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Bei dem Verfahren können zusätzlich die Schaltzyklen des Schaltschützes gezählt werden, wobei die Aktion durchgeführt wird, wenn bzw. sobald eine Anzahl der Schaltzyklen einen definierten Schwellwert erreicht hat.
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Sobald der Degradationsfaktor unter Berücksichtigung der Summe sämtlicher Degradationsbeiträge einen ersten definierten Schwellwert erreicht hat, wird als Aktion eine Warnung über ein akustisches und/oder optisches Signal bereitgestellt. Sobald der Degradationsfaktor einen zweiten definierten Schwellwert erreicht hat, ist es möglich, die beiden elektrischen Vorrichtungen automatisch abzuschalten. Falls sich der Degradationsfaktor durch Abziehen der Degradationsbeträge für sämtliche Schaltzyklen von dem Ausgangswert ergibt, ist der zweite Schwellwert kleiner als der erste. Falls sich der Degradationsfaktor umgekehrt durch Addieren der Degradationsbeträge sämtlicher Schaltzyklen zu dem Ausgangswert ergibt, ist der zweite Schwellwert größer als der erste.
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Das erfindungsgemäße System weist einerseits mindestens ein Messgerät und andererseits einen Zustandsautomat und/oder eine Recheneinheit als Komponente bzw. Komponenten eines Auswertegeräts auf und ist zur Durchführung eines Verfahrens zum Überwachen eines Schaltschützes, das in der Regel zwischen zwei elektrischen Vorrichtungen geschaltet und/oder angeordnet ist, d. h. mit den elektrischen Vorrichtungen in einem Stromkreis verbunden ist, unter Berücksichtigung eines Degradationsfaktors für das Schaltschütz, für den mindestens ein Schwellwert definiert wird, ausgebildet. Das Schaltschütz wird bei jeweils einem Schaltzyklus bzw. Schaltvorgang geöffnet oder geschlossen. Das mindestens eine Messgerät ist dazu ausgebildet, nach einem jeweiligen Schaltzyklus, bspw. nach einem Schließen oder Öffnen des Schaltschützes für das Schaltschütz und/oder mindestens eine der Vorrichtungen zumindest einen resultierenden Wert mindestens eines elektrischen Parameters des Schaltschützes und/oder der mindestens einen Vorrichtung zu messen. Das Auswertegerät, d. h. der Zustandsautomat und/oder die Recheneinheit, ist bzw. sind dazu ausgebildet, mit dem zumindest einen resultierenden Wert des mindestens einen Parameters für den jeweils durchgeführten Schaltzyklus einen Degradationsbeitrag bzw. Abnutzungsfaktor des Schaltschützes zu ermitteln, bspw. zu berechnen und für das Schaltschütz nach jedem Schaltzyklus jeweils einen neuen, bspw. aktuellen Wert für den Degradationsfaktor zu ermitteln, bspw. zu berechnen, der von einer Summe sämtlicher Degradationsbeiträge für sämtliche ausgehend von einem vorgegebenen Zeitpunkt bis zu einem aktuellen Zeitpunkt durchgeführte Schaltzyklen abhängig ist. Das Auswertegerät, d. h. der Zustandsautomat und/oder die Recheneinheit, ist und/oder sind zudem dazu ausgebildet, eine Durchführung einer Aktion zu veranlassen, wenn bzw. sobald der mindestens eine definierte Schwellwert zwischen einem Wert des Degradationsfaktors für einen vorletzt durchgeführten Schaltzyklus und einem Wert des Degradationsfaktors für einen zuletzt durchgeführten Schaltzyklus liegt.
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In Ausgestaltung ergibt sich bei einem Öffnen oder Schließen des Schaltschützes ein Pegelwechsel des mindestens einen elektrischen Parameters, so dass mindestens eine Komponente des Systems dazu ausgebildet ist, einen Schaltzyklus anhand des Pegelwechsels zu erkennen.
