DE19946826A1

DE19946826A1 - Sicherungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19946826A1
Application number: DE1999146826
Authority: DE
Inventors: Rainer Maeckel; Thomas Schulz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-05-10

Abstract

Bei bisherigen Sicherungsvorrichtungen mit sehr hohen Sicherungswerten werden entweder Schmelzsicherungen alleine eingesetzt, die aber konstruktionsbedingt ein schlechtes Auslöseverhalten aufweisen, oder aber es werden aktive Sicherungen eingesetzt, bei denen die Gefahr der Fehlauslösung sehr hoch ist. Zuverlässige und störungsfreie Sicherungsvorrichtungen für hohe Nennströme sind bisher nur mit hohem Aufwand zu realisieren. DOLLAR A In der Sicherungsvorrichtung wird die Schmelzsicherung zusätzlich mit einer kostengünstigen, thermischen Fremdheizung ausgelöst. Die Fremdheizung steht hierbei mit der Schmelzsicherung in thermischer Verbindung und führt dieser eine begrenzte thermische Wärmemenge zu. Dabei wird die Fremdheizung so dimensioniert, daß die Wärmemenge allein nicht ausreicht, um die Schmelzsicherung auszulösen. Nur wenn die Schmelzsicherung stromdurchflossen ist, erfolgt die Auslösung. DOLLAR A Die Sicherungsvorrichtung ermöglicht die zuverlässige Auslösung von Schmelzsicherungen bei Fahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung für einen Stromkreis in Fahrzeugen mit einer Schmelzsicherung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schmelzsicherungen dienen zur sicheren Unterbrechung des Stromkreises im Störfall. Hierbei lösen sie nach der vom Hersteller angegebenen Strom (I)/Zeit (t)-Kennlinie aus. Das Auslöseverhalten ist dabei sehr stark vom Nennstrom der verwendeten Sicherung abhängig.

In Fahrzeugen, in denen Vorsicherungen eingesetzt werden, ist es je nach Verkabelungsstruktur notwendig, Vorsicherungen mit sehr hohen Sicherungswerten einzusetzen. Diese Sicherungen haben konstruktionsbedingt ein schlechtes Auslöseverhalten, d. h. sie schalten bei geringen Überströmen teilweise sehr spät oder überhaupt nicht ab.

Während für kleine bis mittlere Nennströme (0,05 A-30 A) Schmelzsicherungen mit unterschiedlichem Ansprechverhalten zur Verfügung stehen, sind diese für höhere Nennströme über 30 A, speziell im Kfz-Bereich, nicht verfügbar. Die im Fahrzeug zum Einsatz kommenden Schmelzsicherungen mit hohen Nennströmen zeigen im allgemeinen ein träges Verhalten. Es wurde festgestellt, daß bei einer Schmelzsicherung mit hohem Nennstrom die Unterbrechung des Stromkreises bei einer Stromstärke, die 50% über dem Nennstrom liegt, erst nach einigen Sekunden erfolgt. In der Zwischenzeit kann jedoch das Bordnetz durch die Überlastung beschädigt werden. Da der Auslösevorgang ein thermischer Vorgang ist, hängt die Wirksamkeit der Schmelzsicherung auch von den Umgebungsverhältnissen, speziell von der Umgebungstemperatur ab.

Aus diesem Grund wird dazu übergegangen, diese Sicherungen aktiv auszulösen. Hierzu bedarf es einer elektronischen Auswerte- und Ansteuerschaltung. Diese Schaltung löst beispielsweise durch das Einschalten eines Transistors die Sicherung aus. Das Problem hierbei liegt in der Sicherheit dieser Auslösung. Stellt sich bei der Auswerteschaltung oder bei der Ansteuerschaltung ein Fehler ein oder wird der Schalttransistor selbst beispielsweise durch eine Überspannung beschädigt, so kann es zu einem ungewollten Auslösen der Sicherung kommen. Dies kann zu einem Ausfall von für die Fahrzeugbedienbarkeit oder die Fahrzeugsicherheit wichtigen elektronischen Komponenten führen. Falls dies während der Fahrt passiert, kann sich damit eine akute Gefahr für die Fahrzeuginsassen ergeben.

