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Die Erfindung betrifft eine Sicherungsschaltung, ein Sicherungsschaltungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Sicherungsschaltung und/oder eines Sicherungsschaltungssystems.
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Um einen ungewollten Stromfluss zwischen zwei Anschlussbereichen der Sicherungsschaltung zu vermeiden, ist dabei zwischen den Anschlussbereichen üblicherweise ein Sicherungselement in Form einer Schmelzsicherung angeordnet, welche in einem Sicherungsfall, insbesondere einem Defektfall eines Bauteils, und eines dadurch bedingten ungewollten, insbesondere hohen Stromflusses zerstört wird und dadurch den Stromfluss unterbricht. Derartige Schmelzsicherungen sind jedoch als passive Bauteile konstruiert, welche nicht aktiv schaltbar sind. Zudem sind Schmelzsicherungen ungenau und können Fehlströme nur dann effektiv verhindern, wenn diese oberhalb einer relativ hohen Schwelle sind. Bauteilschäden, welche hingegen nur niedrige Fehlströme erzeugen, die unterhalb einer bauteilimmanenten Detektionsschwelle liegen, können dabei nicht mittels der Schmelzsicherung erkannt oder verhindert werden. Insbesondere ist die Detektionsschwelle von Schmelzsicherungen auf einen jeweils bauteilspezifischen Wert festgelegt. Ferner ist es nach dem Sicherungsfall, bei welchem die Schmelzsicherung zerstört wird, notwendig, die Schmelzsicherung auszutauschen, bevor ein regulärer Betrieb der Schaltung wieder aufgenommen werden kann. Der Austausch von Schmelzsicherungen ist insbesondere bei komplexeren Schaltungen sehr zeit- und kostenintensiv.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sicherungsschaltung, ein Sicherungsschaltungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Sicherungsschaltung und/oder eines Sicherungsschaltungssystems zu schaffen, wobei die genannten Nachteile vermieden sind. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Sicherungsschaltung, ein Sicherungsschaltungssystem und/oder ein Verfahren zu schaffen, welche flexibel einsetzbar sind und somit auf eine Mehrzahl von Anwendungszwecken abstimmbar und einstellbar, insbesondere programmierbar sind. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung Wartungszeiten und Wartungskosten bei derartigen Sicherungsschaltungen, Sicherungsschaltungssystemen und Verfahren - insbesondere nach Eintreten eines Sicherungsfalls - zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Sicherungsschaltung mit einem ersten Anschlussbereich für eine Energiespeichervorrichtung und einem zweiten Anschlussbereich für eine externe Leistungsquelle und/oder einen externen Leistungsnehmer geschaffen wird, wobei der erste Anschlussbereich über einen Messleitungsabschnitt und eine Schaltvorrichtung mit dem zweiten Anschlussbereich verbindbar ist, wobei eine Messvorrichtung der Sicherungsschaltung zur Messung des Stroms durch den Messleitungsabschnitt und/oder einer Spannung des Messleitungsabschnitts ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von einem Messsignal der Messvorrichtung schaltbar ist. Dadurch ist eine vielseitig einsetzbare Sicherungsschaltung geschaffen, welche an einen jeweiligen Einsatzzweck flexibel anpassbar ist. Zudem ist die Sicherungsschaltung - nach einem Sicherungsfall - wiederverwendbar und wird dadurch nicht zerstört, wodurch kein Austausch von Bauteilen notwendig ist.
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Unter einer Schaltvorrichtung wird hier insbesondere eine Vorrichtung verstanden, welche zumindest ein insbesondere elektronisches Schalterelement aufweist, wobei die Schaltvorrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um - in einem geschlossenen Zustand - eine stromleitende Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussbereich herzustellen und - in einem geöffneten Zustand - den ersten Anschlussbereich von dem zweiten Anschlussbereich zu trennen. Vorzugsweise ist dabei die Schaltvorrichtung zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem Messleitungsabschnitt angeordnet.
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Unter einem Anschlussbereich wird hier insbesondere eine elektrische Kontaktstelle verstanden, welche insbesondere als Steckerverbindung ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich wird der Anschlussbereich von einer kontaktierbaren Leiterstelle bereitgestellt. Vorzugsweise ist der Anschlussbereich dabei ausgebildet und eingerichtet, um ein elektronisches Bauteil, insbesondere die Energiespeichervorrichtung, den Leistungsnehmer und/oder die Leistungsquelle, ganz besonders ein elektronisches Gerät und/oder eine Spannungsversorgung, daran derart anzuschließen, dass eine elektrische Verbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung, dem angeschlossenen Leistungsnehmer und/oder der Leistungsquelle einerseits und der Schaltvorrichtung und/oder dem Messleitungsabschnitt andererseits geschaffen ist.
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Der erste Anschlussbereich ist hier vorzugsweise über den Messleitungsabschnitt und die Schaltvorrichtung derart mit dem zweiten Anschlussbereich verbindbar, dass der erste Anschlussbereich mit dem zweiten Anschlussbereich in einem geschlossenen Zustand der Schaltvorrichtung verbunden und - in einem geöffneten Zustand der Schaltvorrichtung - von dem zweiten Anschlussbereich getrennt ist.
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Unter einem Strom wird hier insbesondere ein elektrischer Strom verstanden. Unter einer Spannung wird hier entsprechend eine insbesondere elektrische Spannung verstanden.
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Vorzugsweise weist der Messleitungsabschnitt einen Messwiderstand auf und/oder ist als Widerstand ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich weist der Messleitungsabschnitt einen Hall-Leitungsabschnitt, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, um eine Stromstärke mittels einer Hall-Sonde zu messen.