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Mit einer Ausführungsform des Verfahrens und einer Ausführungsform des Systems ist es möglich, für das Schaltschütz und die Schaltzyklen des Schaltschützes eine Diagnosefunktion durchzuführen. Durch Diagnose der Schaltzyklen anhand der gemessenen Werte des mindestens einen elektrischen Parameters kann eine Überwachung eines Zustands des Schaltschützes realisiert werden. Sobald für das Schaltschütz unter Berücksichtigung der Summe sämtlicher ermittelter Degradationsbeiträge ein definierter Zustand der Degradation erreicht ist, wird die Warnung bereitgestellt. Falls die Degradation bzw. Abnutzung noch weiter fortgeschritten sein sollte, kann die mindestens eine Vorrichtung abgeschaltet werden. Bei jedem Start der Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellensystems als eine elektrische Vorrichtung wird eine Spannung der Brennstoffzelle über ein bspw. als Hochvolt-Schalter ausgebildetes Schaltschütz auf einen Gleichstromwandler und/oder auf ein Traktionsnetz des Fahrzeugs als weitere elektrische Vorrichtung geschaltet, wobei es möglich ist, dass der Gleichstromwandler auch als elektrische Vorrichtung des Traktionsnetzes ausgebildet ist.
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Das Schaltschütz als Hochvolt-Schalter weist abhängig von einer Spannung und einem Strom als elektrische Parameter, die sich bei einem jeweiligen Schaltzyklus ergeben, nur eine begrenzte Anzahl an insgesamt durchführbaren Schaltzyklen, bspw. Kontaktschaltzyklen, auf. Nach Überschreiten einer vom Hersteller des Schaltschützes geschätzten Anzahl, die dessen Lebenszyklus definieren, ist mit einer verminderten Isolationsfestigkeit und einem Kontaktverschleiß des Schaltschützes zu rechnen. Bei Durchführung des Verfahrens wird nicht nur die absolute Anzahl an Schaltzyklen berücksichtigt. Unter Berücksichtigung des von dem mindestens einen elektrischen Parameter abhängigen Degradationsbeitrags für einen jeweiligen Schaltzyklus kann eine jeweilige tatsächliche Degradation bzw. Abnutzung bei einem jeweiligen Schaltzyklus berücksichtigt werden. Somit kann durch individuelle Diagnose eines jeweiligen Schaltzyklus die Degradation des Schaltschützes noch genauer überwacht werden. Da im Rahmen des Verfahrens sämtliche Degradationsbeiträge sämtlicher Schaltzyklen summiert werden, wird ein jeweils aktueller Degradationsfaktor berechnet.
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Somit ist es möglich, das Schaltschütz bzw. einen Schutzschalter bei Erreichen eines bestimmten Schwellwerts auszutauschen und durch ein neues Schaltschütz zu ersetzen, wobei ein derartiger Austausch als Aktion durchgeführt wird. Durch genaue Diagnose der Degradation und somit des Zustands kann gewährleistet werden, dass das Schaltschütz nur solange verwendet wird, wie es in der Lage ist, einen Stromkreis zwischen den elektrischen Vorrichtungen zuverlässig zu trennen. Somit kann eine Sicherheit der beiden durch das Schaltschütz verbundenen Vorrichtungen gewährleistet werden.
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Das Schaltschütz wird gemäß dem Stand der Technik aus Sicherheitsgründen in der Regel frühzeitig ausgetauscht, obwohl dies technisch noch nicht notwendig wäre. Durch Vergleichen des Degradationsfaktors mit dem mindestens einen definierten Schwellwert ist es möglich, genauer vorherzusagen, wann ein Austausch des Schaltschützes als durchzuführende Aktion erforderlich ist. Somit ist es nicht erforderlich, das Schaltschütz aufgrund konservativ ausgelegter Serviceintervalle in einer Werkstatt zu untersuchen und ggf. auszutauschen. Da der Degradationsfaktor durch Berücksichtigung der Degradationsbeiträge abhängig von dem mindestens einen elektrischen Parameter ermittelt wird, kann berücksichtigt werden, dass bei einigen Schaltzyklen besonders hohe Werte des Stroms fließen und/oder besonders hohe Werte für die Spannung anliegen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zum Durchführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Diagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt in schematischer Darstellung weitere Diagramme zur Durchführung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Bezugsziffern sind dieselben Komponenten zugeordnet.
