WO2008064694A1 - Verfahren zur funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen relais sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen relais sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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Frank Anschütz
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Daimler Ag
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    • G01R31/3277—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of low voltage devices, e.g. domestic or industrial devices, such as motor protections, relays, rotation switches
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    • H01H2047/008—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current with a drop in current upon closure of armature or change of inductance

Definitions

  • the invention relates to a method for
  • relays To operate an electric motor, for example, in electric vehicles or fuel cell vehicles usually relays are used.
  • an excitation coil is energized whose magnetic field moves an armature, which can close or open a current contact.
  • Such a relay may be damaged if unexpectedly a high electric current flows, for example due to a fault in the operating system of the electric motor, when it is in operation.
  • the armature of the relay can be welded to the power contact, so that interrupting the power contact is no longer possible.
  • a device for detecting a relay welding wherein the relay between a switching element and a system for supplying power from the secondary battery is arranged to a load, wherein from a recharging and discharging behavior of the battery is closed to a relay defect.
  • the object of the present invention is to provide a simple and reliable method for
  • a relay failure can be detected if the current armature travel is outside preset limits.
  • the armature travel can be determined from a time course of a control coil current when switching on and / or switching off the relay.
  • a deviation of the current armature travel from undisturbed operation can be determined from the time course of the control coil current when the relay is switched on over the switch-on period.
  • a control coil which can be charged with a control coil current, wherein an armature is movable due to a control coil current induced magnetic field.
  • a current detection device for detecting the control coil current is provided, wherein an armature path can be derived from a time profile of a control coil current.
  • a memory unit can be provided in which relay-specific characteristics of an armature path are available with an undisturbed relay.
  • An arithmetic unit can be provided, with which the current armature travel can be evaluated and a relay welding can be extracted.
  • Fig. 2 is a time course of a control coil current at undisturbed relay with armature movement and welded relay without armature movement.
  • FIGS. 1a and 1b schematically show a relay 10 in the open (FIG. 1a) and closed state (FIG. 1b).
  • the relay 10 comprises a control coil 12 with current terminals 14, 16 and a movably mounted armature 16. If this is in a first end position, a switching contact 20 is closed (FIG. 1b). If the armature 16 is in the opposite end position, the switching contact 20 is open. The armature 16 is connected to a return spring, not shown.
  • an arithmetic unit 26 is provided for carrying out the method, as well as a current detection unit 22 for determining the control coil current and a memory unit 24 for providing an armature path So with an undisturbed relay 10.
  • the relay 10 stores and converts energies, more precisely electrical and magnetic energy, kinetic energy and energy of tight springs.
  • a relay 10 could also be operated in reverse and be opened when electrical energy is supplied.
  • the following considerations, which are hired for a relay of the "normally open” type, can therefore also be transferred analogously to a relay which is normally closed.
  • the relay 10 opens by the control coil 12 converts this energy into magnetic energy.
  • the result is a force on the armature 16, which, however, only moves when the force exceeds a certain barrier. From this point, the relay 10 converts magnetic energy into kinetic energy and spring energy until the armature 16 has reached its end position and closes the current contact 20.
  • the magnetic energy converted during this period is composed of the energy supplied in this time range and the energy supplied so far, that is to say stored in the control coil 12.
  • the magnetic energy of the control coil 12 can be calculated as a function of the coil current I. From the waveform of the control coil current, during the turn-on operation, the armature movement of the relay 10, i. the current anchorage s, closed.
  • Fig. 2 illustrates the time-dependent current waveform of the control coil current I over the time t when turning on the relay 10.
  • the characteristic 30 represents the course at undisturbed relay 10, in which the armature 16 can move undisturbed, while the characteristic 40 the state of a electrical overload welded relay 10 corresponds, in which the armature 16 is immovable.
  • the control coil current I increases first and has the value Ii at ti.
  • the characteristic curve 30 reaches a first relative maximum at a control coil current I 2 .
  • the characteristic curve 30, has, at time t 3, the control current I. 3
  • a minimum control current I 4 is established .
  • the control coil current increases monotonically until the operating value of the control voltage is reached.
  • the time course of the energy of the control coil can be broken down into four phases on the basis of the characteristic curve 30.
  • the energy W like the control coil 12 is calculated according to
  • phase 2 the movement of the armature 16 and thus the switching contact 20 has begun and withdraws at the time t 2 of the control coil 12 exactly the energy that is supplied by the drive.
  • the further course of the energy demand increases continues and is additionally fed from the previously stored in the control coil 12 energy.
