DE102020103468B4

DE102020103468B4 - Verfahren und system zum betrieb eines elektromagnetischen schalters

Info

Publication number: DE102020103468B4
Application number: DE102020103468.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Wortberg; Florian Munker
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: DE102020103468A1; WO2021160452A1; CN115053315A

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters (100), insbesondere eines Schützes oder Relais, mit den Schritten:Aktivieren des Schalters (100) mit einer initialen Versorgungsspannung (Us) zum Schließen eines Magnetkreises des Schalters (100),Ansteuern, nach dem Aktvieren des Schalters (100), des Schalters (100) mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung (Us) begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom,Erhöhen, für eine definierte Zeitdauer (Δt), der Ansteuerspannung,Bestimmen einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Δt), undBestimmen einer aktuellen Versorgungsspannung (Us) vor dem Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms für die definierte Zeitdauer (Δt), wobei bei einer Versorgungsspannung (Us) kleiner einem Versorgungsspannungs-Schwellenwert der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer (Δt), der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms ausgesetzt wird bis der Versorgungsspannungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters, bei dem es sich beispielsweise um einen Schütz oder um ein Relais handeln kann.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verfahrens oder Systems im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, bei dem es sich beispielsweise um ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wie ein Elektroauto, Hybrid-Fahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, handeln kann.
Stand der Technik
Aus der Praxis der Fahrzeugtechnik ist bekannt, dass insbesondere in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen elektromagnetische Schalter, wie etwa Schütze, verwendet werden, um beispielsweise eine Leistungselektronik des Kraftfahrzeugs mit einem Energiespeicher, wie etwa einer Batterie, wahlweise zu verbinden und zu trennen. Dies kann beispielsweise in einem Hochvolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
Die Aktivierung des Schalters kann beispielsweise aus einem Niedervolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs heraus erfolgen. Während des Produktlebenszyklus des Kraftfahrzeugs kann dabei eine Situation auftreten, in der das Niedervolt-Bordnetz nur eine Spannung zur Verfügung stellen kann, die unterhalb der eigentlichen Nennspannung, beispielsweise von 12 V, liegt, wenn beispielsweise die entsprechende Fahrzeugbatterie des Niedervolt-Bordnetzes tiefentladen ist oder ähnliches. Lediglich exemplarisch kann eine solche reduzierte Spannung bei kleiner 10 V, beispielsweise auch nur bei etwa 7 V, liegen. Bei der Aktivierung und/oder Ansteuerung des Schalters mit einer derart niedrigen Spannung, können Kontakte des Schalters zwar anliegen, jedoch kann dabei ein Magnetkreis des Schalters nicht vollständig bzw. nicht mit voller Kontaktkraft geschlossen sein. Wenn nun der Schalter im Zustand „Halten“ mit einer vergleichsweise niedrigen Spannung (über PWM reduziert) angesteuert wird, um beispielsweise die Ansteuerleistung des Schalters zu reduzieren, bleibt der Magnetkreis auch weiterhin nicht vollständig geschlossen.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass bei einem nicht vollständig geschlossenen Magnetkreis des Schalters eine entsprechende Haltekraft an den Kontakten verringert sein kann, in extremen Fällen auch signifikant um mehr als 50 % der Soll-Haltekraft. Dies kann während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs zu einem unerwünschten Öffnen des Schalters unter Laststrom führen, was sich nachteilig auf die Funktionssicherheit oder Fahrsicherheit auswirken kann und ggf. auch den Schalter durch z.B. Lichtbogenbildung schädigen kann.
Die DE 10 2013 223 434 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Schützes mit Haltestromeinstellung mittels PWM. Die WO 2019 / 106 488 A1 offenbart eine Haushaltsgerätevorrichtung.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Betrieb eines, insbesondere elektromagnetischen, Schalters hinsichtlich seiner Funktionssicherheit zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Ein erster Aspekt stellt ein Verfahren zum Überprüfen eines Schaltzustands eines elektromagnetischen Schalters, insbesondere eines Schützes oder Relais, zur Verfügung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

Aktivieren des Schalters mit einer initialen Versorgungsspannung zum Schließen eines Magnetkreises des Schalters.
Ansteuern, nach dem Aktvieren des Schalters, des Schalters mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom, insbesondere Haltestrom.
Erhöhen, für eine definierte Zeitdauer, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms.
Bestimmen einer Induktivität des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer.