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1a zeigt in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug 2, das eine erste elektrische Vorrichtung 4 und eine zweite elektrische Vorrichtung 6 aufweist, die hier in einem Stromkreis über ein Schütz bzw. Schaltschütz 8 miteinander verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass die erste elektrische Vorrichtung 4 als Energieerzeuger, hier als Brennstoffzelle, ausgebildet ist. Dabei wird elektrische Energie, die von der ersten elektrischen Vorrichtung 4 erzeugt wird, der zweiten elektrischen Vorrichtung 6 über das Schaltschütz 8 bereitgestellt. Die zweite elektrische Vorrichtung 6 ist als Energieabnehmer, bspw. als Energieverbraucher, Energiespeicher oder sonstiges elektrisches Gerät ausgebildet, dem von der ersten elektrischen Vorrichtung 4 elektrische Energie bereitgestellt wird. Zum Überwachen und/oder Diagnostizieren eines Zustands des Schaltschützes 8 weist die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10 mindestens ein Messgerät 12 zum Erfassen mindestens eines elektrischen Parameters des Schaltschützes 8 und/oder mindestens einer der elektrischen Vorrichtungen 4, 6 auf. Außerdem umfasst das System 10 ein Auswertegerät 13 mit einem Zustandsautomaten 14 und einer Recheneinheit 15, mit dem und/oder der Werte des mindestens einen gemessenen elektrischen Parameters ausgewertet werden.
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Wie 1b in schematischer Darstellung zeigt, wird dem Zustandsautomaten 14 üblicherweise von einem ersten Messgerät 12 eine erste Information 16, d. h. eine erste Eingangsgröße über einen aktuellen Zustand Z_aktuell des Schaltschützes 8 bereitgestellt, wobei diese Information 16 entweder besagt, dass das Schaltschütz 8 geschlossen ist („true“ bzw. wahr) oder geöffnet ist („false“ bzw. falsch). Auf Grundlage dieser ersten Information 16 wird weiterhin eine zweite Information 18 bzw. zweite Eingangsgröße über einen erfolgten oder nicht erfolgten Pegelwechsel des Schaltschützes 8 bereitgestellt, wobei ein derartiger Pegelwechsel durch einen Wechsel eines Pegels des mindestens einen elektrischen Parameters des Schaltschützes 8 erkannt wird. Hierbei wird der aktuelle Zustand Z_aktuell des Schaltzschützes 8, d. h. geöffnet oder geschlossen, mit einem unmittelbar vorherigen Zustand Z_vorher des Schaltzschützes 8, d. h. geöffnet oder geschlossen, verglichen. Falls der aktuelle Zustand Z_aktuell und der unmittelbar vorherige Zustand Z_vorher des Schaltschützes 8 gleich, d. h. jeweils geöffnet oder geschlossen sind, kam es zu keinem Pegelwechsel, wobei die in den Zustandsautomaten 14 eingehende zweite Information 18 „false“ ist. Bei Ungleichheit des aktuellen Zustands Z_aktuell und des unmittelbar vorherigen Zustands Z_vorher kam es zu einem Pegelwechsel des mindestens einen elektrischen Parameters und somit zu einem Schaltzyklus für das Schaltschütz 8, wobei ein derartiger Schaltzyklus durch den Pegelwechsel erkannt wird. Die eingehende zweite Information 18 ist in diesem Fall „true“.
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Anhand einer Änderung des Zustands, die mit der zweiten Information 18 bei erfolgtem Pegelwechsel angegeben wird, wird im Rahmen eines Verfahrens ein Wechsel eines Pegels detektiert („true“), der sich dann ergibt, wenn das Schaltschütz 8 ausgehend von dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand oder umgekehrt übergeht. Diese zweite Information 18 wird ebenfalls dem Zustandsautomaten 14 bereitgestellt. Weiterhin wird dem Zustandsautomaten 14 eine dritte Information 20 bzw. eine dritte Eingangsgröße über einen ersten elektrischen Parameter, hier über einen Wert eines Stroms der Brennstoffzelle als erster elektrischer Vorrichtung 4 bei geschlossenem Schaltschütz 8 bereitgestellt. Außerdem wird dem Zustandsautomaten 14 eine vierte Information 22 bzw. eine vierte Eingangsgröße, hier über einen Wert des Stroms der Brennstoffzelle beim Öffnen des Schaltschützes 8 bereitgestellt.
