DE102022206434A1

DE102022206434A1 - Method for the monitored switching on of a consumer

Info

Publication number: DE102022206434A1
Application number: DE102022206434.8A
Authority: DE
Inventors: Armin Mann; Thomas Wuerzbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-27
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2023-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum überwachten Einschalten einer Versorgungsspannung für einen Verbraucher (22) in einem elektrischen System, eine Recheneinheit (18) und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein elektrisches System. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Ausgebens eines Schaltsignals zum Einschalten des Halbleiterschaltelements (20); eines Ermittelns eines über das Halbleiterschaltelement (20) fließenden Stroms; und eines Detektierens eines Fehlers in dem elektrischen System, wenn der ermittelte Strom eine Diagnoseschwelle überschreitet, wobei ein Wert der Diagnoseschwelle in Abhängigkeit von einer Stromflusszeit durch das Halbleiterschaltelement (20) variiert wird.The invention relates to a method for the monitored switching on of a supply voltage for a consumer (22) in an electrical system, a computing unit (18) and a computer program for carrying it out, and an electrical system. The method comprises the steps of outputting a switching signal to switch on the semiconductor switching element (20); determining a current flowing across the semiconductor switching element (20); and detecting a fault in the electrical system when the determined current exceeds a diagnostic threshold, wherein a value of the diagnostic threshold is varied as a function of a current flow time through the semiconductor switching element (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum überwachten Einschalten einer Versorgungsspannung für einen Verbraucher in einem elektrischen System, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein elektrisches System.The present invention relates to a method for the monitored switching on of a supply voltage for a consumer in an electrical system, a computing unit and a computer program for carrying it out, and an electrical system.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Zum Schutz der elektrischen/elektronischen Bauteile in elektrischen Systemen können diese mit einer Kurzschluss- bzw. Überstromüberwachung ausgestattet sein. Sind in dem elektrischen System jedoch Verbraucher mit hohem Anlaufstrom, wie z.B. kapazitive Lasten oder Elektromotoren enthalten, so besteht das Problem, dass der Einschaltstrom dieser Verbraucher ein Vielfaches ihres Nennstromes beträgt. Daher würde eine Kurzschlussüberwachung, die auf die Überwachung des Nennstroms ausgelegt ist, beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers sofort auslösen. Umgekehrt würde bei Verwendung einer Kurzschlussschwelle, deren Wert oberhalb des Einschaltstroms des Verbrauchers liegt, ein Überstrom im System während des Betriebs nicht mehr erkannt werden.To protect the electrical/electronic components in electrical systems, they can be equipped with short-circuit or overcurrent monitoring. However, if the electrical system contains consumers with high starting currents, such as capacitive loads or electric motors, the problem arises that the inrush current of these consumers is a multiple of their rated current. Therefore, short-circuit monitoring that is designed to monitor the rated current would trigger immediately when the electrical consumer is switched on. Conversely, if a short-circuit threshold is used whose value is above the inrush current of the consumer, an overcurrent in the system would no longer be detected during operation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum überwachten Einschalten einer Versorgungsspannung für einen Verbraucher in einem elektrischen System mittels eines Halbleiterschaltelements, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein elektrisches System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for the monitored switching on of a supply voltage for a consumer in an electrical system by means of a semiconductor switching element, a computing unit and a computer program for carrying it out, and an electrical system with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the following description.

