EP4238190A1 - Stromverteileinheit umfassend eine lastdetektionseinheit zum messen einer detektionsspannung - Google Patents

Stromverteileinheit umfassend eine lastdetektionseinheit zum messen einer detektionsspannung

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Publication number
EP4238190A1
EP4238190A1 EP21801112.0A EP21801112A EP4238190A1 EP 4238190 A1 EP4238190 A1 EP 4238190A1 EP 21801112 A EP21801112 A EP 21801112A EP 4238190 A1 EP4238190 A1 EP 4238190A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
detection unit
voltage
load detection
power distribution
distribution unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21801112.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Racz
Jennifer Steger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eugen Forschner GmbH
Original Assignee
Eugen Forschner GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eugen Forschner GmbH filed Critical Eugen Forschner GmbH
Publication of EP4238190A1 publication Critical patent/EP4238190A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M11/00—Coding in connection with keyboards or like devices, i.e. coding of the position of operated keys
    • H03M11/22—Static coding
    • H03M11/24—Static coding using analogue means, e.g. by coding the states of multiple switches into a single multi-level analogue signal or by indicating the type of a device using the voltage level at a specific tap of a resistive divider
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J13/00—Circuit arrangements for providing remote indication of network conditions, e.g. an instantaneous record of the open or closed condition of each circuitbreaker in the network; Circuit arrangements for providing remote control of switching means in a power distribution network, e.g. switching in and out of current consumers by using a pulse code signal carried by the network
    • H02J13/00002—Circuit arrangements for providing remote indication of network conditions, e.g. an instantaneous record of the open or closed condition of each circuitbreaker in the network; Circuit arrangements for providing remote control of switching means in a power distribution network, e.g. switching in and out of current consumers by using a pulse code signal carried by the network characterised by monitoring

Definitions

  • Power distribution unit comprising a load detection unit for measuring a
  • the invention relates to a current distribution unit comprising a load detection unit for measuring a detection voltage according to the preamble of patent claim 1, a method with a current distribution unit for measuring a detection voltage according to claims 7 and 8, and the use of a current distribution unit for measuring a detection voltage according to claim 9.
  • a generic power distribution unit is known from EP 3 022 816 B1.
  • This is a direct current distribution system which includes a so-called load presence detection unit in order to use a detection test voltage to detect whether a contact of an electrical device has been connected to a connection contact.
  • the so-called load detection unit is aligned in such a way that a detection test voltage is applied to the connection contact as a DC voltage and it can thus be measured by measuring a detection current at the contact whether the electrical device has been connected to the connection contact with the correct polarity.
  • the measurement only refers to a single electrical contact and also only to whether an electrical connection was made at the contact.
  • the term "contact" should not only include a single-pole connection, but should also include multi-pole connections.
  • the object of the invention is to provide a power distribution unit with a load detection unit to create a unit for measuring a detection voltage, by means of which different occupancy combinations of a plurality of electrical contacts of the measured detection voltage can be clearly assigned.
  • a preferred field of application of the invention is applications in the automotive sector, in particular applications in electromobility.
  • the power distribution unit is therefore preferably a power distribution unit for high-voltage systems.
  • High-voltage systems are systems that are operated with direct voltage above 60V to 1.5 kV.
  • the high-voltage system has a corresponding high-voltage storage device or a high-voltage battery.
  • the current distribution unit comprises a load detection unit for at least one contact arranged on the load detection unit for measuring a detection voltage for checking an occupancy of the contact.
  • the load detection unit is set up for a large number of electrical contacts.
  • Each of the contacts is provided with at least one switch, which is designed as a short-circuit bridge in the connector and creates a conductive connection as soon as the respective connector is plugged in.
  • the load detection unit has a pair of switches arranged in parallel with each switch resistance up.
  • the load detection unit preferably has a constant current source, by means of which a test current is generated.
  • the parallel circuits consisting of the respective switch and the associated resistor are connected in series in the direction of the test current generated.
  • a constant test current (I) is conducted via the resistors of different strengths assigned to the open switches (0), while the resistors assigned to the closed switches (G ) associated resistors are bypassed, which means that a clear detection voltage (UD) can always be determined for the respective switching state of all switches.
  • This arrangement enables the detection voltage to be measured in a simple and rapid manner, which can be clearly assigned to any possible assignment combination (0 or G positions) of the electrical contacts.
  • the number of resistors (Ri to Rn) connected in the load detection unit thus corresponds to the number of switches (Si to Sn) connected in series, with each of the resistors (Ri to Rn) also being able to consist of several partial resistors connected in series.
  • each switch is assigned exactly one unique resistance that is different from all other resistances.
  • a Partial Total Stress (UGESI) this Part of the circuit of the load detection unit can be determined as follows:
  • a particularly advantageous exemplary embodiment provides that a resistance value of a resistor (R2, R3, Rn) following, for example, a resistor (R2, R3, Rn) following in the direction of the test current (I) corresponds to an integer multiple of a resistance value of a resistor (R1, R2, R3) preceding it.
  • the order in which the resistances of different strengths, but each unique, are arranged with regard to the direction of the current is only an example and is by no means mandatory, so that the resistance values do not only increase in the direction of the current, but the resistances of different strengths can be arranged in any desired sequence. The same applies to the number of four switches or four resistors assigned to them used in the exemplary embodiments of this application.
