WO2013167310A1 - Moduleinheit, verbund und verfahren zum überwachen eines energieversorgungsnetzes - Google Patents

Moduleinheit, verbund und verfahren zum überwachen eines energieversorgungsnetzes Download PDF

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WO2013167310A1
WO2013167310A1 PCT/EP2013/056244 EP2013056244W WO2013167310A1 WO 2013167310 A1 WO2013167310 A1 WO 2013167310A1 EP 2013056244 W EP2013056244 W EP 2013056244W WO 2013167310 A1 WO2013167310 A1 WO 2013167310A1
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module
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switching
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PCT/EP2013/056244
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Thomas Schmid
Michael Armbruster
Markus SCHÄTTIN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02H7/261—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured involving signal transmission between at least two stations
    • H02H7/263—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured involving signal transmission between at least two stations involving transmissions of measured values
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Module unit network and method for monitoring a power supply network
  • the invention relates to a module unit for monitoring a power supply network. Furthermore, a first network and a second network of modular units for monitoring a power supply network are specified. A method for monitoring a power supply network is also provided.
  • the energy supply network is, in particular, the electrical system of a motor vehicle, wherein the vehicle electrical system has a multiplicity of special features:
  • comparatively low voltage e.g. less than 100 volts or less than 1000 volts
  • short cable lengths of, for example, less than 100 meters
  • the network has only a small spatial extent of, for example. Less than 40 square meters.
  • the invention relates to a module unit comprising:
  • a detection unit which preferably detects an electrical quantity
  • control unit which is connected on the output side with preferably an input of the switching unit and on the input side with preferably an output of the detection unit
  • a receiving unit which is the output side coupled to an input of the control unit, and containing
  • a further detection unit which detects an electric current or an electric power in relation to a third connection unit for a consumption unit, or a storage unit in which a value of the electricity or electric power for one
  • the invention relates to a method for monitoring a power supply network, comprising:
  • the modular unit should in particular be simple.
  • an associated composite of the modular units, a further composite and an associated method should be specified. This object is solved by a module unit according to claim 1, by a composite according to the independent device claim, and by a method according to the independent method claim. Further developments are specified in the subclaims.
  • a first connection device e.g. a solder joint, a ringklemmthetic, or similar
  • a second connection device e.g. a solder joint, a ringklemmharm, or similar
  • a switching unit connected between the first connecting device and the second connecting device eg a Semiconductor switching unit, such as a transistor (IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), FET (Field Effect Transistor), etc.) or a thyristor (GTO or the like), or an electromechanical switching unit, such as a relay,
  • a Semiconductor switching unit such as a transistor (IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), FET (Field Effect Transistor), etc.) or a thyristor (GTO or the like)
  • GTO thyristor
  • a detection unit which preferably detects an electrical quantity, e.g. a current detection device and / or a voltage detection device,
  • control unit which is connected on the output side preferably to an input of the switching unit and on the input side with preference to an output of the detection unit
  • the output side is preferably coupled to an input of the control unit, and containing
  • a further detection unit which detects an electric current or an electric power in relation to a third connection device for a consumption unit, or a storage unit in which a preferably fixed or a maximum value of the electrical current or the electrical power is stored for a consumption unit is.
  • the receiving unit ensures that also acquisition quantities from adjacent module units can be included.
  • Consumption values of consumers can change constantly, e.g. in a data processing system depending on the load of a processor or on / off of a motor, e.g. a windshield wiper motor. Therefore, the consumption values can be recorded or measured after a comparison to SI (System International) variables. Alternatively, maximum consumption values are included, with which the consumption is estimated upward.
  • SI System International
  • the detection can be done by einschieifen a sensor in a line, for example.
  • a shunt resistor may be detected on the line, for example, the electric field or the magnetic field may be dependent on a current flow in the line.
  • Hall sensors or other sensors can be used.
  • a voltage is tapped
  • the consumption values may concern consumers of a vehicle electrical system, for example, data processing systems, small motors with outputs of less than 1 kilowatt, lamps and the like. In particular, the consumption values then do not relate to short circuits, transmission losses or voltage transformer losses.