Die Erfindung ermöglicht ein verbessertes Einschalten von elektrischen Verbrauchern (Lasten) mit hohem Anlaufstrom in einem elektrischen System bei gleichzeitiger Diagnosefähigkeit von dessen Komponenten gegenüber Kurzschlüssen bzw. Überströmen. Dazu wird beim Einschalten der Verbraucher vorübergehend eine Diagnoseschwelle gesetzt, die einen erhöhten Anlaufstrom erlaubt. Nach Ablauf einer konfigurierbaren Diagnosezeit wird die Diagnoseschwelle für den Dauerbetrieb auf ein geringeres Niveau gesetzt. Dies ermöglicht es, dass der Strom in der Einschaltphase deutlich größer sein kann als im Dauerbetrieb, ohne die Kurzschluss-/Überstromüberwachung einschränken/abschalten zu müssen. Alternativ oder zusätzlich kann beim Einschalten der Lasten vorübergehend eine automatische Sequenz gestartet werden, die ein pulsbreitenmodelliertes Signal erzeugen und die Versorgung der Lasten mittels eines Halbleiterschaltelements hochfrequent ein- und ausschalten kann. Aufgrund von vorhandenen Induktivitäten, z.B. parasitären Leitungsinduktivitäten, führt dies zu einem langsamen Ansteigen des Einschaltstromes. Nach Ablauf einer konfigurierbaren Anlaufzeit kann die Pulsbreitenmodulation beendet und die Versorgungsspannung über das Halbleiterschaltelement permanent eingeschaltet werden. Dies ermöglicht einen sanfteren Anlauf des Stroms und reduziert die Belastung aller weiteren an der Versorgungspannung angeschlossenen Komponenten.The invention enables improved switching on of electrical consumers (loads) with high starting current in an electrical system while at the same time being able to diagnose its components against short circuits or overcurrents. To do this, when the consumers are switched on, a diagnostic threshold is temporarily set, which allows an increased starting current. After a configurable diagnostic time has elapsed, the diagnostic threshold for continuous operation is set to a lower level. This allows the current in the switch-on phase to be significantly greater than in continuous operation without having to limit/switch off the short-circuit/overcurrent monitoring. Alternatively or additionally, when the loads are switched on, an automatic sequence can be temporarily started, which can generate a pulse width modeled signal and switch the supply to the loads on and off at high frequency using a semiconductor switching element. Due to existing inductances, e.g. parasitic line inductances, this leads to a slow increase in the inrush current. After a configurable start-up time has elapsed, the pulse width modulation can be ended and the supply voltage can be permanently switched on via the semiconductor switching element. This enables a smoother start-up of the current and reduces the load on all other components connected to the supply voltage.

Im Einzelnen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Schaltsignal zum Einschalten des Halbleiterschaltelements von einem Steuergerät/einer Recheneinheit an das Halbleiterschaltelement ausgegeben. Bei dem Halbleiterschaltelement kann es sich um einen Feldeffekttransistor (FET), vorzugsweise um einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Englisch: Insulated-Gate Bipolar Transistor, kurz IGBT) handeln. Dieser kann vorzugsweise zwischen einem positiven Anschluss einer Versorgungsspannungsquelle und dem Verbraucher angeordnet sein (high-side switch). Alternativ kann er auch zwischen dem Verbraucher und einem negativen Anschluss (bzw. Masse) der Versorgungsspannungsquelle angeordnet sein (low-side switch).Specifically, in the method according to the invention, a switching signal for switching on the semiconductor switching element is output from a control device/a computing unit to the semiconductor switching element. The semiconductor switching element can be a field effect transistor (FET), preferably a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), or a bipolar transistor with an insulated gate electrode (English: Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT for short). This can preferably be arranged between a positive connection of a supply voltage source and the consumer (high-side switch). Alternatively, it can also be arranged between the consumer and a negative connection (or ground) of the supply voltage source (low-side switch).