  • This resistance value of the following resistor is particularly preferably twice the resistance value of another resistor, for example the preceding resistor.
  • the resistance value of the first resistor is 1 kOhm
  • that of the second resistor is 2 kOhm
  • that of the third resistor is 4 kOhm
  • that of the fourth resistor is 8 kOhm.
  • other resistance values can also be used, taking into account the above-mentioned condition of a preferably integer doubling.
  • the description of moving in the direction of flow integer doubling resistors is by no means necessary, but merely facilitates compliance with a certain system, which in turn facilitates understanding of the invention.
  • the load detection unit preferably has an equalizing line to ground, a further resistor (Rs) being assigned to this equalizing line.
  • ground is the reference potential for the operating voltage (UGES) of the load detection unit and has a value of zero. This corresponds to a voltage Us of 0 volts.
  • the load detection unit which has an operational amplifier designed as a differential amplifier, which is also referred to as a subtractor, with the respective operating voltage of the load detection unit being available at a first input (+) of the operational amplifier and the am resistance (Rs) voltage drop is present.
  • An output voltage generated in this way at the output of the operational amplifier corresponds to the detection voltage of the load detection unit.
  • a differential amplifier with a transition frequency of 1 MHz is used, which thus generates an amplification of 1.
  • the output voltage can be calculated using the formula
  • the inventive method with a power distribution unit which includes a load detection unit for at least one electrical contact arranged on the load detection unit, is used to measure a detection voltage of the load detection unit to check a current assignment of all existing contacts with corresponding plugs, not shown.
  • the load detection unit is set up for a large number of electrical contacts and the electrical contacts are each connected to a switch, the number of contacts thus corresponding to the number of switches.
  • the contacts are connected to the switches assigned to them in such a way that when a plug is inserted into the respective contact, the switch assigned to this contact is actuated mechanically or by a switching bridge arranged on the plug in the closed position. Conversely, removing the plug from the contact then opens the switch again.
  • the load detection unit has a plurality of resistors each arranged in parallel with one of the switches.
  • the detection voltage can be measured using a voltage or current detection unit.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a power distribution unit with four electrical contacts
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a first assignment combination of the load detection unit with an interrupted power supply for self-diagnosis
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of the first assignment combination of the load detection unit with two open switches—but without interrupting the power supply;
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a power distribution unit 10 with electrical contacts 21, 22, 23 and 24 arranged on one side 12 of a housing 11.
  • a load detection unit 20 (see FIGS. 2 to 4) is arranged inside the housing 11.
  • a detailed description of an exemplary embodiment of a basic structure of a power distribution unit 10 is explained in DE 102018 132 988 by the same applicant and is not included in the present application because it is of secondary importance for the present invention.
  • switches S1, S2, S3 and Sn are assigned to the electrical contacts 21, 22, 23 and 24 (see FIG. 1).
  • the switches S1, S2, S3 and Sn are arranged in a row as a so-called series connection.
  • the switches S1, S2, S3 and Sn are each assigned a resistor R1, R2, R3 and Rn connected in parallel.
  • the resistor R1 assigned to the first switch S1 has a resistance value of 1 kOhm
  • the resistor R2 assigned to the second switch S2 has a resistance value of 2 kOhm
  • the resistor R3 assigned to the third switch S3 has a resistance value of 4 kOhm
  • that to the fourth switch Resistor Rn associated with Sn has a resistance value of 8 kOhm.
  • the resistance value of a resistor R2, R3 and Rn that follows in a current direction I therefore corresponds to an integer multiple of the resistance value of a resistor R1, R2 and R3 that precedes it. In the example shown of the load detection unit according to the invention, the integer multiple is twice the value of the preceding resistance.
  • An operational amplifier 30, which forms the voltage or current detection unit in the exemplary embodiment shown, has a first input 31 and a second input 32, as well as an output 33.
  • An operating or total voltage LIGES corresponding to the current I of a constant current source 40 is present as a potential at the first input 31 Load detection unit and at the second input 32 as a potential partial voltage Us, which drops across the resistor R5.
  • the operational amplifier 30 used by way of example in the load detection unit 20 according to the invention is a differential amplifier—also called a subtractor. This means that the voltage Us present at the second input 32 depends on the voltage UGES present at the first input 31 is subtracted. An output voltage UA resulting from this can be measured at the output 33 . This output voltage UA corresponds to a detection voltage UD, which can be uniquely assigned to an assignment combination of the switches S1, S2, S3 and Sn.
  • the detection voltages UD associated with the possible occupancy combinations of the load detection unit 20 according to the invention can be seen in FIG. A calculation example for this can be found in the description of FIG.
  • a test current I is sent from a constant current source 40 via a node 60 and an isolating switch S6 to the switches S1 to Sn.
  • a branch to the first input 31 of the operational amplifier 30 is provided at the node 60 .
  • the switch S6 arranged above the constant current source 40 in FIG. 2 is shown open here. This means that the measuring circuit is interrupted and therefore no current flows in the load detection unit 20, which means that no output voltage UA or detection voltage UD can be measured either.
  • the measuring circuit interruption by the open switch S6 is used, for example, for self-diagnosis by the load detection unit 20 or for simulating a cable break.
  • the switches S1, S2, S3 and Sn are connected to a node 10 in an upper branch of the network and the resistors R1, R2, R3 and Rn are connected in a lower branch of the network.