  • the receiving unit can, for example, work according to one of the following data transmission protocols:
  • IEEE 802.x Institute of Electrical and Electronics Engineers
  • Profinet bus PROcess Field NETwork
  • the transmission links belonging to these protocols can also be duplicated.
  • the amount of data to be transmitted is relatively manageable and is, for example, less than one kilobyte per second.
  • protection concepts such as fuses or the use of circuit breakers
  • circuit breakers can be used in addition to the modular units.
  • a protection concept based on the modular units i. For example, no fuses and no circuit breaker are used anymore. This creates a simple solution.
  • the module unit is also referred to below as a protection module in the explanation of the figures.
  • the switching unit may be designed for switching voltages less than 1000 volts or less than 200 volts, i. in particular for conditions such as occur in the direct-voltage electrical system of a motor vehicle.
  • the switching powers may be correspondingly small, e.g. less than 1 kilowatt.
  • the motor vehicle can be driven, for example, by an internal combustion engine or by an electric motor. A hybrid drive is also possible.
  • the modular units can also be designed and used for the drive network.
  • the modular unit may include a branch from an electrically conductive connection between the first connection device and the second connection device to the third connection device of the modular unit. The branch allows the connection of consumers. The power consumption / power consumption of the connected
  • Consumers can be easily determined in the module unit with branch in addition to the current flow / power flow on a main line.
  • the consumer is connected to the main line.
  • the consumer can also be separated from the main line in the module unit, especially if the load is faulty. A defective consumer is detected, for example, by way of an excessively high current flow / power flow to the consumer.
  • the module unit can also be executed without a branch.
  • the modular unit can then contain only one detection unit or several detection units and only one switching unit between the first connection device and the second connection device. The result is a very simple modular system. Instead of a modular unit with a branch then two modular units can be used without branch.
  • the switching unit may be connected between the first connection device and the branch. Thus, a main line to the module unit can be interrupted.
  • the switching unit may be a switching unit called a first switching unit.
  • the module unit may include a switching unit called a second switching unit.
  • a main line can be interrupted at two points, in particular in front of and behind a branch to a consumer.
  • the number of required module units can be reduced by this measure.
  • the switching unit may again be a first switching unit.
  • Another switching unit may be connected between a branch and the third connection device.
  • the further switching unit can be used to switch off a consumer.
  • the number of required module units is reduced by using two switching units per module unit.
  • three switching units can also be present in one module unit, for example for disconnecting a consumer from a main line and for interrupting the main line on both sides of a branch leading to the consumer.
  • the modular unit with three switching units can be used for a variety of network configurations, for example, at a branch or on a main line, the branch can remain unused.
  • the module unit may include a control unit which is connected on the output side to an input of the switching unit and on the input side to an output of the detection unit.
  • the control unit is suitable for further processing of the detection result and for actuating the switching unit.
  • control unit can also be connected on the input side to an output of the further detection unit.
  • consumption values detected by the further detection unit can be taken into account in the control of the switching unit.
  • control unit can also be connected on the input side to an output of the memory unit.
  • the control unit may include a processor or be constructed without a processor.
  • the module unit can contain at least one of the following units:
  • a receiving unit which is connected on the output side to an input of the control unit
  • a transmitting unit which is the input side connected to an output of the control unit.
  • a complete communication interface is created to the outside.
  • Suitable protocols for the communication are, for example, CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network), Flexray, Ethernet and Profinet Bus (PROcess Field NETwork).
  • the control unit may include a comparison unit which is connected on the input side to an output of the detection unit and to the further detection unit or which is connected on the input side to an output of the detection unit and to an output of the memory unit.
  • the comparison unit forms, for example, a sum or a difference for a network node of the electrical system or the energy supply network.
  • the sum of all currents in a network node must be zero. The same applies to a network section or to a part of a network if there is no error.
  • a range around zero or a range starting at zero may be used to allow for smaller fault currents.