Aus der DE 195 27 997 A1 ist eine Lösung zur aktiven Abschaltung einer Sicherung bekannt. Hierbei wird der Spannungsabfall über eine Sicherung detektiert und, sobald dieser einen bestimmten Grenzwert überschreitet, durch eine Auswerteschaltung ein Thyristor gezündet, der dann durch den großen Überstrom die Sicherung auslöst.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß diese Schaltung jedoch nicht gegen den Ausfall der Auswerteschaltung geschützt ist. Weiterhin wird ein sehr großer und damit auch teuerer Thyristor benötigt, der den entsprechenden Strom schalten kann.

Aus der DE 197 44 765 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwei unabhängige Größen (Strom, Temperatur, Stromanstieg, Temperaturanstieg) als Auslösekriterien dienen. Hierdurch kann verhindert werden, daß durch eine Fehlmessung eine Auslösung erfolgt. Weiterhin gibt es bei diesem Verfahren eine mehrstufige, unabhängig voneinander ansteuerbare Auslöseeinheit. Nur bei dem Vorliegen aller Fehlersignale wird die Auslösung der Sicherung freigegeben.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß dies je nach Ausführungsform der Sicherung mit hohen Kosten verbunden ist.

Die DE 197 35 546 A1 offenbart ein Sicherungselement für einen Stromkreis, insbesondere in Fahrzeugen mit einer Schmelzsicherung, die bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung den Stromkreis bleibend unterbricht, wobei das Sicherungselement in seiner Nähe ein zusätzliches Heizelement aufweist sowie ein Verfahren zum Betreiben des Sicherungselements.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß bei Fehlern im Stromsensor oder in der Auswerteeinheit eine unbeabsichtigte Auslösung allein durch das Heizelement erfolgen kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine kostengünstige Sicherungsvorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, bei der im Bedarfsfall eine schnelle und zuverlässige Unterbrechung des Stromkreises erfolgt und unbeabsichtigte Auslösungen vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Hierbei wird die Sicherung zusätzlich mit einer kostengünstigen, thermischen Fremdheizung ausgelöst. Die Fremdheizung steht hierbei mit der Schmelzsicherung in thermischer Verbindung und führt dieser eine begrenzte thermische Wärmemenge zu. Dabei wird die Fremdheizung so dimensioniert, daß die Wärmemenge allein nicht ausreicht, um die Schmelzsicherung auszulösen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Hierbei kann die vom Heizelement stammende Energie impulsartig oder linear in die Schmelzsicherung eingekoppelt werden. Auch erweist es sich von Vorteil, wenn es sich bei dem Heizelement um eine Thermitladung handelt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß mit niedrigen Kosten und geringem Aufwand eine derartige Sicherungsvorrichtung sowohl dem trägen Auslöseverhalten der Schmelzsicherung bei hohen Nennströmen entgegenwirkt und andererseits die Schmelzsicherung gegen ein versehentliches Auslösen durch einen Fehler in der Auswerteschaltung geschützt wird.

Die Erfindung soll anhand der Figuren dargestellt werden.

Es zeigen:

Fig. 1: Sicherungsvorrichtung mit Heizelement

Fig. 2: Impulsartige Energieeinkopplung ohne Störfall

Fig. 3: Auslöseverhalten mit impulsartiger Energieeinkopplung bei Störfall

Fig. 4: Auslöseverhalten mit kontinuierlicher Energieeinkopplung bei Störfall

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier befindet sich in der zu schützenden Leitung 1 ein Sicherungselement 2, insbesondere eine Schmelzsicherung, die bei Erreichen des Nennstromes den Stromfluß in der Leitung 1 unterbricht. Für Nennströme über 30 A, die vor allem im Kfz-Bereich benötigt werden, sind die existierenden Schmelzsicherungen sehr träge. Bei einer solchen Schmelzsicherung 2 wird nun zusätzlich der Strom durch die Schmelzsicherung 2 mittels Stromsensor 3 gemessen. Da es sich hier nur um eine schematische Darstellung handelt, können die Verbindungen insbesondere zwischen Leiter bzw. Sicherungselement und Stromsensor, nicht nur als Parallelschaltung, sondern auch als Reihenschaltung betrachtet werden. Dieser Stromsensor 3 steht in Verbindung mit einer Auslöseintelligenz 4, an die er das stromabhängige Signal weiterleitet. Bei der Auslöseintelligenz 4 kann es sich um einen Mikrocontroller handeln. Der Mikrocontroller 4 hat eine interne Zeitbasis und bekommt durch den Stromsensor 3 Informationen über den aktuellen Stromfluß durch das Sicherungselement 2 und bewertet diese Information. Das heißt, der Mikrocontroller fragt nach festgelegten Zeiten die Höhe des Stromes oder eine davon abhängige Größe ab. Eventuell bereitet er diesen Wert noch auf und vergleicht dann die stromabhängige Größe mit einem abgespeicherten Auslösekriterium oder mehreren zeitabhängigen abgespeicherten Auslösekriterien. Wird ein Auslösekriterium erfüllt, so wird über den Mikrocontroller die Auslöseeinheit 5 aktiviert. Wird beispielsweise mittels Stromsensor 3 ein Strom durch die Schmelzsicherung 2 erfaßt, der mindestens dem Nominalstrom der Schmelzsicherung 2 entspricht oder besser der mindestens 10% größer ist als der Nominalstrom und ist dies während mindestens 50% der zulässigen Bestromungsdauer, besser noch 100% der Bestromungsdauer der Fall, so ist ein Auslösekriterium erfüllt und die Auslöseeinheit 5 wird aktiviert. Die Auslöseeinheit 5 steht wiederum in Verbindung mit einem thermischen Heizelement 6 und steuert dieses an. Das thermische Heizelement 6 ist in der Nähe der Schmelzsicherung 2 angebracht, also neben, in oder auf der Schmelzsicherung 2 oder steht zumindest mit dieser in thermischer Verbindung. Das thermische Heizelement 6 darf der Schmelzsicherung 2 nur eine begrenzte Wärmemenge zuführen. Wichtig hierbei ist jedoch, daß die hierbei zugeführte thermische Energie allein keine Auslösung der Schmelzsicherung 2 bewirken darf. Um die Wärme nun zu begrenzen, kann z. B. bei der elektrischen Heizung der Widerstand des Heizelementes 6 so angepaßt werden, daß nur eine bestimmte maximale Leistung eingekoppelt werden kann. Sinnvolle Werte liegen hier zwischen der 0,5-fachen und der 2,5- fachen vorzugsweise der einfachen bis zweifachen, besonders bevorzugt der 1,5- fachen Nennleistung der Schmelzsicherung. Weiterhin kann die Zeit, in der die Leistung eingekoppelt wird, auf einen festen Wert begrenzt werden. Sinnvolle Zeiträume liegen hier zwischen einer und zehn Sekunden. Die in den Schmelzbereich der Sicherung einkoppelbare Wärme hängt von der Geometrie und den Wärmeübergangsmechanismen zwischen Heizung 6 und Schmelzsicherung 2 ab. Die in der Heizung 6 umgesetzte Energie hängt im Falle einer elektrischen Wärmeerzeugung von der umgesetzten Leistung und der Zeit ab. In diesem Fall kann die Energie z. B. linear in die Schmelzsicherung 2 eingebracht werden. Soll die Energie jedoch sehr schnell also impulsartig in die Schmelzsicherung 2 eingebracht werden, so bietet sich als Heizelement 6 eine Thermitladung an. Die gewünschte, begrenzte Wärmemenge hängt dann von der Menge des Thermits ab. Bei beiden Lösungen kommt der Anordnung der wärmeerzeugenden Elemente in Relation zur Schmelzsicherung ein hohes Gewicht zu. Bei einer Lösung mit Thermit, Heizfolien oder einem anderen Energiespeicher kann die freiwerdende Wärmemenge über die Menge der im Speicher befindlichen Energie, d. h. in der Regel über die Stoffmenge festgelegt werden. Wird das Heizelement 6 nun von der Auslöseeinheit 5 aktiviert, so unterbricht die Schmelzsicherung 2 den zu schützenden Leiter 1 nur dann, wenn auch die Schmelzsicherung 2 selbst bereits überlastet oder zumindest belastet ist. Wäre das Heizelement nicht vorhanden, so könnte die Schmelzsicherung aufgrund ihres schlechten konstruktionsbedingten Auslöseverhaltens den zu schützenden Leiter 1 noch nicht unterbrechen. Das Heizelement 6 korrigiert somit das schlechte Auslöseverhalten bei hohen Nennströmen. Wird aber das Heizelement 6 nur aufgrund eines Auswertefehlers aktiviert, so reicht die der Schmelzsicherung 2 zusätzlich zugeführte Energie nicht aus, den Leiter 1 zu unterbrechen.