  • the switches S1, S2, S3 and Sn and the resistors R2, R2, R3 and Rn are connected in parallel in pairs (S1 with R1, S2 with R2, , Sn with Rn).
  • a node K50 with a subsequent switch S5 is connected to this series connection of several parallel arrangements (S1 with R1, S2 with R2, Sn with Rn).
  • a compensating line with a node K80 branches off to ground 50 from a node K70 which follows in the direction of the current flow of the measurement current I and to which a further resistor R5 is assigned.
  • Ground 50 is used here as the reference potential for the operating voltage of load detection unit 20.
  • test current I flows from the voltage source 40 in the current direction I via the node K60 and the closed switch S6, via node K10 and closed switch S1, further via resistor R2, resistor R3 and switch Sn to node K50. From there, the test current I continues to flow via a closed switch S5 and via the node K70 and from there on to the second input 32 of the operational amplifier 30.
  • FIG. 4 shows a second possible allocation combination of switches S1, S2, S3 and Sn, in which only switch S3 is closed (correspondingly contact 23 is connected to a plug) and the three other switches S1, S2 and Sn are open are.
  • the current flows, as already described above, via node 60, closed switch S6 and node K10. Since switch S1 is open, current now flows through resistor R1. Since the switch S2 is also open, current also flows via the resistor R2 and then via the closed switch S3, bypassing the resistor R3. Since switch Sn is open, current then continues to flow through resistor Rn to node K50.
  • the further course is analogous to the description of FIG. 3.
  • the table shown in FIG. 5 gives an overview of the different assignment combinations of the electrical contacts 21, 22, 23, 24 and thus of the respective positions of the switches S1, S2, S3, Sn.
  • the switch Sn is shown in Fig. 5 as S4, as well as the resistor Rn as R4. While the index “n” indicates an arbitrarily large number of switches and resistors, the index "4" refers to the finite number of, for example, four of these elements in the exemplary embodiment shown.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Stromverteileinheit (10) umfasst eine Lastdetektionseinheit (20) für wenigstens einen an der Lastdetektionseinheit (20) angeordneten elektrischen Kontakt (21, 22, 23, 24) zum Messen einer Detektionsspannung (UD) zur Prüfung einer Belegung des Kontakts (21, 22, 23, 24). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, 1. die Lastdetektionseinheit (20) für eine Vielzahl von elektrischen Kontakten (21, 22, 23, 24) eingerichtet ist, von denen jeder mit wenigstens einem parallel zu den Kontakten (21, 22, 23, 24) geschalteten Schalter (S1, S2, S3, Sn) versehen ist und wobei die Lastdetektionseinheit (20) jeweils einen zu einem der Schalter (S1, S2, S3, Sn) paarweise parallel angeordneten Widerstand (R1, R2, R3, Rn) aufweist und die Parallelschaltungen (S1 mit R1; S2 mit R2, S3 mit R3,..., Sn mit Rn) in Stromrichtung eines Prüfstroms (I) in Reihe geschaltet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen einer Detektionsspannung (UD) und eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Stromverteileinheit (10).

Description

Stromverteileinheit umfassend eine Lastdetektionseinheit zum Messen einer
Detektionsspannung
Die Erfindung betrifft eine Stromverteileinheit umfassend eine Lastdetektionseinheit zum Messen einer Detektionsspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , ein Verfahren mit einer Stromverteileinheit zum Messen einer Detektionsspannung nach den Ansprüchen 7 und 8, sowie eine Verwendung einer Stromverteileinheit zum Messen einer Detektionsspannung nach Anspruch 9.
Eine gattungsgemäße Stromverteileinheit ist aus EP 3 022 816 B1 bekannt. Hierbei handelt es sich um ein Gleichstromverteilungssystem, welches eine sogenannte Lastpräsenzdetektionseinheit umfasst, um mittels einer Detektionstestspannung zu detektieren, ob ein Kontakt einer elektrischen Vorrichtung an einen Anschlusskontakt angeschlossen wurde. Dabei ist die sogenannte Lastdetektionseinheit so ausgerichtet, dass eine Detektionstestspannung als Gleichspannung an den Anschlusskontakt angelegt wird und somit durch Messen eines Detektionsstroms am Kontakt gemessen werden kann, ob die elektrische Vorrichtung an den Anschlusskontakt in der richtigen Polarität angeschlossen wurde. Die Messung bezieht sich dabei jedoch auf nur einen einzigen elektrischen Kontakt und auch nur darauf, ob am Kontakt eine elektrische Verbindung hergestellt wurde. Von dem Begriff „Kontakt“ soll in dieser Anmeldung nicht nur eine einpolige Verbindung, sondern sollen auch mehrpolige Verbindungen umfasst sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromverteileinheit mit einer Lastdetektionsein- heit zum Messen einer Detektionsspannung zu schaffen, mittels der unterschiedliche Belegungskombinationen von mehreren elektrischen Kontakten der gemessenen Detektionsspannung eindeutig zuordenbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromverteileinheit mit einer Lastdetektionseinheit zum Messen einer Detektionsspannung mit den Merkmalen gemäß des Anspruchs 1 , einem Verfahren zum Messen einer Detektionsspannung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch eine vorteilhafte Verwendung einer derartigen Stromverteileinheit gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung sind Anwendungen im Automobilbereich, insbesondere Anwendungen in der Elektromobilität. Somit handelt es sich bei der Stromverteileinheit bevorzugt um eine Stromverteileinheit für Hochvoltsysteme. Als Hochvoltsysteme gelten Systeme, die mit Gleichspannung über 60V bis 1 ,5 kV betrieben werden. Insbesondere weist das Hochvoltsystem bei Verwendung in einem Fahrzeug einen entsprechenden Hochvoltspeicher bzw. eine Hochvoltbatterie auf.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch die Messung der Detektionsspannung der Lastdetektionseinheit eine individuelle Belegungskombination der elektrischen Kontakte einer Stromverteileinheit zu detektieren.