  • the energy of the control coil 12 thus decreases, which results according to equation (1) and also from the control current profile in FIG.
  • phase 3 the movement of the armature 16 and thus of the switching contact 20 decreases and withdraws at time t 4 of the control coil 12 exactly the energy, analogous to phase 2, which is supplied by control.
  • phase 4 the switching process is completed.
  • the energy of the coil increases again according to equation (1) until the internal resistance of the device and its shunt resistance are significant. This area is not relevant for the considerations.
  • the armature movement or the anchor path s can with the formulas
  • the supplied control current is calculated according to the relationship
  • the inductance L results in phase 1 according to the relationship
  • I 2 S 1 (I 4 -t 2 )
  • the mechanical work AW mech is composed
  • the determination of the coefficients k, ki, k 2 is expediently carried out once for the respective relay type used.
  • the quantities I2, I4, Si, t 2 , ti are recorded at least three switch-on operations with different terminal voltage U.
  • the actual armature travel s with functional relay 10 can be found in the technical documentation or by disassembling the Relay can be determined.
  • the constant k 2 results after conversion of the equation (3) and the averaging of the measured values. An anchor path is thus known for the functional relay 10.
  • this armature travel can be determined from the current control current-time characteristic and compared with the value So for the functional relay 10.
  • a current detection device 22 for detecting the control coil current is expediently provided, as well as a memory unit 24, in which relay-specific characteristic data of an armature path So with undisturbed relay 10 are available. Furthermore, a computing unit 26 is provided with which the current armature travel s is evaluated and any relay welding is detected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsf ähigkeitserkennung eines elektrischen Relais (10), welches zum Öffnen und/oder Schließen einer elektrischen Kontakteinrichtung (20) mit einem Steuerspulenstrom beschickt wird, wobei sich ein Anker (16) aufgrund eines steuerspulenstrominduzierten magnetischen Feldes bewegt. Die Funktionsfähigkeit wird aus der Bestimmung eines aktuellen Ankerwegs (s) beim Einschalten und/oder Ausschalten des Relais (10) abgeleitet.

Description

Verfahren zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Zum Betreiben eines Elektromotors beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder BrennstoffZellenfahrzeugen kommen üblicherweise Relais zum Einsatz. Bei einem Relais wird eine Erregerspule bestromt, deren Magnetfeld einen Anker bewegt, welcher einen Stromkontakt schließen oder öffnen kann.
Ein solches Relais kann beschädigt werden, wenn unerwartet ein hoher elektrischer Strom beispielsweise aufgrund eines Fehlers im Betriebssystem des Elektromotors fließt, wenn dieser im Betrieb ist. Der Anker des Relais kann mit dem Stromkontakt verschweißt werden, so dass ein Unterbrechen des Stromkontakts nicht mehr möglich ist.
Aus der DE 101 60 106 B4 ist eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relaisverschweißung bekannt, wobei das Relais zwischen einem Schaltelement und einem System zur Energieversorgung von der Sekundärbatterie zu einer Last angeordnet ist, wobei aus einem Wiederauflade- und Entladeverhalten der Batterie auf einen Relaisdefekt geschlossen wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur
Funktionsfähigkeitserkennung eines Relais anzugeben, aus dem mit hoher Sicherheit auf das Vorliegen eines verschweißten Relais geschlossen werden kann, sowie eine Vorrichtung dazu anzugeben .
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais, welches zum Öffnen und/oder Schließen einer elektrischen Kontakteinrichtung mit einem Steuerspulenstrom beschickt wird, wobei sich ein Anker aufgrund eines steuerspulenstrominduzierten magnetischen Feldes bewegt, die Funktionsfähigkeit aus der Bestimmung eines aktuellen Ankerwegs beim Einschalten und/oder Ausschalten des Relais abgeleitet.
Vorteilhaft kann der aktuelle Ankerweg mit dem Ankerweg bei ungestörtem Betrieb verglichen werden.
Ein Relaisdefekt kann erkannt werden, wenn der aktuelle Ankerweg außerhalb vorgegebener Grenzen liegt.
Der Ankerweg kann aus einem zeitlichen Verlauf eines Steuerspulenstroms beim Einschalten und/oder Ausschalten des Relais bestimmt werden. Ein Abweichen des aktuellen Ankerwegs von einem ungestörten Betrieb kann aus dem zeitlichen Verlauf des Steuerspulenstroms beim Einschalten des Relais über der Einschaltzeitdauer bestimmt werden.