Das Verfahren kann zumindest teilweise oder vollständig computer-implementiert sein, vorzugsweise in Form von Hardware und/oder Software. Hierfür kann ein System gemäß dem unten stehend beschriebenen zweiten Aspekt verwendet werden. Die oben beschriebenen Verfahrensschritte können insbesondere durch einen oder mehrere Mikrocontroller und ggf. mit zusätzlicher Messeinrichtung, wie einer Strommesseinrichtung, einer Widerstandsmesseinrichtung, einer Spannungsmesseinrichtung usw., durchgeführt werden.
Der Schalter, insbesondere Schütz, kann für höhere Schaltleistungen bestimmt sein und fernbetätigbar sein. Der Schalter bzw. seine Schaltungen können zwei Stromkreise umfassen, nämlich einen Steuerstromkreis und einen Hauptstromkreis. Fließt ein Steuerstrom durch einen Magnetkreis bzw. eine Magnetspule des Schalters, zieht das Magnetfeld, insbesondere mechanisch ausgeführte, Kontakte in einen aktiven Zustand. Ohne Strom kann eine Feder den Ruhezustand wieder herstellen, so dass die Kontakte wieder in ihre Ausgangslage zurückkehren. Im aktivierten Zustand schließt der Magnetkreis des Schalters, wobei sich ein Luftspalt des Magnetkreises verkleinert oder gar Null wird.
Die definierte Zeitdauer kann im Bereich von einem Sekundenbruchteil, etwa im Millisekunden-Bereich liegen, wobei sich beispielsweise 1 ms bis 50 ms, vorzugsweise 5 ms bis 20 ms, besonders bevorzugt etwa 10 ms, als zweckmäßig erwiesen haben. Hiermit lässt sich eine aussagekräftige Induktivitätsmessung bewerkstelligen, ohne den Betrieb des Schalters zu stören oder zu gefährden, z.B. durch thermische Überbeanspruchung infolge hohen Stromflusses oder ähnliches.
Das zeitweise Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms kann nach dem vorherigen Aktivieren des Schalters nochmals eine Schließkraft auf den Magnetkreis bzw. auf die Kontakte des Schalters ausüben, so dass sich während der Ansteuerung bzw. bei der hier durchgeführten Erhöhung der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms der Schließzustand des Schalters nochmals ändern kann. Das Erhöhen der Ansteuerspannung kann beispielsweise durch hardware- und/oder softwarebasiertes Steuern oder Regeln des Steuerstromkreises erfolgen.
Das Bestimmen der Induktivität kann direkt oder indirekt erfolgen, z.B. durch Berechnen der Induktivität anhand der Werte der initialen Versorgungsspannung, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms, eines Stromanstiegs durch Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms, und der definierten Zeitdauer.
Die Induktivität des wenigstens einen Magnetkreises mit einem Luftspalt ist abhängig von z.B. der Größe, insbesondere Weite, des Luftspalts. Ist der Magnetkreis vollständig bzw. wie gewünscht geschlossen, so ergibt sich ein entsprechender Wert der Induktivität, z.B. von etwa 310 mH. Ist der Luftspalt im Magnetkreis nicht richtig geschlossen, beispielsweise mit einem Luftspalt von 0,8 mm, so ergibt sich ein anderer, eher reduzierter Wert der Induktivität, beispielsweise von etwa 170 mH. Die Induktivitätsbestimmung erlaubt es also, den Schaltzustand und/oder Schließzustand des Schalters zu überprüfen bzw. zu diagnostizieren.
Mit diesem Verfahren kann der Betrieb des Schalters hinsichtlich seiner Funktionssicherheit verbessert werden, da der Schaltzustand und/oder Schließzustand des Schalters überprüft bzw. diagnostiziert werden kann. Dadurch ist es u.a. möglich, frühzeitig auf einen nicht optimalen Schalt- oder Schließzustand zu reagieren und ggf. geeignete Ersatzmaßnahmen zu ergreifen. Auch lässt sich durch geeignete Ersatzmaßnahmen die thermische Beanspruchung des Schalters reduzieren, indem noch vor einer Lichtbogenbildung durch z.B. ungewollt öffnende Kontakte infolge einer zu geringen Haltekraft entsprechend reagiert wird. Dennoch lässt sich der Schalter nach seiner Aktivierung mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom (Haltestrom) betreiben, so dass die Ansteuerleistung und/oder die thermische Belastung des Schalters während des Betriebs reduziert werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung wird anhand der bestimmten Induktivität des Magnetkreises der Schaltzustand des Schalters überprüft. Das Ergebnis der Überprüfung kann umfassen, dass der Ist-Schaltzustand dem Soll-Schaltzustand entspricht oder nicht. Anhand des Ergebnisses können verschiedene Ersatzmaßnahmen ergriffen werden, wie etwa eine erneute Ansteuerung des Schalters ohne Sparschaltung, eine Abschaltung des Kraftfahrzeugs oder Teilen davon, usw.
In einer Weiterbildung kann anhand der bestimmten Induktivität des Magnetkreises im Vergleich zu einem Induktivitäts-Schwellenwert auf einen Schließzustand des Schalters geschlossen werden, wobei eine bestimmte Induktivität kleiner dem Induktivitäts-Schwellenwert einen nicht-vollständigen Schließzustand angibt und eine bestimmte Induktivität größer gleich dem Induktivitäts-Schwellenwert einen vollständigen Schließzustand angibt.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom durch eine Sparschaltung oder einen Economizer abgesenkt oder begrenzt werden. Unter dem Begriff Economizer sind Einrichtungen bekannt, die es erlauben, die Ansteuerleistung zu reduzieren, so dass der Stromverbrauch und die Erhitzung einer Spule des Schalters reduziert werden können.
In einer Weiterbildung kann die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom mittels Pulsweitenmodulation, PWM, bereitgestellt werden. Die PWM kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller mit einem oder mehreren integrierten PWM-Modulen bewerkstelligt werden, womit ohne CPU-Belastung PWM-Signale generiert werden können. Es ist aber auch möglich, eine Softwarelösung zu verwenden. Dabei kann beispielsweise die CPU des Mikrocontrollers die PWM-Generierung vornehmen. Dadurch kann die Ansteuerleistung reduziert werden, so dass der Stromverbrauch und die Erhitzung einer Spule des Schalters reduziert werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms umfassen:

Erhöhen eines Tastgrads einer Pulsweitenmodulation, PWM, unter Verwendung einer aktuellen Versorgungsspannung, die höher ist als die initiale Versorgungsspannung.

In einer Weiterbildung kann das Verfahren ferner den Schritt aufweisen:

Bestimmen einer aktuellen Versorgungsspannung vor dem Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms für die definierte Zeitdauer, wobei
bei einer Versorgungsspannung kleiner einem Versorgungsspannungs-Schwellenwert der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms ausgesetzt wird bis der Versorgungsspannungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten ist.

Gemäß einer Weiterbildung kann der Schritt des Bestimmens einer Induktivität des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfassen:

Bestimmen eines Start-Stromwerts vor Beginn der definierten Zeitdauer,
Bestimmen eines Stromanstiegs während der definierten Zeitdauer oder Bestimmen eines End-Stromwerts nach Ablauf der definierten Zeitdauer und Berechnen des Stromanstiegs aus dem End-Stromwert und dem Start-Stromwert, und
Berechnen der Induktivität unter Verwendung des bestimmten oder berechneten Stromanstiegs.

Gemäß einer Weiterbildung kann der Schritt des Bestimmens einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfassen:

Messen eines Stromanstiegs als Reaktion auf die Erhöhung der Ansteuerspannung nach Ablauf der definierten Zeitdauer, und
Bestimmen der Induktivität des Magnetkreises als Quotient aus Änderung der Ansteuerspannung und Änderung des Ansteuerstromes multipliziert mit der Zeitdauer.