  • the control unit can control the switching unit in the case of a deviation determined during the comparison, in particular in order to disconnect a load or the main line from the network.
  • the module unit may include a receiving unit, which is connected on the output side to the control unit and / or to the switching unit.
  • the receiving unit can also be connected to the second switching unit and / or the further switching unit.
  • the receiving unit can perform calculations and / or comparisons in the module unit which also take into account currents or powers on adjacent module units.
  • a remote control is possible.
  • One embodiment relates to a composite of at least two of the module units indicated above.
  • the composite contains a unit which is connected to the module units via a data transmission network.
  • the unit may include a comparison unit that compares quantities detected by the modular units or quantities calculated from these quantities with at least one setpoint,
  • At least one detected variable contains a consumption value of a consumption unit or wherein in the comparison at least one preferably fixed or a maximum consumption value of a consumption unit is taken into account, which is connected to a line between the module units or to one of the two modular units.
  • accounting values are taken into account in the comparison which have been recorded in the module units or which have been estimated.
  • control unit may control at least one switching unit in one or both module units in the event of a deviation of the detected variable or of variables calculated from the detected variables from a nominal variable. As a result, control takes place from a position above the module units.
  • a faulty line can be disconnected at both ends, so that the fault has no influence on the rest of the network and the energy flow to the fault location is interrupted.
  • a faulty load can be disconnected.
  • a connection of a module unit that is connected to a faulty line or a defective consumer can be electrically separated from the other terminals.
  • the first composite can be used in particular in an electrical system of a car or motor vehicle. Especially where high redundancy is required and high demands are made on the reliability.
  • the electrical system in which the first composite is used may have a voltage less than 100 volts but greater than 5 volts.
  • Another embodiment relates to a second composite containing at least two module units, each containing:
  • a detection unit which preferably detects an electrical quantity
  • a transmitting unit which is connected on the input side preferably to an output of the detection unit
  • the second composite may include a unit connected to the module units via a communications network.
  • the unit may include a comparison unit that compares quantities detected by the module units or quantities calculated from these quantities with at least one setpoint.
  • the detected variables may contain at least one consumption value of a consumption unit or the comparison may take into account a preferably fixed or maximum consumption value of a consumption unit which is connected to a line between the module units or to the module units.
  • the modular units can therefore contain control units, but do not have to. This specifies an alternative system to the module units indicated above. Again, the monitoring of a vehicle electrical system by the composite
  • the modular units can be executed without a control unit or with a control unit, which, however, does not carry out a comparison of current values or power values.
  • the controller is housed in the central unit.
  • the second composite can be used in particular in an electrical system of a car or motor vehicle. Particularly where high redundancy is required and high demands are placed on fail-safety.
  • the electrical system in which the second composite is used may have a voltage less than 100 volts but greater than 5 volts.
  • An embodiment also relates to a method for monitoring a power supply network, comprising:
  • Consumption values for consumers located between the network sites involved give rise to applications where power supplies can be very selectively disconnected from the rest of the network, especially power supplies to which consumers are also connected.
  • the method may include detecting a third power or a third power at a third location of the power grid.
  • the method is also suitable for branches and thus for all network topologies.
  • the comparison is performed taking into account the size detected at the third position. This can not only a main line but also a branch or several branches can be included in the monitoring.
  • the first composite or the second composite or its embodiments can be included.
  • a faulty detection unit can be determined automatically.
  • the faulty detection unit or the module unit containing this unit can then be automatically excluded from the method.
  • the neighborhoods can be redefined by no longer taking the faulty module unit into consideration when specifying the neighborhoods.
  • equations relating to variables detected by the faulty module unit can no longer be taken into account.
  • solvers work, for example, according to the Newton method, according to a recursive method (Kalman) or in another way.
  • the equation system can be overdetermined several times, for example overdetermined more than twice or overdetermined more than three times.
  • the system of equations can be overdetermined less than five times in order to keep the number of equations in a frame that is acceptable even with fast computation.