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Unter einer Spannung des Messleitungsabschnitts wird hier insbesondere eine Eingangsspannung, eine Ausgangsspannung und/oder eine Spannung über den Messleitungsabschnitt, insbesondere die Differenz von Eingangs- und Ausgangsspannung, verstanden. Dabei wird die Eingangsspannung bevorzugt auf einer dem ersten Anschlussbereich zugewandten Seite des Messwiderstands gemessen, wobei die Ausgangsspannung bevorzugt auf der dem zweiten Anschlussbereich zugewandten Seite des Messwiderstands gemessen wird.
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Vorzugsweise ist die Messvorrichtung zur Messung einer Temperatur der Sicherungsschaltung, der Energiespeichervorrichtung, des Messleitungsabschnitts, des Leistungsnehmers und/oder des Leistungsgebers ausgebildet und eingerichtet. Dadurch ist die Sicherungsschaltung vielseitig einsetzbar und Überhitzungen können vermieden werden.
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Unter einem Messsignal der Messvorrichtung wird hier insbesondere ein Messwert der Messvorrichtung und/oder ein aus dem Messwert abgeleitetes Signal verstanden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Messsignal also um den gemessenen Messwert, insbesondere einen Temperaturwert, einen Spannungswert und/oder einen Stromstärkewert. Alternativ ist das Messsignal ein sich aus dem Messwert ergebendes, insbesondere berechnetes, ganz besonders verstärktes und/oder abgeschwächtes Signal.
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Um die Schaltbarbeit der Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal zu gewährleisten, ist vorzugsweise ein Signalausgang der Messvorrichtung zumindest mittelbar mit einem Signaleingang der Schaltvorrichtung verbunden. Die Sicherungsschaltung ist also insbesondere derart ausgebildet und eingerichtet, dass die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal betätigbar ist, insbesondere geöffnet und geschlossen werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherungsschaltung die Energiespeichervorrichtung aufweist, wobei die Energiespeichervorrichtung an dem ersten Anschlussbereich angeschlossen ist. Dadurch ist ein sicherer Betrieb der Energiespeichervorrichtung ermöglicht, wobei insbesondere auch Ladeschäden der Energiespeichervorrichtung mittels der Sicherungsschaltung vermeidbar sind. Ferner ist dadurch ein an dem zweiten Anschlussbereich anschließbarer Leistungsnehmer, insbesondere ein elektronisches Gerät, mittels der Energiespeichervorrichtung mit einer Spannung versorgbar. Ferner ist dabei die an dem ersten Anschlussbereich angeschlossene Energiespeichervorrichtung über eine an dem zweiten Anschlussbereich anschließbare Leistungsquelle ladbar.
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Die Energiespeichervorrichtung weist zumindest einen Einzelspeicher, insbesondere eine Batterie auf. Vorzugsweise weist die Energiespeichervorrichtung eine Mehrzahl von Einzelspeichern auf, wobei die Einzelspeicher vorzugsweise zu einem Batteriepack zusammengeschaltet sind. Dadurch ist eine größere Leistungsmenge pro Energiespeichervorrichtung speicherbar.
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Gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherungsschaltung die externe Leistungsquelle und/oder den externen Leistungsnehmer aufweist, wobei die externe Leistungsquelle und/oder der externe Leistungsnehmer an dem zweiten Anschlussbereich angeschlossen sind. Dadurch ist ein sicherer und flexibler Betrieb der externen Leistungsquelle und des externen Leistungsnehmers ermöglicht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherungsschaltung zwischen der Messvorrichtung und der Schaltvorrichtung eine Steuereinrichtung aufweist. Dadurch ist die Sicherungsschaltung flexibel einsetzbar.
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Die Steuereinrichtung ist dabei bevorzugt eingerichtet, um die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal zu steuern, insbesondere zu schalten.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dabei eingerichtet und ausgebildet, um in Abhängigkeit von der anschließbaren, insbesondere angeschlossenen Leistungsquelle und/oder Leistungsnehmer, einen spezifischen Betriebszustand aus einer Mehrzahl von möglichen Betriebszuständen auszuwählen und zu aktivieren.
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Unter einem Betriebszustand wird insbesondere ein Zustand der Sicherungsschaltung verstanden, in welchem die Sicherungsschaltung ausgebildet und eingerichtet ist, um zumindest eine Betriebszustand-spezifische Aufgabe auszuführen. Vorzugsweise wird darunter ein Ruhezustand, ein Ladezustand und/oder ein Entladezustand, ganz besonders ein Sicherungsmodus, ein Pulsmodus, ein Lademanagementmodus und/oder ein Lebensdauer-Managementmodus, verstanden. Vorzugsweise ist es möglich, durch entsprechende Programmierung und Schaltung der Steuereinrichtung den Betriebszustand zu wechseln, wobei bevorzugt keine konstruktiven Eingriffe notwendig sind. Besonders bevorzugt ist die Sicherungsschaltung ausgebildet und eingerichtet, um zwischen zumindest zwei verschiedenen Betriebszuständen zu wechseln. Ferner bevorzugt ist die Sicherungsschaltung gleichzeitig im Sicherungsmodus und in zumindest einen weiteren Modus ausgewählt aus den oben genannten Modi und/oder Betriebszuständen verbringbar.
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Gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherungsschaltung eine Konvertervorrichtung, insbesondere einen Stromrichter, ganz besonders einen Gleichspannungswandler, aufweist, wobei die Konvertervorrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um eine elektrische Spannung und/oder Stromstärke zu verändern. Vorzugsweise ist die Konvertervorrichtung zwischen dem Messleitungsabschnitt und dem zweiten Anschlussbereich angeordnet, sodass der Messleitungsabschnitt über die Konverterschaltung mit dem zweiten Anschlussbereich verbunden ist. Dadurch ist die Flexibilität der Einsetzbarkeit der Sicherungsschaltung weiter erhöht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherungsschaltung einen mechanischen Schalter aufweist. Dadurch ist ein weiteres Sicherheitselement geschaffen, wodurch der Betrieb der Sicherungsschaltung sehr sicher ist.
