DE102020111349B4

DE102020111349B4 - Leistungsaufnahmereduktion einer Relaisschaltung für Elektrofahrzeuge bei hohen Betriebsspannungen

Info

Publication number: DE102020111349B4
Application number: DE102020111349.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Schmitz; Tobias Schildbach; Frank Stehr
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2023-12-21
Anticipated expiration: 2040-04-28
Also published as: DE102020111352A1; DE102020111349A1; DE102020111350A1; DE102020111353A1

Abstract

Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglerswobei der Schaltregler einen Steuereingang (Sig) aufweistwobei der Steuereingang (Sig) zumindest einen ersten Zustand, im Folgenden Ein-Zustand genannt, und einen zweiten Zustand, im Folgenden Aus-Zustand genannt, aufweist undwobei der Schaltregler eine Versorgungsspannungsleitung (VDD) auf einer Versorgungsspannung (Vbat) gegenüber einem Bezugspotenzial in einer Bezugspotenzialleitung (GND) aufweist, die den Schaltregler mit elektrischer Energie versorgt undwobei der Schaltregler im Aus-Zustand des Steuereingangs (Sig) mit Ausnahme eines Stromes (Id) durch eine Freilaufdiode (D1) die Relaisspule (L) nicht bestromt undwobei der Schaltregler im Ein-Zustand des Steuereingangs (Sig) an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (VRel) anlegt, die weniger als 25% von der Versorgungsspannung (Vbat) abweicht und die nicht moduliert ist, wenn die mittlere Relaisspannung (VRel,av) unter einem Schwellwert (VNom2) liegt undwobei der Schaltregler im Ein-Zustand des Steuereingangs (Sig) an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (VRel) anlegt, die im Betragsmaximum weniger als 25% von dem Betrag der Versorgungsspannung (Vbat) abweicht und die mit einem Modulationssignal, insbesondere einem PWM- und/oder einem PDM-Signal und/oder einem anderen pulsmodulierten Signal, moduliert ist, wenn die mittlere Relaisspannung (VRel,av) über dem Schwellwert (VNom2) liegtgekennzeichnet dadurch,wobei der Schaltregler Mittel (VM) zur Erfassung der Versorgungsspannung (Vbat) aufweist.