  • Faulty module units can be determined comparatively easily in one embodiment if equations that relate to these modular units are not taken into account in the solution of an overdetermined equation system. These equations or the relevant module unit can be determined automatically. This means that all module units can be simply tried one after the other. It is also possible to use strategies that lead to statements more quickly, in particular strategies that take into account prior knowledge and / or the topology of the network.
  • the monitored network or vehicle electrical system can have at least four or at least six segments which can be switched off from one another in one embodiment.
  • the number of segments can be less than 100.
  • Each segment may be involved in a comparison of the electrical currents or powers. Thus, complete protection can be ensured.
  • a protection concept for a vehicle electrical system is specified by means of differential protection.
  • the failure of the power supply in parts may not lead to the failure of the entire system. This particularly concerns faults such as short circuits, over- and under-voltages in the electrical system. These must be identified in good time by suitable mechanisms in order to reduce or avoid damage to equipment. Faulty components must be switched off reliably in order to avoid error propagation and thus a failure of the entire system.
  • Fuses and automatic circuit breakers for individual vehicle components and their supply lines can be used. These are usually housed in a central security box. In the vehicle, separate backup groups can be assigned to the individual modules (either functionally or spatially).
  • Power management system in an electrical power system of a motor vehicle can be characterized by regulation of the on-board voltage and control of the battery current with the aid of data linkage of the generator controller and the intelligent battery sensor
  • the data battery current, voltage, and temperature as well as important data of the connected consumers be functionally linked to a specific regulation of the vehicle electrical system voltage and balancing of the energy balance.
  • Protection concepts can be used which protect the current by means of differential protection. Measure at the consumer (for example, before and after the consumer) and from the difference between the two streams can make a statement as to whether the transfer is carried out functionally or the current balance is disturbed.
  • Embodiments of the invention relate to electrical systems of vehicles, which measuring devices with respect to current and / or voltage to consumers and / or at appropriate points in provide the power distribution associated with the communications network and switching devices at the consumers and / or at corresponding locations also connected to the communications network.
  • This relates in particular to the combination of measuring device and switching device in a module which makes it possible to selectively protect the vehicle electrical system, whereby vehicle electrical system segments which are very specifically affected by a fault can be passivated.
  • By comparing the difference between the measuring points can be closed for errors, especially short circuits in a segment of the electrical system.
  • the total balance of the current or the power must be equal to 0, on the other hand, the difference / gradient with respect. Current / power in a previously determined safe bandwidth (eg by adding up the maximum Consumption of the assigned
  • the measurements can be determined absolutely or over a defined time range.
  • the bandwidth can be defined by fixed thresholds or by time / power dependent limits and the corresponding measurements can be compared.
  • this information is distributed via the communication network to the neighboring nodes (autonomous decisions to the respective node), on the other hand the
  • Information for determining the total balance forwarded to a central computer There, if necessary, a switching command to the node is triggered and taken appropriate action. This information can also be used for a real-time simulation of the vehicle electrical system state (and a corresponding state evaluation), for example, on the central computer. If necessary, the switching thresholds can be adjusted as required. Checking the function of each component or device via the current measurement at the input and output of consumers. The basic idea for this is that each component is the current from the input to the output according to a defined function.
  • additional measuring / switching modules can be integrated at each point, which enable a finer passivation of the affected on-board electrical system segment. In this case, it may be necessary for the additional measuring / switching module that the module is communicated with the neighboring modules.
  • This protection concept can be used for the energy management of the entire vehicle electrical system and is freely scalable, e.g. from two guards to more than a hundred guards.
  • a module that is both measuring device and switching device can be developed and produced as a standardized component cost.
  • the application of the module can be used generically in the electrical system.
  • “Generic” means that the protective devices can be installed as desired. Simultaneous triggering is impossible. Thus, must no staggering according to the current or the time are taken into account in comparison with overcurrent fuses or the like in the design.
  • 64 A ampere
  • the connection with 64 A is secured. The floor at 32 A and the rooms at 16 A. In the event of a short circuit, currents well above 64 A occur. Consequently, you have to stagger the backups one after the other. This is not necessary for differential protection between direct neighbors, ie it must always be maximally fast.