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Der Recheneinheit 15 wird als Ausgangsgröße bzw. Information 24 von dem Zustandsautomaten 14 ein Wert des Stroms als der mindestens eine erste elektrische Parameter bereitgestellt, der durch das Schaltschütz 8 fließt. Als weitere Ausgangsgröße bzw. Information 26 wird der Recheneinheit 15 ein Zustand bzw. Status einer Aktivität des Schaltschützes 8 anhand eines durchgeführten Schaltzyklus bzw. Schaltvorgangs bereitgestellt. Falls das Schaltschütz 8 während eines Schaltzyklus ausgehend von einem geöffneten Zustand („false“) in einen geschlossenen Zustand („true“) übergeht, besagt die weitere Ausgangsgröße bzw. Information 26, dass das Schaltschütz 8 geschlossen und somit geschaltet wurde. Alternativ ist es möglich, dass das Schaltschütz 8 während eines Schaltzyklus ausgehend von einem geschlossenen Zustand („true“) in einen geöffneten Zustand („false“) übergeht. In diesem Fall besagt die weitere Information 26 bzw. Ausgangsgröße, dass das Schaltschütz 8 geöffnet und somit ebenfalls geschaltet wurde. Außerdem sind dem Zustandsautomaten 14 und der Recheneinheit 15 ein Zähler 28 als Messgerät zugeordnet, der eine Anzahl an bereits durchgeführten Schaltzyklen des Schaltschützes 8 zählt und angibt.
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Das in 2 dargestellte Diagramm verdeutlicht Schritte 30, 32, 34, 36, die bei Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens von dem Zustandsautomaten 14 berücksichtigt bzw. durchlaufen werden. Dabei wird in einem ersten Schritt 30, üblicherweise in dem Zähler 28, die Anzahl an Schaltzyklen gespeichert, was möglich ist, wenn das Schaltschütz 8 keine Aktivität („false“) zeigt, d. h. wenn das Schaltschütz 8 geöffnet oder geschlossen ist. Vor einer ersten Inbetriebnahme des Schaltschützes 8 und somit vor einem ersten Schaltzyklus weist die Anzahl an Schaltzyklen ursprünglich den Wert 0 auf. Falls ausgehend von dem ersten Schritt 30 für das Schaltschütz 8 ein neuer Schaltzyklus durchgeführt wird, was anhand des Pegelwechsels nachgewiesen und über die zweite Information 18 angezeigt wird, wird die Anzahl i an gezählten Schaltzyklen im zweiten Schritt 32 um 1 erhöht. Falls das Schütz bei dem Schaltzyklus geschlossen wird bzw. sich geschlossen hat, wird in einem dritten Schritt 34 als elektrischer Parameter der Strom, der durch das Schaltschütz 8 beim Schließen fließt und somit auch ein Strom der Brennstoffzelle als erster elektrischer Vorrichtung 4 ermittelt, wobei eine Aktivität des Schaltschützes 8 in dem dritten Schritt 34 mit „true“ zu kennzeichnen ist. Falls das Schaltschütz 8 geöffnet wird bzw. sich geöffnet hat, wird in einem vierten Schritt 36 als elektrischer Parameter der Strom, der durch das Schaltschütz 8 fließt und somit auch der Strom der Brennstoffzelle als erste Vorrichtung 4 beim Öffnen des Schaltschützes 8 ermittelt, wobei eine Aktivität des Schaltschützes 8 auch hier mit „true“ zu kennzeichnen ist.