Die erfindungsgemäße Stromverteileinheit umfasst eine Lastdetektionseinheit für wenigstens einen an der Lastdetektionseinheit angeordneten Kontakt zum Messen einer Detektionsspannung zur Prüfung einer Belegung des Kontakts. Die Lastdetektionseinheit ist dabei für eine Vielzahl von elektrischen Kontakten eingerichtet. Jeder der Kontakte ist mit wenigstens einem Schalter versehen, der als Kurzschlussbrücke im Steckverbinder ausgebildet ist und eine leitfähige Verbindung herstellt, sobald der jeweilige Stecker gesteckt ist. Die Lastdetektionseinheit weist jeweils einen zu jeweils einem der Schalter paarweise parallel angeordneten Widerstand auf. Ferner weist die Lastdetektionseinheit vorzugsweise eine Konstantstromquelle auf, mittels derer ein Prüfstrom erzeugt wird. Die Parallelschaltungen aus dem jeweiligen Schalter und dem zugehörigen Widerstand sind in Stromrichtung des erzeugten Prüfstroms in Reihe geschaltet. Insbesondere wird somit je nach Stellung der Schalter in einer offenen (0) oder einer geschlossenen (G) - Position ein konstanter Prüfstrom (I) über die den geöffneten Schaltern (0) zugeordneten, unterschiedlich starken Widerstände geführt, während die den geschlossenen Schaltern (G) zugeordneten Widerstände umgangen werden, wodurch in Summe immer eine eindeutige Detektionsspannung (UD) für den jeweiligen Schaltzustand aller Schalter ermittelt werden kann.
Diese Anordnung ermöglicht auf einfache und schnelle Weise das Messen der Detektionsspannung, welche jeder möglichen Belegungskombination (0- oder G- Positionen) der elektrischen Kontakte eindeutig zuordenbar ist.
Eine detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer zur Realisierung der Erfindung verwendbaren Stromverteileinheit ist in der DE 10 2018 132 988 der Anmelderin enthalten, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit auch zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird. In der vorliegenden Anmeldung ist diese Stromverteileinheit aufgrund der für die eigentliche Erfindung untergeordneten Bedeutung nicht detailliert beschrieben.
Die Anzahl der in der Lastdetektionseinheit geschalteten Widerstände (Ri bis Rn) entspricht somit der Anzahl der in Reihe geschalteten Schalter (Si bis Sn), wobei jeder der Widerstände (Ri bis Rn) auch aus mehreren in Reihe geschalteten Teilwiderständen bestehen kann. Somit ist jedem Schalter genau ein zu allen anderen Widerständen unterschiedlicher, eindeutiger Widerstand zugeordnet. Durch diese Schaltungsanordnung lässt sich für jeden Widerstand abhängig davon, ob ein Schalter geöffnet (0 = Strom fließt über den parallel geschalteten Widerstand) oder geschlossen ist (G = Strom fließt über den Schalter und nicht über den parallel geschalteten Widerstand), eine eindeutig diesem Schalter bzw. dem dazu parallelen Widerstand zugeordnete Teil-Spannung (Ui bzw. U2 bzw. U3 bzw. Un) in der Lastdetektionseinheit bestimmen. Eine Teil-Gesamtspannung (UGESI) dieses Teils der Schaltung der Lastdetektionseinheit lässt sich wie folgt ermitteln:
UGESI = (Ui + U2 + II3 + Un) mit Ui = Ri * h U2 = R2 * I2 II3 = R3 * I3 Un = Rn * In
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass ein Widerstandswert eines beispielsweise einem in Stromrichtung des Prüfstroms (I) folgenden Widerstands (R2, R3, Rn) ein ganzzahliges Vielfaches eines Widerstandswerts eines diesem vorausgehenden Widerstands (R1 , R2, R3) entspricht. Die Reihenfolge der Anordnung der unterschiedlich starken, aber jeweils eindeutigen Widerstände bezüglich der Stromrichtung ist dabei nur beispielhaft und keineswegs zwingend, so dass die Widerstandswerte keineswegs nur in Stromrichtung steigend, sondern die unterschiedlich starken Widerstände in jeder beliebigen Abfolge angeordnet sein können. Das gleiche gilt für die in den Ausführungsbeispielen dieser Anmeldung verwendete Anzahl von vier Schaltern bzw. vier diesen zugeordneten Widerständen. Es versteht sich für den Fachmann, dass die im beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendete Zahl von vier Schaltern und vier parallel zu diesen geschalteten Widerständen rein exemplarisch gewählt und in keiner Weise beschränkend für die Erfindung ist. De Erfindung ist ab einer Zahl von zwei Schaltern bzw. diesen zugeordneten Widerständen bis hin zu einer großen Anzahl von Schaltern und Widerständen einsetzbar.