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Vorzugsweise ist der mechanische Schalter zwischen dem Messleitungsabschnitt und dem ersten Anschlussbereich angeordnet. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der mechanische Schalter betätigt wird, nachdem ein Sicherungsfall eingetreten ist. Der mechanische Schalter dient dabei als zusätzliche Sicherung um sicherzustellen, dass die Verbindung zwischen dem ersten Anschlussbereich und den zweiten Anschlussbereich unterbrochen ist. Dadurch können beispielsweise in dem Sicherungsfall gefahrenlos Wartungsarbeiten an der Sicherungsschaltung durchgeführt werden.
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Unter einem Sicherungsfall wird hier insbesondere der Fall verstanden, dass die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal der Messvorrichtung geschaltet, insbesondere derart geschaltet wird, dass die Schaltvorrichtung geöffnet wird. Ganz besonders wird darunter der Fall verstanden, dass die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal geöffnet und anschließend - nicht ohne dass ein manueller Eingriff erfolgt und/oder eine Entwarnungssignal gesendet wird - nicht wieder geschlossen wird.
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Gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherungsschaltung eine Spule aufweist. Die Spule ist vorzugsweise zwischen der Schaltvorrichtung und dem ersten Anschlussbereich angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist eine weitere Spule zwischen dem zweiten Anschlussbereich und der Schaltvorrichtung angeordnet. Dadurch werden hohe Ströme, insbesondere also hohe Stromstärken insbesondere in einem Pulsmodus, vermieden. Ferner werden dadurch Stromstärken-Spitzen im Ladezustand und/oder Entladezustand, insbesondere beim Betrieb von kapazitiven Lasten, reduziert.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere auch gelöst, indem ein Sicherungsschaltungssystem mit zumindest zwei Sicherungsschaltungen, nämlich einer ersten Sicherungsschaltung und einer zweiten Sicherungsschaltung, gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele geschaffen wird, wobei das Sicherungsschaltungssystem zur insbesondere separaten Betätigung der ersten und/oder zweiten Sicherungsschaltung ausgebildet und eingerichtet ist. Dadurch sind die zumindest zwei Sicherungsschaltungen sicher betreibbar. Insbesondere sind dadurch Spannungs- und/oder Stromschwankungen, welche durch das Zusammenschalten der zumindest zwei Sicherungsschaltungen und/oder durch den gemeinsamen Betrieb von zumindest zwei Leistungsquellen, verursacht werden können, vermieden. Zudem ist dadurch für jede Energiespeichervorrichtung, jeden Leistungsnehmer und/oder jede Leistungsquelle eine eigene, flexibel einsetzbare und konfigurierbare Sicherung bereitgestellt. Insbesondere ist dabei die erste Sicherungsschaltung mit anderen Sicherungsschwellwerten betreibbar als die zweite Sicherungsschaltung.
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Vorzugsweise ist dabei der externe Leistungsnehmer und/oder die externe Leistungsquelle einzeln mit den zweiten Anschlussbereichen der jeweiligen einzelnen Sicherungsschaltungen verbunden. Alternativ sind die zweiten Anschlussbereiche der zumindest zwei Sicherungsschaltungen als ein gemeinsamer Anschlussbereich ausgebildet oder sind zu einem solchen gemeinsamen Anschlussbereich miteinander verbunden.
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Insbesondere für den Fall, dass die zweiten Anschlussbereiche als gemeinsamer zweiter Anschlussbereich ausgebildet sind, weist das Schaltungssystem als Konvertervorrichtungen der Sicherungsschaltungen eine gemeinsame Konvertervorrichtung zwischen den Messwiderständen einerseits und dem zweiten Anschlussbereichen andererseits auf.
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Alternativ weist jede der zumindest zwei Sicherungsschaltungen eine jeweils eigene Konvertervorrichtung und/oder einen jeweils eigenen zweiten Anschlussbereich auf.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sicherungsschaltungssystem eine Systemsteuereinrichtung aufweist. Dadurch ist eine übergeordnete Steuerungsmöglichkeit des Sicherungsschaltungssystems geschaffen, wodurch insbesondere die erste Sicherungsschaltung in Abhängigkeit von der zweiten Sicherungsschaltung und die zweite Sicherungsschaltung in Abhängigkeit von der ersten Sicherungsschaltung steuerbar ist. So sind beispielsweise - für den Fall, dass die beiden Sicherungsschaltungen in einem Lebensdauer-Managementmodus sind - über die Systemsteuereinrichtung die beiden Sicherungsschaltungen derart ansteuerbar, dass eine möglichst gleichmäßige Belastung von angeschlossenen Energiespeichervorrichtungen erreicht wird. Alternativ sind aber auch die beiden Sicherungsschaltungen derart ansteuerbar, dass eine ungleichmäßige Belastung der angeschlossenen Energiespeichervorrichtungen erreicht wird, beispielsweise um einen unterschiedlich Alterungsgrad der Energiespeichervorrichtung auszugleichen oder zu erhöhen.
