DE102022128623A1

DE102022128623A1 - Verfahren und Schutzeinrichtung zum Schützen einer Einrichtung vor einem Fehlerstrom und entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022128623A1
Application number: DE102022128623.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Baumann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-05-08
Also published as: WO2024088650A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (7) zum Schützen einer elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom mittels einer Sicherung. Die Erfindung betrifft weiter eine entsprechende Schutzeinrichtung sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. In dem Verfahren (7) werden ein aktuell bei Fehlerfreiheit erwarteter Normalbetriebsstromanstieg (5) und ein jeweils aktuell bei einem Fehler erwarteter Fehlerstromanstieg (6) bestimmt. Weiter wird ein tatsächlich gegebener aktueller Messstromanstieg bestimmt. Ein gemessener Strom (I) durch die Sicherung wird dann als Fehlerstrom (2) erkannt, wenn der Fehlerstromanstieg (6) um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert größer ist als der Normalbetriebsstromanstieg (5) und gleichzeitig eine Differenz zwischen dem Fehlerstromanstieg (6) und dem Messstromanstieg kleiner als ein vorgegebener Differenzschwellenwert ist. In diesem Fall wird dann automatisch die Sicherung ausgelöst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schutzeinrichtung zum Schützen einer elektrischen und/oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom. Die Erfindung betrifft weiter ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Elektrische und elektronische Systeme werden heutzutage in unübersehbarer Vielfalt eingesetzt. Um dabei Beschädigungen oder Sicherheitsrisiken zu vermeiden, können Sicherungen eingesetzt werden. Dies kann jedoch je nach Anwendungsfall ebenfalls Probleme mit sich bringen. So können beispielsweise klassische Schmelzsicherungen eine Auslösezeit von mehreren ms aufweisen und damit vergleichsweise langsam reagieren. Elektronische Sicherungen können zwar prinzipiell schneller schalten, womit jedoch insbesondere bei relativ großen Induktivitäten ebenfalls ein Gefahrenpotenzial einhergehen kann.
Als ein Lösungsansatz ist in der DE 10 2011 121 604 A1 ein Verfahren zum Schützen eines elektronischen Systems vor einem elektrischen Überstrom und Kurzschluss beschrieben. Darin wird ein ermittelter Istwert eines Stromanstiegs eines Betriebsstroms mit einem Sollwert verglichen, der als ein maximal zulässiger Stromanstieg des Betriebsstroms einer Auslegung und/oder einer aktuellen Stromanforderung des Systems entsprechend durch ein Steuergerät dynamisch eingestellt wird. Wenn der Istwert des Stromanstiegs den ersten Sollwert übersteigt, wird durch das Steuergerät zur Unterbrechung des Betriebsstroms ein Schutzschalter ausgelöst. Damit soll eine verbesserte Sicherheit ermöglicht werden, um eine potenzielle Kurzschlussgefahr frühzeitig zu erkennen und dann zu unterbinden. Es kann jedoch auch hier problematisch sein, allein anhand des Stromanstiegs den Betriebsstroms zuverlässig von einem Fehlerstrom zu unterscheiden, sodass dennoch im Fehlerfall hohe Energien auftreten können und gehandhabt werden müssen.
Als weiteren Ansatz beschreibt die DE 10 2009 007 969 A1 eine Kurzschluss-Schutzvorrichtung zur Begrenzung von Kurzschlussströmen in Hochenergie-Gleichstromnetzen. Darin ist zu einem elektrischen Widerstand zur Führung und Begrenzung des Kurzschlussstroms ein erster Schalter zur Überbrückung des Widerstands bei Kurzschlussfreiheit parallel geschaltet. Weiter ist eine Überwachungs- und Steuerungseinrichtung zur Überwachung des Stromes durch den Schalter und zum Öffnen des Schalters, wenn der Strom durch den Schalter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, vorgesehen. Damit soll der bei einem Kurzschluss auftretende KurzschlussStrom sicher beherrschbar sein.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen besonders zuverlässigen und sicheren Fehlerstromschutz zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden zum Schützen einer elektrischen und und/oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom mittels einer Sicherung. Eine solche Sicherung kann also automatisch geöffnet oder ausgelöst werden, um eine Beschädigung der Einrichtung durch einen Fehlerstrom, also beispielsweise einen Überstrom oder einen Kurzschlussstrom bzw. mögliche schädigende Effekte eines solchen Fehlerstrom zu vermeiden oder zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mehrere Verfahrensschritte, die jeweils im Betrieb der Einrichtung angewendet werden können.