Bei einem Halbleiterschaltelement dient eine Ansteuerspannung an dessen Gate als Schaltsignal zum Einschalten, d.h. liegt eine geeignete Ansteuerspannung am Gate z.B. eines MOSFET an, so sinkt der Widerstand zwischen Drain und Source und es kann Strom zu dem Verbraucher fließen. Dieser Strom wird nach Einschalten des Halbleiterschaltelements ermittelt und es wird ein Fehler detektiert, wenn der ermittelte Strom eine Diagnoseschwelle überschreitet. Zur Ermittlung des Stroms kann der Spannungsabfall über einem Messwiderstand (Shunt), der in Reihe zu dem Halbleiterschaltelement angeordnet ist, bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Spannungsabfall über dem Halbleiterschaltelement direkt bestimmt werden, beispielsweise durch Messen der Spannung zwischen Drain und Source an einem MOSFET. Eine weitere Möglichkeit zur Überwachung des Stromflusses durch das Halbleiterschaltelement ist eine Verwendung eines separaten Differenz- oder Operationsverstärkers, mit dem ein Spannungsabfall über einen zum Halbleiterschaltelement in Reihe geschalteten Widerstand erfasst werden kann. Die über den Differenz- oder Operationsverstärker erfasste Spannung kann in diesem Fall gegen Masse gemessen und mit einem Schwellwert verglichen werden. Die für die jeweilige Ermittlung des Stroms über das Halbleiterschaltelement benötigten Schaltungen/Bauteile können in der Recheneinheit integriert sein.In the case of a semiconductor switching element, a control voltage at its gate serves as a switching signal for switching on, i.e. if a suitable control voltage is present at the gate of a MOSFET, for example, the resistance between drain and source decreases and current can flow to the consumer. This current is determined after the semiconductor switching element is switched on and an error is detected if the determined current exceeds a diagnostic threshold. To determine the current, the voltage drop across a measuring resistor (shunt) which is arranged in series with the semiconductor switching element can be determined. Alternatively or additionally, the voltage drop across the semiconductor switching element can be determined directly, for example by measuring the voltage between drain and source on a MOSFET. Another possibility for monitoring the current flow through the semiconductor switching element is to use a separate differential or operational amplifier, with which a voltage drop can be detected across a resistor connected in series with the semiconductor switching element. In this case, the voltage detected via the differential or operational amplifier can be measured against ground and compared with a threshold value. The circuits/components required for the respective determination of the current via the semiconductor switching element can be integrated in the computing unit.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Wert der Diagnoseschwelle in Abhängigkeit von einer Stromflusszeit durch das Halbleiterschaltelement - und damit auch in Abhängigkeit von einer Stromflusszeit durch den elektrischen Verbraucher - variiert. Wie bereits oben beschrieben, weisen z.B. kapazitive Lasten und Elektromotoren einen Einschalt-/Anlaufstrom auf, der um ein Vielfaches höher sein kann als deren Nennstrom. Beispielsweise kann der Anlaufstrom eines Drehstrom-Asynchronmotors beim Anlaufen aus dem Stand um Faktor 4 bis 8 höher liegen als dessen Nennstrom. Mit zunehmender Drehzahl des Motors nach dem Anlaufen sinkt der Strom ab und erreicht bei Nenndrehzahl seinen Nennwert.In the method according to the invention, a value of the diagnostic threshold is varied depending on a current flow time through the semiconductor switching element - and thus also depending on a current flow time through the electrical consumer. As already described above, capacitive loads and electric motors, for example, have an inrush/starting current that can be many times higher than their rated current. For example, the starting current of a three-phase asynchronous motor when starting from a standstill can be a factor of 4 to 8 higher than its rated current. As the speed of the motor increases after starting, the current decreases and reaches its nominal value at nominal speed.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt diesen Umstand, indem die Diagnoseschwelle vorzugsweise zunächst auf einen hohen Wert gesetzt wird, der mit zunehmender Stromflusszeit durch das Halbleiterschaltelement bzw. den Verbraucher reduziert werden kann. Beispielsweise kann beim Einschalten des Verbrauchers die Diagnoseschwelle von der Recheneinheit auf einen Wert oberhalb des Anlaufstroms gesetzt werden. Zweckmäßigerweise wird dabei ein vorbestimmter Abstand zu dem maximalen Wert des Anlaufstroms eingehalten, um ein Auslösen der Überstromüberwachung während des Einschaltens des Verbrauchers zu verhindern. Nach Ablauf einer konfigurierbaren, d.h. insbesondere im konkreten Anwendungsfall vorgebbaren, Diagnosezeit nach einem ersten Einschalten des Halbleiterschaltelements kann der Wert der Diagnoseschwelle dann für den Dauerbetrieb auf ein geringeres Niveau gesetzt werden, welches insbesondere in Abhängigkeit von einem Nennstrom vorgegeben wird.The method according to the invention takes this circumstance into account by preferably initially setting the diagnostic threshold to a high value, which can be reduced as the current flow time through the semiconductor switching element or the consumer increases. For example, when the consumer is switched on, the diagnostic threshold can be set by the computing unit to a value above the starting current. A predetermined distance from the maximum value of the starting current is expediently maintained in order to prevent the overcurrent monitoring from being triggered when the consumer is switched on. After a configurable, i.e. predeterminable, diagnostic time has elapsed after the semiconductor switching element has been switched on for the first time, the value of the diagnostic threshold can then be set to a lower level for continuous operation, which is specified in particular as a function of a nominal current.