Description

Feld der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf die Verwendung einer Vorrichtung zur Versorgung der Relaisspule (L) eines Relais (R1) mit einer Relaisspannung (V_Rel), wobei in einer ersten Ausprägung die Versorgungsspannung (V_Bat) in einen ersten Spannungsbereich (V_NoPWM) und einen zweiten Spannungsbereich (V_PWM) aufgeteilt ist und wobei die Vorrichtung die Relaisspannung (V_Rel) im ersten Spannungsbereich (V_NoPWM) nicht moduliert und wobei die Vorrichtung die Relaisspannung (V_Rel) im zweiten Spannungsbereich (V_PWM) moduliert, insbesondere PWM-moduliert oder PDM-moduliert oder anders pulsmoduliert und wobei in einer zweiten Ausprägung die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) in einen ersten Spannungsbereich (V_RelNoPWM) und einen zweiten Spannungsbereich (V_RelPWM) aufgeteilt ist und wobei die Vorrichtung die Relaisspannung (V_Rel) im ersten Spannungsbereich (V_RelNoPWM) der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) nicht moduliert und wobei die Vorrichtung die Relaisspannung (V_Rel) im zweiten Spannungsbereich (V_RelPWM) der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) moduliert, insbesondere pulsmoduliert und/oder PWM-moduliert und/oder PDM-moduliert. Entsprechende Verfahren und Verwendungen sowie eine Testverwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung werden ebenfalls beschrieben.
Allgemeine Einleitung
Im Zuge der weiteren Verbreitung von Elektrofahrzeugen, stellt sich immer mehr die Aufgabe, durch geeignete Schalter bei hohen Spannungen Leitungen zu trennen oder anzuschließen. Hierbei sind Anforderungen der galvanischen Trennung zu erfüllen, die auch heute noch den Einsatz von Relais geboten erscheinen lassen.
Dabei tritt ein Problem mit dem Leistungsverbrauch auf, das in den 1, 2, und 5 erläutert wird. Um die Anforderungen zu erfüllen, müssen die Ansteuerschaltung und die Relaisspule des Relais auch für niedrige und hohe Versorgungsspannungen ausgelegt werden. Um eine Mindesthaltekraft auch bei niedriger Versorgungsspannung zu gewährleisten, muss die Relaisspule ein Mindestfeld erzeugen. Um aber bei den ganz hohen Betriebsspannungen keine zu großen Verluste zu erzeugen, darf die Relaisspule nicht allzu viele Windungen umfassen. In der Konsequenz wird die Relaisspule groß und damit teuer. Gleiches trifft auf das Schaltelement der Ansteuerschaltung des Relais zu. Dabei handelt es sich typischerweise um einen MOS-Transistor, dessen Stromtragfähigkeit für die großen Ströme bei maximaler Versorgungsspannung ausgelegt werden muss.
Aus dem Stand der Technik ist im Übrigen bekannt, dass im durchgeschalteten Zustand der Spannungsabfall über einen Schalttransistor eines Schaltnetzteile in erster Näherung vernachlässigbar ist und damit der Spannungsabfall über eine ggf. nachfolgende Last im durchgeschalteten Zustand des Transistors in etwa gleich der Versorgungsspannung ist.
In der technischen Lehre der EP 1 587 121 A1 erfasst ein Operationsverstärker (Bezugszeichen 4 der EP 1 587 121 A1 ) den Strom durch eine Relais-Spule mittels einer Stromerfassungsvorrichtung (Bezugszeichen 8 der EP 1 587 121 A1 ). Die Stromerfassungsvorrichtung (Bezugszeichen 8 der EP 1 587 121 A1 ) erzeugt ein Messspannungssignal, dass der Verstärker (Bezugszeichen 4 der EP 1 587 121 A1 ) auswertet. Der Verstärker (Bezugszeichen 4 der EP 1 587 121 A1 ) schaltet ein Schaltelement (Bezugszeichen 6 der EP 1 587 121 A1 ) leitend oder nicht-leitend, wenn die Messspannung des Messspannungssignals unter bzw. über einer Referenzspannung liegt. Hierdurch ergibt sich eine PWM-Ansteuerung der Relais-Spule (Bezugszeichen 7 der EP 1 587 121 A1 ).
Aus der Schrift DE 10 2007 046 634 B3 ist eine Spannungsversorgung eines Schaltgeräts mit einer, einer Schalteinrichtung vorgeschalteten, Spule bekannt, bei denen die Schalteinrichtung bei Überschreiten eines Versorgungsspannungsschwellwerts pulsweitenmoduliert angesteuert wird.
Aufgabe
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist. Ziel ist eine Reduktion der Verlustleistungen im Schaltelement und in der Relaisspule, was eine Verkleinerung dieser beiden Bauelemente und damit eine Kostenreduktion ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Verwendung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst.
Lösung der Aufgabe
Die Kernidee des hier vorgestellten Vorschlags ist die Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers und die Verwendung des Schaltelements (T1), das bisher nur zum Ein- und Ausschalten des Relais (R1) verwendet wurde, als Schaltelement dieses Schaltreglers, sodass dann die zu hohe Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung (VDD) durch diesen virtuellen neuen Schaltregler auf einen erträglichen Wert abgebaut werden kann. D.h.: Liegt die Versorgungsspannung (V_bat) auf der Versorgungsspannungsleitung (VDD) oberhalb eines ersten Schwellwerts (V_Nom), so wird der Schaltregelbetrieb aufgenommen und durch eine PWM-Modulation der Relaisspannung (V_Rel) unter Ausnutzung der Glättung des Relaisstroms (I_Rel) durch die Relaisspule (L) die effektive mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) verkleinert und damit auch der Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) verkleinert. Hierdurch kann auch das Schaltelement (T1), das zur Ansteuerung des Relais (r1) verwendet wird, einen höheren Einschaltwiderstand (R_on) aufweisen, da der geringere Relaisstrom (I_Rel) zu einer geringeren Verlustleistung in dem Schaltelement (T1) führt. Ist das Schaltelement (T1) beispielsweise ein MOS-Transistor in einer mikrointegrierten Schaltung, so kann die Chip-Fläche eines solchen Transistors sehr stark reduziert werden, was einen signifikanten, wettbewerbsentscheidenden Vorteil ermöglicht.
Spannungssteuerung
Dieser virtuelle Schaltregler weist somit typischerweise einen Steuereingang (Sig) auf, der zur Steuerung des Zustands des Relais gedacht ist. Somit weist dieser Steuereingang (Sig) typischerweise zumindest einen ersten Zustand, im Folgenden Ein-Zustand genannt, und einen zweiten Zustand, im Folgenden Aus-Zustand genannt, auf. Die Information des Steuereingangs (Sig) ist also bevorzugt binär oder digital codiert. Eine analoge Kodierung ist unüblich, aber denkbar. Dieser virtuelle Schaltregler weist eine Versorgungsspannungsleitung (VDD) auf einer Versorgungsspannung (V_bat) gegenüber einem Bezugspotenzial in einer Bezugspotenzialleitung (GND) auf, die den virtuellen Schaltregler mit elektrischer Energie versorgt. Der virtuelle Schaltregler umfasst des Weiteren Mittel (VM) zur Erfassung der Versorgungsspannung (V_bat).
Der Schaltregler bestromt im Aus-Zustand mit Ausnahme des Stromes (I_d) durch eine ggf. vorhandene Freilaufdiode (D1) die Relaisspule (L) nicht. Der Schaltregler legt im Ein-Zustand an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (V_Rel) an, die bevorzugt weniger als 25% und/oder weniger als 10% von der Versorgungsspannung (V_bat) abweicht und die nicht moduliert ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) unter einem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. Der vorgeschlagene Schaltregler mit einer Relaisspule (L) als Drosselspule legt im Ein-Zustand an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (V_Rel) an, die im Betragsmaximum weniger als 25% und/oder besser weniger als 10% von dem Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) abweicht und die mit einem Modulationssignal, insbesondere einem PWM- und/oder einem PDM-Signal und/oder einem anderen pulsmodulierten Signal, moduliert ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. Hierdurch senkt dann der Schaltregler die effektive mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über die Relaisspule (L) ab oder stabilisiert diese.
Besonders bevorzugt ist das Modulationssignal ein PWM-Signal mit einen Tatstgrad (englisch: Duty-Cycle), wobei der Tastgrad dann von der Versorgungsspannung (V_bat) abhängt, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, um die effektive mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (V_Bat) zu regeln. Alternativ kann aber das Modulationssignal beispielsweise auch ein PDM-Signal mit einer Pulsdichte sein, wobei die Pulsdichte von der Versorgungsspannung (V_bat) abhängt, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, um dann auf diese Weise die effektive mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (V_Bat) zu regeln.
Bevorzugt hängt der Tastgrad einer PWM-Modulation so von der Versorgungsspannung (V_bat) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) konstant ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. Im Falle einer PDM-Modulation hängt die Pulsdichte bevorzugt so von der Versorgungsspannung (V_bat) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt.
Das Modulationssignal weist bevorzugt eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) auf. An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass in dieser Schrift der Begriff PWM-Frequenz die Momentanfrequenz der Modulation bezeichnet. Der Begriff PWM-Frequenz wurde gewählt, weil bei Schaltreglern im Stand der Technik vorzugsweise eine PWM-Modulationen verwendet wird. Auf das Glossar wird ebenfalls hingewiesen. Die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, wird so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) und/oder die Schwankung eines Stromes (I) durch ein Schaltelement (T1) des Schaltreglers kleiner als 50% und/oder besser kleiner als 25% und/oder besser kleiner als 10% und/oder besser kleiner als 5% und/oder besser kleiner als 2% und/oder besser kleiner als 1% und/oder des mittleren Relaisstromes (I_Rel) bzw. des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) des Schaltreglers in einer PWM-Periode (T_PWM) ist. Die PWM-Frequenz (f_PWM) wird, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, im Ein-Zustand des Relais typischerweise auch so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einem Abfallen des Relais in den Aus-Zustand führt und/oder dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Schallentwicklung führt, die durch einen Menschen in 10cm Abstand zwischen Ohr des Menschen und Relaisschalter (S) und/oder Relaisspule (L) noch wahrgenommen werden kann. Um letzteres zu erreichen, sollte der Betrag der PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, höher als der Betrag der oberen Hörschwellenfrequenz (f_emax) (siehe 3) und/oder höher als 20kHz liegen.
Stromsteuerung
Bei der Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers ist auch eine Stromsteuerung denkbar, die aber weniger empfohlen ist. Der Schaltregler weist dann einen Steuereingang (Sig) auf, der zumindest einen ersten Zustand, im Folgenden Ein-Zustand genannt, und einen zweiten Zustand, im Folgenden Aus-Zustand genannt, aufweist. Der Schaltregler umfasst dann auch eine Versorgungsspannungsleitung (VDD) auf einer Versorgungsspannung (V_bat) gegenüber einem Bezugspotenzial in einer Bezugspotenzialleitung (GND), die den Schaltregler mit elektrischer Energie versorgt. Der Schaltregler weist darüber hinaus Mittel (IM) zur Erfassung des Relaisstromes (I_Rel) Versorgungsspannung (V_bat) auf. Der Schaltregler bestromt im Aus-Zustand mit Ausnahme des Stromes (I_d) durch eine ggf. vorhandene Freilaufdiode (D1) die Relaisspule (L) nicht. Der Schaltregler legt im Ein-Zustand an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (V_Rel) an, die weniger als 25% und/oder besser weniger als 10% von der Versorgungsspannung (V_bat) abweicht und die nicht moduliert ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) unter einem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. Im Gegensatz dazu, und das ist nun besonders, legt der Schaltregler jedoch im Ein-Zustand an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (V_Rel) an, die im Betragsmaximum weniger als 25% und/oder weniger als 10% von dem Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) abweicht und die nun jedoch mit einem Modulationssignal, insbesondere einem PWM- und/oder einem PDM-Signal und/oder einem pulsmodulierten Signal, moduliert ist, wenn der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt.
Bevorzugt ist das Modulationssignal ein PWM-Signal mit einen Tatstgrad (englisch: Duty-Cycle). Der Tastgrad hängt vorzugsweise von dem Betrag des Relaisstroms (I_Rel) ab, wenn der Relaisstrom (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt. Alternativ kann beispielsweise das Modulationssignal ein PDM-Signal mit einer Pulsdichte sein, wobei bevorzugt die Pulsdichte von dem Betrag des Relaisstroms (I_Rel) abhängt, wenn der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt. Dabei hängt in der Regel, aber nicht immer, der Tastgrad so von dem Betrag des Relaisstroms (I_Rel) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt.