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Dadurch kann insbesondere ein Betriebszustand der ersten Sicherungsschaltung zur Steuerung der zweiten Sicherungsschaltung berücksichtigt werden. Auch kann ein Betriebszustand der zweiten Sicherungsschaltung zur Steuerung der ersten Sicherungsschaltung berücksichtigt werden. Dabei ist insbesondere die erste Sicherungsschaltung in einen höheren Lastmodus versetzbar, wobei ein Sicherungsschwellwert zum Auslösen der Sicherung der ersten Sicherungsschaltung erhöht ist, wenn bei der zweiten Sicherungsschaltung - im Sicherungsmodus - die Sicherung ausgelöst wurde. Insbesondere ist die erste Sicherungsschaltung in einen Überlast-Betriebszustand versetzbar, wenn die zweite Sicherungsschaltung in einem Sicherungsmodus arbeitet und die Sicherung ausgelöst wurde.
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Die Systemsteuereinrichtung umfasst dabei die Steuereinrichtungen der zumindest zwei Sicherungsschaltungen oder ist zumindest mit diesen steuerungstechnisch verbunden.
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Die Systemsteuereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet und eingerichtet, um die erste Sicherungsschaltung, insbesondere eine erste Schaltvorrichtung der ersten Sicherungsschaltung, in Abhängigkeit von dem Messignal und/oder einem Betriebszustand der zweiten Sicherungsschaltung, nämlich einem zweiten Messignal einer zweiten Messvorrichtung der zweiten Sicherungsschaltung, zu steuern.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Sicherungsschaltung und/oder einem Sicherungsschaltungssystem insbesondere nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele geschaffen wird, wobei zwischen einem ersten Anschlussbereich für eine Energiespeichervorrichtung und einem zweiten Anschlussbereich für eine Leistungsquelle und/oder einen Leistungsnehmer eine Stromstärke und/oder eine Spannung eines Messleitungsabschnitts gemessen wird, wobei eine zwischen dem ersten und zweiten Anschlussbereich angeordnete Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von einem aus der Messung resultierenden Messsignal betrieben, insbesondere geschaltet, wird. Dadurch ist ein flexibler Betrieb der Sicherungsschaltung und/oder des Sicherungsschaltungssystems geschaffen. Insbesondere ist dadurch eine Anpassung von Sicherungsschwellwerten möglich, ohne dass Bauteile der Sicherungsschaltung und/oder des Sicherungsschaltungssystem ausgetauscht werden müssen.
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Der Betrieb der Schaltung umfasst vorzugsweise auch eine derartige Sperrung der Schaltvorrichtung, dass ein Umschalten verhindert ist. Jedenfalls umfasst der Betrieb der Schaltvorrichtung das Umschalten der Schaltvorrichtung zwischen einem geschlossenen Zustand, in welchem eine elektrische Verbindung zwischen dem erstem und dem zweitem Anschlussbereich hergestellt ist, und einem geöffneten Zustand, in welchem die Verbindung zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich getrennt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - insbesondere in einem Normal-Betriebszustand, insbesondere in einem Sicherungsmodus - das Messsignal, insbesondere der Messwert, mit einem ersten Sollwert verglichen wird, wobei die Schaltvorrichtung geschaltet, insbesondere geöffnet wird, wenn die gemessene Stromstärke und/oder die gemessene Spannung von dem Sollwert abweichen, insbesondere diesen - ganz besonders betragsmäßig - überschreiten. Dadurch ist das Verfahren vielseitig.
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Der Betrieb der Sicherungsschaltung und/oder des Sicherungsschaltungssystem, insbesondere die Steuerung der Schaltvorrichtung erfolgt also vorzugsweise anhand des Sollwerts, bei dessen Überschreitung oder Unterschreitung durch das Messsignal, die Schaltvorrichtung geöffnet oder geschlossen wird.
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Unter einem Sollwert wird hier insbesondere ein Soll-Einzelwert und/oder ein Sollbereich verstanden. Ausgehend von dem Soll-Einzelwert sind vorzugsweise ein oberer und/oder ein unterer Toleranzbereich mittels zumindest eines Schwellwerts definiert, wobei für den oberen und den unteren Toleranzbereich verschiedene Schwellwerte, insbesondere ein unterer und ein oberer Schwellwert, definierbar, insbesondere definiert sind, sind. Dabei wird der Sollwert bevorzugt anhand des Betriebszustands der Sicherungsschaltung bestimmt, wobei insbesondere auch für verschiedene Betriebszustände jeweils verschiedene Sollwerte definierbar, insbesondere definiert sind. Der Sollwert kann dabei hardwareseitig eingestellt sein. Alternativ oder zusätzlich ist eine softwareseitige Definition des Sollwerts möglich, wobei der Steuereinrichtung der Sicherungsschaltung der Sollwert übermittelbar ist, insbesondere übermittelt wird.
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Vorzugsweise wird der Sollwert derart gewählt, dass eine Gefährdung von Personen und/oder eine Beschädigung von Komponenten vermieden ist.
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Ferner bevorzugt bleibt und/oder wird die Schaltvorrichtung geschlossen, wenn das Messsignal dem Sollwert entspricht, und/oder geöffnet, wenn das Messsignal von dem Sollwert abweicht. Vorzugsweise bleibt die Schaltvorrichtung geschlossen, solange das Messsignal dem Sollwert entspricht. Ferner bevorzugt wird die Schaltvorrichtung geöffnet, also die elektrische Verbindung unterbrochen, wenn die gemessene Spannung und/oder Stromstärke nicht mehr dem Sollwert entsprechen. Die Schaltvorrichtung wird also vorzugsweise geöffnet und damit ein Stromfluss und/oder die Spannungsversorgung unterbrochen, wenn ein gemessener Strom und/oder eine gemessene Spannung zu hoch sind, und/oder falsch gerichtet sind.