Der Wert der Diagnoseschwelle kann dabei kontinuierlich oder schrittweise reduziert werden. Beispielsweise kann die Diagnoseschwelle während der gesamten Diagnosezeit auf dem Wert oberhalb des Anlaufstroms verbleiben und dann direkt auf einen Wert für den Dauerbetrieb abgesenkt werden. Dies ist dann vorteilhaft, wenn ein hoher Einschaltstrom nur sehr kurz, beispielsweise im Bereich weniger Mikrosekunden auftritt. Tritt ein hoher Einschalt-/Anlaufstrom für eine längere Zeit, beispielsweise im Bereich von mehreren Sekunden vor, so ist eine kontinuierliche Reduzierung des Wertes der Diagnoseschwelle und/oder eine Reduzierung in mehreren Schritten vorteilhaft. Vorzugsweise wird ein Maximalwert der Diagnoseschwelle abhängig von einem für das Halbleiterschaltelement und/oder den Verbraucher maximal zulässigen Stromfluss eingestellt.The value of the diagnostic threshold can be reduced continuously or gradually. For example, the diagnostic threshold can remain at the value above the starting current during the entire diagnostic time and then be reduced directly to a value for continuous operation. This is advantageous if a high inrush current only occurs for a very short time, for example in the range of a few microseconds. If a high switch-on/start-up current occurs for a longer period of time, for example in the range of several seconds, a continuous reduction in the value of the diagnostic threshold and/or a reduction in several steps is advantageous. Preferably, a maximum value of the diagnostic threshold is set depending on a maximum permissible current flow for the semiconductor switching element and/or the consumer.

Für den oben beschriebenen Fall, dass beim Einschalten des Verbrauchers die Diagnoseschwelle auf einen Wert oberhalb des Anlaufstroms eines Elektromotors gesetzt wird, bedeutet dies, dass das Halbleiterschaltelement zumindest kurzzeitig diesem hohen Anlaufstrom standhalten muss. Um die Belastung des Halbleiterschaltelements (und des Verbrauchers) durch den hohen Anlaufstrom zu reduzieren, wird besonders bevorzugt ein pulsbreitenmodelliertes Schaltsignal zum Einschalten des Halbleiterschaltelements verwendet, dessen Tastgrad variiert werden kann. Dies bedeutet, dass beim Einschalten des Verbrauchers durch die Recheneinheit eine automatische Sequenz gestartet wird, die ein pulsbreitenmodelliertes Schaltsignal erzeugt, das an das Halbleiterschaltelement ausgegeben wird, wodurch die Spannungsversorgung des Verbrauchers hochfrequent ein- und ausgeschaltet wird. Aufgrund vorhandener Induktivitäten ermöglicht dies ein langsames Ansteigen des Einschaltstromes und einen reduzierten Maximalstromwert. Dabei kann der Tastgrad des pulsbreitenmodellierten Schaltsignals variiert werden, beispielsweise kann er kontinuierlich oder schrittweise erhöht werden, wodurch sich die Einschaltdauer der Spannungsversorgung ebenfalls erhöht.In the case described above, in which the diagnostic threshold is set to a value above the starting current of an electric motor when the consumer is switched on, this means that the semiconductor switching element must withstand this high starting current, at least for a short time. In order to reduce the load on the semiconductor switching element (and the consumer) due to the high starting current, a pulse width-modeled switching signal is particularly preferably used to switch on the semiconductor switching element, the duty cycle of which can be varied. This means that when the consumer is switched on by the computing unit, an automatic sequence is started which generates a pulse width modeled switching signal which is output to the semiconductor switching element, whereby the power supply to the consumer is switched on and off at high frequency. Due to the presence of inductances, this enables a slow increase in the inrush current and a reduced maximum current value. The duty cycle of the pulse-width-modeled switching signal can be varied, for example it can be increased continuously or stepwise, which also increases the on-time of the power supply.

Vorteilhafterweise wird der Tastgrad des pulsbreitenmodellierten Schaltsignals nach einer konfigurierbaren Anlaufzeit nach einem ersten Einschalten des Halbleiterschaltelements auf 100% eingestellt, d.h. die Versorgungsspannung wird von dem Halbleiterschaltelement permanent eingeschaltet. Dies ermöglicht einen sanfteren Anlauf des Stroms und reduziert die Belastung aller weiteren an der Versorgungspannung befindlichen Komponenten.Advantageously, the duty cycle of the pulse width modeled switching signal is set to 100% after a configurable start-up time after the semiconductor switching element is switched on for the first time, i.e. the supply voltage is permanently switched on by the semiconductor switching element. This enables a smoother start-up of the current and reduces the load on all other components connected to the supply voltage.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, for example a control unit of a motor vehicle, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.