Entsprechend kann alternativ beispielsweise die Pulsdichte so von dem Betrag des Relaisstroms (I_Rel) abhängen, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt.
Das Modulationssignal weist bevorzugt eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/_PWM) auf. Auf die obigen Ausführungen zur PWM-Frequenz (f_PWM) wird ausdrücklich hingewiesen. Die PWM-Frequenz (f_PWM) ist, wenn der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt, typischerweise so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) und/oder die Schwankung eines Stromes (I) durch ein Schaltelement (T1) des Schaltreglers kleiner als 50% und/oder besser kleiner als 25% und/oder besser kleiner als 10% und/oder besser kleiner als 5% und/oder besser kleiner als 2% und/oder besser kleiner als 1% und/oder des mittleren Relaisstromes (I_Rel) bzw. des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) des Schaltreglers in einer PWM-Periode (T_PWM) ist.
Auch hier, wie in der übrigen hier vorliegenden Schrift weist bevorzugt das Modulationssignal eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) auf, wobei die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt, im Ein-Zustand des Relais (R1) so hoch gewählt ist, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einem Abfallen des Relais (R1) in den Aus-Zustand führt.
Auch hier wird die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt, in der Regel so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Schallentwicklung führt, die durch einen Menschen in 10cm Abstand zwischen Ohr des Menschen und Relaisschalter (S) und/oder Relaisspule (L) noch wahrgenommen werden kann.
Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Betrag der PWM-Frequenz (f_PWM), für den Fall, dass der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) über einem Stromschwellwert (I_Nom) liegt, höher als der Betrag der oberen Hörschwellenfrequenz (f_emax) und/oder höher als 20kHz ist.
Verfahren
Neben der Idee der Verwendung einer Relais-Spule als Drosselspule eines Schaltreglers zur Vermeidung eines Überstromes beim Betätigen des Relais (R1) im Falle hoher Versorgungsspannungen (V_Bat) kann auch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines Relais (R1) angegeben werden, wobei das Relais (R1) wieder eine Relaisspule (L) aufweist. Das Relais (R1) wird mittels einer Versorgungsspannung (V_bat) mit elektrischer Energie versorgt. Das Relais (R1) weist dabei einen eingeschalteten Zustand auf, in dem die Relaisspule (L) mit einem Relaisstrom (I_Rel) bestromt wird und der Relaisschalter (S) geschlossen ist, und einen ausgeschalteten Zustand, in dem die Relaisspule (L) der Relaisschalter (S) geöffnet ist. Das Relais (R1) wird gemäß diesem Verfahren im eingeschalteten Zustand mit einer nicht modulierten Relaisspannung (V_Rel) versorgt, wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_Bat) unter einem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. Das Relais (R1) wird dem Verfahren entsprechend im eingeschalteten Zustand mit einer mit einem Modulationssignal modulierten Relaisspannung (V_Rel) versorgt, wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) über einem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. Bei dem Modulationssignal handelt es sich bevorzugt um eine Pulsmodulation. Auf den Abschnitt Glossar wird hier verwiesen.
Das Modulationssignal kann wieder beispielsweise ein PWM-Signal mit einen Tatstgrad (englisch: Duty-Cycle) sein, wobei der Tastgrad von der Versorgungsspannung (V_bat) abhängt, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. Das Modulationssignal kann aber auch wieder beispielsweise ein PDM-Signal mit einer Pulsdichte sein, wobei die Pulsdichte von der Versorgungsspannung (V_bat) abhängt, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt.
Der Tastgrad des PWM-Signals kann so von der Versorgungsspannung (V_bat) abhängen, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. In ähnlicher Weise kann die Pulsdichte so von der Versorgungsspannung (V_bat) abhängen, so dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) konstant ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt.
Das Modulationssignal weist eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) auf, wobei die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_Bat) über einem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, bevorzugt so hoch gewählt sein sollte, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) und/oder die Schwankung eines Stromes (I) durch ein Schaltelement (T1), dass die Relaisspannung (V_Rel) moduliert, kleiner als 50% und/oder kleiner als 25% und/oder kleiner als 10% und/oder kleiner als 5% und/oder kleiner als 2% und/oder kleiner als 1% und/oder des mittleren Relaisstromes (I_Rel) bzw. des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) in einer PWM-Periode (T_PWM) ist.
Die PWM-Frequenz (f_PWM) sollte, wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_Bat) über einem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, im eingeschalteten Zustand des Relais (R1) und, wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, bevorzugt so hoch gewählt sein, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Zustandsänderung des Relais (R1) in den ausgeschalteten Zustand des Relais (R1) führt.
Auch sollte die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_Bat) über einem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, im eingeschalteten Zustand des Relais (R1) und, wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, so hoch gewählt sein, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Schallentwicklung führt, die durch einen Menschen in 10cm Abstand zwischen Ohr des Menschen und Relaisschalter (S) und/oder Relaisspule (L) noch wahrgenommen werden kann.
Der Betrag der PWM-Frequenz (f_PWM) sollte, wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_Bat) über einem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, bevorzugt höher als der Betrag der oberen Hörschwellenfrequenz (f_emax) und/oder höher als 20kHz sein.
Vorrichtung
Neben der Verwendung eines Relais als Drosselspule und dem zugehörigen Verfahren ergibt sich auch eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Relais (R1), die das obige Verfahren ausführt. Die Vorrichtung umfasst bevorzugt das Relais (R1) mit der Relaisspule (L) und dem Relaisschalter (S), ein Schaltelement (T1) und eine Steuervorrichtung (TR), die einen Steuereingang (Sig) aufweist. Die Vorrichtung wird durch eine Versorgungsspannung (V_bat) mit elektrischer Energie versorgt. Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus eine Spannungsmessvorrichtung (VM) zur Erfassung des Spannungswerts der Versorgungsspannung (V_bat). Das Schaltelement (T1) kann einen eingeschalteten Schaltelementzustand und einen ausgeschalteten Schaltelementzustand annehmen. Der Steuereingang (Sig) kann einen ersten logischen Zustand und einen zweiten logischen Zustand aufweisen. Ein elektrischer Relaisstrom (I_Rel) durchfließt die Relaisspule (L), der auch den Stromwert OA haben kann. Der elektrische Relaisstrom (I_Rel) hängt dabei vom Schaltzustand des Schaltelements (T1) ab. Der Relaisschalter (S) kann in einem eingeschalteten Relaisschaltzustand und in einem ausgeschalteten Relaisschaltzustand sein. Die Relaisspule (R1) steuert über ihr Magnetfeld und die daraus resultierende magnetische Kraftwirkung auf einen nicht in den Figuren gezeichneten Anker den Relaisschaltzustand des Relaisschalters (S) in Abhängigkeit vom Relaisstrom (I_Rel). Die Steuervorrichtung (CTR) bringt das Schaltelement (T1) in den ausgeschalteten Schaltelementzustand, wenn der Steuereingang (Sig) den ersten logischen Zustand aufweist, und in den eingeschalteten Schaltelementzustand, wenn der Steuereingang (Sig) den zweiten logischen Zustand aufweist und der Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) ist kleiner als ein erster Schwellwert (V_Nom) ist. Die Steuervorrichtung (CTR) lässt das Schaltelement (T1) zwischen dem eingeschalteten Schaltelementzustand und dem ausgeschalteten Schaltelementzustand entsprechend einer Modulation mit der besagten PWM-Frequenz (f_PWM), die nicht konstant sein muss, hin und her schalten, wenn der Steuereingang (Sig) den zweiten logischen Zustand aufweist und der Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) größer als ein erste Schwellwert (V_Nom) oder gleich einem ersten Schwellwert (V_Nom) ist. Bei der Modulation des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands handelt es sich bevorzugt um eine Pulsmodulation. Bevorzugt weist die Pulsmodulation des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands einen Tatstgrad (englisch: Duty-Cycle) auf. Der Tastgrad hängt bevorzugt von der Versorgungsspannung (V_bat) ab, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt. Statt einer PWM-Modulation kann auch eine PDM Modulation mit einer Pulsdichte verwendet werden, wobei dann die Modulation eine PDM-Modulation mit einer Pulsdichte des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands ist und wobei die Pulsdichte des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands von der Versorgungsspannung (V_bat) abhängt, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt.
Im Falle einer PWM-Modulation hängt wieder der Tastgrad des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands bevorzugt so von der Versorgungsspannung (V_bat) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt.
Im Falle einer beispielhaften PDM-Modulation hängt die Pulsdichte des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands so von der Versorgungsspannung (V_bat) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) konstant ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt.
Die Modulation des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands weist auch hier eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) auf, wobei die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, so hoch gewählt ist, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) und/oder die Schwankung eines Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) kleiner als 50% und/oder besser kleiner als 25% und/oder besser kleiner als 10% und/oder besser kleiner als 5% und/oder besser kleiner als 2% und/oder besser kleiner als 1% des mittleren Relaisstromes (I_Rel) bzw. des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) in einer PWM-Periode (T_PWM) ist.
Bevorzugt ist darüber hinaus die PWM-Frequenz (f_PWM) des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands, wenn der Steuereingang (Sig) den zweiten logischen Zustand aufweist und der Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) größer als der erste Schwellwert (V_Nom) oder gleich dem ersten Schwellwert (V_Nom) ist, so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Zustandsänderung des Relaisschaltzustands des Relais (R1) führt.
Die PWM-Frequenz (f_PWM) des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands, wenn der Steuereingang (Sig) den zweiten logischen Zustand aufweist und der Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) größer als der erste Schwellwert (V_Nom) oder gleich dem ersten Schwellwert (V_Nom) ist, ist bevorzugt so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands nicht zu einer Schallentwicklung führt, die durch einen Menschen in 10cm Abstand zwischen Ohr des Menschen und Relaisschalter (S) und/oder Relaisspule (L) noch wahrgenommen werden kann.
Der Betrag der PWM-Frequenz (f_PWM) des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands ist, wenn die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt, bevorzugt höher als der Betrag der oberen Hörschwellenfrequenz (f_emax) und/oder höher als 20kHz.
Ein vorschlagsgemäßes Fahrzeug, das bevorzugt ein Elektrofahrzeug ist, umfasst bevorzugt zumindest eine Vorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Der Relaisschalter (S) kann typischerweise eine Versorgungsleitung eines Elektromotors des Fahrzeugs von einer Energieversorgung des Fahrzeugs, insbesondere von einer Batterie und/oder einem Generator und/oder einem anderen Elektromotor, trennen oder mit dieser verbinden.
Der Relaisschalter (S) ist dabei vorzugsweise dazu bestimmt oder wird dazu verwendet, in einem Fehlerfall eine Energieversorgung von einer Fehlerstelle oder einer fehlerhaften anderen Vorrichtung des Fahrzeugs elektrisch abzutrennen. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise ein Kurzschluss sein, der irgendwo im Kabelbaum oder in einer anderen Teilvorrichtung des Fahrzeugs detektiert wurde.
Testverfahren
Auf dieser Basis kann ein Verfahren zum Test eines Relais (R1) angegeben werden, wobei das Relais (R1) eine Relaisspule (L) zum elektromechanischen Betätigen des Relaisschalters (S) umfasst und wobei der Relaisschalter (S) in einem eingeschalteten Relaiszustand oder einem ausgeschalteten Relaiszustand sein kann. Das Testverfahren umfasst bevorzugt die Schritte:

• Ansteuern der Relaisspule (L) mit einer mit einer Modulation modulierten Relaisspannung (V_Rel), wobei die Modulation eine PWM-Frequenz (f_PWM) aufweist, die so hoch ist, dass der Relaisschalter (S) von einem ausgeschalteten Relaiszustand in einen eingeschalteten Relaiszustand wechselt;
• Erfassen des Relaisstromes (I_Rel), insbesondere des modulierten Anteils des Relaisstromes (I_Rel), durch die Relaisspule (L) oder eines davon abhängenden elektrischen Stromes (I) in Form eines Stromwerts;
• Schließen auf einen Zustand, insbesondere auf einen Fehlerzustand des Relais (R1), wenn der Betrag des Stromwerts zu einem oder mehreren Zeitpunkten nicht mit einem Erwartungswert übereinstimmt oder nicht in einem Erwartungswertbereich liegt.

Die Modulation ist wieder bevorzugt eine Pulsmodulation, insbesondere eine PWM-Modulation oder eine PDM-Modulation.
Bei einem alternativen Testverfahren umfasst das Relais (R1) wieder die besagte Relaisspule (L) zum elektromechanischen Betätigen des Relaisschalters (S), wobei der Relaisschalter (S) in einem eingeschalteten Relaiszustand oder einem ausgeschalteten Relaiszustand sein kann. Das alternative Verfahren umfasst die Schritte:

• Ansteuern der Relaisspule (L) mit einer mit einer Modulation modulierten Relaisspannung (V_Rel),
• wobei die Amplitude der Modulation der Relaisspannung (V_Rel), die so niedrig ist, dass der Relaisschalter (S) seinen Relaiszustand während des Tests nicht ändert;
• Erfassen des modulierten Anteils des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) oder eines davon abhängenden elektrischen Stromes (I) in Form eines Stromwerts;
• Schließen auf einen Zustand, insbesondere auf einen Fehlerzustand, des Relais (R1), wenn der Betrag des Stromwerts zu einem oder mehreren Zeitpunkten nicht mit einem Erwartungswert übereinstimmt oder nicht in einem Erwartungswertbereich liegt.