In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein jeweils aktuell bei Fehlerfreiheit, wenn sich also die Einrichtung in einem fehlerfreien Normalbetrieb befindet, an einer vorgegebenen Stelle der Einrichtung erwarteter Normalbetriebsstrom bestimmt. Diese Stelle kann insbesondere die Sicherung sein, sodass mit anderen Worten also bestimmt werden kann, welcher Normalbetriebsstrom jeweils aktuell durch die Sicherung fließen sollte. Ebenso kann aber ebenso eine andere Stelle zum Bestimmen des Normalbetriebsstroms vorgegeben oder vordefiniert sein, beispielsweise entlang einer die Sicherung umfassenden Leitung unmittelbar vor oder nach der Sicherung oder dergleichen. Dies kann eine entsprechend flexible Anwendung des Verfahrens ermöglichen. Weiter wird hier anhand des erwarteten Normalbetriebsstroms bzw. des zeitlichen Verlaufs des erwarteten Normalbetriebsstroms ein jeweils korrespondierender bei Fehlerfreiheit erwarteter aktueller Normalbetriebsstromanstieg bestimmt. Mit anderen Worten wird also der jeweils aktuell bei Fehlerfreiheit erwartete Gradient des Normalbetriebsstroms bestimmt, beispielsweise in A/s. Dieser Normalbetriebsstromanstieg kann je nach Ausgestaltung der Einrichtung auch bei Fehlerfreiheit unterschiedlich sein bzw. variieren. Beispielsweise kann bei einer über die Sicherung abgesicherten bzw. versorgten kapazitiven Last der Normalbetriebsstrom ein entsprechender erwarteter kapazitiver Ladestrom sein, wobei der Normalbetriebsstromanstieg dann von der Kapazität der Last abhängig sein kann.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein jeweils aktuell bei einem Fehler, insbesondere bei einem elektrischen Kurzschluss, an der oder einer vorgegebenen Stelle erwarteter Fehlerstrom und ein jeweils korrespondierender Fehlerstromanstieg, also ein jeweils aktuell erwarteter Gradient des Fehlerstroms bestimmt.
Zum Bestimmen dieser Größen können beispielsweise jeweils vorgegebene elektrische Parameter, welche die Einrichtung beschreiben oder charakterisieren, verwendet werden. Ebenso kann beispielsweise die elektrische Spannung in der Einrichtung bzw. zwischen zwei vorgegebenen Punkten über die Zeit gemessen und als Basis oder Input zum Bestimmen der genannten Größen verwendet werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein tatsächlich durch die vorgegebene Stelle fließender Strom über die Zeit gemessen. Dieser tatsächlich gemessene Strom kann hier auch als Messstrom bezeichnet werden. Anhand des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Messstroms wird weiter ein korrespondierender jeweils aktueller tatsächlicher, also real gegebener Messstromanstieg, das heißt ein entsprechender Gradient des Messstroms bestimmt.
Der Messstrom wird dann als Fehlerstrom erkannt und es wird automatisch die Sicherung ausgelöst, wenn wenigstens zwei vorgegebene Bedingungen erfüllt sind. Die Sicherung kann dann also automatisch geöffnet werden, um den Fehlerstrom durch die Einrichtung bzw. die Sicherung und damit auch durch einen zu schützenden Teil der Einrichtung zu unterbrechen. Eine erste Bedingung zum Erkennen des Messstroms als Fehlerstrom und nicht als Normalbetriebsstrom ist dann erfüllt, wenn der aktuell bei Vorliegen eines Fehlers erwartete Fehlerstromanstieg um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert größer ist als der bei Fehlerfreiheit aktuell erwartete Normalbetriebsstromanstieg. Dazu kann permanent oder quasi-kontinuierlich oder entsprechend hochfrequent, um eine ausreichend schnelle Schutzwirkung zu erzielen oder zu ermöglichen, der erwartete Fehlerstromanstieg und der erwartete Normalbetriebsstromanstieg bestimmt und ein entsprechender Vergleich durchgeführt werden. Dabei können insbesondere jeweils die Beträge dieser Stromanstiege miteinander verglichen werden. Durch den vorgegebenen Schwellenwert kann eine entsprechende Fehlertoleranz oder Konfidenz eingestellt bzw. berücksichtigt werden. Der Schwellenwert kann beispielsweise minimiert werden unter Berücksichtigung einer im jeweiligen Anwendungsfall gegebenen oder erreichbaren Genauigkeit oder Zuverlässigkeit der Bestimmung des erwarteten Fehlerstromanstiegs und des erwarteten Normalbetriebsstromanstiegs. Dies kann beispielsweise abhängig sein von einer Genauigkeit der verfügbaren Parameter oder Parameterwerte zum Beschreiben oder Charakterisieren der Einrichtung, einer Auflösung eines entsprechenden Modells und/oder dergleichen mehr.
Eine zweite Bedingung zum Erkennen des Messstroms als Fehlerstrom ist, dass eine Differenz zwischen dem bei Vorliegen eines Fehlers aktuell erwarteten Fehlerstromanstieg und dem aktuellen Messstromanstieg, insbesondere der Betrag dieser Differenz, kleiner als ein vorgegebener Differenzschwellenwert ist. Hier kann beispielsweise der Betrag der Differenz zwischen dem Messstromanstieg und dem erwarteten Fehlerstromanstieg mit dem um einen vorgegebenen Konfidenzwert oder Konfidenzanteil erhöhten Betrag des Fehlerstromanstiegs oder dergleichen verglichen werden.