Ein erfindungsgemäßes elektrisches System umfasst eine Spannungsquelle, ein Halbleiterschaltelement, einen Verbraucher und eine erfindungsgemäße Recheneinheit. Das elektrische System kann beispielsweise ein brennstoffzellenelektrischer Antrieb für ein Kraftfahrzeug sein, bei dem mindestens eine Brennstoffzelle sowie mindestens eine zusätzliche Batterie als Spannungsquelle dienen und ein oder mehrere Elektromotoren zum Antrieb der Räder die elektrischen Verbraucher darstellen. Das Einschalten der Elektromotoren in einem solchen System kann von der erfindungsgemäßen Recheneinheit mittels mindestens eines Halbleiterschaltelements, z. B. eines MOSFET, gesteuert werden. Das elektrische System ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, sondern kann verschiedenste Spannungsquellen, Halbleiterschaltelemente und elektrische Verbraucher enthalten.An electrical system according to the invention includes a voltage source, a semiconductor switching element, a consumer and a computing unit according to the invention. The electrical system can, for example, be a fuel cell-electric drive for a motor vehicle, in which at least one fuel cell and at least one additional battery serve as a voltage source and one or more electric motors for driving the wheels represent the electrical consumers. The switching on of the electric motors in such a system can be carried out by the computing unit according to the invention by means of at least one semiconductor switching element, e.g. B. a MOSFET can be controlled. However, the electrical system is not limited to this application, but can contain a wide variety of voltage sources, semiconductor switching elements and electrical consumers.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with Pro gram code for carrying out all process steps is advantageous because this causes particularly low costs, especially if an executing control device is used for other tasks and is therefore available anyway. Finally, a machine-readable storage medium is provided with a computer program stored thereon as described above. Suitable storage media or data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.). Such a download can be wired or wired or wireless (e.g. via a WLAN network, a 3G, 4G, 5G or 6G connection, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is shown schematically in the drawings using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 shows a preferred embodiment of the electrical system according to the invention.
2a - 2f each show a current curve, a supply voltage curve and a control signal when a consumer is switched on in the in 1 shown electrical system according to a method not according to the invention in comparison to the method according to the invention.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment(s) of the invention

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Systems. Diese umfasst ein Steuergerät 18, eine Versorgungsspannungsquelle 19, ein Halbleiterschaltelement 20, wie z.B. einen MOSFET 20 mit Anschlüssen Gate G, Drain D und Source S, und einen elektrischen Verbraucher 22. Das Halbleiterschaltelement 20 ist zwischen dem positiven Anschluss der Versorgungsspannungsquelle 19 und dem Verbraucher 22 angeordnet. Es wird von dem Steuergerät 18 mittels einer Steuersignalleitung 20a angesteuert. Dies bedeutet beispielsweise, dass das Steuergerät über die Steuersignalleitung 20a eine Ansteuerspannung an das Gate G des MOSFET 20 anlegt, wodurch der Widerstand zwischen Drain D und Source S des MOSFET 20 sinkt und Strom von dem positiven Anschluss der Versorgungsspannungsquelle 19 zu dem und durch den Verbraucher 22 fließen kann. 1 shows a preferred embodiment of an electrical system according to the invention. This includes a control device 18, a supply voltage source 19, a semiconductor switching element 20, such as a MOSFET 20 with connections gate G, drain D and source S, and an electrical consumer 22. The semiconductor switching element 20 is between the positive connection of the supply voltage source 19 and the consumer 22 arranged. It is controlled by the control device 18 by means of a control signal line 20a. This means, for example, that the control device applies a control voltage to the gate G of the MOSFET 20 via the control signal line 20a, whereby the resistance between the drain D and source S of the MOSFET 20 decreases and current from the positive terminal of the supply voltage source 19 to and through the consumer 22 can flow.

Eine Kurzschluss-/Überstromüberwachung erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Bestimmung der Drain-Source-Spannung des MOSFET 20 durch das Steuergerät 18 mittels einer Messleitung 21a zur Messung der Drain-Source-Spannung. Der auf diese Weise ermittelte, durch den MOSFET fließende Strom wird im Steuergerät 18 mit einer Diagnoseschwelle verglichen und es wird ein Fehler detektiert, wenn der ermittelte Strom die Diagnoseschwelle überschreitet.In the exemplary embodiment shown, short-circuit/overcurrent monitoring is carried out via a determination of the drain-source voltage of the MOSFET 20 by the control device 18 using a measuring line 21a for measuring the drain-source voltage. The current flowing through the MOSFET determined in this way is compared with a diagnostic threshold in the control unit 18 and an error is detected if the current determined exceeds the diagnostic threshold.