Auch hier ist die Modulation wieder bevorzugt eine Pulsmodulation, insbesondere eine PWM-Modulation oder eine PDM-Modulation.
Ein entsprechendes Fahrzeug, das bevorzugt ein Elektrofahrzeug ist, umfasst dann zumindest eine Vorrichtung mit einem Relais (R1) umfasst, das ein Testverfahren, wie zuvor beschrieben ausführt oder dazu bestimmt ist, ein solches Testverfahren auszuführen.
Das Relais (R1) kann bevorzugt mittels eines Relaisschalters (S) eine Versorgungsleitung eines Elektromotors des Fahrzeugs von einer Energieversorgung, insbesondere von einer Batterie und/oder einem Generator und/oder einem anderen Elektromotor, trennen oder mit dieser verbinden.
Der Relaisschalter (S) ist bevorzugt wieder dazu bestimmt oder wird bevorzugt dazu verwendet, in einem Fehlerfall eine Energieversorgung des Fahrzeugs von einer Fehlerstelle oder einer fehlerhaften anderen Vorrichtung des Fahrzeugs elektrisch abzutrennen.
Relaisspannungssteuerung
Dieser virtuelle Schaltregler weist somit typischerweise einen Steuereingang (Sig) auf, der zur Steuerung des Zustands des Relais gedacht ist. Somit weist dieser Steuereingang (Sig) typischerweise zumindest einen ersten Zustand, im Folgenden Ein-Zustand genannt, und einen zweiten Zustand, im Folgenden Aus-Zustand genannt, auf. Die Information des Steuereingangs ist also bevorzugt binär oder digital codiert. Eine analoge Kodierung ist unüblich, aber denkbar. Dieser virtuelle Schaltregler weist eine Versorgungsspannungsleitung (VDD) auf einer Versorgungsspannung (V_bat) gegenüber einem Bezugspotenzial in einer Bezugspotenzialleitung (GND) auf, die den virtuellen Schaltregler mit elektrischer Energie versorgt. Der virtuelle Schaltregler umfasst des Weiteren Mittel (VM) zur Erfassung der Versorgungsspannung (V_bat). Der Schaltregler bestromt im Aus-Zustand mit Ausnahme des Stromes (I_d) durch eine ggf. vorhandene Freilaufdiode (D1) die Relaisspule (L) nicht. Der Schaltregler legt im Ein-Zustand an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (V_Rel) an, die weniger als 25% und/oder weniger als 10% von der Versorgungsspannung (V_bat) abweicht und die nicht moduliert ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) unter einem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt. Der vorgeschlagene Schaltregler mit einer Relaisspule (L) als Drosselspule legt im Ein-Zustand an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (V_Rel) an, die im Betragsmaximum weniger als 25% und/oder besser weniger als 10% von dem Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) abweicht und die mit einem Modulationssignal, insbesondere einem PWM- und/oder einem PDM-Signal und/oder einem anderen pulsmodulierten Signal, moduliert ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt. Hierdurch senkt dann der Schaltregler die effektive mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über die Relaisspule (L) ab oder stabilisiert diese.
Besonders bevorzugt ist das Modulationssignal ein PWM-Signal mit einen Tatstgrad (englisch: Duty-Cycle), wobei der Tastgrad dann von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, um die effektive mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) in Abhängigkeit von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) zu regeln. Alternativ kann aber das Modulationssignal beispielsweise auch ein PDM-Signal mit einer Pulsdichte sein, wobei die Pulsdichte von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, um dann auf diese Weise die effektive mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) in Abhängigkeit von der mittleren Relaisspannung (V_Rel) zu regeln und zu stabilisieren.
Bevorzugt hängt der Tastgrad einer PWM-Modulation so von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) konstant ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt. Im Falle einer PDM-Modulation hängt die Pulsdichte bevorzugt so von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Das Modulationssignal weist bevorzugt eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) auf. An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass in dieser Schrift der Begriff PWM-Frequenz die Momentanfrequenz der Modulation bezeichnet. Der Begriff PWM-Frequenz wurde gewählt, weil bei Schaltreglern im Stand der Technik vorzugsweise eine PWM-Modulationen verwendet wird. Auf das Glossar wird ebenfalls hingewiesen. Die PWM-Frequenz (f_PWM) wird, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) und/oder die Schwankung eines Stromes (I) durch ein Schaltelement (T1) des Schaltreglers kleiner als 50% und/oder besser kleiner als 25% und/oder besser kleiner als 10% und/oder besser kleiner als 5% und/oder besser kleiner als 2% und/oder besser kleiner als 1% und/oder des mittleren Relaisstromes (I_Rel) bzw. des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) des Schaltreglers in einer PWM-Periode (T_PWM) ist. Die PWM-Frequenz (f_PWM) wird, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, im Ein-Zustand des Relais typischerweise auch so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einem Abfallen des Relais in den Auszustand führt und/oder dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Schallentwicklung führt, die durch einen Menschen in 10cm Abstand zwischen Ohr des Menschen und Relaisschalter (S) und/oder Relaisspule (L) noch wahrgenommen werden kann. Um letzteres zu erreichen, sollte der Betrag der PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, höher als der Betrag der oberen Hörschwellenfrequenz (f_emax) (siehe 3) und/oder höher als 20kHz liegen.
Verfahren zur Belegung mittels Relaisspannung
Neben der Idee der Verwendung einer Relais-Spule als Drosselspule eines Schaltreglers zur Vermeidung eines Überstromes beim Betätigen des Relais (R1) im Falle hoher Versorgungsspannungen (V_Bat) kann auch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines Relais (R1) angegeben werden, wobei das Relais (R1) wieder eine Relaisspule (L) aufweist. Das Relais (R1) wird mittels einer Versorgungsspannung (V_bat) mit elektrischer Energie versorgt. Das Relais (R1) weist dabei einen eingeschalteten Zustand auf, in dem die Relaisspule (L) mit einem Relaisstrom (I_Rel) bestromt wird und der Relaisschalter (S) geschlossen ist, und einen ausgeschalteten Zustand, in dem die Relaisspule (L) der Relaisschalter (S) geöffnet ist. Das Relais (R1) wird gemäß diesem Verfahren im eingeschalteten Zustand mit einer nicht modulierten Relaisspannung (V_Rel) versorgt, wenn der Betrag der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) unter einem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt. Das Relais (R1) wird dem Verfahren entsprechend im eingeschalteten Zustand mit einer mit einem Modulationssignal modulierten Relaisspannung (V_Rel) versorgt, wenn der Betrag der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) über einem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt. Bei dem Modulationssignal handelt es sich bevorzugt um eine Pulsmodulation. Auf den Abschnitt Glossar wird hier verwiesen.
Das Modulationssignal kann wieder beispielsweise ein PWM-Signal mit einen Tatstgrad (englisch: Duty-Cycle) sein, wobei der Tastgrad von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt. Das Modulationssignal kann aber auch wieder beispielsweise ein PDM-Signal mit einer Pulsdichte sein, wobei die Pulsdichte von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Der Tastgrad des PWM-Signals kann so von der mittleren, Relaisspannung (V_Rel,av) abhängen, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt. In ähnlicher Weise kann die Pulsdichte so von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängen, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) konstant ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Das Modulationssignal weist eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) auf, wobei die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn der Betrag der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) über einem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, bevorzugt so hoch gewählt sein sollte, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) und/oder die Schwankung eines Stromes (I) durch ein Schaltelement (T1), dass die Relaisspannung (V_Rel) moduliert, kleiner als 50% und/oder kleiner als 25% und/oder kleiner als 10% und/oder kleiner als 5% und/oder kleiner als 2% und/oder kleiner als 1% des mittleren Relaisstromes (I_Rel) bzw. des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) in einer PWM-Periode (T_PWM) ist.
Die PWM-Frequenz (f_PWM) sollte, wenn der Betrag der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) über einem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, im eingeschalteten Zustand des Relais (R1) und, wenn der Betrag der mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, bevorzugt so hoch gewählt sein, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Zustandsänderung des Relais (R1) in den ausgeschalteten Zustand des Relais (R1) führt.
Auch sollte die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn der Betrag der mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über einem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, im eingeschalteten Zustand des Relais (R1) und wenn der Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, so hoch gewählt sein, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Schallentwicklung führt, die durch einen Menschen in 10cm Abstand zwischen Ohr des Menschen und Relaisschalter (S) und/oder Relaisspule (L) noch wahrgenommen werden kann.
Der Betrag der PWM-Frequenz (f_PWM) sollte, wenn der Betrag der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) über einem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, bevorzugt höher als der Betrag der oberen Hörschwellenfrequenz (f_emax) und/oder höher als 20kHz sein.
Vorrichtung mit Relaisspannungssteuerung
Neben der Verwendung eines Relais als Drosselspule und dem zugehörigen Verfahren ergibt sich auch eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Relais (R1), die das obige Verfahren ausführt. Die Vorrichtung umfasst bevorzugt das Relais (R1) mit der Relaisspule (L) und dem Relaisschalter (S), ein Schaltelement (T1) und eine Steuervorrichtung (TR), die einen Steuereingang (Sig) aufweist. Die Vorrichtung wird durch eine Versorgungsspannung (V_bat) mit elektrischer Energie versorgt. Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus eine Spannungsmessvorrichtung (VM) zur Erfassung des Spannungswerts der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av). Das Schaltelement (T1) kann einen eingeschalteten Schaltelementzustand und einen ausgeschalteten Schaltelementzustand annehmen.
Der Steuereingang (Sig) kann einen ersten logischen Zustand und einen zweiten logischen Zustand aufweisen. Ein elektrischer Relaisstrom (I_Rel) durchfließt die Relaisspule (L), der auch den Stromwert OA haben kann. Der elektrische Relaisstrom (I_Rel) hängt dabei vom Schaltzustand des Schaltelements (T1) ab. Der Relaisschalter (S) kann in einem eingeschalteten Relaisschaltzustand und in einem ausgeschalteten Relaisschaltzustand sein. Die Relaisspule (R1) steuert über ihr Magnetfeld und die daraus resultierende magnetische Kraftwirkung auf einen nicht in den Figuren gezeichneten Anker den Relaisschaltzustand des Relaisschalters (S) in Abhängigkeit vom Relaisstrom (I_Rel). Die Steuervorrichtung (CTR) bringt das Schaltelement (T1) in den ausgeschalteten Schaltelementzustand, wenn der Steuereingang (Sig) den ersten logischen Zustand aufweist, und in den eingeschalteten Schaltelementzustand, wenn der Steuereingang (Sig) den zweiten logischen Zustand aufweist und der Betrag der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) kleiner als ein zweiter Schwellwert (V_Nom2) ist. Die Steuervorrichtung (CTR) lässt das Schaltelement (T1) zwischen dem eingeschalteten Schaltelementzustand und dem ausgeschalteten Schaltelementzustand entsprechend einer Modulation mit der besagten PWM-Frequenz (f_PWM), die nicht konstant sein muss, hin und her schalten, wenn der Steuereingang (Sig) den zweiten logischen Zustand aufweist und der Betrag der mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) größer als ein zweiter Schwellwert (V_Nom2) oder gleich einem zweiten Schwellwert (V_Nom2) ist. Bei der Modulation des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands handelt es sich bevorzugt um eine Pulsmodulation. Bevorzugt weist die Pulsmodulation des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands einen Tatstgrad (englisch: Duty-Cycle) auf. Der Tastgrad hängt bevorzugt von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) ab, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt. Statt einer PWM-Modulation kann auch eine PDM Modulation mit einer Pulsdichte verwendet werden, wobei dann die Modulation eine PDM-Modulation mit einer Pulsdichte des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands ist und wobei die Pulsdichte des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Im Falle einer PWM-Modulation hängt wieder der Tastgrad des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands bevorzugt so von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Im Falle einer beispielhaften PDM-Modulation hängt die Pulsdichte des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands so von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) ab, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) konstant ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Die Modulation des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands weist auch hier eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) auf, wobei die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, so hoch gewählt ist, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) und/oder die Schwankung eines Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) kleiner als 50% und/oder besser kleiner als 25% und/oder besser kleiner als 10% und/oder besser kleiner als 5% und/oder besser kleiner als 2% und/oder besser kleiner als 1% des mittleren Relaisstromes (I_Rel) bzw. des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) in einer PWM-Periode (T_PWM) ist.
Bevorzugt ist darüber hinaus die PWM-Frequenz (f_PWM) des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands, wenn der Steuereingang (Sig) den zweiten logischen Zustand aufweist und der Betrag der mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) größer als der zweite Schwellwert (V_Nom2) oder gleich dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) ist, so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Zustandsänderung des Relaisschaltzustands des Relais (R1) führt.
Die PWM-Frequenz (f_PWM) des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands ist, wenn der Steuereingang (Sig) den zweiten logischen Zustand aufweist und der Betrag der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) größer als der zweite Schwellwert (V_Nom2) oder gleich dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) ist, bevorzugt so hoch gewählt, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM)) des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands nicht zu einer Schallentwicklung führt, die durch einen Menschen in 10cm Abstand zwischen Ohr des Menschen und Relaisschalter (S) und/oder Relaisspule (L) noch wahrgenommen werden kann.
Der Betrag der PWM-Frequenz (f_PWM) des Hin- und Her-Schaltens des Schaltelementzustands ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem zweiten Schwellwert (V_Nom2) liegt, bevorzugt höher als der Betrag der oberen Hörschwellenfrequenz (f_emax) und/oder höher als 20kHz.
Ein vorschlagsgemäßes Fahrzeug, das bevorzugt ein Elektrofahrzeug ist, umfasst bevorzugt zumindest eine Vorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Der Relaisschalter (S) kann typischerweise eine Versorgungsleitung eines Elektromotors des Fahrzeugs von einer Energieversorgung des Fahrzeugs, insbesondere von einer Batterie und/oder einem Generator und/oder einem anderen Elektromotor, trennen oder mit dieser verbinden.
Der Relaisschalter (S) ist dabei vorzugsweise dazu bestimmt oder wird dazu verwendet, in einem Fehlerfall eine Energieversorgung von einer Fehlerstelle oder einer fehlerhaften anderen Vorrichtung des Fahrzeugs elektrisch abzutrennen. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise ein Kurzschluss sein, der irgendwo im Kabelbaum oder in einer anderen Teilvorrichtung des Fahrzeugs detektiert wurde.
Testverfahren
Auf dieser Basis kann ein Verfahren zum Test eines Relais (R1) angegeben werden, wobei das Relais (R1) eine Relaisspule (L) zum elektromechanischen Betätigen des Relaisschalters (S) umfasst und wobei der Relaisschalter (S) in einem eingeschalteten Relaiszustand oder einem ausgeschalteten Relaiszustand sein kann. Das Testverfahren umfasst bevorzugt die Schritte:

• Ansteuern der Relaisspule (L) mit einer mit einer Modulation modulierten Relaisspannung (V_Rel), wobei die Modulation eine PWM-Frequenz (f_PWM) aufweist, die so hoch ist, dass der Relaisschalter (S) von einem ausgeschalteten Relaiszustand in einen eingeschalteten Relaiszustand wechselt;
• Erfassen des Relaisstromes (I_Rel), insbesondere des modulierten Anteils des Relaisstromes (I_Rel), durch die Relaisspule (L) oder eines davon abhängenden elektrischen Stromes (I) in Form eines Stromwerts;
• Schließen auf einen Zustand, insbesondere auf einen Fehlerzustand, des Relais (R1), wenn der Betrag des Stromwerts zu einem oder mehreren Zeitpunkten nicht mit einem Erwartungswert übereinstimmt oder nicht in einem Erwartungswertbereich liegt.

