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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis zur Erfassung des Öffnungszustands eines Schalters, insbesondere eines Relais, mit wenigstens einem Hilfskontakt sowie einem Signalgenerator, wobei im geschlossenen Zustand des Schalters der Hauptkontakt für den Transport des Stroms geschlossen ist.
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Derartige elektrische Schaltkreise kommen in vielen Stromversorgungseinrichtungen zum Einsatz und werden insbesondere auch in Ladegeräten und Ladekabeln für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Beim Laden eines Elektrofahrzeugs ist es wichtig, dass ein Schalter zur Trennung der Phasen des Ladekabels zuverlässig funktioniert. Im Falle eines Kurzschlusses muss der Kurzschlussstrom durch den elektrischen Schalter sicher geführt werden, die Kurzschlussabschaltung erfolgt über einen FI-Schutzschalter außerhalb. Dazu muss bei Ladekabeln und Ladegeräten im Elektroautobereich der Schalter auf Funktion überwacht werden und Fehler wie ein Verschweißen der Hauptkontakte erfasst und angezeigt werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 105 112 A1 gehen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schaltzustands eines Relais hervor, wobei das Relais in einem Leistungsstromkreis angeordnet ist und eine Vorrichtung zur Überwachung des Relais mindestens einen Signalgenerator sowie mindestens eine Detektionseinrichtung und mindestens eine Auswerteeinrichtung umfasst. Mittels des Signalgenerators wird dabei ein Überwachungssignal erzeugt, wobei mittels Detektionseinrichtung ein Messsignal erfasst wird und die Auswerteeinrichtung ein Maß einer Ähnlichkeit des Überwachungssignals und des Messsignals bestimmt. Ein Überwachungsstromkreis verbindet dabei elektrisch zumindest den Signalgenerator, die Detektionseinrichtung und den Leistungsschalter, wobei der Überwachungsstromkreis geschlossen ist, falls der Leistungsschalter geschlossen ist, und wobei ein fehlerhafter Zustand des Leistungsschalters detektiert wird, falls ein Soll-Zustand des Leistungsschalters als offen erfasst wird. Dabei ist dann das Maß der Ähnlichkeit größer als ein vorbestimmtes Maß oder gleich dem vorbestimmten Maß. Bei dem Schalter kann es sich um ein Relais in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug handeln. Der Signalgenerator erzeugt dabei ein Überwachungssignal. Das Überwachungssignal kann dabei galvanisch getrennt von dem zu überwachenden Leistungsschalter kapazitiv oder induktiv eingespeist werden. Insbesondere wird zur galvanischen Trennung des Messsignals, ein Koppeltransformator vorgeschlagen.
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Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 211 510 A1 eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von einem Relais bekannt, wobei ebenfalls über einen Signalgenerator ein Wechselspannungssignal in den Strompfad eines zu überwachenden Relais eingekoppelt wird. Diese Kopplung erfolgt allerdings nicht über induktive Bauelemente, sondern über einen Koppelkondensator. Weiterhin wird das Wechselspannungssignal über einen weiteren Kondensator zur Erfassung einer Ausgangsspannung durch eine Auswerteschaltung wieder ausgekoppelt. Bei dem Schaltkreis ist vorgesehen, dass keine Ausgangsspannung anliegt, wenn der zu überwachende Schalter geschlossen ist. Auf diese Art und Weise wird festgestellt, ob das Relais zuverlässig arbeitet, da eine Spannung anliegen muss, wenn der Schalter geöffnet ist. Sollte der Schaltkreis ausfallen, liegt ebenfalls keine Ausgangsspannung an und es wird angenommen, dass der Schalter geschlossen ist und somit eine Fehlfunktion vorliegt. Das heißt sowohl bei verschweißtem Schalter als auch bei einem Ausfall des Schaltkreises ist sichergestellt, dass eine Fehlfunktion erfasst wird und ein Versagen des Relais vermutet wird. Durch eine entsprechende Schutzschaltung kann dann zur Sicherheit der Stromkreis getrennt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Schaltkreis zur Erfassung des Öffnungszustands eines Schalters, insbesondere eines Relais, mit wenigstens einem Hilfskontakt sowie mit einem Signalgenerator zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Auswirkung kapazitiv eingekoppelter Prüfströme auf die Netzleitung vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird die vorliegende Aufgabe durch Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im geschlossenen Zustand des Schalters der Strom über den Hauptkontakt des Schalters fließt. Dies bedeutet also, dass bei geschlossenem Schalter der Strom über den Hauptkontakt fließt. Im geöffneten Zustand wird dagegen ein Stromkreis über einen Hilfskontakt des Schalters mit einem im Stromkreis angeordneten Signalgenerator geschlossen. Dies bedeutet, dass nur im geöffneten Zustand des Schalters die Sekundärseite des Stromkreises mit dem Testsignal geschlossen wird. Umgekehrt ist im geschlossenen Zustand des Schalters die Sekundärseite des Stromkreis mit dem Signalgenerator geöffnet, da der Hilfskontakt offen ist. Dies bedeutet, dass der bei geschlossenem Schalter fließende Strom keine Rückwirkung auf den Auswerteschaltkreis mit dem Hilfskontakt und dem Signalgenerator verursachen kann.