Mit anderen Worten kann also ein Fehlerstrom erkannt und dementsprechend die Sicherung automatisch ausgelöst werden, sobald sich der erwartete Normalbetriebsstromanstieg und der erwartete Fehlerstromanstieg stark genug voneinander unterscheiden, um mit entsprechender Konfidenz bzw. einem entsprechend hohen Vertrauen zwischen einem Fehler, beispielsweise einem Kurzschluss, und einem Normalbetrieb unterscheiden zu können, und sobald dann der erwartete Fehlerstromanstieg und der tatsächliche Messstromanstieg eng genug beieinander liegen, um mit entsprechender Konfidenz oder entsprechendem Vertrauen tatsächlich einen Fehler oder einen Kurzschluss feststellen zu können.
Sobald ein entsprechender Fehlerstrom oder Kurzschluss oder dergleichen erkannt bzw. festgestellt wird, kann dieser durch Öffnen der Sicherung unmittelbar isoliert werden.
Durch das hier vorgeschlagene Verfahren kann besonders frühzeitig und besonders zuverlässig zwischen einem regulären Maximalbetriebsstrom und einem Fehler- bzw. Kurzschlussstrom unterschieden werden, was bei herkömmlichen Überstromabschaltungen etwa aufgrund einer Kapazität der Einrichtung bzw. einer entsprechenden Last nicht ohne Weiteres entsprechend schnell möglich ist. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Überstromabschaltung, die allein auf das Überschreiten eines Schwellenwertes durch einen gemessenen Strom reagiert, kann durch die vorliegende Erfindung also eine besonders frühzeitige Detektion eines Fehlerstroms ermöglicht werden. Dies ist der Fall, da hier nicht nur der Absolutwert des fließenden Stroms, sondern auch der Stromanstieg überwacht bzw. berücksichtigt wird. Somit kann letztlich bereits bei einem besonders geringen absoluten Fehlerstrom reagiert und die Sicherung ausgelöst werden. Dies kann eine in einem entsprechenden Fehlerfall zu handhabende Energiemenge im Vergleich zu herkömmlichen Überstromabspaltungen bei ansonsten gleicher Ausgestaltung der Einrichtung und auch der Sicherung reduzieren. Dies wiederum kann entsprechende Folgeschäden der automatischen Auslösung der Sicherung reduzieren und somit zu einer insgesamt verbesserten Sicherheit und Robustheit der Einrichtung und/oder der Schutzeinrichtung beitragen.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden der erwartete Normalbetriebsstrom bzw. der entsprechenden Normalbetriebsstromanstieg und der erwartete Fehlerstrom bzw. der entsprechende Fehlerstromanstieg mittels zweier unterschiedlicher vorgegebener Modelle berechnet. Solche vorgegebenen Modelle können also die Einrichtung und deren elektrisches Verhalten oder Stromführungsverhalten modellieren. Dabei kann ein erstes Modell den bestimmungs- und spezifikationsgemäßen, also fehlerfreien Normalbetrieb modellieren. Ein davon verschiedenes, insbesondere unterschiedliches, zweites Modell kann hingegen einen Fehlerfall oder Fehlerbetrieb der Einrichtung modellieren. Dabei kann es auch möglich sein, dass das zweite Modell mehrere verschiedene Arten oder Ausprägungen von Fehlern bzw. ein entsprechende Verhalten der Einrichtung modelliert und/oder es können mehrere verschiedene zweite Modelle vorgegeben sein, um unterschiedliche Arten oder Ausprägungen von Fehlern bzw. entsprechende Betriebe oder Verhaltensweisen der Einrichtung zu modellieren. Damit kann entsprechend flexibel und genau auf verschiedene Situationen reagiert, also eine entsprechend schnelle und zuverlässige Auslösung der Sicherung beispielsweise auch in unterschiedlichen Fehlersituationen sichergestellt werden.
Durch die hier vorgeschlagene modellbasierte Berechnung der Stromanstiege kann eine besonders einfache und flexible Anpassung an unterschiedliche Situationen, Betriebsstrategien und/oder Veränderungen der Einrichtung und/oder beispielsweise einer daran angeschlossenen Last oder dergleichen berücksichtigt werden. So kann eine entsprechende Anpassung eines vorgegebenen Berechnungsmodells beispielsweise deutlich einfacher, schneller und flexibler, insbesondere beispielsweise auch dynamisch während des Betriebs der Einrichtung, möglich sein, als eine entsprechende Anpassung etwa einer das entsprechende Verhalten der Einrichtung abbildenden Hardwareschaltung oder dergleichen. Die vorgegebenen Modelle können insbesondere Computermodelle sein oder umfassen, die also beispielsweise mittels einer entsprechenden Computereinrichtung ausgeführt werden können. Eine solche Computereinrichtung können beispielsweise als Controller oder Steuergerät oder dergleichen, insbesondere als Teil einer zum Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichteten Schutzeinrichtung ausgestaltet sein.