In einer Weiterbildung kann der Schritt des Bestimmens einer Induktivität des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfassen:

Vergleichen der bestimmten Induktivität mit früheren Induktivitätsbestimmungen und/oder
Verwenden eines Maschinenlernen-Algorithmus, dem Trainingsdaten aus früheren Induktivitätsbestimmungen zugrunde liegen.

einen elektromagnetischen Schalter, der zum Schließen seines Magnetkreises mit einer initialen Versorgungsspannung aktivierbar und nach der Aktivierung zum Halten seines Schließzustands ansteuerbar ist, und
wenigstens einen Mikrocontroller, der dazu eingerichtet ist:
- den Schalter, nach dem Aktvieren des Schalters, mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom anzusteuern,
- die Ansteuerspannung und/oder den Ansteuerstrom für eine definierte Zeitdauer zu erhöhen, und
- eine Induktivität des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer zu bestimmen.

Der Schalter kann der oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebene Schalter, also insbesondere ein Schütz, sein. Der Mikrocontroller muss nicht zwingend eine einzelne Komponente sein, sondern kann auch verteilt, z.B. mit mehreren Komponenten, ausgeführt sein. Der Mikrocontroller kann entweder selbst eine oder mehrere integrierte Schaltungen, Software-Module usw. aufweisen, um die vorstehenden Funktionen oder die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Funktionen, wie Strommessung, Widerstandsmessung, usw. durchzuführen. Der Mikrocontroller kann aber auch mit externen Einrichtungen, wie Messeinrichtungen usw., zusammenwirken und entsprechende Signale von diesen erhalten und verarbeiten.
Ein dritter Aspekt betrifft die Verwendung eines Systems zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters gemäß dem vorhergehenden Anspruch in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei der Schalter je nach Schaltzustand eine Leistungselektronik des Kraftfahrzeugs mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs koppelt, und das System den Schaltzustand des Schalters überprüft und in Abhängigkeit eines Überprüfungsergebnisses eine Funktion des Kraftfahrzeugs beeinflusst.
Diese Verwendung ermöglicht eine hohe Funktionssicherheit, da der Schalt- und/oder Schließzustand des Schalters zuverlässig überwacht bzw. diagnostiziert werden kann.
Die Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsformen und den begleitenden Figuren.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug mit einem System gemäß einer Ausführungsform und
2 in einem schematischen Blockschaltbild ein System gemäß einer weiteren Ausführungsform.