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Gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - insbesondere in dem Entladezustand, in welchem die Energiespeichervorrichtung entladen werden soll und/oder wird, und dabei vorzugsweise Energie an den externen Leistungsnehmer abgibt - die Schaltvorrichtung geöffnet wird, wenn entlang des Messleitungsabschnitts ein Rückstrom in Richtung des ersten Anschlussbereichs, insbesondere der Energiespeichervorrichtung, gemessen wird, und/oder entlang des Messleitungsabschnitts ein Vorwärtsstrom in Richtung des zweiten Anschlussbereichs gemessen wird, der den Sollwert überschreitet.
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Gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - insbesondere in dem Ladezustand, in welchem die Energiespeichervorrichtung geladen werden soll und/oder wird, und dabei vorzugsweise Energie von der externen Leistungsquelle aufnimmt - die Schaltvorrichtung geöffnet wird, wenn entlang des Messleitungsabschnitts ein Rückstrom in Richtung des zweiten Anschlussbereichs, insbesondere der externen Leistungsquelle, gemessen wird, und/oder entlang des Messleitungsabschnitts ein Vorwärtsstrom in Richtung des ersten Anschlussbereichs gemessen wird, der den Sollwert überschreitet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung - insbesondere in dem Sicherungsmodus - nach einem Öffnen, insbesondere nach einem Überschreiten des ersten Sollwerts, erst wieder geschlossen wird, wenn von einer Steuereinrichtung und/oder einem manuellen Operator ein Entwarnungssignal gesendet wird. Dadurch wird verhindert, dass die Sicherungsschaltung wieder auf „leitend“ geschaltet wird, wenn zuvor ein zu hoher Strom und/oder eine zu hohe Spannung gemessen wurde. Somit werden Schäden vermieden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - insbesondere in einem Lade-Managementmodus - als Sollwert ein zweiter Sollwert verwendet wird, wobei der zweite Sollwert in Abhängigkeit von einem Ladestand der Energiespeichervorrichtung, insbesondere der ersten und zweiten Energiespeichervorrichtung der ersten und zweiten Sicherungsschaltung des Sicherungsschaltungssystems, bestimmt wird. Dadurch ist es mittels der Sicherungsschaltung und des hier beschriebenen Verfahrens möglich, ein effizientes Laden des Energiespeichervorrichtung zu ermöglichen und eine hohe Lebensdauer der Energiespeichervorrichtungen zu gewährleisten. Dadurch sind auch Wartungszeiten und Wartungskosten niedrig. Ferner ist die Vielseitigkeit erhöht.
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Vorzugsweise wird - im Lade-Managementmodus - ein erster Ladestand der ersten Energiespeichervorrichtung mit einem zweiten Ladestand der zweiten Energiespeichervorrichtung verglichen. Dabei wird die erste Schaltvorrichtung der ersten Sicherungsschaltung geöffnet und die zweite Schaltvorrichtung der zweiten Sicherungsschaltung geschlossen, wenn der erste Ladestand größer ist als der zweite Ladestand. Entsprechend wird die erste Schaltvorrichtung geschlossen und die zweite Schaltvorrichtung geöffnet, wenn der zweite Ladestand größer ist als der erste Ladestand. Dadurch wird immer die Energiespeichervorrichtung geladen, die den geringeren Ladestand aufweist. Zudem sind die Sicherungsschaltungen dadurch sehr vielseitig und flexibel einsetzbar.
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Vorzugsweise wird der erste Ladestand und/oder der zweite Ladestand und/oder eine Ladestandsdifferenz zwischen dem ersten Ladestand und dem zweiten Ladestand durch Messung einer entsprechenden Spannung und/oder Stromstärke, insbesondere mittels des Messsignals, bestimmt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - insbesondere in einem Lebenszyklus-Managementmodus - als Sollwert ein dritter Sollwert verwendet wird, wobei der dritte Sollwert in Abhängigkeit von einem Lebenszyklusparameter, insbesondere einem Alter, der Energiespeichervorrichtung, bestimmt wird. Dadurch ist die Vielseitigkeit des Verfahrens, der Sicherungsschaltung und des Sicherungsschaltungssystems weiter erhöht.
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Unter einem Alter wird hier insbesondere ein Punkt im Lebenszyklus der Energiespeichervorrichtung verstanden.
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Vorzugsweise wird der Lebenszyklusparameter dabei anhand einer Spannung und/oder einer Stromstärke, insbesondere anhand des Messsignals, bestimmt.
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Vorzugsweise werden die Energiespeichervorrichtung dabei derart belastet und die Schaltvorrichtungen derart geschaltet, dass das Alter der ersten Energiespeichervorrichtung von dem Alter der zweiten Energiespeichervorrichtung, insbesondere gegen Lebenszyklusende, verschieden gehalten wird. Besonders bevorzugt wird dabei die erste Schaltvorrichtung geschlossen und die zweite Schaltvorrichtung geöffnet, wenn die erste Energiespeichervorrichtung und zweite Energiespeichervorrichtung gleich stark gealtert sind. Dadurch wird vermieden, dass die erste Energiespeichervorrichtung und die zweite Energiespeichervorrichtung gleichzeitig ausfallen und/oder sich gleichzeitig ihrem Leistungsminimum nähern.
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Besonders bevorzugt wird am Lebenszyklusende einer Energiespeichervorrichtung dieses durch eine Meldevorrichtung, insbesondere optische und/oder akkustische Signalvorrichtung, ganz besonders Lampe sichtbar gemacht, indem die Meldevorrichtung eine Meldung abgibt, insbesondre die Lampe aufleuchtet, sobald das Lebenszyklusende erreicht ist. Dadurch kann die Energiespeichervorrichtung schnell und einfach ausgetauscht werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherungsschaltung aus dem Normalbetriebszustand in einen Überlast-Betriebszustand versetzt wird, wobei die Schaltvorrichtung in dem Überlast-Betriebszustand bei Überschreiten des ersten Sollwerts nicht geschaltet, insbesondere nicht geöffnet wird. Dadurch ist es - insbesondere in besonderen Belastungssituationen - möglich, über den ersten Sollwert hinaus Leistung zu liefern und insbesondere einen Leistungsnehmer weiter zu betreiben. Dadurch ist der Betrieb der Sicherungsschaltung besonders flexibel an äußere Umstände anpassbar.