Dabei wird ein Wert der Diagnoseschwelle in Abhängigkeit von einer Stromflusszeit durch das Halbleiterschaltelement 20 bzw. den elektrischen Verbraucher 22 variiert, um auch bei hohen Anlaufströmen des Verbrauchers 22 eine Kurzschluss-/Überstromüberwachung bereitstellen zu können. Dabei wird der Wert der Diagnoseschwelle beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers 22 zunächst auf einen erhöhten Wert gesetzt, der mit zunehmender Stromflusszeit reduziert wird.A value of the diagnostic threshold is varied depending on a current flow time through the semiconductor switching element 20 or the electrical consumer 22 in order to be able to provide short-circuit/overcurrent monitoring even when the consumer 22 has high starting currents. The value of the diagnostic threshold is initially set to an increased value when the electrical consumer 22 is switched on, which is reduced as the current flow time increases.

Der Wert der Diagnoseschwelle kann dabei kontinuierlich oder schrittweise reduziert werden. Beispielsweise kann die Diagnoseschwelle während einer konfigurierbaren Diagnosezeit auf dem Wert oberhalb des Anlaufstroms verbleiben und dann direkt auf einen Wert für den Dauerbetrieb abgesenkt werden. Dies ist dann vorteilhaft, wenn ein hoher Einschaltstrom nur sehr kurz, beispielsweise im Bereich weniger Mikrosekunden auftritt. Tritt ein hoher Einschalt-/Anlaufstrom für eine längere Zeit, beispielsweise im Bereich von mehreren Sekunden auf, so ist eine kontinuierliche Reduzierung des Wertes der Diagnoseschwelle und/oder eine Reduzierung in mehreren Schritten vorteilhaft. Vorzugsweise wird ein Maximalwert der Diagnoseschwelle abhängig von einem für das Halbleiterschaltelement 20 und/oder für den Verbraucher 22 zulässigen Stromfluss eingestellt.The value of the diagnostic threshold can be reduced continuously or gradually. For example, the diagnostic threshold can remain at the value above the starting current during a configurable diagnostic time and then be reduced directly to a value for continuous operation. This is advantageous if a high inrush current only occurs for a very short time, for example in the range of a few microseconds. If a high switch-on/start-up current occurs for a longer period of time, for example in the range of several seconds, a continuous reduction in the value of the diagnostic threshold and/or a reduction in several steps is advantageous. Preferably, a maximum value of the diagnostic threshold is set depending on a permissible current flow for the semiconductor switching element 20 and/or for the consumer 22.

Zur Reduzierung der Belastung des Halbleiterschaltelements 20 durch den Einschalt-/Anlaufstroms des elektrischen Verbrauchers 22 kann von dem Steuergerät 18 eine automatische Sequenz gestartet werden, die eine pulsbreitenmodelliertes Schaltsignal erzeugt, das über die Steuersignalleitung 20a an das Halbleiterschaltelement 20 ausgegeben wird, wodurch die Spannungsversorgung des Verbrauchers 22 hochfrequent ein- und ausgeschaltet wird. Vorteilhafterweise wird ein Tastgrad des pulsbreitenmodellierten Schaltsignals mit der Zeit erhöht und nach einer konfigurierbaren Anlaufzeit nach einem ersten Einschalten des Halbleiterschaltelements auf 100% eingestellt, d.h. die Versorgungsspannung Uv wird von dem Halbleiterschaltelement 20 permanent eingeschaltet. Dies ermöglicht einen sanfteren Anlauf des Stroms und reduziert die Belastung aller weiteren an der Versorgungspannung befindlichen Komponenten.In order to reduce the load on the semiconductor switching element 20 due to the switch-on/start-up current of the electrical consumer 22, the control unit 18 can start an automatic sequence which generates a pulse width-modeled switching signal which is output to the semiconductor switching element 20 via the control signal line 20a, whereby the voltage supply of the Consumer 22 is switched on and off at high frequency. Advantageously, a duty cycle of the pulse width-modeled switching signal is increased over time and set to 100% after a configurable start-up time after the semiconductor switching element is first switched on, ie the supply voltage Uv is permanently switched on by the semiconductor switching element 20. This enables a smoother start-up of the current and reduces the load on all other components connected to the supply voltage.