In Fig. 2 ist die Wärmebilanz der in Fig. 1 dargestellten Schmelzsicherung 2 schematisch dargestellt. In dieser Abbildung wird davon ausgegangen, daß kein Strom durch die Schmelzsicherung 2 fließt. Zum Zeitpunkt T₀ wird das Heizelement 6 durch die Auslöseeinheit 5 ausgelöst (hier wird eine impulsartige Energieeinkopplung vorausgesetzt, beispielsweise durch eine thermische Sprengladung). Da die in der Sprengladung enthaltene Energie nicht ausreicht, die zum Aufschmelzen der Schmelzsicherung notwendige Energie Q₀ in die Schmelzsicherung einzukoppeln, wird der Stromkreis nicht aufgetrennt. D. h. in diesem Fall wird zwar das Heizelement 6 ausgelöst, da aber kein Strom durch die Schmelzsicherung 2 fließt, kann auch kein Fehlerzustand vorliegen. Der Stromkreis wird nicht geöffnet. Dem Benutzer muß aber eine Mitteilung gemacht werden, da nur noch eingeschränkter Schutz zur Verfügung steht.

In Fig. 3 ist die gleiche Situation wie in Fig. 2 dargestellt. Hier fließt jedoch durch die Schmelzsicherung 2 ein Strom, der wegen der ohmschen Verluste eine Wärmeenergie Q₁, in der Schmelzsicherung erzeugt. Ausgehend von diesem Niveau Q₁ reicht die in der Sprengladung vorhandene Energie aus, um das Niveau Q₀ zu erreichen. Wenn ein Auslösefall vorliegt, wird der Stromkreis zum Zeitpunkt T₁ impulsartig mit Hilfe der Sprengladung unterbrochen.

In Fig. 4 ist der gleiche Vorgang dargestellt. Hierbei wird die zusätzliche Energie nicht impulsartig, sondern kontinuierlich zugeführt. Die Steigung der Geraden G ist dabei durch die eingekoppelte Leistung sowie die thermischen Randbedingungen an der Schmelzsicherung 2 festgelegt. Die Zusatzheizung 6 wird zum Zeitpunkt T₀ eingeschaltet und zum Zeitpunkt T₁ wird der Stromkreis geöffnet. Der Zeitraum zwischen T₁ und T₀ kann dabei zwischen 0,1 und 10 Sekunden liegen.

Claims

1. Sicherungsvorrichtung für einen Stromkreis in Fahrzeugen mit einer Schmelzsicherung (2), die bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung den Stromkreis bleibend unterbricht, wobei die Sicherungsvorrichtung mindestens ein thermisches Heizelement (6) aufweist und das thermische Heizelement (6) mit der Schmelzsicherung (2) in thermischer Verbindung steht und das thermische Heizelement (6) der Schmelzsicherung (2) zusätzlich eine begrenzte Wärmemenge zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführte begrenzte Wärmemenge vom Heizelement (6) geringer ist, wie die zur Auslösung der Schmelzsicherung (2) benötigte Energie.

2. Sicherungsvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Heizelement (6) die Energie impulsartig in die Sicherungsvorrichtung einkoppelt.

3. Sicherungsvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Heizelement (6) die Energie kontinuierlich über einen bestimmten Zeitraum in die Sicherungsvorrichtung einkoppelt.

4. Sicherungsvorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die begrenzte Wärmemenge durch eine Thermitladung erzeugt wird.