Besonders bevorzugt dieser Widerstandswert des folgenden Widerstands jeweils dem Doppelten des Widerstandswerts eines anderen, beispielsweise des vorausgehenden Widerstands. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Widerstandwert des ersten Widerstands 1 kOhm, der des zweiten Widerstands 2 kOhm, der des dritten Widerstands 4 kOhm und des vierten Widerstands 8 kOhm. In alternativen Ausführungsbeispielen können unter Berücksichtigung der oben genannten Bedingung einer vorzugsweise ganzzahligen Verdopplung auch andere Widerstandswerte Anwendung finden. Die Beschreibung der sich in Stromrichtung ganzzahlig verdoppelnden Widerstände ist keineswegs erforderlich, sondern erleichtert lediglich die Einhaltung einer gewissen Systematik, die wiederum das Verständnis der Erfindung erleichtert.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Lastdetektionseinheit bevorzugt eine Ausgleichsleitung gegen Masse auf, wobei dieser Ausgleichsleitung ein weiterer Widerstand (Rs) zugeordnet ist. Die Masse gilt hier als Bezugspotential für die Betriebsspannung (UGES) der Lastdetektionseinheit und hat einen Wert von Null. Dies entspricht einer Spannung Us von 0 Volt.
Zur Ermittlung der Betriebsspannung (= Gesamtspannung) der Lastdetektionseinheit ist somit die Spannung der am weiteren Widerstand (Us) der Ausgleichsleitung abfallenden zur Teil-Gesamtspannung der oben beschriebenen Schaltungsanordnung zu addieren. Daher gilt:
UGES = UGESI + Us, mit Us = Rs * Is
Von besonderem Vorteil ist eine Weiterbildung der Lastdetektionseinheit, welche einen als Differenzverstärker, welcher auch als Subtrahierer bezeichnet wird, ausgebildeten Operationsverstärker aufweist, wobei an einem ersten Eingang (+) des Operationsverstärkers die jeweilige Betriebsspannung der Lastdetektionseinheit und an einem zweiten Eingang (-) die am Widerstand (Rs) abfallende Spannung anliegt. Eine so am Ausgang des Operationsverstärkers generierte Ausgangsspannung entspricht der Detektionsspannung der Lastdetektionseinheit. Erfindungsgemäß wird ein Differenzverstärker mit einer Transitfrequenz von 1 MHz verwendet, welcher somit eine Verstärkung von 1 generiert. Die Ausgangsspannung lässt sich mit der Formel
UD = UA = UGES - Us mit
UD = Detektionsspannung UA = Ausgangsspannung am Operationsverstärker UGES = Gesamtspannung Us = Spannung an Rs berechnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Stromverteileinheit, welche eine Lastdetektionseinheit für wenigstens einen an der Lastdetektionseinheit angeordneten elektrischen Kontakt umfasst, dient zum Messen einer Detektionsspannung der Lastdetektionseinheit zur Prüfung einer aktuellen Belegung aller vorhandenen Kontakte mit entsprechenden, nicht dargestellten Steckern.
Die Lastdetektionseinheit ist für eine Vielzahl von elektrischen Kontakten eingerichtet und die elektrischen Kontakte sind dabei jeweils mit einem Schalter verbunden, wobei die Anzahl der Kontakte somit der Anzahl der Schalter entspricht. Die Kontakte sind dabei derart mit den ihnen zugeordneten Schaltern verbunden, dass beim Einführen eines Steckers in den jeweiligen Kontakt der diesem Kontakt zugeordnete Schalter mechanisch oder durch eine am Stecker angeordnete Schaltbrücke in Schließstellung betätigt wird. Beim Entfernen des Steckers aus dem Kontakt wird der Schalter umgekehrt dann wieder geöffnet.
Zudem weist die Lastdetektionseinheit eine Mehrzahl von jeweils zu einem der Schalter parallel angeordnete Widerstände auf. Die Detektionsspannung ist dabei mittels einer Spannungs- oder Stromdetektionseinheit messbar. Die Spannungsoder Stromdetektionseinheit ist beispielsweise von einem als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärkers gebildet, an dessen Ausgang die dem jeweiligen Schaltzustand aller Schalter in Summe gesehen eindeutig zuordenbaren Detektions-Spannungswert messbar ist. Die Höhe der Detektionsspannung ist somit einer beliebigen Belegung der geöffneten bzw. geschlossenen Schalter (= Belegungskombination) und somit auch der den Schaltern zugeordneten elektrischen Kontakte eindeutig zuordenbar.
Die Detektionsspannung lässt sich mit den bereits beschriebenen Formeln für jede Belegungskombination individuell ermitteln. Bei der im Folgenden beispielhaft beschrieben Anordnung mit vier Schaltern sind somit 42=16 unterschiedliche Belegungskombinationen und damit eindeutig unterschiedliche Detektionsspannungen für die vier elektrischen Kontakte gegeben (siehe Figur 5).