Es wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais vorgeschlagen, wobei zum Öffnen und/oder Schließen eines elektrischen Kontakts eine Steuerspule vorgesehen ist, die mit einem Steuerspulenstrom beschickbar ist, wobei ein Anker aufgrund eines steuerspulenstrominduzierten magnetischen Feldes bewegbar ist. Eine Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung des Steuerspulenstroms ist vorgesehen, wobei ein Ankerweg aus einem zeitlichen Verlauf eines Steuerspulenstroms ableitbar ist.
Eine Speichereinheit kann vorgesehen sein, in der relaisspezifische Kenndaten eines Ankerwegs bei ungestörtem Relais verfügbar ist.
Eine Recheneinheit kann vorgesehen sein, mit welcher der aktuelle Ankerweg bewertbar und eine Relaisverschweißung extrahierbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer erklärt. Dazu sind in den Figuren konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 a,b; eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei geöffnetem (a) und geschlossenem
Relais (b) ; und Fig. 2 ein zeitlicher Verlauf eines Steuerspulenstroms bei ungestörtem Relais mit Ankerbewegung und bei verschweißtem Relais ohne Ankerbewegung.
In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Fig. Ia und Ib zeigen schematisch ein Relais 10 in geöffnetem (Fig. Ia) und geschlossenem Zustand (Fig. Ib) . Das Relais 10 umfasst eine Steuerspule 12 mit Stromanschlüssen 14, 16 und einen beweglich gelagerten Anker 16. Befindet sich dieser in einer ersten Endposition, ist ein Schaltkontakt 20 geschlossen (Fig. Ib) . Befindet der Anker 16 sich in der entgegengesetzten Endposition, ist der Schaltkontakt 20 geöffnet. Der Anker 16 ist mit einer nicht dargestellten Rückholfeder verbunden.
Ferner ist zur Durchführung des Verfahrens eine Recheneinheit 26 vorgesehen sowie eine Stromerfassungseinheit 22 zur Bestimmung des Steuerspulenstroms und eine Speichereinheit 24 zur Bereitstellung eines Ankerwegs So bei ungestörtem Relais 10.
Das Relais 10 speichert und wandelt Energien, genauer elektrische und magnetische Energie, Bewegungsenergie und ie Energie gespannter Federn.
Um das Relais 10 zu schließen, wird elektrische Energie zugeführt. Grundsätzlich könnte ein Relais 10 auch umgekehrt betrieben werden und bei Zufuhr elektrischer Energie geöffnet werden. Die folgenden Überlegungen, die für ein Relais der Art „stromlos geöffnet" angestellt werden, können daher im sinngemäß auch auf ein Relais übertragen werden, das stromlos geschlossen ist. Bei Zufuhr von elektrischer Energie öffnet sich das Relais 10, indem die Steuerspule 12 diese Energie in magnetische Energie umwandelt. Es entsteht eine Kraftwirkung auf den Anker 16, der sich allerdings erst bewegt, wenn die Kraft eine bestimmte Barriere überschreitet. Ab diesem Zeitpunkt wandelt das Relais 10 magnetische Energie in Bewegungsenergie und Federspannenergie um, bis der Anker 16 seine Endposition erreicht hat und den Stromkontakt 20 dabei schließt.
Die in diesem Zeitraum umgesetzte magnetische Energie setzt sich aus der in diesem Zeitbereich zugeführten Energie und der bis dahin zugeführten, also in der Steuerspule 12 gespeicherten Energie zusammen. Die magnetische Energie der Steuerspule 12 kann als Funktion des Spulenstroms I errechnet werden Aus der Kurvenform des Steuerspulenstroms kann während des Einschaltvorgangs auf die Ankerbewegung des Relais 10, d.h. den aktuellen Ankerweg s, geschlossen werden.
Ist der Ankerweg s außerhalb vorgegebener Grenzen, wird ein Relaisdefekt, etwa ein verschweißen, erkannt.
Fig. 2 veranschaulicht den zeitabhängigen Stromverlauf des Steuerspulenstroms I über der Zeit t beim Einschalten des Relais 10. Die Kennlinie 30 stellt den Verlauf bei ungestörtem Relais 10 dar, bei dem sich der Anker 16 ungestört bewegen kann, während die Kennlinie 40 dem Zustand eines durch elektrische Überbelastung verschweißten Relais 10 entspricht, bei dem der Anker 16 unbeweglich ist.