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Bei einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Schaltkreis einer Auswerteschaltung zur Erfassung des Stromflusses über den Hilfskontakt bei geöffnetem Zustand des Schalters aufweist. Bei geöffnetem Schalter ist der Stromkreis über den Hilfskontakt und einen Signalgenerator sekundärseitig geschlossen, so dass in dem Stromkreis mit Hilfskontakt und Signalgenerator ein höherer Strom fließt und eine entsprechende Spannung anliegt. Diese Spannung kann durch eine Auswerteschaltung ausgewertet werden und als Maß dafür verwendet werden, dass der Schalter geöffnet ist. Auf diese Art und Weise kann zuverlässig das Öffnen eines Relais erfasst werden und somit die nötige Sicherheit bei der Trennung des Hauptstromkreises durch die Auswerteschaltung ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung einen Optokoppler aufweist. Der Optokoppler dient dazu, den elektrischen Schaltkreis mit dem Hilfskontakt und dem Signalgenerator galvanisch zu trennen und somit die Spannung der Auswerteschaltung potentialfrei zu erfassen.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen Hilfskontakt und Signalgenerator eine galvanische Trennung, insbesondere ein Transformator, vorgesehen ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist eine galvanische Trennung zwischen dem Hilfskontakt und dem Signalgenerator vorhanden, so dass der Hilfskontakt und der Stromkreis mit dem Signalgenerator von dem Stromkreis des Schalters potentialfrei getrennt werden. Der Hilfskontakt des Schalters befindet sich somit auf der Sekundärseite der galvanischen Trennung, so dass der Schalter potentialfrei vom Signalkreis getrennt ist. Auch diese galvanische Trennung dient der elektrischen Sicherheit. Dabei ist es auch möglich, die beiden galvanischen Trennungen zu kombinieren und sowohl einen Transformator zur galvanischen Trennung des Signalgenerators und des Hilfskontakts des Schalters sicherzustellen und eine zweite galvanische Trennung vorzusehen, die den elektrischen Schaltkreis zur Auswerteschaltung über einen Optokoppler trennt. Auf diese Art und Weise wird sich durch die doppelte galvanische Trennung die elektrische Sicherheit weiter erhöhen. Durch das Vorsehen des Transformators erfolgt das Einkoppeln und/oder Auskoppeln einer Wechselspannung des Signalgenerators in den Schaltkreis mit dem Hilfskontakt rein induktiv.
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In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Signalgenerator eine zusätzliche Wicklung eines Gleichspannungswandlers ist. Der erfindungsgemäße Schaltkreis kommt vorzugsweise in Ladegeräten und Ladekabeln für Elektroautos zum Einsatz. Diese Geräte enthalten immer einen Gleichspannungswandler, der Gleichspannungen verschiedener Spannungsebenen miteinander verbindet. Diese Gleichspannungswandler arbeiten mit einer Taktfrequenz, welche einem Wechselspannungssignal entspricht. Dieses Wechselspannungssignal kann als Prüfsignal ausgekoppelt werden und einen separaten Signalgenerator ersetzen. Auf diese Art und Weise ist es einfach möglich, am Gleichspannungswandlers eine zusätzliche Wicklung vorzusehen, welche das Wechselspannungssignal für den elektrischen Schaltkreis zur Erfassung des Öffnungszustands des Schalters erzeugt. Bei dieser Lösung ist die zusätzliche Wicklung des Gleichspannungswandlers zugleich der Signalgenerator für den erfindungsgemäßen elektrischen Schaltkreis.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1: einen erfindungsgemäßen elektrischen Schaltkreis zur Erfassung des Öffnungszustands eines Schalters mit einer galvanischen Trennung über einen Trenntransformator zwischen Schalter und Signalgenerator und
- 2: den Schaltkreis gemäß 1 mit einer zusätzlichen Potentialtrennung mittels Optokoppler bei Abgabe eines Spannungssignals zur Auswertung des Öffnungszustands des Schalters.