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Das Diagramm aus 3a umfasst unter anderem ein Kennfeld 38, das in 3b detailliert dargestellt ist. Dieses Kennfeld 38 umfasst eine Abszisse 40, entlang der hier Werte für einen Strom logarithmisch aufgetragen sind, und eine Ordinate 42, entlang der eine Anzahl an noch zu erwartenden und/oder durchführbaren Schaltzyklen bzw. Schaltvorgängen während einer Lebensdauer des Schaltschützes 8 logarithmisch aufgetragen ist. Das Kennfeld 38 umfasst hier mehrere Kennlinien 42a, 42b, 42c, 42d, 42e, 42f, 42g, wobei jede dieser Kennlinien 42a, 42b, 42c, 42d, 42e, 42f, 42g für einen jeweiligen Wert einer Spannung vorgesehen ist, die bei einem jeweiligen Schaltvorgang an dem Schaltschützes 8 und/oder der Brennstoffzelle als erster elektrischer Vorrichtung 4 anliegt. Dabei gibt jede Kennlinie 42a, 42b, 42c, 42d, 42e, 42f, 42g eine Abhängigkeit der geschätzten Anzahl ELC („estimated life cycles“) an Schaltzyklen abhängig von dem Strom an, der durch das Schaltschütz 8 und/oder die Brennstoffzelle bei dem jeweiligen Schaltzyklus fließt. Dabei ergibt sich eine erste Kennlinie 42a bei einer ersten Spannung U1, von bspw. 1800 Volt, eine zweite Kennlinie 42b bei einer zweiten Spannung U2, von bspw. 900 Volt, eine dritte Kennlinie 42c bei einer dritten Spannung U3, von bspw. 600 Volt, eine vierte Kennlinie 42d bei einer vierten Spannung U4, von bspw. 400 Volt, eine fünfte Kennlinie 42e bei einer fünften Spannung U5, von bspw. 270 Volt, eine sechste Kennlinie 42f bei einer sechsten Spannung U6, von bspw. 120 Volt und eine siebte Kennlinie 42g bei einer siebten Spannung U7, von bspw. 28 Volt.
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Bei der Ausführungsform des Verfahrens, wie sie anhand des Diagramms aus 3a dargestellt ist und durch die Recheneinheit 15 durchgeführt wird, wird der Recheneinheit 15 in einem ersten Schritt die Information 26 über den Status bzw. Zustand der Aktivität des Schaltschützes 8 bereitgestellt, wobei für den Fall, dass das Schaltschütz 8 bei einem aktuellen, zuletzt durchgeführten Schaltzyklus geschaltet hat, der Zustand „true“ vorgesehen ist. Weiterhin wird der Recheneinheit 15 in einem zweiten Schritt als elektrischer Parameter ein Wert der Spannung, bspw. Schaltspannung, die bei dem Schaltzyklus an dem Schaltschütz 8 anliegt, und ein Wert des Stroms bzw. Schaltstroms, der bei dem Schaltzyklus durch das Schaltschütz 8 fließt, ermittelt und als Information 24 bereitgestellt. Anhand des Werts der Spannung wird aus dem Kennfeld 38 unter Berücksichtigung des Werts der Spannung eine der Kennlinien 42a, 42b, 42c, 42d, 42e, 42f, 42g, hier bspw. die vierte Kennlinie 42d für einen Wert U4 der Spannung ausgewählt. Anhand des Stroms, der bei dem Schaltzyklus fließt bzw. geflossen ist, wird aus der ausgewählten Kennlinie 42d weiterhin der Wert für die geschätzte Anzahl ELC_i an noch möglichen Schaltzyklen nach dem zuletzt durchgeführten, hier i-ten Schaltzyklus ermittelt.
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Bei der hier vorgestellten Ausführungsform des Verfahrens wird ein jeweils aktueller Degradationsfaktor D_i nach dem i-ten Schaltzyklus unter Berücksichtigung einer Summe sämtlicher bisher ermittelter Degradationsbeiträge A_i für alle bisher durchgeführten i Schaltzyklen ausgehend von einem vorgegebenen Zeitpunkt berechnet, wobei ein i-ter Degradationsbeitrag bzw. Abnutzungsbeitrag A_i für einen jeweiligen i-ten Schaltzyklus abhängig von dem mindestens einen elektrischen Parameter ermittelt wird.
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Dabei ergibt sich für den i-ten Degradations- bzw. Abnutzungsbeitrag A_i:
wobei der Degradationsbeitrag A_i hier dem Kehrwert der geschätzten Anzahl ELC_i an noch durchführbaren Schaltzyklen nach dem i-ten Schaltzyklus entspricht, die von dem Wert des mindestens einen Parameters während des i-ten Schaltzyklus abhängig ist.