  • FIG. 1 shows a vehicle electrical system of a vehicle
  • FIG. 2 shows a section of a vehicle electrical system
  • FIG. 3 shows a detail of a further vehicle electrical system
  • FIG. 4 shows a section of an electrical system with network areas
  • Figure 5 shows a detail of an electrical system with branch
  • FIG. 1 shows a vehicle electrical system 12 or a general energy supply network.
  • the general energy supply network may be a DC network or an AC network.
  • the voltages may be in the low voltage range, medium voltage range or in the high voltage range, in particular at voltages greater than 1000 volts.
  • the monitoring explained below for the vehicle electrical system 12 also applies correspondingly to the general energy supply network.
  • the vehicle electrical system 12 is a DC voltage network of, for example, less than 100 volts.
  • the vehicle electrical system 12 contains a network 10 of protection modules DS1 to DSn, which may be differential protection modules, in particular, when differences in comparison or monitoring are used.
  • the composite 10 contains no central control unit ZSE.
  • control units SE1 to SEn which carry out monitoring for neighborhood areas, e.g. the protection modules DS1 and DS2 for the line 22 and the immediately adjacent consumers VI and V2, in particular the consumers VI or V2 connected to the protection modules DS1 and DS2.
  • the network 10 also contains a central control unit ZSE, which likewise performs monitoring involving neighborhoods and / or performs monitoring of the detection units, as will be explained in more detail below with reference to FIG ,
  • a third variant III monitoring taking into account neighborhoods of the protection modules DS1 to DSn is carried out only in the central control unit ZSE.
  • the central control unit ZSE can also carry out, in variant III, monitoring of the detection units in the protection modules DS1 to DSn, as described below with reference to FIG is explained in more detail.
  • the protection modules DS1 to DSn in variant III do not carry out any monitoring taking into account neighborhoods and consumers.
  • a distinction can be made according to whether the consumption values A) included in the monitoring are only estimated upwards or B) are actually recorded or measured. This is explained below with reference to FIGS. 3 and 4 for the estimation.
  • FIG. 3 or a modification of FIG. 5 explained in the text relates to the variant with measurement of the consumption values. For all three variants I to III, there is therefore both variant A and variant B, which increases the number of variants to the value 6.
  • the protection modules DS1 to DSn are connected in a line 20 of the electrical system 12.
  • the line 20 is guided as a loop.
  • Other topologies are also possible, e.g. Line, star or mesh.
  • An accumulator EQ is connected to the line 20, e.g. the plus pole of the accumulator EQ.
  • the protection modules DS1 to DSn can be constructed the same among each other, which is why only the structure of the protection module DSl will be explained in more detail below. Alternatively, the
  • the protection module DS1 contains:
  • connection Ala being connected to the line 20
  • connection A2a to the line 22
  • connection A3a to a consumer VI
  • two detection units Ela and E2a which can detect a voltage and / or a current or a power, a voltage node Nla,
  • the detection unit Ela is connected to the terminal Ala and to one terminal of the switching unit Sla, e.g. with the working connection of a power transistor,
  • the switching unit Sla is connected to another connection at the circuit node Nla, e.g. with the other working terminal of the power transistor,
  • the switching unit S2a is connected to a connection at the circuit node Nla and to another connection at the connection A2a of the protection module DS1,
  • the switching unit S3a is connected to the third terminal A3a and to the detection unit E2a.
  • circuit arrangements are also possible, for example interchanging detection unit Ela and switching unit Sla or exchanging detection unit E2a and switching unit S3a.
  • the switching unit S2a, the detection unit E2a and / or the switching unit S3a may be omitted.
  • the switching units Sla to S3a may be power transistors, in particular IGBT's.
  • the detection units Ela and Elb can be looped into the lines, be arranged in the effective range of an electric field of the relevant line or contact the line at one or more points. Suitable detection units Ela and Elb contain in particular analog-to-digital converters (ADC).