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In 1 ist ein elektrischer Schaltkreis zur Erfassung des Öffnungszustands eines Schalters Rel-L1/N abgebildet, bei dem ein Relais im Leiter bzw. Nullleiter auf seine Funktionsfähigkeit überprüft wird. Dieser elektrische Schaltkreis ist Bestandteil einer hier nicht abgebildeten Schaltung eines Ladekabels bzw. Ladegeräts für Elektrofahrzeuge. Bei dem Relais im Leiter/Nullleiter Rel-L1/N muss sichergestellt werden, dass dieses im Kurzschlussfall den Strom sicher führt, so dass ein hier nicht gezeigter FI-Schutzschalter den Kurzschlussstrom erfassen und abschalten kann. Sollte ein Verschweißen der Kontakte des Relais Rel-L1/N festgestellt werden, so muss diese Fehlfunktion erfasst und angezeigt werden. Das Relais Rel-L1/N ist so aufgebaut, dass bei geschlossenem Schalter, der Hauptkontakt des Relais Rel-L1/N geschlossen ist und der Hilfskontakt offen ist. In 1 ist der Schalter Rel-L1/N in der geöffneten Position gezeigt. In der geöffneten Position des Schalters Rel-L1/N wird zugleich die Sekundärseite eines erfindungsgemäßen elektrischen Schaltkreises zur Erfassung des Öffnungszustands des Schalters Rel-L1/N geschlossen. In diesem elektrischen Schaltkreis fließt ein Strom, welcher durch eine Wechselspannung eines Signalgenerators G erzeugt wird. Dieser Signalgenerator G erzeugt ein Wechselspannungssignal mit einer Frequenz von z.B. 20 Kilohertz. In dem Schaltkreis sind weiterhin Widerstände R1, R2, R3 vorgesehen sowie Kondensatoren C1, C2 und eine Diode D1, welche das Wechselspannungssignal des Signalgenerators G gleichrichten und so eine Gleichspannung U-out erzeugen. Diese Spannung U-out verändert sich und sinkt ab, wenn der Schalter Rel-L1/N geschlossen wird, da dann der erfindungsgemäße elektrische Schaltkreis mit dem Hilfskontakt und dem Signalgenerator entsprechend geöffnet wird und so sekundärseitig kein Strom mehr fließt. Diese Spannungsveränderung U-out kann ausgewertet werden und es kann daraus geschlossen werden, dass der Schalter Rel-L1/N im Leiter bzw. Nullleiter geschlossen ist. Sollte sich der Schalter Rel-L1/N nicht mehr öffnen lassen, so kann der erfindungsgemäße elektrische Schaltkreis mit dem Signalgenerator G und dem Hilfskontakt sekundärseitig nicht mehr geschlossen werden, so dass die entsprechende Spannung, welche mit einem sicheren Öffnen des Schalters Rel-L1/N in Verbindung steht, am Ausgang U-out nicht mehr erzeugt werden kann. In diesem Fall wird ein Verschweißen der Hauptkontakte des Schalters Rel-L1/N erfasst und eine Sicherheitsabschaltung ausgelöst. Sekundärseitig ist der Schalter Rel-L1/N dabei immer galvanisch durch einen Koppeltransformator Tr/Tr1 vom Rest des Schaltkreises getrennt.
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In 2 ist eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung abgebildet, bei der zusätzlich im erfindungsgemäßen elektrischen Schaltkreis zur Erfassung des Öffnungszustands des Schalters L-L1/N ein Optokoppler 1 vorgesehen ist, welcher auch die Auswerteeinrichtung galvanisch trennt. Die ausgewertete Ausgangsspannung U-out ist somit von dem elektrischen Schaltkreis zur Erfassung des Öffnungszustands des Schalters Rel-L1/N ebenfalls galvanisch getrennt. Es findet somit eine doppelte galvanische Trennung durch den Optokoppler 1 und den Koppeltransformator Tr, Tr1 statt.
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Mit beiden Schaltungen gemäß 1 und 2 ist es möglich, auch den N-Leiter zu überwachen und auf eine kapazitive Einkopplung der Prüfspannung auf die Kontakte zu verzichten, so dass eine störungsfreie Auswertung erfolgen kann. Durch die in 2 mögliche doppelte galvanische Trennung wird die elektrische Sicherheit zudem weiter erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optokoppler
- L1
- Leiter
- N
- Nullleiter
- Rel-L 1/N
- Relais im Leiter/Nullleiter
- Tr
- Primärwicklung
- Tr1
- Sekundärwicklung
- C1, C2
- Kondensatoren
- D1
- Diode
- R1, R2
- Widerstände
- Ucc
- Versorgungsspannung des Optokopplers
- U-out
- Ausgangsspannung
- G
- Signalgenerator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011105112 A1 [0003]
- DE 102015211510 A1 [0004]