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird der zeitliche Verlauf einer elektrischen Spannung in der Einrichtung gemessen und als Input für die Modelle verwendet. Die elektrische Spannung kann beispielsweise zwischen zwei vorgegebenen oder vordefinierten Punkten der Einrichtung und/oder der Sicherung und/oder gegen Masse oder Erde oder dergleichen gemessen werden. Dabei kann es sich insbesondere um eine Betriebsspannung der Einrichtung handeln, für die bei Auftreten eines Fehlers Schwankungen oder Abweichungen von ihrem Wert oder Verlauf im fehlerfreien Normalbetrieb zu erwarten sind. Eine solche Spannung kann vergleichsweise einfach, aufwandsarm, schnell und genau messbar sein und somit eine effektive Möglichkeit oder Basis darstellen, um darauf basierend letztlich einen Normalbetriebsstromanstieg von einem Fehlerstromanstieg unterscheiden zu können.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden als Parameter der Modelle zumindest ein Ersatzwiderstand, eine Induktivität und eine Komponentenkapazität der Einrichtung mit individuell für die jeweilige Einrichtung vorgegebenen oder angepassten Parameterwerten verwendet. Der Ersatzwiderstand kann beispielsweise eine Kombination aus dem Widerstand einer mittels der Sicherung zu schützenden Leitung und dem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von deren Kapazität bzw. ein entsprechender Kurzschlusswiderstand sein. Die Induktivität kann beispielsweise eine Leitungsinduktivität der zu schützenden Leitung sein oder umfassen. Die Komponentenkapazität kann beispielsweise eine Kapazität einer über die Sicherung bzw. die zu schützende Leitung versorgten kapazitiven Last oder dergleichen sein. Die verschiedenen Modelle können jeweils einen oder mehrere dieser Parameter enthalten. Insbesondere müssen die Parameter der Modelle nicht zueinander deckungsgleich sein. Es kann also beispielsweise das erste Modell zum Bestimmen des erwarteten Normalbetriebsstrom bzw. Normalbetriebsstromanstiegs alle drei der genannten Parameter enthalten, während ein zweites Modell zum Bestimmen des erwarteten Fehlerstroms bzw. Fehlerstromanstiegs beispielsweise nur zwei der genannten Parameter, beispielsweise nur den Ersatzwiderstand und die Induktivität, enthalten kann oder dergleichen. Durch die hier beschriebenen Parameter können die Stromanstiege besonders einfach und aufwandsarm und gleichzeitig genau und zuverlässig modelliert und letztlich bestimmt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird als die Sicherung eine elektronische Sicherung verwendet. Diese wird zum Auslösen zum Unterbrechen einer Stromdurchleitung durch die Sicherung angesteuert. Nach einem solchen Auslösen wird die Sicherung dann automatisch wieder leitend geschaltet, sobald ein vorgegebenes Rücksetz- oder Resetkriterium erfüllt ist. Ein solches Resetkriterium kann beispielsweise ein Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne und/oder ein Unterschreiten eines vorgegebenen Rücksetzschwellenwertes für einen Strom oder eine beispielsweise an einer Seite der Sicherung anliegende Spannung gegenüber einem vorgegebenen Mess- oder Referenzpunkt oder -Potenzial oder dergleichen sein oder umfassen. Auf diese Weise kann sowohl ein effektiver Schutz der Einrichtung als auch ein besonders robuster und komfortabler Betrieb der Einrichtung ermöglicht werden. So kann beispielsweise dann, wenn der für das ursprüngliche Auslösen der Sicherung verantwortliche Fehler behoben wurde, die Versorgung der Einrichtung über die Sicherung automatisch fortgesetzt, also wieder aufgenommen werden. Dies wird durch die Verwendung der elektronischen Sicherung ermöglicht, da eine solche Sicherung, etwa im Vergleich zu einer herkömmlichen Schmelzsicherung oder dergleichen vielfach reversibel geschaltet, also ausgelöst und zurückgesetzt werden kann. Dies kann auch eine entsprechend kostengünstige Absicherung der jeweiligen Einrichtung ermöglichen, da die Sicherung dann nicht nach jedem Auslösen ausgetauscht werden muss. Zudem kann die elektronische Sicherung, beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzsicherungen deutlich schneller schalten bzw. auslösen, etwa mit einer Schalt- oder Auslösezeit im Bereich von einigen µs im Vergleich zu mehreren ms. Ebenso kann die Verwendung einer elektronischen Sicherung eine genauere Anpassbarkeit an die zu schützende Einrichtung oder Leitung und damit beispielsweise eine entsprechend engere Auslegung bzw. bessere Ausnutzung der entsprechenden Einrichtung oder Leitung ermöglichen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die - als Teil der Bedingungen zum Erkennen des Messstroms als Fehlerstrom - vorgegebenen Schwellenwerte so ausgelegt, dass im Fehlerfall, insbesondere bei einem Kurzschluss, die Sicherung bereits bei einem betragsmäßig kleineren Fehlerstrom, also bei einem kleineren Messstrom ausgelöst, also geöffnet wird als dies bei einer rein überstrombasierten Auslösung der Sicherung in der jeweils ansonsten gleich ausgestalteten Einrichtung oder auch Schutzeinrichtung der Fall wäre. Eine rein überstrombasierte Abschaltung wäre in diesem Sinne dann gegeben, wenn als einzige Bedingung für das Auslösen der Sicherung vorgegeben wäre bzw. überprüft würde, dass der Messstrom einen vordefinierten Maximalwert, wie er im fehlerfreien Normalbetrieb der Einrichtung noch zu erwarten wäre, um wenigstens einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dieser