  • ADC analog-to-digital converters
  • the line 22 is located between the connection A2a of the protection module DS1 and the connection Alb of the protection module DS2.
  • Line 24 is between the terminal A2b of the protection module DS2 and the terminal Aln of the protection module DSn, where n is a natural number, eg three or more than three.
  • the other protection modules DS2 to DSn are constructed like the protection module DS1 in the exemplary embodiment. So there is in
  • Protection module DS3 also:
  • - Detection units Elb and E2b e.g. for detecting a voltage and / or current or a power
  • a consumer V2 is connected to the connection A3b of the protection module DS2.
  • a consumer Vn is connected to the terminal A3n of the protection module DSn.
  • a communication line 32 is located between the reception / transmission unit El / Al and a communication line 30 connecting the protection modules DS1 to DS2.
  • the communication protocols mentioned in the introduction can be used on lines 30 to 36.
  • Lines 30-36 may form different topologies, e.g. a line, a ring, a star or a mesh.
  • a radio network may also be used, e.g. Bluetooth or ZigBee.
  • the protection modules DS1 to DSn can also be implemented without branching, so that there is only one detection unit and one switching unit between the first and the second connection of a protection module DS1 to DSn. This applies to all six variants and will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 6.
  • the protection modules DS1 to DSn each contain a control unit SEI to SEn, which perform a monitoring method taking into account neighborhoods and Verbraus yogurt.
  • the consumption values are estimated in variant A and stored, for example, in stores M1 to Mn for the respective consumer VI to Vn.
  • variant B the consumption values are recorded or measured using the detection units E2a to E2n.
  • no central control unit ZSE is required.
  • the central control unit ZSE is required in variant II. Alternatively, variant II can also use peer-to-peer methods.
  • the central control unit ZSE for example a microprocessor or a microcontroller MP, is included.
  • the central control unit ZSE contains a memory M, for example for storing consumption values and / or program instructions which are executed by the processor. Via a line 38, the central control unit ZSE is connected to the line 30. Alternatively, a radio link can be used.
  • the protection modules DS1 to DSn do not have to contain their own control units because they can be remotely controlled by the central control unit ZSE. If the protection modules DS1 to DSn in the variant III each contain control units, these however do not carry out a separate monitoring method taking into account neighborhoods and consumption values in addition to the monitoring method carried out in the central control unit ZSE.
  • the vehicle electrical system is monitored in all three variants for short circuits, see, for example, short circuit 26 on the line 22 or a short circuit elsewhere.
  • Cable breaks can be canceled by redundancy in their effect, for example.
  • all consumers are still supplied via the line 20 and via the lines 20 and 24 with voltage / current or energy.
  • the body is used as a return conductor in an automobile. An explicit return conductor is therefore not necessary, but may be more advantageous, for example, with regard to interference couplings.
  • a double cable routing can also be used.
  • the consumers VI to Vn can also be directly included in the monitoring via the detection units S3a to S3n. Indirect monitoring is also possible for protection modules DS1 to DSn without branching, as will be explained below with reference to FIGS. 2 and 4. Faults in the consumers then act like short circuits and can thus be detected in the same way and disconnected from the power supply.
  • FIG. 3 shows the processes for a measurement of the
  • the protection module / module DS1 is a measured current 1 (1) and possibly a measured voltage U (l), see detection unit Ela.
  • the protection module DS2 is the measured current 1 (2) and possibly a measured voltage U (2), see detection unit Elb. From the consumer VI, for example, with a defined target consumption, consumption is known.
  • the measured values 1 (2) and possibly U (2) are transmitted by the protection module DS2 to the protection module DS1.
  • a comparison of the actual consumption is carried out in the protection module DS1 as the difference between measured values 1 and measured values 2 for the defined nominal consumption. It is in the Protection module DS1 checks whether the value lies within the bandwidth. In the event of a deviation, the short circuit 26 is detected and the shutdown of the electrical system 12 or the line 22 ensues using the switching units S2a.
  • the measured values 1 (1) and possibly U (1) are transmitted from the protection module DS1 to the protection module DS2.