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Ein Wert des Degradationsfaktors D_i bzw. D für den aktuellen i-ten Schaltzyklus bzw. ein Wert des Degradationsfaktors D_i-1 bzw. D für den unmittelbar vorhergehenden i-1-ten Schaltzyklus ergibt sich hier aus einer Summe sämtlicher ermittelter Degradationsbeiträge, beginnend mit einem ersten Degradationsbeitrag A_1, einem zweiten Degradationsbeitrag A_2 bis zu einem jeweils aktuellen Degradationsbeitrag A_i bzw. A_i-1, und einem Ausgangswert, hier 1:
bzw.
so dass:
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Somit ergibt sich der i-te Degradationsfaktor D_i rekursiv aus dem unmittelbar vorhergehenden Degradationsfaktor D_i-1. Hierbei sind auch ein erster Degradationsbeitrag A_1 = (ELC_1)-1 für einen ersten Schaltzyklus und ein zweiter Degradationsbeitrag A_2 = (ELC_2)-1 für einen zweiten Schaltzyklus ausgehend von einem vorgegebenen Zeitpunkt explizit angegeben.
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Hierzu weist das Auswertegerät 13 die Recheneinheit 15 zum Berechnen des jeweiligen Degradationsbeitrags A_i bzw. A_i-1 auf, in der auch das Kennfeld 38 abgelegt ist. Außerdem umfasst die Recheneinheit 15 einen ersten Speicher 50, in den nach dem i-ten Schaltzyklus der aktuelle i-te Degradationsfaktor D_i geschrieben wird. Aus einem zweiten Speicher 52 bzw. Zwischenspeicher der Recheneinheit 15, der mit dem ersten Speicher 50 verbunden ist, wird der Degradationsfaktor D_i-1 des unmittelbar vorherigen i-1-ten Schaltzyklus gespeichert, bspw. aus dem ersten Speicher 50 gelesen.
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Außerdem sind in der Recheneinheit 15, üblicherweise in einem weiteren Speicher, ein erster Schwellwert 54 und ein zweiter Schwellwert 56 hinterlegt. Dabei wird der jeweils aktuelle Degradationsfaktor D_i mit mindestens einem der beiden Schwellwerte 54, 56 verglichen, wobei vorgesehen ist, dass der erste Schwellwert 54 hier bspw. 10% des Ausgangswerts für den Degradationsfaktor beträgt und eine Warngrenze definiert, wobei der erste Schwellwert 54 größer als der zweite Schwellwert 56 ist, der hier bspw. 5% des Ausgangswerts beträgt und eine Abschaltgrenze definiert.
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Solange der zuletzt ermittelte aktuelle Degradationsfaktor D_i größer als der erste Schwellwert 54 ist, wird im Rahmen des Verfahrens für das Schaltschütz 8 keine oder nur eine geringfügige Degradation diagnostiziert. Sobald der Degradationsfaktor D_i jedoch den ersten Schwellwert 54 unterschreitet, so dass der Schwellwert 54 kleiner als der Degradationsfaktor D_i-1 und größer als der Degradationsfaktor D_i ist, wird eine erste Aktion 58 durchgeführt, die eine Bereitstellung eines Warnsignals bzw. einer Warnmeldung an einen Fahrer des Kraftfahrzeugs 2 umfasst und ihn darauf hinweist, dass das Schaltschütz 8 einen Zustand erreicht hat, der seinen Austausch erforderlich macht. Falls der aktuelle Degradationsfaktor D_i kleiner als der zweite Schwellwert 56 ist, wobei der vorherige Degradationsfaktor D_i-1 noch größer als der zweite Schwellwert 56 war, wird als zweite Aktion 60 eine Fehlermeldung bereitgestellt, und darauf hingewiesen, dass das Schaltschütz 8 nunmehr so weit abgenutzt ist, dass eine Sicherheit eines Betriebs der beiden elektrischen Vorrichtungen 4, 6 nicht mehr gewährleistet werden kann.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass der Degradationsfaktor D_i nicht ausgehend von dem Ausgangswert, bspw. 1, Schaltzyklus um Schaltzyklus reduziert wird, sondern aus einer Summe sämtlicher Degradationsbeiträge A_i zuzüglich eines Anfangswerts = 0 berechnet wird:
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In diesem Fall wird überprüft, ob der zuletzt ermittelte Degradationsfaktor D_i einen für eine jeweilige Aktion definierten Schwellwert, insbesondere ausgehend von einem zuvor für einen unmittelbar vorhergehenden Schaltzyklus ermittelten Degradationsfaktor D_i-1, überschritten hat.