2a - 2f zeigen beispielhaft jeweils einen Stromverlauf I, einen Versorgungsspannungsverlauf U_V und ein Steuersignal U_GS beim Einschalten des in 1 gezeigten Verbrauchers 22 mittels des MOSFET 20 gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren (2a - 2c) im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Verfahren (2d - 2f). 2a - 2f show an example of a current curve I, a supply voltage curve U _V and a control signal U _GS when switching on the in 1 shown consumer 22 by means of the MOSFET 20 according to a method (2a - 2c) not according to the invention in comparison to a method (2d - 2f) according to the invention.

Dabei zeigt 2a beispielhaft einen Stromverlauf I über der Zeit t beim Einschalten des MOSFET 20 durch Ansteuern mittels einer konstanten Ansteuerspannung U_GS (siehe 2c). Das Einschalten des MOSFET 20 führt dazu, dass der Verbraucher 22 mit der konstanten Versorgungsspannung Uv (siehe 2b) versorgt wird. Anhand des in 2a gezeigten Stromverlaufs wird deutlich, dass der maximale Einschaltstrom I_Emax ein Vielfaches höher liegt als der Nennstrom I_N, so dass eine statische Diagnoseschwelle I_D, anhand derer der Nennstrom I_N überwacht wird, während des Einschaltens des Verbrauchers 22 weit überschritten wird. Dies bedeutet, dass während des Einschaltens des Verbrauchers 22 fälschlicherweise ein Überstrom/Kurzschluss erkannt würde, bzw. herkömmlicherweise währenddessen keine Diagnose möglich ist.This shows 2a For example, a current curve I over time t when switching on the MOSFET 20 by driving using a constant control voltage U _GS (see 2c ). Switching on the MOSFET 20 results in the consumer 22 being supplied with the constant supply voltage Uv (see 2 B) is supplied. Based on the in 2a The current curve shown shows that the maximum inrush current I _Emax is many times higher than the nominal current I _N , so that a static diagnostic threshold I _D , based on which the nominal current I _N is monitored, is far exceeded while the consumer 22 is switched on. This means that an overcurrent/short circuit would be incorrectly detected when the consumer 22 is switched on, or conventionally no diagnosis is possible during this time.

In 2d ist dagegen beispielhaft ein Stromverlauf I über der Zeit t gezeigt, der aus einer pulsbreitenmodellierten Ansteuerspannung U_GS (siehe 2d) des MOSFET 20 resultiert, die dazu führt, dass die Versorgungsspannung Uv für den Verbraucher 22 entsprechend ein- und ausgeschaltet wird (siehe 2e). Die Ansteuerspannung U_GS weist einen variablen Tastgrad auf, der sich mit steigender Stromflusszeit nach einem ersten Einschalten des MOSFET 20 kontinuierlich erhöht (siehe 2f). Dadurch wird der Anteil mit anliegender Versorgungsspannung Uv mit zunehmender Zeit größer, und die Versorgungsspannung Uv wird zum Zeitpunkt to dauerhaft eingeschaltet (siehe 2e). Zu diesem Zeitpunkt t_D ist der Einschaltstrom weitgehend auf den Nennstrom abgefallen (siehe 2d).In 2d On the other hand, an example of a current curve I over time t is shown, which consists of a pulse width modeled control voltage U _GS (see 2d ) of the MOSFET 20 results, which results in the supply voltage Uv for the consumer 22 being switched on and off accordingly (see 2e) . The control voltage U _GS has a variable duty cycle, which increases continuously as the current flow time increases after the MOSFET 20 is first switched on (see 2f) . As a result, the proportion of applied supply voltage Uv increases with increasing time, and the supply voltage Uv is permanently switched on at time to (see 2e) . At this point in time t _D the inrush current has largely fallen to the nominal current (see 2d ).