  • a comparison of the actual consumption is carried out in the protection module DS2 as the difference between measured values 1 and measured values 2 for the defined nominal consumption. It is checked in the protection module DS2 whether the value is within the bandwidth. In the event of a deviation, the short circuit 26 is detected and the shutdown of the electrical system 12 or the line 22 ensues using the switching units Slb of the protection module DS2.
  • the measured values 1 (1) and possibly U (1) are transmitted from the protection module DS1 and the measured values 1 (2) and possibly U (2) from the protection module DS2 to the control unit ZSE.
  • a comparison of the actual consumption is carried out in the ZSE control unit as the difference between measured values 1 and measured values 2 for the defined nominal consumption. It is checked in the ZSE control unit whether the value lies within the bandwidth. In the event of a deviation, the short-circuit 26 is detected and the shut-off of the on-board network 12 or the line 22 is remotely followed using the switching unit S2a of the protection module DS1 and the switching unit Slb of the protection module DS2.
  • the comparison is only carried out in the ZSE control unit, ie not in the protection modules DS1 and DS2.
  • Current strengths I (n) measured on the main line and possibly measured voltages U (n) are also present in the other protection modules DSn, where n is a natural number greater than 2 but, for example, less than 100 or less than 200.
  • the consumers Vn either have a defined target consumption, in particular a defined maximum consumption or the consumption is recorded.
  • FIG. 2 shows a detail of a vehicle electrical system 100 or of a power supply network.
  • the vehicle electrical system 100 is, for example, a section of the vehicle electrical system 12, see FIG. 1, or from the vehicle electrical system 510, see FIG. 6.
  • the electrical system 100 includes:
  • DSla Differential protection modules
  • DS2a Differential protection modules
  • a line 104 lies between the accumulator 102 and the protection module DSla
  • a line 110 leads from the protection module DSla to the protection module DS2a,
  • a line 112 leads from the line 110 to the consumer V10
  • a line 114 leads from the line 110 to the consumer Vll
  • a line 116 leads from the protection module DS2a to other components of the electrical system 100th
  • the consumer V10 consumes a maximum of 200 watts.
  • the consumer Vll should consume a maximum of 100 watts.
  • the consumer V10 is supposed to consume just 100 watts and the consumer Vll 20 watts.
  • the difference of 120 watts is smaller than the maximum consumption of 300 watts, so that a faultless state is present.
  • short-circuit 120 occurs on the line 110
  • only 100 watts are detected in the protection module DS2a, for example.
  • the difference is 500 watts, which is considerably larger than the maximum consumption of the consumers V10 and Vll of 300 watts.
  • the disconnection of the line 120 is caused, in variant I in the protection modules DSla and DS2a, in variant III by the central control unit ZSE, and in variant II redundant both the protection modules DSla and DS2a and the central control unit ZSE.
  • the protection modules DSla and DS2a can be constructed like the protection modules DS1, DS2 to DSn, the branch 14a, etc. is unused. Alternatively, the protection modules DSla and DS2a do not include a branch 14a, etc.
  • FIG. 3 shows a detail of a further on-board network 200 or of a power supply network.
  • the electrical system 200 is, for example, a section of the vehicle electrical system 12, see FIG. 1, or from the vehicle electrical system 510, see FIG. 6.
  • the on-board network 200 contains:
  • protection modules e.g. Differential protection modules, DSlb, DS2b, DS3b and DS4b, and
  • a line 204 lies between the accumulator 202 and the protection module DSlb,
  • a line 210 leads from the protection module DS1b to the protection module DS2b,
  • a line 212 leads from the line 210 to the protection module DS3b,
  • the consumer V20 is connected to the protection module DS3b,
  • a line 214 leads from the line 210 to the protection module DS4b
  • the consumer V21 is connected to the protection module DS4b, and
  • a line 216 leads from the protection module DS2b to other components of the electrical system 200th
  • Consumers V20 just recorded a consumption of 100 watts and the protection module DS4b for the consumer V21 a current consumption of 20 watts.