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Stromverteileinheit mit vier elektrischen Kontakten;
Fig. 2 ein Schaltbild einer ersten Belegungskombination der Lastdetektionseinheit mit unterbrochener Stromzufuhr zur Selbstdiagnose;
Fig. 3 ein Schaltbild der ersten Belegungskombination der Lastdetektionseinheit mit zwei geöffneten Schaltern --jedoch ohne Unterbrechung der Stromzufuhr;
Fig. 4 ein Schaltbild einer zweiten Belegungskombination der Lastdetektionseinheit mit drei geöffneten Schaltern und
Fig. 5 eine Tabelle mit 42 = 16 Belegungskombinationen der elektrischen Kontakte mit den dazugehörigen Detektionsspannungen.
Die Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Stromverteileinheit 10 mit an einer Seite 12 eines Gehäuses 11 angeordneten elektrischen Kontakten 21 , 22, 23 und 24. Im Inneren des Gehäuses 11 ist eine Lastdetektionseinheit 20 (siehe Figuren 2 bis 4) angeordnet. Eine detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines grundsätzlichen Aufbaus einer Stromverteileinheit 10 ist in der DE 102018 132 988 derselben Anmelderin erklärt und in der vorliegenden Anmeldung aufgrund der für die vorliegende Erfindung untergeordneten Bedeutung nicht enthalten.
Im in der Figur 2 dargestellten ersten Schaltbild einer Schalteranordnung der Lastdetektionseinheit 20 sind den elektrischen Kontakten 21 , 22, 23 und 24 (siehe Figur 1 ) Schalter S1 , S2, S3 und Sn zugeordnet. Die Schalter S1 , S2, S3 und Sn sind in einer Reihe als sogenannte Reihenschaltung angeordnet. Den Schaltern S1 , S2, S3 und Sn ist jeweils ein Widerstand R1 , R2, R3 und Rn in Parallelschaltung zugeordnet.
Der dem ersten Schalter S1 zugeordnete Widerstand R1 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Widerstandswert von 1 kOhm, der dem zweiten Schalter S2 zugeordnete Widerstand R2 einen Widerstandswert von 2 kOhm, der dem dritten Schalter S3 zugeordnete Widerstand R3 einen Widerstandswert von 4 kOhm und der dem vierten Schalter Sn zugeordnete Widerstand Rn einen Widerstandswert von 8 kOhm. Somit entspricht der Widerstandswert eines in einer Stromrichtung I folgenden Widerstands R2, R3 und Rn einem ganzzahligen Vielfachen des Widerstandswertes eines diesem vorausgehenden Widerstands R1 , R2 und R3. Im gezeigten Beispiel der erfindungsgemäßen Lastdetektionseinheit handelt es sich bei dem ganzzahligen Vielfachen um den jeweils doppelten Wert des vorausgehenden Widerstands. Wie schon in der Beschreibungseinleitung erwähnt, ist weder die Zahl 4 für Schalter und Widerstände als beschränkend, sondern lediglich als beispielhaft anzusehen, noch die Größe der Widerstände R1 , R2, R3 und Rn, deren Anordnung in Stromrichtung oder deren ganzzahliges Vielfaches zueinander. Wesentlich ist, dass einer Vielzahl (>2 .... n) von Schaltern, die in beliebiger Reihenfolge angeordnet sein können, jeweils eindeutige und unterschiedliche Widerstände zugeordnet sind.
Ein im gezeigten Ausführungsbeispiel die Spannungs- oder Stromdetektionseinheit bildender Operationsverstärker 30 hat einen ersten Eingang 31 und einen zweiten Eingang 32, sowie einen Ausgang 33. Am ersten Eingang 31 liegt als Potential eine zum Strom I einer Konstantstromquelle 40 korrespondierende Betriebs- bzw. Gesamtspannung LIGES der Lastdetektionseinheit und am zweiten Eingang 32 als Potential eine Teilspannung Us an, welche am Widerstand R5 abfällt.
Bei dem in der erfindungsgemäßen Lastdetektionseinheit 20 beispielhaft verwendeten Operationsverstärker 30 handelt es sich um einen Differenzverstärker - auch Subtrahierer genannt. Dies bedeutet, dass die am zweiten Eingang 32 anliegende Spannung Us von der am ersten Eingang 31 anliegenden Spannung UGES subtrahiert wird. Eine daraus resultierende Ausgangsspannung UA ist am Ausgang 33 messbar. Diese Ausgangsspannung UA entspricht einer Detektionsspannung UD, welche einer Belegungskombination der Schalter S1 , S2, S3 und Sn eindeutig zuordenbar ist. Die den möglichen Belegungskombinationen der erfindungsgemäßen Lastdetektionseinheit 20 zugehörigen Detektionsspannungen UD können der Figur 5 entnommen werden. Ein Rechenbeispiel hierzu kann der Beschreibung von Figur 5 zu entnommen werden.
Von einer Konstantstromquelle 40 ausgehend wird ein Prüfstrom I über einen Knoten 60 und einen Trennschalter S6 zu den Schaltern S1 bis Sn geschickt. Am Knoten 60 ist ein Abzweig zum ersten Eingang 31 des Operationsverstärkers 30 vorgesehen.
Der in Figur 2 oberhalb der Konstantstromquelle 40 angeordnete Schalter S6 ist hier geöffnet dargestellt. Dies bedeutet, dass der Messkreis unterbrochen ist und somit kein Strom in der Lastdetektionseinheit 20 fließt, was bedeutet, dass auch keine Ausgangsspannung UA bzw. Detektionsspannung UD messbar ist. Die Messkreis-Unterbrechung durch den geöffneten Schalter S6 dient beispielsweise zur Selbstdiagnose der Lastdetektionseinheit 20 bzw. zur Simulierung eines Kabelbruchs.