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 in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich hier exemplarisch um ein batteriebetriebenes Elektroauto handelt. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Energiespeicher 10 in Form eines Batteriesystems und eine Leistungselektronik 20 auf, die beispielsweise einen Spannungswandler usw. umfasst. Zwischen dem Energiespeicher 10 und der Leistungselektronik 20 sind ein oder mehrere Schalter 100 angeordnet, um die Pole des Energiespeichers 10 im Bedarfsfall von der Leistungselektronik abzutrennen.
Der Schalter 100 ist ein elektromagnetischer Schalter in Form eines Schützes, der im Wesentlichen einen Steuerstromkreis und einen Hauptstromkreis aufweist. Der Steuerstromkreis dient zur Steuerung des Schützes und beim Hauptstromkreis handelt es sich um den Stromkreis, der geschaltet wird. Zudem weist der Schalter 100 einen Magnetkreis mit einem Luftspalt auf. Ein solcher Schalter 100 ist im Allgemeinen bekannt, so dass hier auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet wird.
2 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild ein System zum Betrieb des Schalters 100. Dieser ist zum Schließen seines Magnetkreises mit einer initialen Versorgungsspannung U_s aktivierbar, die von einem Bordnetz, insbesondere von einem Niedervolt-Bordnetz, des Kraftfahrzeugs 1 zur Verfügung gestellt wird, und nach der Aktivierung zum Halten seines Schließzustands, die typischerweise nach wenigen Millisekunden beendet ist, mit einer Pulsweitenmodulation PWM als eine Art Sparschaltung beaufschlagbar, um insbesondere im Haltezustand die Leistung abzusenken und so Energie einzusparen. Die PWM ist insbesondere dazu eingerichtet, den Schalter 100 mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom anzusteuern. Die PWM kann auch als Sparschaltung oder Economizer bezeichnet werden. Funktional betrachtet, begrenzt die PWM den Ansteuerstrom und/oder die Ansteuerspannung des Schalters 100.
Das System zum Betrieb des Schalters 100 weist ferner einen Mikrocontroller 200 auf, der mit dem Schalter 100 funktional verbunden ist. Der Mikrocontroller 200 ist beispielsweise Teil eines elektronischen Steuergeräts oder eines Steuergeräteverbunds des Kraftfahrzeugs 1. Der Mikrocontroller 200 ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Induktivität des Magnetkreises des Schalters 100 während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer zu bestimmen. Auch die oben beschriebene PWM kann beispielsweise in Form eines PWM-Moduls Teil des Mikrocontrollers 200 sein. Ferner ist der Mikrocontroller 200 dazu eingerichtet, für eine definierte Zeitdauer die Ansteuerspannung und/oder den Ansteuerstrom des Schalters 100 zu erhöhen, wobei die Zeitdauer vorzugsweise im Bereich von Millisekunden (ms) liegt. Hierzu kann eine Spannung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs 1 verwendet werden, die ggf. auch von derselben Spannungsquelle, wie etwa einer Fahrzeugbatterie, zur Verfügung gestellt werden kann wie die oben erwähnte Versorgungsspannung U_s. Zur Erhöhung der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms kann auch der Tastgrad der Pulsweitenmodulation, PWM, unter Verwendung der aktuellen Versorgungsspannung U_s, die höher ist als die initiale Versorgungsspannung, erfolgen. Zudem ist der Mikrocontroller 200 dazu eingerichtet, eine Induktivität L des Magnetkreises des Schalters 100 während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer zu bestimmen, wie etwa einen Strom, eine Stromdifferenz oder einen Stromanstieg zu messen und daraus die Induktivität L zu berechnen. Der Mikrocontroller 200 ist auch dazu eingerichtet, vor dem Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms für die definierte Zeitdauer die Versorgungsspannung Us, beispielsweise durch eine Spannungsmessung oder durch Informationen aus Signalen des Bordnetzes usw., zu bestimmen und bei einer Versorgungsspannung kleiner einem Versorgungsspannungs-Schwellenwert den Schritt des Erhöhens der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms auszusetzen, bis der Versorgungsspannungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten ist. Der Versorgungsspannungs-Schwellenwert kann beispielsweise bei etwa 8 V bis 12 V, vorzugsweise bei etwa 9,5 V liegen.
Der Betrieb des Schalters 100 bzw. ein dazu geeignetes Verfahren kann wie nachfolgend beschrieben ablaufen.