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Vorzugsweise ist hierbei ein vierter Sollwert, insbesondere ein Überlastsollwert, definiert, welcher vorzugsweise höher ist als der erste Sollwert, wobei bei Überschreiten des vierten Sollwerts im Überlast-Betriebszustand die Schaltvorrichtung geöffnet wird. Somit ist auch im Überlast-Betriebszustand eine Sicherung geschaffen, wobei die Leistungsgrenzen höher sind als im Normal-Betriebszustand.
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Vorzugsweise wird im Überlast-Betriebszustand bei Überschreiten des ersten Sollwerts eine Warnmeldung erzeugt und/oder ausgegeben. Dadurch ist erkennbar, dass die Sicherungsschaltung im Überlast-Betriebszustand betrieben wird und ein erhöhtes Risiko für Schäden besteht, sodass bereits externe Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - insbesondere in einem Pulszustand - die Schaltvorrichtung wieder geschlossen wird, nachdem - nach einem vorangehenden Öffnen, insbesondere nach einem Überschreiten eines fünften Sollwerts, - eine Pulszeitdauer verstrichen ist und/oder nachdem das Messsignal einen Abkling-Sollwert unterschreitet. Dadurch ist die Vielseitigkeit und die Betriebssicherheit erhöht.
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Unter einem Abkling-Sollwert wird hier insbesondere ein Sollwert für eine Temperatur, insbesondere eine Temperatur der Energiespeichervorrichtung, eine Spannung des Messleitungsabschnitts und/oder eine Stromstärke verstanden.
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Hierbei ist der fünfte Sollwert vorzugsweise geringer als der erste Sollwert. Insbesondere bedeutet ein Überschreiten des fünften Sollwerts nicht zwingend, dass eine zum Ausfall der Sicherungsschaltung und/oder zu einem permanenten Schaden führende Belastungsgrenze überschritten wurde. Vielmehr wird durch den fünften Sollwert ein Pulsmodus realisiert, insbesondere zum Aufladen einer kapazitiven Last.
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Unter einer kapazitiven Last wird hier insbesondere ein kapazitiver Leistungsnehmer verstanden, der an dem zweiten Anschlussbereich anschließbar, insbesondere angeschlossen ist, und/oder die Energiespeichervorrichtung verstanden. Sowohl beim Laden der Energiespeichervorrichtung als auch beim Laden des kapazitiven Leistungsnehmers werden dadurch Stromspitzen reduziert und somit die Betriebssicherheit und die zu erwartende Lebensdauer der Sicherungsschaltung, der Energiespeichervorrichtung, der Leistungsquelle und/oder des Leistungsnehmers erhöht.
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Gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - insbesondere im Sicherungsfall nach Überschreiten des ersten Sollwerts - ein mechanischer Schalter geöffnet wird. Dadurch können Fehlersuchen und Wartungsarbeiten sehr sicher durchgeführt werden.
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Vorzugsweise wird nach dem Öffnen des mechanischen Schalters die Energiespeichervorrichtung, der Leistungsnehmer und/oder die Leistungsquelle angeschlossen oder abgeschlossen.
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Die Beschreibungen des Verfahrens, der Sicherungsschaltung und des Sicherungsschaltungssystems sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des Sicherungsschaltungssystems und/oder der Sicherungsschaltung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale des Sicherungsschaltungssystems und/oder der Sicherungsschaltung. Bevorzugt sind das Sicherungsschaltungssystem und die Sicherungsschaltung ausgebildet zur Durchführung wenigstens eines der in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Verfahrensschritte. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Sicherungsschaltungssystem und der Sicherungsschaltung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Insbesondere ist im Rahmen des Verfahrens bevorzugt wenigstens ein Schritt vorgesehen, der sich aus wenigstens einem Merkmal des Sicherungsschaltungssystems und/oder der Sicherungsschaltung ergibt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Sicherungsschaltung,
- 2 eine schematische Darstellung eines Sicherungsschaltungssystem mit vier Sicherungsschaltungen,
- 3 eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Sicherungsschaltung und/oder eines Sicherungsschaltungssystems,
- 4 eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Sicherungsschaltung und/oder eines Sicherungsschaltungssystems, und
- 5 eine dritte Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Sicherungsschaltung und/oder eines Sicherungsschaltungssystems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherungsschaltung 1 mit einem ersten Anschlussbereich 3 für eine Energiespeichervorrichtung 5 und einem zweiten Anschlussbereich 7 für eine in 1 nicht dargestellte externe Leistungsquelle und/oder externen Leistungsnehmer. Dabei ist der erste Anschlussbereich 3 über einen Messleitungsabschnitt 9, welcher hier insbesondere als Messwiderstand ausgebildet ist, und eine Schaltvorrichtung 11 mit dem zweiten Anschlussbereich 7 verbindbar, wobei der erste Anschlussbereich 3 mit dem zweiten Anschlussbereich 7 insbesondere im geschlossenen Zustand der Schaltvorrichtung 11 verbunden ist. Die Sicherungsschaltung 1 weist ferner eine Messvorrichtung 13 auf, welche zur Messung eines Stroms durch den Messleitungsabschnitt 9 und/oder einer Spannung des Messleitungsabschnitts 9 ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Schaltvorrichtung 11 in Abhängigkeit von einem Messsignal der Messvorrichtung 13 schaltbar ist. Dadurch ist eine flexibel nutzbare Sicherungsschaltung geschaffen, die vielseitig einsetzbar ist. Zudem sind Wartungszeiten und Wartungskosten bei dieser Sicherungsschaltung 1 niedrig.