An einem Knoten 10 schließen in einem oberen Ast des Netzwerks die Schalter S1 , S2, S3 und Sn und in einem unteren Ast des Netzwerks die Widerstände R1 , R2, R3 und Rn an. Die Schalter S1 , S2, S3 und Sn und die Widerstände R2, R2, R3 und Rn sind jeweils paarweise parallel zueinander geschaltet (S1 mit R1 , S2 mit R2, , Sn mit Rn).
An diese Reihenschaltung mehrerer paralleler Anordnungen (S1 mit R1 , S2 mit R2, , Sn mit Rn) knüpft ein Knoten K50 mit einem darauf folgenden Schalter S5 an. Von einem im weiteren Verlauf in Stromrichtung des Messstroms I folgenden Knoten K70 zweigt eine Ausgleichsleitung mit einem Knoten K80 gegen Masse 50 ab, der ein weiterer Widerstand R5 zugeordnet ist. Die Masse 50 gilt hier als Bezugspotential für die Betriebsspannung der Lastdetektionseinheit 20. Bei der in der Figur 3 gezeigten Schalteranordnung mit den geschlossenen Schaltern S1 und Sn (entsprechend mit Steckern versehenen Kontakten 21 und 24) und geöffneten Schaltern S2 und S3 fließt der Prüfstrom I von der Spannungsquelle 40 in Stromrichtung I über den Knoten K60 und den geschlossenen Schalter S6, über den Knoten K10 und den geschlossenen Schalter S1 , weiter über den Widerstand R2, den Widerstand R3 und den Schalter Sn zum Knoten K50. Von dort fließt der Prüfstrom I weiter über einen geschlossenen Schalter S5 sowie über den Knoten K70 und von dort aus weiter zum zweiten Eingang 32 des Operationsverstärkers 30. Die zu messende Detektionsspannung UD beträgt somit in diesem Beispiel (bei R2= 2 kOhm und R3 = 4 kOhm) 6 Volt und die erforderliche Betriebsspannung (Gesamtspannung) UGES 7 Volt. Beide Werte können der Tabelle in Figur 5 in der siebten Zeile von unten entnommen werden.
In der Figur 4 ist eine zweite mögliche Belegungskombination der Schalter S1 , S2, S3 und Sn gezeigt, bei der nur der Schalter S3 geschlossen ist (entsprechend ist der Kontakt 23 mit einem Stecker verbunden) und die drei anderen Schalter S1 , S2 und Sn geöffnet sind. Hierbei fließt der Strom wie bereits oben beschrieben über den Knoten 60, den geschlossenen Schalter S6 sowie den Knoten K10. Da der Schalter S1 geöffnet ist, fließt der Strom nun über den Widerstand R1. Da auch der Schalter S2 geöffnet ist, fließt Stroms auch über den Widerstand R2 und anschließend unter Umgehung des Widerstands R3 über den geschlossenen Schalter S3. Da der Schalter Sn geöffnet ist, fließt der Strom anschließend weiter über den Widerstand Rn zum Knoten K50. Der weitere Verlauf erfolgt analog der Beschreibung der Figur 3. Die zu messende Detektionsspannung UD für diese Belegungskombination beträgt somit (bei R1 = 1 kOhm, R2 = 2 kOhm und Rn = 8 kOhm) 11 Volt und die erforderliche Betriebsspannung UGES 12 Volt. Auch diese Werte können der Tabelle in Figur 5 in der dritten Datenzeile von oben entnommen werden.
Die in der Figur 5 gezeigte Tabelle gibt einen Überblick über die unterschiedlichen Belegungskombinationen der elektrischen Kontakte 21 , 22, 23, 24 und somit zu den jeweiligen Stellungen der Schalter S1 , S2, S3, Sn. Der Schalter Sn ist in Fig. 5 als S4 bezeichnet, ebenso der Widerstand Rn als R4. Während der Index „n“ eine beliebig große Zahl von Schaltern und Widerständen andeutet, bezieht sich der Index „4“ auf die im gezeigten Ausführungsbeispiel endliche Anzahl von beispielhaft jeweils vier dieser Elemente.
Dabei gilt in Fig. 5 für den Zustand „geöffnet“ das Zeichen „0“ und für den Zustand „geschlossen“ das Zeichen „G“. Bei den im gezeigten Ausführungsbeispiel vier zu überprüfenden elektrischen Kontakten 21 , 22, 23, 24 ergeben sich somit 42 = 16 unterschiedliche Belegungskombinationen für die elektrischen Kontakte 21 , 22, 23 und 24 der Lastdetektionseinheit 20.