Als exemplarische Ausgangssituation kann davon ausgegangen werden, dass das Kraftfahrzeug 1 bzw. das oben beschriebene System dazu eingerichtet ist, den Schalter 100 beispielsweise aus dem Niedervolt-Bordnetz, z.B. durch eine 12 V-Fahrzeugbatterie oder ähnliches, heraus zu aktivieren. Beispielsweise nach einem längeren Stand des Kraftfahrzeugs 1, bei ungünstigen Witterungsverhältnissen oder ähnlichen Randbedingungen, kann die im Niedervolt-Bordnetz verfügbare Versorgungsspannung Us vergleichsweise niedrig sein, z.B. lediglich etwa 7 V betragen. D.h., dass zur Aktivierung des Schalters 100 eine vergleichsweise niedrige Steuerspannung verwendet wird, die zwar ausreichen kann, damit die Kontakte des Schalters 100 anliegen, der Schalter 100 jedoch nicht vollständig geschlossen ist bzw. nur eine geringe Haltekraft an den Kontakten aufweist.
Deshalb wird nach dem Aktivieren des Schalters 100, wozu die initiale Versorgungsspannung U_s, hier also beispielhaft etwa 7 V, der Schalter 100 zwar zunächst mit der oben erwähnten PWM, d.h. einer gegenüber der Versorgungsspannung Us begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom betrieben, wobei dann jedoch für eine definierte, d.h. bekannte oder bestimmte, Zeitdauer Δt die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom erhöht wird. Dies kann beispielsweise durch ein Durchschalten der PWM auf einen ausreichenden Spannungswert erreicht werden. D.h., dass insbesondere der Tastgrad der PWM so gesteuert wird, dass am Schalter 100 eine Spannung größer oder gleich dem oben erwähnten Versorgungsspannungs-Schwellenwert anliegt. Sollte der Schalter 100 noch nicht vollständig geschlossen sein, kann diese zeitweise Erhöhung der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms eine zusätzliche, bzw. zeitlich betrachtet nachträgliche, Schließkraft auf den Magnetkreis bzw. die Kontakte des Schalters 100 aufbringen.
Während der definierten Zeitdauer Δt kann dann mittels des Mikrocontrollers 200 der Strom, die Stromdifferenz oder der Stromanstieg ΔI, z.B. mittels direkter oder indirekter Strommessung bestimmt werden. Hierzu kann beispielsweise zunächst der Start-Stromwert vor Beginn der definierten Zeitdauer Δt bestimmt werden. Dann kann der Stromanstieg ΔI während der definierten Zeitdauer Δt bestimmt werden. Oder es wird der End-Stromwert nach Ablauf der definierten Zeitdauer Δt bestimmt und der Stromanstieg ΔI aus dem End-Stromwert und dem Start-Stromwert berechnet. Sodann kann die Induktivität L durch den Mikrocontroller 200 berechnet werden, wobei sich diese beispielsweise berechnen bzw. bestimmen lässt zu: $L = (U_{S} - I_{P W M} R) Δ t / Δ I$
mit L als Induktivität, R als Widerstand der Spule(n), I_PWM als Ansteuerstrom der PWM, Δt als definierte Zeitdauer und ΔI als Stromdifferenz- oder Stromanstieg.
Zur besseren Veranschaulichung soll die Induktivität L mit exemplarischen Zahlenwerten für einen beispielhaften Schalter 100 kurz berechnet werden. Hierbei kann davon ausgegangen werden, dass die PWM, die Sparschaltung bzw. der Economizer den Strom I_PWM auf ca. 0,74 A steuert oder regelt. R wird, beispielsweise durch eine Widerstandsmessung oder auf Basis einer Spezifikation des Schalters 100, mit ca. 5,7 Ohm bestimmt. Dann wird - beispielsweise durch Erhöhen des Tastgrads der PWM, die Spannung Us auf ca. 12 V erhöht und z.B. messtechnisch bestimmt, und zwar für die definierte Zeitdauer Δt von ca. 10 ms. Hierbei erhöht sich der Strom von 0,74 A auf z.B. etwa 0,98 A, also einer Stromdifferenz ΔI von etwa 0,24 A. Daraus ergibt sich die Induktivität L mit diesen exemplarischen Zahlenwerten zu: $L = \frac{(12 V - 4,2 V) 10 m s}{0,24 A} = 325 m H .$
Ist im Fehlerfall der Magnetkreis nicht geschlossen oder nicht vollständig geschlossen und es verbleibt infolgedessen ein Spalt von 0,8 mm, so ergibt sich in der Zeit von 10 ms ein Stromanstieg auf 0,5 A. Die Induktivität wird dann von der Diagnoseeinheit bestimmt zu: $L = \frac{(12 V - 4,2 V) 10 m s}{0,5 A} = 156 m H .$
Diese nun bestimmte Induktivität L des Magnetkreises kann mit einem Induktivitäts-Schwellenwert verglichen werden, um daraus auf einen Schließzustand und/oder Schaltzustand des Schalters 100 zu schließen. Bei den obigen exemplarischen Zahlenwerten kann z.B. eine Induktivität L größer gleich 300 mH als ausreichende Aktivierung bzw. Schließung bzw. i.O. und eine Induktivität L kleiner 200 mH als nicht ausreichende Aktivierung bzw. Schließung bzw. n.i.O. erachtet werden. Selbstverständlich kann der konkrete Schwellenwert von den exemplarischen Zahlenwerten abweichen. Bei einem dazwischen liegenden Induktivitäts-Schwellenwert kann die Bestimmung der Induktivität L und/oder die Messungen ein oder mehrere Male wiederholt werden, also nochmals die Spannung erhöht werden usw.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
10: Energiespeicher
20: Leistungselektronik
100: Schalter
200: Mikrocontroller