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Ein Schalten des Schaltschützes 8 bzw. eine Durchführung eines jeweiligen Schaltzyklus wird in einem Normalbetrieb der elektrischen Vorrichtungen 4, 6 bei einer Gleichheit einer Spannung als elektrischer Parameter vor und hinter dem Schaltschütz 8 durchgeführt, wenn also ein erster Wert der Spannung in dem Stromkreis zwischen der ersten Vorrichtung 4 und dem Schaltschütz 8 und ein zweiter Wert der Spannung in dem Stromkreis zwischen dem Schaltschütz 8 und der zweiten Vorrichtung 8 gleich sind. Dies ist außerhalb des Normalbetriebs, wie z. B. bei einem Lastabwurf, nicht immer gewährleistet, wobei derartige Schaltzyklen unter Last erkannt werden, wenn die beiden genannten Werte der Spannung vor und hinter dem Schaltschütz 8 unterschiedlich sind. Das Verfahren ermöglicht die genaue Ermittlung des Degradationsbeitrags derartiger Schaltfälle bzw. Schaltzyklen. Die zweite Vorrichtung 8 kann bspw. als Traktionsnetz des Kraftfahrzeugs 2 ausgebildet sein. Für die bspw. als Traktionsnetz ausgebildete zweite Vorrichtung 8 kann in Ausgestaltung ein schneller Lastabwurf nötig werden, falls bspw. ein LadeZustand einer Batterie als elektrischer Energiespeicher einen Grenzwert erreicht hat, falls es zu einem ESP-Eingriff und somit zu einem Eingriff einer Fahrdynamikregelung (Elektronisches Stabilitäts-Programm) kommt, oder falls das Kraftfahrzeug 2 in einen Umfall (Crash) verwickelt ist.
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Ein Messen des Stroms, bspw. eines Schaltstroms, als elektrischer Parameter wird direkt vor oder nach dem Schaltzyklus durchgeführt. Hierbei ist es auch möglich, den Strom nach dem Schaltzyklus des Schaltschützes 8 nach Abwarten einer Entprellzeit zu messen. Neben der Berechnung des Degradationsfaktors D_i bzw. D_i-1 kann zusätzlich auch die Anzahl i sämtlicher Schaltzyklen bzw. Schaltvorgänge gezählt werden, wobei diese Anzahl nach dem i-ten Schaltzyklus i entspricht. Sobald für das Schaltschütz 8 im Rahmen des Verfahrens ermittelt wird, dass dessen Degradationsfaktor D_i einen Schwellwert 54, 56 erreicht hat, woraufhin darauf hingewiesen wird, dass das Schaltschütz 8 auszutauschen ist bzw. ausgetauscht wird, wird dieses durch ein neues ersetzt. Auch für dieses neue Schaltschütz kann das Verfahren durchgeführt werden. Hierzu ist vorgesehen, vor einem ersten Schaltzyklus des neuen Schaltschützes den Degradationsfaktor D_i auf den Anfangswert bzw. Ausgangswert zurückzusetzen. Außerdem ist evtl. ein alternatives Kennfeld mit alternativen Kennlinien zum Berechnen von Degradationsbeiträgen A_i bzw. A_i-1 zu verwenden, das für das neue Schaltschütz vorgesehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4, 6
- elektrische Vorrichtung
- 8
- Schaltschütz
- 10
- System
- 12
- Messgerät
- 13
- Auswertegerät
- 14
- Zustandsautomat
- 15
- Recheneinheit
- 16, 18, 20
- Information
- 22, 24, 26
- Information
- 28
- Zähler
- 30, 32, 34, 36
- Schritt
- 38
- Kennfeld
- 40
- Abszisse
- 42a, 42b, 42c, 42d,
- Kennlinie
- 42e, 42f, 42g
- Kennlinie
- 50, 52
- Speicher
- 54, 56
- Schwellwert
- 58, 60
- Aktion
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0307671 A1 [0003]
- US 7705601 B2 [0004]
- US 9557362 B2 [0005]
- EP 2584575 B1 [0006]