Jeder einzelnen Belegungskombination ist die Detektionsspannung UD eindeutig zuordenbar. Beispielsweise ergibt sich bei einer Belegungskombination bei der die Schalter S1 und S2 geschlossen (= G) sind und die Schalter S3 sowie S4 geöffnet sind (= 0), eine Ausgangspannung UA am Operationsverstärker 30 von 12 Volt. Da die Detektionsspannung UD der Ausgangsspannung UA entspricht, beträgt diese ebenfalls 12 Volt. Dies ergibt sich aus den bereits weiter oben verwendeten Formeln von:
UD = UA = UGES — Us, wobei
UGES = UGESI + Us mit
UGESI = Ui + U2 + U3 + U4 und
U3 = R3 * I3 = 4kOhm * 1 mA = 4V,
U4 = R4 * I4 = 8kOhm * 1 mA = 8V und
U5= R5 *l5 = 1 KOhm * 1 mA =1 V.
Die abfallende Spannung an Ui und U2 beträgt 0 Volt, da die beiden Schalter S1 , S2 - wie oben erwähnt - geschlossen sind und der Strom daher ungehindert fließen kann.
Bei den in den Figuren 2 bis 4 verwendeten Bezugszeichen wurde auf die Tiefstellung der Indizes der besseren Lesbarkeit halber verzichtet.

Claims

Patentansprüche Stromverteileinheit (10), umfassend eine Lastdetektionseinheit (20) für wenigstens einen an der Lastdetektionseinheit (20) angeordneten elektrischen Kontakt (21 , 22, 23, 24) zum Messen einer Detektionsspannung (UD) zur Prüfung einer Belegung des Kontakts (21 , 22, 23, 24), dadurch gekennzeichnet, dass die Lastdetektionseinheit (20) für eine Vielzahl von elektrischen Kontakten (21 , 22, 23, 24) eingerichtet ist, von denen jeder mit wenigstens einem parallel zu den Kontakten (21 , 22, 23, 24) geschalteten Schalter (S1 , S2, S3, Sn) versehen ist und wobei die Lastdetektionseinheit (20) jeweils einen zu einem der Schalter (S1 , S2, S3, Sn) paarweise parallel angeordneten Widerstand (R1 , R2, R3, Rn) aufweist und die Parallelschaltungen (S1 mit R1 ; S2 mit R2, S3 mit R3, Sn mit Rn) in Stromrichtung eines Prüfstroms (I) in Reihe geschaltet sind. Stromverteileinheit (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte jedes der Widerstände (R1 , R2, R3, Rn) jeweils einem eindeutigen ganzzahligen Vielfachen eines anderen Widerstandswerts (R1 , R2, R3, Rn) entsprechen. Stromverteileinheit (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert jeweils eines der Widerstände (R1 , R2, R3, Rn) jeweils das Doppelte eines anderen Widerstandswerts eines anderen Widerstands (R1 , R2, R3, Rn) beträgt, wobei jeder der Widerstandswerte nur einmal vorkommt. Stromverteileinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastdetektionseinheit (20) eine Span- nungs- oder Stromdetektionseinheit (30) aufweist.
5. Stromverteileinheit (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- oder Stromdetektionseinheit (30) einen als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärker (30) aufweist.
6. Stromverteileinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- oder Stromdetektionseinheit (30) einen zur Stellung der mehreren Schalter (S1 , S2, S3, Sn) korrelierenden eindeutigen Messwert ermittelt.
7. Stromverteileinheit (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastdetektionseinheit (20) eine Konstantstromquelle (40) aufweist, mittels derer der Prüfstrom (I) bereitgestellt wird.
8. Stromverteileinheit (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromverteileinheit (10) eine Stromverteileinheit für ein Hochvoltsystem ist.
9. Verfahren zum Messen einer Detektionsspannung (UD) einer in einer Stromverteileinheit (10) vorgesehenen Lastdetektionseinheit (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Lastdetektionseinheit (20) zur Prüfung einer Belegung für wenigstens einen an der Lastdetektionseinheit (20) angeordneten elektrischen Kontakt (21 , 22, 23, 24) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastdetektionseinheit (20) für eine Vielzahl von elektrischen Kontakten (21 , 22, 23, 24) eingerichtet ist und die elektrischen Kontakte (21 , 22, 23, 24) durch eine Vielzahl von Schaltern (S1 , S2, S3, Sn) gebildet sind, wobei die Lastdetektionseinheit (20) eine Vielzahl von zu den Schaltern (S1 , S2, S3, Sn) jeweils paarweise parallel angeordneten Widerständen (R1 , R2, R3, Rn) aufweist und eine durch eine unterschiedliche Belegung der Kontakte (21 , 22, 23, 24) eineindeutige Detektionsspannung (UD) an einer Spannungs- oder Stromdetektionseinheit (30) messbar ist. 14 Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte der Widerstände (R1 , R2, R3, Rn) ausgehend von einem ersten kleinsten Widerstandswert (R1 ) sich bei jeweils einem der anderen Widerstände (R2, R3, Rn) bis hin zu einem maximalen Widerstandswert (Rn) verdoppelt, wobei der Prüfstrom (I) bei geöffnetem Schalter (S1 , S2, S3,
Sn) den Weg über den diesem zugeordneten Widerstand (R1 , R2, R3, Rn) gehen muss und dadurch die Höhe der Detektionsspannung (UD) einer Belegung der geöffneten bzw. geschlossenen Schalter (S1 , S2, S3, Sn) und somit auch der den Schaltern (S1 , S2, S3, Sn) zugeordneten elektrischen Kontakte (21 , 22, 23, 24) eindeutig zuordenbar ist. Verwendung einer Stromverteileinheit (10) nach Anspruch 1 bis 8 in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
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