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Zudem ist in 1 eine Steuereinrichtung 15 dargestellt, welche zwischen der Messvorrichtung 13 und der Schaltvorrichtung 11 angeordnet ist. Das Messsignal der Messvorrichtung 13 wird dabei zunächst an die Steuereinrichtung 15 geleitet. Die Steuereinrichtung 15 bestimmt sodann aus dem Messsignal, ob und - falls ja - wie die Schaltvorrichtung 11 zu schalten ist und übermittelt ein entsprechendes Schaltsignal an die Schaltvorrichtung 11.
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Dabei sieht eine bevorzugte Schaltroutine vor, dass die Schaltvorrichtung 11 geschlossen bleibt oder wird, wenn das Messsignal in einem akzeptablen Bereich liegt und somit einem Sollwert entspricht. Sofern das Messsignal von dem Sollwert abweicht, wird vorzugsweise ein Öffnungssignal an die Schaltvorrichtung 11 übermittelt, um diese zu öffnen und somit die elektrische Verbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 5 und dem zweiten Anschlussbereich 7 zu unterbrechen.
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2 zeigt ein Sicherungsschaltungssystem 17, welches zumindest zwei Sicherungsschaltungen 1, hier insbesondere vier Sicherungsschaltungen 1 aufweist. Dabei ist das Sicherungsschaltungssystem 17 zur Betätigung der zumindest zwei Sicherungsschaltungen ausgebildet und eingerichtet. Die Sicherungsschaltungen 1 sind hier jeweils mit einer Energiespeichervorrichtung 5 verbunden. Über die zweiten Anschlussbereiche 7 der Sicherungsschaltung 1 sind die Sicherungsschaltungen 1 zudem mit einem externen Leistungsnehmer 19 und/oder einer externen Leistungsquelle 21 verbunden. Dabei sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die zweiten Anschlussbereiche 7 der Sicherungsschaltungen 1 als ein gemeinsamer zweiter Anschlussbereich 7 ausgebildet. Dadurch ist ein vielseitig einsetzbares Sicherungsschaltungssystem geschaffen, wobei der Wartungsaufwand, insbesondere die Wartungszeiten und Wartungskosten, gering ist.
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Das Sicherungsschaltungssystem 17 weist zudem eine Systemsteuereinrichtung 23 auf, welche mit den Sicherungsschaltungen 1, insbesondere den jeweiligen Steuereinrichtungen 15 der Sicherungsschaltungen 1, verbunden ist. Dadurch ist eine übergeordnete Steuerung der einzelnen Steuereinrichtungen 15 geschaffen, wodurch insbesondere die Steuerung der Steuereinrichtung 15 einer ersten Sicherungsschaltung 25 der zumindest zwei Sicherungsschaltungen in Abhängigkeit von einer zweiten Sicherungsschaltung 27 der zumindest zwei Sicherungsschaltungen 1 erfolgen kann.
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Ferner weist das Sicherungsschaltungssystem 17, insbesondere die Sicherungsschaltungen 1 des Sicherungsschaltungssystems 17, zumindest ein weiteres elektronisches Bauteil 28 auf, wobei als weiteres elektronisches Bauteil insbesondere ein mechanischer Schalter und/oder eine Spule vorgesehen sind. Durch den mechanischen Schalter ist die Sicherheit erhöht, wobei der mechanische Schalter geöffnet wird, nachdem ein Sicherungsfall eingetreten und die Schaltvorrichtung 11 geöffnet wurde. Die Spule dient demgegenüber der Reduktion von Spannungsspitzen, wodurch eine zu hohe Stromstärke und dadurch verursachte Schäden vermieden werden.
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3 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Sicherungsschaltung und/oder eine Sicherungsschaltungssystems 17 in einer schematischen Darstellung. Dabei wird in einem ersten Schritt S 1 zwischen dem ersten Anschlussbereich 3 und dem zweiten Anschlussbereich 7 eine Stromstärke gemessen. Alternativ oder zusätzlich wird eine Spannung des Messleitungsabschnitts 9 gemessen, wobei in der hier dargestellten Ausführungsform des Verfahrens in einem zweiten Schritt S2 eine Ausgangsspannung des Messleitungsabschnitts 9 und in einem dritten Schritt S3 eine Eingangsspannung des Messleitungsabschnitts 9 gemessen wird.
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Ferner ist in 3 ein Ladestrom L dargestellt, der die Sicherungsschaltung 1 durchströmt.
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Zudem wird in dem in 3 dargestellten Verfahren eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussbereich angeordnete Schaltvorrichtung 11 der Sicherungsschaltung 1 in Abhängigkeit von einem aus der Messung resultierenden Messsignal betrieben. Dies ist in dem in 3 dargestellten Verfahren insbesondere dadurch realisiert, dass die in dem ersten Schritt S 1, den zweiten Schritt S2 und dem dritten Schritt S3 gemessenen Stromstärken und Spannungen an eine Steuereinrichtung 15 übermittelt werden, wobei die Steuereinrichtung 15 ein Schaltsignal an die Sicherungsschaltung 1, insbesondere die Schaltvorrichtung 11 der Sicherungsschaltung 1, sendet. Vorzugsweise wird das Schaltsignal - wie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel - in einem vierten Schritt S4 zunächst an eine Steuerlogik und anschließend der Sicherungsschaltung 1 übermittelt.