Wert kann dabei zwar minimiert werden, jedoch beispielsweise aufgrund von Toleranzen, Messunsicherheiten, einer begrenzten Genauigkeit der Vorhersage des Verhaltens der Einrichtung im fehlerfreien Normalbetrieb und/oder dergleichen mehr zwangsläufig eine gewisse Mindestgröße aufweisen. Durch die hier vorgeschlagene Auslegung kann hingegen eine frühzeitigere und dennoch genaue und zuverlässige automatische Auslösung der Sicherung ermöglicht werden. Dadurch können wie auch an anderer Stelle beschrieben beispielsweise sich im Fehlerfall bzw. beim automatischen Auslösen der Sicherung aufbauende Energien reduziert und somit letztlich eine verbesserte Sicherheit erreicht und/oder eine entsprechend kleinere und kostengünstigere Auslösung der beteiligten Komponenten ermöglicht werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Schutzeinrichtung zum Schützen einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung weist eine elektronisch ansteuerbare Sicherung, eine Messeinrichtung zum Messen eines im Betrieb durch die Sicherung fließenden Stromes und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Sicherung unter Berücksichtigung des gemessenen Stroms auf. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung bzw. deren Steuereinrichtung ist dabei zum, insbesondere automatischen, Ausführen oder Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Schutzeinrichtung sein oder dieser entsprechen. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung einige oder alle der in diesem Zusammenhang genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Sicherung als reversibel schaltbare elektronische Sicherung ausgestaltet, die zumindest einen ansteuerbaren Transistor, insbesondere einen MOSFET, umfasst. Dadurch kann die Sicherung besonders einfach ansteuerbar sein und eine besonders kurze Schaltzeit aufweisen. Zudem kann dann der Avalanche-Effekt des Transistors verwendet oder ausgenutzt werden, um nach dem Auslösen der Sicherung ein Freilaufen des resultierenden Stroms und somit dessen graduellen Abbau zu ermöglichen. Dies kann verhindern, dass destruktive Spannungsspitzen aufgebaut werden, die andernfalls trotz Auslösen der Sicherung zu Beschädigungen der Einrichtung und/oder anderen Bauteilen führen könnten. Die Ausnutzung Avalanche-Effekts kann dabei eine besonders kostengünstige und aufwandsarme Möglichkeit dafür darstellen. Dies wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, da aufgrund der stromgradientenbasierten Auslösung der Sicherung gegenüber einer herkömmlichen Überstromabschaltung oder Überstromauslösung die nach dem Auslösen der Sicherung maximal freilaufende Energiemenge reduziert ist und somit die Gefahr für eine Überbeanspruchung des Transistors bzw. des Avalanche-Effekts auf praktikabel handhabbare Werte begrenzt werden kann.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die Schutzvorrichtung eine Freilaufdiode. Eine solche Freilaufdiode kann nach dem Auslösen der Sicherung ein Freilaufen der verbleibenden Energie bzw. ein Freilaufen und einen graduellen Abbau des resultierenden Stroms ermöglichen. Dadurch können Beschädigungen, beispielsweise durch einen unkontrollierten Spannungsanstieg nach dem Auslösung der Sicherung vermieden werden. Die dazu hier vorgeschlagene Verwendung einer Freilaufdiode ist durch die vorliegende Erfindung besonders einfach, sicher und zuverlässig möglich, da aufgrund der stromgradientenbasierten Auslösung der Sicherung die freilaufende Energiemenge beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen rein überstrombasierten Auslösungen reduziert werden kann und dadurch eine Überlastung der Freilaufdiode - auch bei einfacher und kostengünstiger Auslegung - zuverlässig und ohne weitere Maßnahmen vermieden werden kann. Damit kann die Verwendung der Freilaufdiode eine besonders einfache, kostengünstige und effektive Möglichkeit zur weiteren Absicherung darstellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetzes und einer darin integrierten erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung. Da heutige Kraftfahrzeuge oftmals relativ hohe Betriebsspannungen verwenden und in ihrem Bordnetz relativ große elektrische Energiemengen transportieren können und zudem eine zunehmende Vielfalt von auf Fehlerströme, Kurzschlüsse, Spannungsspitzen und dergleichen mehr empfindlich reagierender elektronischer Komponenten und Systeme aufweisen können, ist damit ein besonders nützlicher Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung gegeben. Zudem kann durch die vorliegende Erfindung durch die Begrenzung der nach dem Auslösen der Sicherung freilaufenden Energiemenge besonders einfach und effektiv und effizient, also beispielsweise ohne zusätzliche kosten- oder gewichtsintensive Maßnahmen der Insassenschutz sichergestellt bzw. verbessert werden.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine beispielhafte schematische Diagrammdarstellung zeitlicher Verläufe von Betriebsströmen in verschiedenen Ausgestaltungen einer elektronischen Einrichtung und eines Kurzschlussstroms zur Veranschaulichung einer Überstromschutzabschaltung;