Claims

Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters (100), insbesondere eines Schützes oder Relais, mit den Schritten: Aktivieren des Schalters (100) mit einer initialen Versorgungsspannung (Us) zum Schließen eines Magnetkreises des Schalters (100), Ansteuern, nach dem Aktvieren des Schalters (100), des Schalters (100) mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung (Us) begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom, Erhöhen, für eine definierte Zeitdauer (Δt), der Ansteuerspannung, Bestimmen einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Δt), und Bestimmen einer aktuellen Versorgungsspannung (Us) vor dem Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms für die definierte Zeitdauer (Δt), wobei bei einer Versorgungsspannung (Us) kleiner einem Versorgungsspannungs-Schwellenwert der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer (Δt), der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms ausgesetzt wird bis der Versorgungsspannungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei anhand der bestimmten Induktivität (L) des Magnetkreises der Schaltzustand des Schalters (100) überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei anhand der bestimmten Induktivität (L) des Magnetkreises im Vergleich zu einem Induktivitäts-Schwellenwert auf einen Schließzustand des Schalters (100) geschlossen wird, eine bestimmte Induktivität (L) kleiner dem Induktivitäts-Schwellenwert einen nicht-vollständigen Schließzustand angibt, und eine bestimmte Induktivität (L) größer gleich dem Induktivitäts-Schwellenwert einen vollständigen Schließzustand angibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom durch eine Sparschaltung (PWM) oder einen Economizer abgesenkt oder begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom mittels Pulsweitenmodulation, PWM, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer (Δt), der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms umfasst: Erhöhen eines Tastgrads einer Pulsweitenmodulation, PWM, unter Verwendung einer aktuellen Versorgungsspannung (Us), die höher ist als die initiale Versorgungsspannung (Us).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters (100) während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfasst: Bestimmen eines Start-Stromwerts vor Beginn der definierten Zeitdauer (Δt), Bestimmen eines Stromanstiegs während der definierten Zeitdauer (Δt)oder Bestimmen eines End-Stromwerts nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Δt) und Berechnen des Stromanstiegs aus dem End-Stromwert und dem Start-Stromwert, und Berechnen der Induktivität unter Verwendung des bestimmten oder berechneten Stromanstiegs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters (100) während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Δt) umfasst: Messen eines Stromanstiegs als Reaktion auf die Erhöhung der Ansteuerspannung nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Δt), und Bestimmen der Induktivität (L) des Magnetkreises als Quotient aus Änderung der Ansteuerspannung und Änderung des Ansteuerstromes multipliziert mit der Zeitdauer (Δt).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters (100) während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Δt) umfasst: Vergleichen der bestimmten Induktivität mit früheren Induktivitätsbestimmungen und/oder Verwenden eines Maschinenlernen-Algorithmus, dem Trainingsdaten aus früheren Induktivitätsbestimmungen zugrunde liegen.
System zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters, aufweisend einen elektromagnetischen Schalter (100), der zum Schließen seines Magnetkreises mit einer initialen Versorgungsspannung (Us) aktivierbar und nach der Aktivierung zum Halten seines Schließzustands ansteuerbar ist, und wenigstens einen Mikrocontroller (200), der dazu eingerichtet ist: den Schalter (100), nach dem Aktvieren des Schalters (100), mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung (Us) begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom anzusteuern, die Ansteuerspannung für eine definierte Zeitdauer (Δt) zu erhöhen, und eine Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters (199) während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Δt) zu bestimmen, und wobei der Schalter (100) ferner ausgebildet ist, eine aktuelle Versorgungsspannung (Us) vor dem Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms für die definierte Zeitdauer (Δt) zu bestimmen, wobei bei einer Versorgungsspannung (Us) kleiner einem Versorgungsspannungs-Schwellenwert der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer (Δt), der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms ausgesetzt wird bis der Versorgungsspannungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten ist.
Verwendung eines Verfahrens oder Systems zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs (1), wobei der Schalter (100) je nach Schaltzustand eine Leistungselektronik (20) des Kraftfahrzeugs (1) mit einer Batterie (10) des Kraftfahrzeugs (1) koppelt, und das System den Schaltzustand des Schalters (100) überprüft und in Abhängigkeit eines Überprüfungsergebnisses eine Funktion des Kraftfahrzeugs (1) beeinflusst.