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Auch die in dem ersten Schritt S1 gemessenen Stromstärke wird vorzugsweise über einen fünften Schritt S5 der Steuerlogik zugeführt, wobei in dem fünften Schritt S5 überprüft wird, ob der gemessene Strom zu hoch ist. Sofern dies der Fall sein sollte, wird über die Steuerlogik eine Öffnung der Schaltvorrichtung 11 der Sicherungsschaltung 1 bewirkt.
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Die Steuereinrichtung 15 ist vorzugsweise über einen Sicherungsbus 29 mit anderen Sicherungssteuerungen und/oder einer Systemsteuereinrichtung 23 verbunden.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Sicherungsschaltung 1 und/oder eines Sicherungsschaltungssystems 17, wobei in einem sechsten Schritt S6 ein Betriebszustand ermittelt wird. In Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand wird anschließend überprüft, ob die gemessenen Werte, insbesondere das Messsignal, den j eweiligen Sollwerten entsprechen. Dabei wird - sofern der Betriebszustand einem Entladezustand entspricht - in einem siebten Schritt S7 überprüft, ob ein Entladestrom in Richtung des zweiten Anschlussbereich 7 fließt und ob etwaige Rückströme in Richtung des ersten Anschlussbereich 3 nicht vorhanden sind. Die gemessenen Werte werden an eine Steuereinrichtung 15 übertragen, wobei diese bei einem Abweichen von den entsprechenden Sollwerten ein Sperrsignal an die Schaltvorrichtung 11 sendet, wodurch die Schaltvorrichtung 11 geöffnet wird und der Stromfluss unterbrochen wird.
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In einem achten Schritt S8 wird - in einem Ladezustand - überprüft, ob ein Ladestrom in Richtung des ersten Anschlussbereichs 3 größer als Null ist und ob Ströme in Richtung des zweiten Anschlussbereich 7 gleich Null sind. Sofern dies der Fall ist, entspricht das den Sollwerten, und es ist kein Öffnen der Schaltvorrichtung 11 erforderlich.
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Sofern der Betriebszustand einem Ruhezustand entspricht, wird in einem neunten Schritt S9 überprüft, die Ströme in beide Richtungen, also sowohl die Ströme in Richtung des ersten Anschlussbereich 3 als auch die Ströme in Richtung des zweiten Anschlussbereich 7 - minimal sind. Sofern die Ströme zu stark von Null abweichen, ist es erforderlich, dass als Schaltsignal ein Öffnungssignal an die Schaltvorrichtung 11 gesendet wird, um den Stromfluss zu unterbinden.
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Die in den dem siebten Schritt, dem achten Schritt und dem neunten Schritt ermittelten Werte werden an die Steuereinrichtung 15 übermittelt, welche in einem zehnten Schritt bestimmt, ob die Schaltvorrichtung 11 zu öffnen oder zu schließen ist.
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Dadurch ist eine effiziente Steuerung der Sicherungsschaltung geschaffen, wobei Schäden an der Energiespeichervorrichtung 5, dem Leistungsnehmer 19 und/oder der Leistungsquelle 21 vermieden sind.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Sicherungsschaltung 1 und/oder eine Sicherungsschaltungssystems 17, wobei ein Pulsmodus realisiert ist. Dabei wird in einem elften Schritt S11 zunächst eine Last zugeschaltet, insbesondere ein Leistungsnehmer 19, ganz besonders ein kapazitiver Leistungsnehmer 19, an den zweiten Anschlussbereich 7 angeschlossen. In einem zwölften Schritt S12 wird danach eine erste Stromstärke gemessen. Anschließend wird in einem dreizehnten Schritt S13 überprüft, ob die gemessene Stromstärke größer ist als eine maximal zulässige Stromstärke, insbesondere größer als ein entsprechender Stromstärken-Sollwert. Sofern dies der Fall ist, wird in einem vierzehnten Schritt S 14 ein Pulsmodus aktiviert, wobei durch wiederholtes Öffnen und Schließen der Schaltvorrichtung 11 zeitlich begrenzte Strom- und/oder Spannungspulse erzeugt werden. Dabei wird in einem fünfzehnten Schritt S15 erneut eine Stromstärke, nämlich eine zweite Stromstärke, gemessen. Anschließend wird in einem sechszehnten Schritt S16 überprüft, ob die zweite gemessene Stromstärke kleiner ist als die erste gemessene Stromstärke. Sofern dies nicht der Fall ist, wird in einem siebzehnten Schritt die Sicherung ausgelöst, indem die Schaltvorrichtung 11 geöffnet wird. Sofern hingegen die zweite Stromstärke kleiner ist als die erste Stromstärke, wird in dem dreizehnten Schritt S13 erneut geprüft, ob die erste Stromstärke größer ist als der Stromstärken-Sollwert. Dabei werden der dreizehnte Schritt S13, der vierzehnte Schritt S 14, der fünfzehnte Schritt S15 und der sechszehnte Schritt S 16 wiederholt, bis die erste Stromstärke kleiner ist als die maximal zulässige Stromstärke. Sobald dies der Fall ist und die Stromstärke somit im akzeptablen Bereich liegt und dem Stromstärken-Sollwert entspricht, wird die Last in einem achtzehnten Schritt S18 ungepulst zugeschaltet und der Pulsmodus somit beendet.
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Insgesamt sind dadurch Schaltvorrichtung 1, das Schaltvorrichtungssystem 15 und das Verfahren zum Betrieb der Schaltvorrichtung 1 und des Schaltvorrichtungssystem sehr vielseitig, wobei Wartungsarbeiten und Wartungszeiten niedrig gehalten sind. Zudem werden Schäden an Bauteilen vermieden.