2 eine beispielhafte schematische Diagrammdarstellung zeitlicher Verläufe von Stromanstiegen von Betriebsströmen in verschiedenen Ausgestaltungen einer elektronischen Einrichtung und eines Kurzschlussstroms zur Veranschaulichung einer stromgradientenbasierten Schutzabschaltung; und
3 ein beispielhaftes Schema zur Veranschaulichung einer Umsetzung der stromgradientenbasierten Schutzabschaltung.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Um Beschädigungen von Bauteilen zu vermeiden und im Sinne einer verbesserten funktionalen Sicherheit können elektrische oder elektronische Einrichtungen mit einer elektronischen Sicherung abgesichert werden. Es kann jedoch eine Herausforderung darstellen, derartige Sicherungen zwar im Fehlerfall möglichst frühzeitig aber im fehlerfreien Normalbetrieb nicht unnötig auszulösen. Zur Veranschaulichung zeigt 1 eine beispielhafte schematische Diagrammdarstellung, in der auf der x-Achse die Zeit t und auf der y-Achse der Strom I, wie er beispielsweise im Betrieb durch eine Sicherung fließen kann, aufgetragen sind. Darin sind verschiedene Verläufe eines Normalbetriebsstroms 1 für unterschiedliche Kapazitäten einer versorgten Last aufgetragen. Zudem ist auch einen Verlauf eines im Fehlerfall auftretenden Kurzschlussstroms 2 aufgetragen. Es ist hier erkennbar, dass unterhalb eines im fehlerfreien Normalbetrieb regulär auftretenden Maximalbetriebsstroms 3 der Normalbetriebsstrom 1 nicht zuverlässig von dem Kurzschlussstrom 2 unterscheidbar ist. Beispielhaft beträgt der Maximalbetriebsstrom 3 hier etwa 580 A bei einer Lastkapazität von in diesem Beispiel 10 mF. Auch wenn bei niedrigeren Lastkapazitäten der Maximalbetriebsstrom 3 geringer sein kann, kann sich doch jeweils ein ähnlicher Anstieg des Stroms je bis zu dem jeweiligen Maximalbetriebsstrom 3 ergeben - unabhängig davon, ob ein Fehler vorliegt oder nicht.
Würde hier eine klassische Überstromabschaltung angewendet werden, so könnte damit eine Abschaltung, also ein Auslösen der Sicherung bei einem oberhalb des maximalen regulär auftretenden Maximalbetriebsstroms 3 liegenden Schwellenwert 4 vorgesehen werden. Dieser Schwellenwert 4 kann hier beispielsweise etwa 600 A betragen. Im vorliegenden Beispiel würde dieser Schwellenwert 4 zu einem Auslösezeitpunkt ts bei etwa 130 µs erfolgen.
Ein solcher relativ großer Strom kann, insbesondere bei gleichzeitig relativ großer Induktivität L einer zu schützenden Leitung besonders kritisch sein, da dann eine entsprechend große Energiemenge E gespeichert werden kann gemäß $E = \frac{1}{2} \cdot L \cdot I^{2}$
und diese Energie zum Vermeiden einer Überspannung nach Auslösen der Sicherung dissipiert werden muss. Dies kann mit der Gefahr einer Überbeanspruchung von Komponenten, wie etwa eines Transistors der Sicherung und/oder einer Freilaufdiode einhergehen. Prinzipiell könnte zur Reduzierung dieser Problematik zwar die Induktivität L reduziert werden, etwa durch Verwendung kürzerer Leitungen. Dies ist in vielen Anwendungsfällen, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug jedoch nicht ohne weiteres möglich, da die Leitungslängen, beispielsweise durch gegebene Abmessungen des Kraftfahrzeugs bzw. eine gegebene Geometrie eines Kabelbaums oder dergleichen im Wesentlichen fest vorgegeben sind.
Als anderer Ansatz kann daher ein möglichst früher Auslösezeitpunkt ts angestrebt oder festgelegt werden.
Dazu zeigt 2 eine beispielhafte schematische Diagrammdarstellung zur Veranschaulichung einer stromgradientenbasierten Abschaltung bzw. Auslösung der Sicherung. Auch hier ist auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen. Auf der y-Achse ist hier hingegen die Stromanstiegsrate IA aufgetragen. Analog zu 1 sind hier beispielhaft mehrere unterschiedliche Normalbetriebsstromanstiege 5, wie sie bei unterschiedlichen Lastkapazitäten im fehlerfreien Normalbetrieb auftreten können, aufgetragen. Zudem ist hier zur Veranschaulichung eines Fehlerfalls ein Kurzschlussstromanstieg 6 aufgetragen. Die Überwachung der Stromanstiegsrate IA des durch die Sicherung fließenden Stroms I ermöglicht im Vergleich zur klassischen, auf dem Absolutwert des Stroms I basierenden Überstromabschaltung eine frühzeitigere Detektion eines Fehlerstroms bzw. eines Kurzschlusses. Damit kann - in Abhängigkeit von der Lastkapazität - ein entsprechender Fehlerstrom oder Kurzschluss mit einer vorgegebenen Konfidenz entsprechend frühzeitiger detektiert werden. Beispielhaft kann hier wiederum bei der Lastkapazität von 10 mF bereits nach etwa 45 µs der Kurzschluss mit einer praktikablen Konfidenz von einem Normalbetrieb unterschieden werden. Mit anderen Worten kann eine Detektion des Kurzschlusses und damit eine korrespondierende automatische Auslösung der Sicherung dann bereits bei einem Auslösezeitpunkt t_s = 45 µs erfolgen und damit deutlich früher als der in 1 veranschaulichte Auslösezeitpunkt t_s = 130 µs für die korrespondierende Überstromabschaltung.