Anhand des in 2d gezeigten Stromverlaufs wird deutlich, dass durch das hochfrequente Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung Uv, sowohl der Stromanstieg (Gradient) nach dem ersten Einschalten des MOSFET 20 als auch der maximale Einschaltstrom I_Emax deutlich reduziert werden können. Zudem zeigt 2d eine variable Diagnoseschwelle I_Dvar, die in dem gezeigten Beispiel nach dem Einschalten des MOSFET 20 zunächst auf einen Wert I_D1 oberhalb des Einschaltstroms I_Emax eingestellt wird. Nach einer Zeit t₁ wird die dargestellte variable Diagnoseschwelle I_Dvar auf einen ersten niedrigeren Wert I_D2 reduziert, um nach der Zeit t₂ dann auf einen Wert I_D3 eingestellt zu werden, der geeignet ist, im Normalbetrieb den Nennstrom I_n zu überwachen. Es ist ebenso möglich, die variable Diagnoseschwelle I_Dvar kontinuierlich (insbesondere als Funktion der Zeit) von dem Wert I_D1 auf den Wert I_D3 zu reduzieren.Based on the in 2d The current curve shown shows that by switching the supply voltage Uv on and off at high frequencies, both the current increase (gradient) after the MOSFET 20 is first switched on and the maximum inrush current I _Emax can be significantly reduced. Also shows 2d a variable diagnostic threshold I _Dvar , which in the example shown is initially set to a value I _D1 above the inrush current I _Emax after the MOSFET 20 is switched on. After a time t ₁ , the variable diagnostic threshold I _Dvar shown is reduced to a first lower value I _D2 , in order to then be set to a value I _D3 after the time t ₂ , which is suitable for monitoring the nominal current I _n in normal operation. It is also possible to reduce the variable diagnostic threshold I _Dvar continuously (in particular as a function of time) from the value I _D1 to the value I _D3 .

Die Erfindung ermöglicht es, dass der Strom in der Einschaltphase deutlich größer sein kann als im Dauerbetrieb, ohne die Kurzschluss-/Überstromüberwachung einschränken/abschalten zu müssen. Zusätzlich kann beim Einschalten der Lasten vorübergehend eine automatische Sequenz gestartet werden, die eine pulsbreitenmodelliertes Signal erzeugen und die Versorgung der Lasten mittels eines Halbleiterschaltelements hochfrequent ein- und ausschalten kann. Dies ermöglicht einen sanfteren Anlauf des Stroms und reduziert die Belastung aller weiteren an der Versorgungspannung befindlichen Komponenten.The invention makes it possible for the current in the switch-on phase to be significantly greater than in continuous operation without having to limit/switch off the short-circuit/overcurrent monitoring. In addition, when the loads are switched on, an automatic sequence can be temporarily started, which can generate a pulse width modeled signal and switch the supply to the loads on and off at high frequency using a semiconductor switching element. This enables a smoother start-up of the current and reduces the load on all other components connected to the supply voltage.

Claims

Method for the monitored switching on of a supply voltage for a consumer (22) in an electrical system by means of a semiconductor switching element (20), comprising the steps: outputting a switching signal to turn on the semiconductor switching element (20); Determining a current flowing through the semiconductor switching element (20); and Detecting a fault in the electrical system when the determined current exceeds a diagnostic threshold, wherein a value of the diagnostic threshold is varied depending on a current flow time through the semiconductor switching element (20).

Procedure according to Claim 1 , whereby the value of the diagnostic threshold is reduced as the current flow time through the semiconductor switching element (20) increases.

Procedure according to Claim 2 , whereby the value of the diagnostic threshold is reduced continuously or gradually.

Method according to one of the preceding claims, wherein a maximum value of the diagnostic threshold is set depending on a permissible current flow for the semiconductor switching element (20).

Method according to one of the preceding claims, wherein a pulse width modeled switching signal is used to switch on the semiconductor switching element (20).

Procedure according to Claim 5 , wherein a duty cycle of the pulse width modeled switching signal is increased as a function of the current flow time through the semiconductor switching element (20).

Procedure according to Claim 6 , whereby the duty cycle is increased continuously or stepwise.

Method according to one of the claims Claim 5 until 7 , wherein after a configurable start-up time after the semiconductor switching element (20) is switched on for the first time, the duty cycle of the pulse width-modeled switching signal is set to 100%.

Computing unit (18) which is set up to carry out all method steps of a method according to one of the preceding claims.

Electrical system comprising a voltage source (19), a semiconductor switching element (20), a consumer (22) and a computing unit (20). Claim 9 .

Computer program that causes a computing unit (18) to carry out all process steps of a method according to one of the Claims 1 until 8th to be carried out when it is executed on the computing unit (18).

Machine-readable storage medium with a computer program stored on it Claim 11 .