Beim Einschalten der Steuerspannung an der Steuerspule 12 steigt der Steuerspulenstrom I zunächst an und hat bei ti den Wert Ii . Zum Zeitpunkt t2 erreicht die Kennlinie 30 ein erstes relatives Maximum bei einem Steuerspulenstrom I2. Bei weiterem Ansteigen der Steuerspannung fällt die Kennlinie 30 ab und hat beim Zeitpunkt t3 den Steuerstrom I3. Zum Zeitpunkt t4 stellt sich ein minimaler Steuerstrom I4 ein. Bei weiterem Erhöhen der Steuerspannung steigt der Steuerspulenstrom nunmehr monoton an bis der Betriebswert der Steuerspannung erreicht ist.
Der Abfall der Steuerstromkennlinie zwischen t2 und t4 rührt von der Ankerbewegung her. Ist der Anker 16 fixiert, steigt dagegen der Steuerspulenstrommonoton mit steigender Steuerspannung an, wie Kennlinie 40 zeigt.
Der zeitliche Verlauf der Energie der Steuerspule lässt sich anhand der Kennlinie 30 in vier Phasen zerlegen.
Phase 1: 0<t<t2
Die Energie Wmag der Steuerspule 12 errechnet sich nach
(D wma=-W und nimmt nach Einschalten der Steuerspannung U stetig zu. L ist die Induktivität der Steuerspule und / der Steuerspulenstrom. Aus dem Maß der Zunahme im aktuellen Zeitintervall lässt sich nach
(2)
At
die Induktivität L zum Zeitpunkt ti bestimmen.
Phase 2: t2≤t≤t3
In der Phase 2 hat die Bewegung des Ankers 16 und damit des Schaltkontakts 20 begonnen und entzieht zum Zeitpunkt t2 der Steuerspule 12 genau die Energie, die durch die Ansteuerung zugeführt wird. Im weiteren Verlauf steigt der Energiebedarf weiter und wird zusätzlich aus der bisher in der Steuerspule 12 gespeicherten Energie gespeist. Die Energie der Steuerspule 12 sinkt also, was sich nach der Gleichung (1) und auch aus dem Steuerstromverlauf in Fig. 2 ergibt .
Phase 3: t3<t<t4
In der Phase 3 nimmt die Bewegung des Ankers 16 und damit des Schaltkontakts 20 ab und entzieht zum Zeitpunkt t4 der Steuerspule 12 genau die Energie, analog zu Phase 2, die durch Ansteuerung zugeführt.
Phase 4 : t4<t<∞
In der Phase 4 ist der Schaltvorgang beendet. Die Energie der Spule nimmt wieder nach Gleichung (1) zu, bis der Innenwiderstand der Anordnung und dessen Shuntwiderstand ins Gewicht fallen. Dieser Bereich ist für die Betrachtungen nicht weiter relevant.
Die Ankerbewegung - und damit der Ankerweg s - ergibt sich aus folgender Betrachtung.
Die Ankerbewegung bzw. der Ankerweg s kann mit den Formeln
a π mag — ük YV mech
und
AWmech
Figure imgf000009_0001
bestimmt werden, wobei
L die Induktivität, I2 der Steuerstrom bei t=t2, dem Start der
Ankerbewegung ist, I4 der Steuerstrom bei t=t4, dem Ende der Ankerbewegung ist und I2 der während der Ankerbewegung zugeführte Steuerstrom ist.