Bei dem hier ermöglichten früheren Auslösezeitpunkt ts = 45 µs beträgt der Strom I erst etwa 200 A und ist damit deutlich niedriger als die in 1 zum Zeitpunkt t_s = 130 µs gegebenen etwa 600 A - trotz ansonsten gleicher Ausgestaltung der repräsentierten Einrichtung und Sicherung. Damit können sich im entsprechenden Beispiel nach dem Auslösen der Sicherung freilaufende Energiemengen von etwa 360 mJ bei der in 1 veranschaulichten Überstromabschaltung und von etwa 40 mJ bei der in 2 veranschaulichten stromgradientenbasierten Abschaltung ergeben. Somit wird durch Berücksichtigung der Stromanstiegsrate IA in einer Bedingung oder einem Kriterium für das automatische Auslösung der Sicherung hier beispielhaft eine Reduzierung von etwa 89 % in der danach freilaufenden Energiemenge ermöglicht.
Damit kann ein verbesserter Betriebsmittelschutz, ein verbesserter Überstrom-Zeit-Schutz, ein Unterspannungsschutz und ein Schutz vor thermischer Überlastung erreicht bzw. verbessert werden. Damit kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise beispielsweise eine verbesserte funktionale Sicherheit ASIL-klassifizierter Komponenten realisiert werden.
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt 3 ein beispielhaftes Schema 7 für ein Verfahren zum Schützen einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung mittels einer automatisch in Abhängigkeit von der Stromanstiegsrate IA auslösbaren Sicherung. Das Verfahren wird in einem Verfahrensschritt S1 gestartet. Dort kann beispielsweise eine entsprechende Schutzeinrichtung bzw. die damit abgesicherte elektrische oder elektronische Einrichtung in Betrieb genommen bzw. eingerichtet werden, etwa durch Vorgeben oder Laden von Parameterwerten, Modellen, Schwellenwerten und/oder dergleichen mehr. In einem Verfahrensschritt S2 wird ein zeitlicher Verlauf des Stroms I(t) durch die Sicherung gemessen. In einem Verfahrensschritt S3 wird daraus der jeweils aktuelle Anstieg oder Gradient m_iMess des gemessenen Stroms I(t) bestimmt.
Parallel dazu kann in einem Verfahrensschritt S4 der zeitliche Verlauf des Stroms I(t) berechnet werden. Dabei können mittels zweier vorgegebener Modelle zwei entsprechende Stromanstiege oder Gradienten berechnet werden. Zum einen kann dabei in einem Verfahrensschritt S5 der jeweils aktuell in einem fehlerfreien Normalbetrieb zu erwartende Stromanstieg m_iLoad berechnet werden. Dazu kann in einem Verfahrensschritt S6 ein entsprechendes vorgegebenes Normalbetriebsmodell 8 angewendet oder ausgewertet werden: $\frac{d u (t)}{d t} = \frac{d I (t)}{d t} \cdot R + \frac{d^{2} I (t)}{d I^{2}} \cdot L + I (t) \cdot \frac{1}{C}$
Darin sind u(t) der zeitliche Verlauf der Spannung, R ein vorgegebener Ersatzwiderstand, L eine vorgegebene Induktivität und C eine vorgegebene Kapazität in der jeweiligen Einrichtung oder der versorgten Last.
Zum anderen kann parallel dazu in einem Verfahrensschritt S7 ein jeweils aktuell bei einem Fehler oder Kurzschluss zu erwartender Stromanstieg misc berechnet werden. Dazu kann in einem Verfahrensschritt S8 ein entsprechendes vorgegebenes Kurzschlussmodell 9 angewendet oder ausgewertet werden. Dieses Kurzschlussmodell kann beispielsweise vorgegeben sein als: $u (t) = I (t) \cdot R + \frac{d I (t)}{d t} \cdot L$
In einem Verfahrensschritt S9 kann dann überprüft werden, ob eine vorgegebene Abweichungsbedingung zwischen dem im fehlerfreien Normalbetrieb erwarteten Stromanstieg m_iLoad und dem im Fehlerfall erwarteten Stromanstieg misc erfüllt ist: $| m_{i S C} | > (1 + δ) | m_{i L o a d} |$
Darin gibt δ eine vorgegebene angestrebte Konfidenz, beispielsweise etwa 10 %, für die Unterscheidung zwischen Kurzschluss- oder Fehlerfall und Normalbetrieb. Ist diese erste Bedingung nicht erfüllt, so kann das Verfahren wie bisher beschrieben im nächsten Durchlauf fortgesetzt werden. Es kann dann also beispielsweise der jeweils nächste erwartete Wert für die Stromanstiege m_iLoad und misc berechnet werden.