Auch hier ist die Modulation wieder bevorzugt eine Pulsmodulation, insbesondere eine PWM-Modulation oder eine PDM-Modulation.
Ein entsprechendes Fahrzeug, das bevorzugt ein Elektrofahrzeug ist, umfasst dann zumindest eine Vorrichtung mit einem Relais (R1) umfasst, das ein Testverfahren, wie zuvor beschrieben ausführt oder dazu bestimmt ist, ein solches Testverfahren auszuführen.
Das Relais (R1) kann bevorzugt mittels eines Relaisschalters (S) eine Versorgungsleitung eines Elektromotors des Fahrzeugs von einer Energieversorgung, insbesondere von einer Batterie und/oder einem Generator und/oder einem anderen Elektromotor, trennen oder mit dieser verbinden.
Der Relaisschalter (S) ist bevorzugt wieder dazu bestimmt oder wird bevorzugt dazu verwendet, in einem Fehlerfall eine Energieversorgung des Fahrzeugs von einer Fehlerstelle oder einer fehlerhaften anderen Vorrichtung des Fahrzeugs elektrisch abzutrennen.
Vorteil
Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung wird die Strombelastung der Relaisspule (L) massiv reduziert und begrenzt. Gleichzeitig kann die notwendige Transistorfläche des Schaltelements (T1) reduziert werden, da die maximale Strombelastung bei maximaler Betriebsspannung (V_Bat) sinkt. Die Regelung der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) kann als Ist-Größe die Versorgungsspannung (V_Bat) oder die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) selbst benutzen. Des Weiteren kann die Vorrichtung dann auch zum Test des Relais (R1) verwendet werden. Klemmt das Relais, so sind die Resonanzfrequenzen verstimmt und dies kann detektiert werden. Im Fehlerfall erfolgt dann eine Signalisierung oder die Bereitstellung einer entsprechenden Information, beispielsweise über eine Datenschnittstelle der Steuervorrichtung (CTR).
Liste der Figuren

1 zeigt eine Relaisansteuerung aus dem Stand der Technik.
2 zeigt die Stromaufnahme und die Leistungsverbrauchskurve bei einer Vorrichtung entsprechend dem Stand der Technik.
3 zeigt die Hörschwelle für Menschen entsprechend dem Stand der Technik.
4 zeigt eine vorschlagsgemäße Vorrichtung.
5 zeigt schematisch vereinfacht zur Verdeutlichung den Relaisstrom (I_Rel) einer Vorrichtung entsprechend dem Stand der Technik und den Verlauf der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) einer solchen Vorrichtung und die Abhängigkeit der Verlustleistung vornehmlich des Schaltelements (T1) der Vorrichtung des Stands der Technik von der Betriebsspannung (V_Bat).
6 zeigt den Verlauf der Gesamtleistung (P_dis) in der Relaisspule und im Schaltelement (T1) in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (V_Bat).
7 zeigt die Gesamtleistungsaufnahme (P_tot) in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (V_Bat).
8 zeigt eine vorschlagsgemäße Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Erfassung der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) und zur Verwendung dieses erfassten Spannungswerts der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) als Führungsgröße für die Modulation der Relaisspannung (V_Rel).
9 zeigt eine Verdeutlichung des zweiten Schwellwerts (V_Nom2).