Der zugeführte Steuerstrom berechnet sich nach der Beziehung
LM=-(t4-t2)
Die Induktivität L ergibt sich in Phase 1 nach der Beziehung
Δ/
L = U At
und damit
L = U-S1
Wobei Si die Steigung der Steuerstromkurve Zeitpunkt ti in Fig. 2 ist. Daraus ergibt sich
I2 = S1(I4 -t2)
Wird I2 ersetzt, ergibt sich nach Einführung eines Koeffizienten ki der Zusammenhang
1 L(Il - [I4 - kx ■ S1 (I4 - t2))2) = AWmech
Die mechanische Arbeit AWmech setzt sich zusammen aus
Beschleunigungsarbeit und Federspannarbeit zusammen. Da die Ankerbewegung durch das Spannen einer Feder beendet wird (Rückholfeder) , ist davon auszugehen, dass die gesamte mechanische Energie in der gespannten Feder gespeichert ist Der vereinfachte Ansatz beruht auf der Annahme, dass der Federspannweg gleich dem Ankerweg s ist:
jl(/2 2 -(Z4 -*, -5,(Z4 -t2))2)= [F(x)dx
Im Fall einer idealen Feder gilt:
^L(I2 2 -(I4-krSι(t4-t2))2) =±D-s2
Versuche zeigen, dass das Modell einer idealen Feder nur bedingt geeignet ist. Die folgende Formel gibt die gemessenen Abhängigkeiten mit guter Genauigkeit wieder:
Figure imgf000011_0001
Die Induktivität L und die Konstante k werden zu der Konstanten k2 zusammengefasst . Für den Ankerweg s ergibt sich dann
(3) s = k
I2 2 -(I4 -krS^t4 -I2))2
Die Bestimmung der Koeffizienten k, ki, k2 wird zweckmäßigerweise einmalig für den jeweiligen eingesetzten Relaistyp vorgenommen. Dazu werden bei mindestens drei Einschaltvorgängen mit unterschiedlicher Klemmenspannung U die Größen I2, I4, Si, t2, ti aufgezeichnet werden. Anschließend wird ki so bestimmt, dass bei k2 =l die Streuung der aus der Gleichung (2) berechneten Wege minimal wird. Der tatsächliche Ankerweg s bei funktionsfähigem Relais 10 kann aus den technischen Unterlagen oder durch Demontage des Relais bestimmt werden. Die Konstante k2 ergibt sich nach Umstellung der Gleichung (3) und der Mittelung der gemessenen Werte. Damit ist ein Ankerweg so für das funktionsfähige Relais 10 bekannt.
Bei der Ermittlung der Abweichung des aktuellen Ankerwegs s im Betrieb des Relais kann dieser Ankerweg aus der aktuellen Steuerstrom-Zeit-Kennlinie ermittelt und mit dem Wert So für das funktionsfähige Relais 10 verglichen werden.
Dazu ist zweckmäßigerweise eine Stromerfassungseinrichtung 22 zur Erfassung des Steuerspulenstroms vorgesehen, sowie eine Speichereinheit 24, in der relaisspezifische Kenndaten eines Ankerwegs So bei ungestörtem Relais 10 verfügbar sind. Weiterhin ist eine Recheneinheit 26 vorgesehen, mit welcher der aktuelle Ankerweg s bewertet und eine etwaige Relaisverschweißung erkannt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais (10) , welches zum Öffnen und/oder Schließen einer elektrischen Kontakteinrichtung (20) mit einem Steuerspulenstrom beschickt wird, wobei sich ein Anker (16) aufgrund eines steuerspulenstrominduzierten magnetischen Feldes bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit aus der Bestimmung eines aktuellen Ankerwegs (s) beim Einschalten und/oder Ausschalten des Relais (10) abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Ankerweg (s) mit dem Ankerweg (so) bei ungestörtem Betrieb verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Ankerweg (s)
aus der Beziehung s bestimmt wird,
Figure imgf000014_0001
wobei k und k2 Konstanten sind, und I2 der Steuerstrom im Zeitpunkt t2 bei Start der Ankerbewegung, I4 der Steuerstrom im Zeitpunkt t4 am Ende der Ankerbewegung und Si die Steigung einer Steuerstrom-Zeitkurve beim Einschalten des Relais (10) ist.
4. Verfahren nach der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Relaisdefekt erkannt wird, wenn der aktuelle Ankerweg (s) außerhalb vorgegebener Grenzen liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerweg (s, sθ) aus einem zeitlichen Verlauf eines Steuerspulenstroms (I) beim Einschalten und/oder Ausschalten des Relais (10) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abweichen des aktuellen Ankerwegs (s) von einem ungestörten Betrieb aus dem zeitlichen Verlauf des Steuerspulenstroms beim Einschalten des Relais über der Einschaltzeitdauer bestimmt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur
Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais (10) , wobei zum Öffnen und/oder Schließen eines elektrischen Kontakts (20) eine Steuerspule (12) vorgesehen ist, die mit einem Steuerspulenstrom beschickbar ist, wobei ein Anker (16) aufgrund eines steuerspulenstrominduzierten magnetischen Feldes bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Stromerfassungseinrichtung (22) zur Erfassung des Steuerspulenstroms vorgesehen ist, wobei ein Ankerweg (s) aus einem zeitlicher Verlauf eines Steuerspulenstroms (I) ableitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit (24) vorgesehen ist, in der relaisspezifische Kenndaten eines Ankerwegs (so) bei ungestörtem Relais verfügbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit (26) vorgesehen ist, mit welcher der aktuelle Ankerweg (s) bewertet und mit einem Ankerweg (so) des ungestörten Relais (10) verglichen und daraus eine Funktionsfähigkeit des Relais (10) bestimmt wird.
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