Ist im Verfahrensschritt S9 hingegen die erste Bedingung jedoch erfüllt, so kann das Verfahren in einem Verfahrensschritt S10 fortgesetzt werden. Dort kann eine zweite vorgegebene Bedingungen überprüft werden: $| m_{i M e s s} - m_{i S C} | < (1 + δ) | m_{i S C} |$
Damit kann überprüft werden, ob der zuvor bestimmte gemessene Stromanstieg m_iMess und der im Fehlerfall aktuell erwartete Stromanstieg misc gemäß einer entsprechenden Vorgabe eng genug beieinanderliegen, um mit der vorgegebenen Konfidenz δ tatsächlich einen Fehlerfall oder Kurzschluss feststellen zu können. δ kann hier beispielsweise denselben Wert aufweisen wie in der im Verfahrensschritt S9 überprüften ersten Bedingung. Ebenso kann hier aber ein anderer vorgegebener Wert für δ verwendet werden. Ist diese zweite Bedingung nicht erfüllt, so kann das Verfahren ebenfalls im nächsten Durchlauf wie bisher beschrieben fortgesetzt werden.
Wird hingegen im Verfahrensschritt S10 festgestellt, dass auch die zweite Bedingung erfüllt ist, so kann dies als Detektion eines Fehlerfalls oder Fehlerstroms bzw. Kurzschlusses gewertet werden. Dementsprechend kann dann in einem Verfahrensschritt S11 automatisch die Sicherung ausgelöst, also geöffnet werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine stromgradientenbasierte Auslösung oder Abschaltung von elektronischen Sicherungen zum besonders zuverlässigen, sicheren und frühzeitigen Schützen elektrischer und/oder elektronischer Einrichtungen realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Normalbetriebsstrom
2: Kurzschlussstrom
3: Maximalbetriebsstrom
4: Schwellenwert
5: Normalbetriebsstromanstieg
6: Kurzschlussstromanstieg
7: Schema
8: Normalbetriebsmodell
9: Kurzschlussmodell
S1 - S11: Verfahrensschritte
I: Strom
IA: Stromanstiegsrate
t: Zeit
ts: Auslösezeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011121604 A1 [0003]
DE 102009007969 A1 [0004]

Claims

Verfahren (7) zum Schützen einer elektrischen und/oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom mittels einer Sicherung, wobei im Betrieb der Einrichtung - ein jeweils aktuell bei Fehlerfreiheit an einer vorgegebenen Stelle der Einrichtung erwarteter Normalbetriebsstrom (1) und ein korrespondierender aktueller Normalbetriebsstromanstieg (5) bestimmt werden, - ein jeweils aktuell bei einem Fehler an der vorgegebenen Stelle erwarteter Fehlerstrom (2) und ein korrespondierender Fehlerstromanstieg (6) bestimmt werden, - ein tatsächlich durch die vorgegebene Stelle fließender Strom (I) über die Zeit (t) gemessen und ein korrespondierender jeweils aktueller Messstromanstieg bestimmt wird, - der Messstrom als Fehlerstrom (2) erkannt und automatisch die Sicherung ausgelöst wird, wenn - der aktuell erwartete Fehlerstromanstieg (6) um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert größer ist als der aktuell erwartete Normalbetriebsstromanstieg (5) und gleichzeitig - eine Differenz zwischen dem aktuell erwarteten Fehlerstromanstieg (6) und dem aktuellen Messstromanstieg kleiner als ein vorgegebener Differenzschwellenwert ist.
Verfahren (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erwartete Normalbetriebsstromanstieg (5) und der erwartete Fehlerstromanstieg (6) mittels zweier unterschiedlicher vorgegebener Modelle berechnet werden.
Verfahren (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf einer elektrischen Spannung der Einrichtung gemessen und als Input für die Modelle verwendet wird.
Verfahren (7) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter der Modelle ein Ersatzwiderstand, eine Induktivität und eine Komponentenkapazität der Einrichtung mit individuell für die jeweilige Einrichtung vorgegebenen Parameterwerten verwendet werden.
Verfahren (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Sicherung eine elektronische Sicherung verwendet wird, die zum Auslösen zum Unterbrechen einer Stromdurchleitung angesteuert wird und nach einem solchen Auslösen automatisch wieder leitend geschaltet wird, sobald ein vorgegebenes Resetkriterium erfüllt ist.
Verfahren (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Schwellenwerte so ausgelegt sind, dass im Fehlerfall, insbesondere bei einem Kurzschluss, die Sicherung bereits bei einem betragsmäßig kleineren Fehlerstrom (2) wird als dies bei einer rein überstrombasierten Auslösung der Sicherung in der ansonsten gleichen Einrichtung der Fall wäre.
Schutzeinrichtung zum Schützen einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom (2), aufweisend eine elektronisch ansteuerbare Sicherung, eine Messeinrichtung zum Messen eines im Betrieb durch die Sicherung fließenden Stromes (I) und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Sicherung unter Berücksichtigung des gemessenen Stroms (I), wobei die Schutzeinrichtung zum Ausführen eines Verfahrens (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung als reversibel schaltbare elektronische Sicherung ausgestaltet ist, die zumindest einen ansteuerbaren Transistor, insbesondere einen MOSFET, umfasst.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung eine Freilaufdiode umfasst.
Kraftfahrzeug, aufweisend ein elektrisches Bordnetz und eine darin integrierte Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9.