Beschreibung der Figuren
Figur 1
1 zeigt eine Relaisansteuerung aus dem Stand der Technik. Ein Treiber (TR) erzeugt in Abhängigkeit von dem Steuereingang (Sig) das Ansteuersignal (AS), mit dem das Schaltelement (T1), das vorzugsweise ein MOS-Transistor oder dergleichen ist, gesteuert wird. In Abhängigkeit von dem Ansteuersignal (AS) verbindet das Schaltelement (T1) die Versorgungsspannungsleitung (VDD) auf dem Versorgungsspannungspotenzial (V_Bat) mit einem ersten Anschluss der Relaisspule (L) des Relais (R1) oder trennt die Versorgungsspannungsleitung (VDD) auf dem Versorgungsspannungspotenzial (V_Bat) von dem ersten Anschluss der Relaisspule (L) des Relais (R1). Da der zweite Anschluss der Relaisspule (L) mit der Bezugspotenzialleitung (GND) auf Bezugspotenzial verbunden ist, wird hierdurch die Relaisspule (L) mit einer Relaisspannung (V_Rel) beaufschlagt, die bei einem geschlossenen Schaltelement (T1) im Wesentlichen gleich der Versorgungsspannung (V_Bat) ist. Wird das Schaltelement (T1) geöffnet, so übernimmt die Freilaufdiode (D1), bei der es sich auch um eine Substratdiode des Schaltelements (T1) handeln kann, den Strom mit einem Diodenstrom (I_D). Das Schaltelement (T1) wird vom Strom (I) durchflossen. Die Relaisspule (L) wird von einem Relaisstrom (I_Rel) durchströmt. Ist der Relaisstrom (I_Rel) von OA verschieden und betragsmäßig größer als ein Mindestschaltstrom, so wird der Relaisschalter (S) in dem Beispiel der 1 geschlossen.
Figur 2
zeigt die Stromaufnahme und die Leistungsverbrauchskurve bei einer Vorrichtung entsprechend dem Stand der Technik (siehe auch 1). Der Relaisstrom wächst linear mit der Versorgungsspannung (V_Bat). Dementsprechend wächst die Gesamtverlustleistung (P_tot) in dem Schaltelement (T1) und der Relaisspule (L) quadratisch. Dabei wird jedoch schon bei sehr geringen Strömen eine Betätigung des Relaisschalters (S) erreicht. Die entsprechende Betriebsspannung ist daher die Mindestbetriebsspannung und der entsprechende Relaisstrom der Mindestrelaisstrom. Es wurde nun erkannt, dass höhere Leistungen und Relaisströme keinen Nutzen bringen und daher Aufwendungen in Form von erhöhter Robustheit und Stromtragfähigkeit des Schaltelements (T1) und der Relaisspule (L) verschwendet sind und nur Zusatzkosten verursachen.
Figur 3
3 zeigt die Hörschwelle für Menschen entsprechend dem Stand der Technik.
Figur 4
4 zeigt eine vorschlagsgemäße beispielhafte Vorrichtung in vereinfachter schematischer Form. Sie entspricht weitestgehend der 1. Nun jedoch ist dem Treiber (TR) eine Steuervorrichtung vorgeschaltet. Eine Spannungsmessvorrichtung (VM) erfasst den Wert der Versorgungsspannung (V_Bat) auf der Versorgungsspannungsleitung (VDD) und bildet ein entsprechendes Spannungsmesswertsignal (VMS). Zur Verdeutlichung ist hier, obwohl eigentlich nicht parallel nötig, eine Strommessvorrichtung (IM) eingezeichnet, die den Wert des Stromes I durch das Schaltelement (T1) erfasst und ein entsprechendes Strommesswertsignal (IMS) bildet. Stattdessen hätte, obwohl hier eigentlich ebenfalls nicht parallel nötig, eine Strommessvorrichtung (IM) eingezeichnet werden können, die den Wert des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisinduktivität (L) erfasst und ein entsprechendes nicht eingezeichnetes zweites Strommesswertsignal bildet.
Die Steuervorrichtung (CTR) und der nachfolgende Treiber (TR) erzeugen nun in Abhängigkeit von dem Zustand des Steuereingangs (Sig) und dem erfassten Wert der Versorgungsspannung (V_Bat) und/oder dem erfassten Wert des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) und/oder dem erfassten Wert des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) das Ansteuersignal (AS). Liegt beispielsweise die Versorgungsspannung (V_Bat) über einem ersten Spannungsschwellwert (V_Nom), so erzeugt die Steuervorrichtung (CTR) mit Hilfe des Ansteuersignals (AS) beispielsweise eine PWM-Modulation der Relaisspannung (V_Rel) Hierdurch sinkt der mittlere Relaisstrom (I_Rel) und die mittlere Relaisspannung (V_Rel) und somit die in der Relaisspule (L) umgesetzte elektrische Leistung. Des Weiteren wird dabei der Umstand ausgenutzt, dass die Relaisspule (L) den Strom in erster Näherung in etwa konstant hält und glättet. Hierdurch wirkt weiterhin eine Kraft auf den Relaisschalter (S) der in diesem Beispiel daher geschlossen bleibt, wenn die PWM-Frequenz (f_PWM) der hier beispielhaften PWM-Modulation der Relais-Spannung (V_Rel) hoch genug ist.
Figur 5
5 zeigt den Verlauf der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) und des Relaisstromes (I_Rel) in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (V_Bat) Die Verlustleistung (PDis, drv) des Schaltelements (T1) wächst quadratisch über alle Maßen.
Figur 6
zeigt schematisch vereinfacht zur Verdeutlichung den Relaisstrom (I_Rel) einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung z.B. entsprechend 4 und den Verlauf der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) und die Abhängigkeit der mittleren Verlustleistung (P_dis,drv) vornehmlich des Schaltelements (T1) von der Betriebsspannung (V_Bat). Ist der Betrag der Betriebsspannung (V_Bat) größer als ein Schwellwert (V_Nom), so beginnt die Steuervorrichtung (CTR) mit einer Pulsmodulation der Relaisspannung (V_Rel). In der 6 sind die Maximalwerte der Relaisspannung (V_Rel) als linear mit der Versorgungsspannung (V_Bat) steigend eingezeichnet. Die nicht eingezeichnete mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) in diesem Bereich bleibt jedoch in diesem Beispiel konstant, was z.B. durch eine entsprechende Änderung der Tastrate in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (V_Bat) erreicht werden kann.
Hierdurch bleibt der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) oberhalb dieses Schwellwerts (V_Nom) für die Versorgungsspannung (V_Bat) in diesem Beispiel ebenfalls konstant und folgt nicht der Kurve (I'_Rel) für den Relaisstrom ohne Modulation.
Somit ergeben sich ein Spannungsbereich (V_NoPWM) der Versorgungsspannung (V_Bat), in dem die Relaisspannung (V_Rel) nicht moduliert ist und ein Spannungsbereich (V_PWM) der Versorgungsspannung (V_Bat), in dem die Relaisspannung (V_Rel) moduliert ist.
Figur 7
zeigt den Verlauf der Gesamtleistung (P_tot) in der Relaisspule (L) und im Schaltelement (T1) in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (V_Bat) bei Verwendung einer vorgeschlagenen Vorrichtung. Bemerkenswert ist der Abfall der Gesamtverlustleistung.
Figur 8
8 entspricht weitestgehend der 4. 8 zeigt eine vorschlagsgemäße beispielhafte Vorrichtung in vereinfachter schematischer Form. Sie entspricht ebenfalls weitestgehend der 1. Nun jedoch ist im Gegensatz zur 1 und wie bei der 4 dem Treiber (TR) eine Steuervorrichtung (CTR) vorgeschaltet. Eine zweite Spannungsmessvorrichtung (VM2) erfasst den Wert der mittleren Relaisspannung (V_Rel) an dem ersten Anschluss der Relaisspule (L) und bildet ein entsprechendes zweites Spannungsmesswertsignal (VMS2).
Die Steuervorrichtung (CTR) und der nachfolgende Treiber (TR) erzeugen nun in Abhängigkeit von dem Zustand des Steuereingangs (Sig) und dem erfassten Wert der mittleren Relaisspannung (V_Rel) das Ansteuersignal (AS). Liegt beispielsweise der Wert der mittleren Relaisspannung (V_Rel) über einem zweiten Spannungsschwellwert (V_Nom2), so erzeugt die Steuervorrichtung mit Hilfe des Ansteuersignals (AS) beispielsweise eine PWM-Modulation der Relaisspannung (V_Rel). Hierdurch sinkt der Wert der mittleren Relaisspannung (V_Rel) und damit der mittlere Relaisstrom (I_Rel) und somit die in der Relaisspule (L) umgesetzte elektrische Leistung. Des Weiteren wird dabei der Umstand ausgenutzt, dass die Relaisspule (L) den Strom in erster Näherung in etwa konstant hält und glättet. Hierdurch wirkt weiterhin eine Kraft auf den Relaisschalter (S) der in diesem Beispiel daher geschlossen bleibt, wenn die PWM-Frequenz (f_PWM) der hier beispielhaften PWM-Modulation der Relais-Spannung (V_Rel) hoch genug ist.
Figur 9
zeigt schematisch vereinfacht zur Verdeutlichung den Relaisstrom (I_Rel) einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung z.B. entsprechend 8 und den Verlauf der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) und die Abhängigkeit der mittleren Verlustleistung (P_dis,drv) vornehmlich des Schaltelements (T1) von der Betriebsspannung (V_Bat). Ist der Betrag der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) betragsmäßig größer ein zweiter Schwellwert (V_Nom2), so beginnt die Steuervorrichtung (CTR) mit einer Pulsmodulation der Relaisspannung (V_Rel). In der 6 sind die Maximalwerte der Relaisspannung (V_Rel) als linear mit der Versorgungsspannung (V_Bat) steigend eingezeichnet. Die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) bleibt jedoch in diesem Beispiel konstant, was z.B. durch eine entsprechende Änderung der Tastrate in Abhängigkeit von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) als Ist-Größe der Regelung erreicht werden kann.
Hierdurch bleibt der Betrag des Relaisstroms (I_Rel) oberhalb dieses zweiten Schwellwerts (V_Nom2) für die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) in diesem Beispiel ebenfalls konstant und folgt nicht der Kurve (I'_Rel) für den Relaisstrom ohne Modulation.
Somit ergeben sich ein Spannungsbereich (V_RelNoPWM) der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av), in dem die Relaisspannung (V_Rel) nicht moduliert ist und ein Spannungsbereich (V_RelPWM) der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av), in dem die Relaisspannung (V_Rel) moduliert ist.
Glossar
Konstanter Relaisstrom (I_Rel)
Der Relaisstrom (I_Rel) ist im Sinne dieser Schrift im Wesentlichen konstant, wenn der Strombetrag des Relais-Stromes durch die Modulation um nicht mehr als 25% gegenüber dem zeitlichen Mittelwert des Relaisstroms (I_Rel) und/oder besser um nicht mehr als 10% gegenüber dem zeitlichen Mittelwert des Relaisstroms (I_Rel) und/oder besser um nicht mehr als 5% gegenüber dem zeitlichen Mittelwert des Relaisstroms (I_Rel) und/oder besser um nicht mehr als 2% gegenüber dem zeitlichen Mittelwert des Relaisstroms (I_Rel) und/oder besser um nicht mehr als 1% gegenüber dem zeitlichen Mittelwert des Relaisstroms (I_Rel) schwankt. Besonders bevorzugt ist eine Schwankung von weniger als 1% gegenüber dem zeitlichen Mittelwert des Relaisstroms (I_Rel), um auch die EMV-Belastungen gering zu halten.
Hörschwelle
Die Hörschwelle einer gesunden Person liegt etwa beim Bezugswert Schalldruckpegel-Skala, po = 20 µPa. Die Hörschwelle ist von Mensch zu Mensch verschieden und frequenzabhängig. Hier sei auf 3 verwiesen. Im Sinne dieser Schrift wird ein Messabstand von 10cm zur Relaisspule L bzw. zum Relaisschalter (S) angenommen, wobei der lauteste Teil der Anordnung für die Bewertung der Ansprüche herangezogen werden soll.
Pulsmodulation
Unter Pulsmodulation werden hier alle Modulationsarten verstanden, bei denen das Signal zwischen zwei Werten geschaltet wird. Diese Modulationsarten umfassen insbesondere die Pulsamplitudenmodulation (PAM), eine Modulationsart bei der die Amplitude des Signals in bestimmten Zeitabständen sprunghaft geändert wird, die Puls-Code-Modulation (PCM), die eine Erweiterung der PAM bei der im Sinne dieser Schrift die Reihenfolge der Pulse einen binären Code, bevorzugt eine Pseudozufallszahl widerspiegelt, um statt einer einzigen Frequenz ein Frequenzband mit einer minimalen Frequenz und einer maximalen Frequenz auszugeben, um das EMV-Spektrum oder die Hörwahrnehmung zu optimieren, die Pulsfrequenzmodulation (PFM), bei der eine Modulation eines Rechtecksignals in seiner Frequenz erfolgt, wobei die Breite der Impulse (ihre Ein-Zeit oder Aus-Zeit) typischerweise konstant bleibt, die Pulsweitenmodulation (PWM), die eine Modulation eines Rechtecksignals in seiner Pulsbreite ist, wobei die Frequenz typischerweise konstant bleibt, die Puls-Dichte-Modulation (PDM), wobei die Pulsdichte der Pulse in einem gleichlangen Zeitabschnitt modifiziert wird, die Puls-Pausen-Modulation (PPM), wobei sich zwischen Impulsen konstanter Amplitude und Länge Pausen unterschiedlicher Länge befinden, die Pulsphasenmodulation (PPM), bei der Impulse gleicher Amplitude und gleicher Pulslänge mit typischerweise gleicher Frequenz gesendet werden, und die Puls-Positions-Modulation (PPM), bei der die Pulspositionen moduliert werden, um das Spektrum zu modifizieren. Diese Schrift umfasst auch Kombinationen dieser Modulationsarten. Wenn hier von PWM-Frequenz (f_PWM) die Rede ist, handelt es sich immer um den Kehrwert einer Periode eines solchen pulsmodulierten Signals. Die PWM-Frequenz (f_PWM) bezieht sich somit ausdrücklich nicht nur auf PWM-modulierte pulsmodulierte Signale, sondern auf alle hier aufgeführten pulsmodulierten Signale. Die PWM-Frequenz (f_PWM) braucht nicht konstant zu sein, sondern kann während des Betriebs den Anforderungen entsprechend verändert werden. Zur vollen Funktion der Regelung muss typischerweise mindestens eine Modulationskomponente eine Pulsmodulation sein, die zu einer Veränderung des Mittelwerts der Relaisspannung (V_Rel) führt, um den Relaisstrom (I_Rel) regeln zu können.
Bezugszeichenliste

au: willkürliche, Einheit (Englisch: arbitrary unit) (siehe z.B. auch „https://de.wikipedia.org/wiki/Willkürliche_Einheit“)
AS: Ansteuersignal des Treibers (TR) für das Schaltelement (T1);
D1: Freilaufdiode;
L: Relaisspule;
femax: obere Hörschwellenfrequenz;
fPWM: Frequenz des PWM-Signals, das zur Modulation verwendet wird;
fS: Schallfrequenz;
GND: Bezugspotenzialleitung;
I: Strom durch das Schaltelement (T1);
Id: Strom durch die Freilaufdiode (D1);
IMS: Strommesswertsignal;
INom: Stromschwellwert des Relaisstromes (I_Ref);
I'Nom: Strom durch das Schaltelement (T1), der in der Regel in etwa dem Stromschwellwert (I_Nom) des Relaisstromes (I_Ref) entspricht und als diesem gleich in dieser Schrift zur Vereinfachung angenommen wird;
IRel: Relaisstrom;
IM: Strommessvorrichtung;
Pdis,drv: Verlustleistung des Schaltelements (T1) und der Steuervorrichtung (CTR);
R1: Relais;
Ron: Einschaltwiderstand des Schaltelements (T1);
S: Relaisschalter;
SdT: Stand der Technik;
Sig: Steuereingang;
T1: Schaltelement. Typischerweise handelt es sich um einen Transistor oder Thyristor. Bevorzugt handelt es sich um einen monolithisch integrierten MOS-Transistor;
TPWM: PWM-Periode. Die PWM-Periode ist die inverse der PWM-Frequenz (f_PWM) des zur Modulation der Relaisspannung (V_Rel) benutzen PWM-Signals. Es handelt sich um die Periodendauer einer Schwankung des PWM-Signals zwischen zwei aufeinander folgenden fallenden oder zwei aufeinander folgenden steigenden Flanken der Relaisspannung (V_Rel), wenn diese PWM-moduliert wird, weil beispielsweise die Versorgungsspannung (V_bat) über dem ersten Schwellwert (V_Nom) liegt;
TR: Treiber zur Ansteuerung des Schaltelements (TR) mittels des Ansteuersignals (AS) in Abhängigkeit vom Steuereingang (Sig). In der Regel handelt es sich um einen einfachen Leistungsverstärker, der das Steuersignal (Sig) in der Leistung verstärkt, um die parasitäre Eingangskapazität des Schaltelements (T1) zu kompensieren;
Vbat: Versorgungsspannung;
VDD: Versorgungsspannungsleitung;
VM: Spannungsmessvorrichtung für die Versorgungsspannung (V_Bat);
VM2: zweite Spannungsmessvorrichtung für die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av);
VMS: Spannungsmesswertsignal;
VNom: erster Schwellwert für die Versorgungsspannung (V_Bat);
VNom2: zweiter Schwellwert für die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av);
VNOPWM: modulationsfreier Bereich der Versorgungsspannung (V_Bat);
VRel: Relaisspannung;
VREL,av: mittlere Relaisspannung ;
VRelNoPWM: modulationsfreier Bereich der Relaisspannung (V_Rel);
VRelPWM: modulierter Bereich der Relaisspannung (V_Rel);

Claims

Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers wobei der Schaltregler einen Steuereingang (Sig) aufweist wobei der Steuereingang (Sig) zumindest einen ersten Zustand, im Folgenden Ein-Zustand genannt, und einen zweiten Zustand, im Folgenden Aus-Zustand genannt, aufweist und wobei der Schaltregler eine Versorgungsspannungsleitung (VDD) auf einer Versorgungsspannung (V_bat) gegenüber einem Bezugspotenzial in einer Bezugspotenzialleitung (GND) aufweist, die den Schaltregler mit elektrischer Energie versorgt und wobei der Schaltregler im Aus-Zustand des Steuereingangs (Sig) mit Ausnahme eines Stromes (I_d) durch eine Freilaufdiode (D1) die Relaisspule (L) nicht bestromt und wobei der Schaltregler im Ein-Zustand des Steuereingangs (Sig) an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (V_Rel) anlegt, die weniger als 25% von der Versorgungsspannung (V_bat) abweicht und die nicht moduliert ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) unter einem Schwellwert (V_Nom2) liegt und wobei der Schaltregler im Ein-Zustand des Steuereingangs (Sig) an die Relaisspule (L) eine Relaisspannung (V_Rel) anlegt, die im Betragsmaximum weniger als 25% von dem Betrag der Versorgungsspannung (V_bat) abweicht und die mit einem Modulationssignal, insbesondere einem PWM- und/oder einem PDM-Signal und/oder einem anderen pulsmodulierten Signal, moduliert ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt gekennzeichnet dadurch, wobei der Schaltregler Mittel (VM) zur Erfassung der Versorgungsspannung (V_bat) aufweist.
Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers nach Anspruch 1 wobei das Modulationssignal ein PWM-Signal mit einen Tastgrad (englisch: Duty-Cycle) ist und wobei der Tastgrad von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers nach Anspruch 1 wobei das Modulationssignal ein PDM-Signal mit einer Pulsdichte ist und wobei die Pulsdichte von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers nach Anspruch 2 wobei der Tastgrad so von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) konstant ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers nach Anspruch 3 wobei die Pulsdichte so von der mittleren Relaisspannung (V_Rel,av) abhängt, dass der mittlere Relaisstrom (I_Rel) durch die Relaisspule (L) im Wesentlichen konstant ist, wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt.
Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 oder 4 wobei das Modulationssignal eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) aufweist und wobei die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt, so hoch gewählt ist, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) und/oder die Schwankung eines Stromes (I) durch ein Schaltelement (T1) des Schaltreglers kleiner als 50% und/oder kleiner als 25% und/oder kleiner als 10% und/oder kleiner als 5% und/oder kleiner als 2% und/oder kleiner als 1% und/oder des mittleren Relaisstromes (I_Rel) bzw. des Stromes (I) durch das Schaltelement (T1) des Schaltreglers in einer PWM-Periode (T_PWM) ist.
Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 oder 4 oder 6 wobei das Modulationssignal eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) aufweist und wobei die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt, im Einzustand des Relais so hoch gewählt ist, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einem Abfallen des Relais in den Auszustand führt.
Verwendung einer Relaisspule (L) als Drosselinduktivität eines Schaltreglers nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 oder 4 oder 6 wobei das Modulationssignal eine PWM-Frequenz (f_PWM) und eine zugehörige PWM-Periode (T_PWM=1/f_PWM) aufweist und wobei die PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt, so hoch gewählt ist, dass die Schwankung des Relaisstromes (I_Rel) durch die Relaisspule (L) in einer PWM-Periode (T_PWM) nicht zu einer Schallentwicklung führt, die durch einen Menschen in 10cm Abstand zwischen Ohr des Menschen und Relaisschalter (S) und/oder Relaisspule (L) noch wahrgenommen werden kann.
Verwendung einer Relaisspule als Drosselinduktivität eines Schaltreglers nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 oder 4 oder 6 wobei das Modulationssignal eine PWM-Frequenz (f_PWM) aufweist und wobei der Betrag der PWM-Frequenz (f_PWM), wenn die mittlere Relaisspannung (V_Rel,av) über dem Schwellwert (V_Nom2) liegt, höher als der Betrag der oberen Hörschwellenfrequenz (f_emax) und/oder höher als 20kHz liegt.