  • the difference is 120 watts equal to the currently recorded consumption of 120 watts, so that a faultless condition is present.
  • the disconnection of the line 220 is caused, in variant I in the protection modules DSlb and DS2b or in all adjacent protection modules DSlb to DS4b, in variant III by the central control unit ZSE, and in variant II redundant both of the protection modules DSlb and DS2b or DSlb to DS4b as well as from the central control unit ZSE.
  • Short circuits in the consumers V20 and V21 are recorded directly in the protection modules DS3b or DS4b.
  • the protection modules DSlb to DS4b may be constructed like the protection modules DS1, DS2 to DSn, with the branch 14a, etc. unused. Alternatively, the protection modules DSlb to DS4b do not include a branch 14a, etc.
  • protection modules DS1b and DS4b can be combined, for example, into a protection module 222, which is constructed like the protection module DS1, which requires a corresponding segmentation.
  • protection modules DS4b and DS2b can be combined to form a protection module 224, which is constructed like the protection module DS2.
  • FIG. 4 shows a detail of an on-board network 300 or of a power supply network, wherein network areas are defined.
  • the electrical system 300 is, for example, a section from the electrical system 12, see Figure 1, or from the electrical system 510, see Figure 6.
  • the on-board network 300 contains five network sections, which are connected in series one after the other:
  • a first network section ends at a detection unit or the protection module A
  • a second network section extends from the detection unit A to a detection unit B
  • a third network section extends from the detection unit B to a detection unit C
  • a fourth network section extends from the detection unit C to a detection unit D
  • a fifth network section starts at the detection unit D.
  • a current of 10 A flows to the detection unit A.
  • the second network section is to be connected to a consumer V30, which consumes 1 ampere.
  • a consumer V31 is connected, which also consumes 1 ampere.
  • a consumer V32 is connected, which also consumes 1 ampere. Also
  • a network area 302 includes the second network section.
  • the following equation can be established:
  • a network area 304 includes the third network section.
  • the following equation can be established:
  • a network area 306 includes the fourth network section. For network area 306, the following equation can be established:
  • a network area 308 includes the second network section, the third network section, and the fourth network section.
  • the following equation can be established:
  • equations (1) to (4) form an overdetermined system of equations which, in the error-free case, is consistent and can be solved by the known methods, e.g. Gaussian method, Newton's method, Runge-Kutta method or similar
  • linear solvers can be used because, for example, inaccurate values for the solution need not be determined, but because it only has to be determined whether a solution can be calculated, which is explained in more detail below.
  • the detection unit C detects a false current from e.g. 4 amperes, it comes to contradictions in the system of equations from the equations (1) to (4):
  • equations (3) and (4) are in direct contradiction. This contradiction can be solved if the equation relating to the detection unit C is not considered in the solution, i. the equation (3).
  • the detection units A to D may also have switching units for disconnecting network sections and / or consumers. In this case, instead of the detection units A to D protection modules can be used, as they have been explained with reference to the figures 1 to 4 above or will be explained with reference to the figure 6 below. In particular, protection modules can be used with and without branch.
  • FIG. 5 shows a section of an on-board network 400 with a branch or from a power supply network with a branch.
  • the vehicle electrical system 400 is, for example, a section of the vehicle electrical system 12, see FIG. 1, or from the vehicle electrical system 510, see FIG. 6.
  • the vehicle electrical system 400 contains:
  • protection modules eg differential protection modules, DSlc, DS2c and DS3c, and - three consumers V40, V41 and V42.
  • a line 404 is located between the accumulator 402 and the protection module DSlc,
  • a line 410 leads from the protection module DS1c to the protection module DS2c,
  • a line 412 leads from the line 410 to the consumer V40
  • a line 414 leads from the line 410 to the consumer V41,
  • a line 416 leads from the protection module DS2c to further components of the on-board network 400,
  • a line 420 leads from the line 410 to the protection module DS3c, so that there is a branch,
  • a line 422 leads from the line 420 to the consumer V42, and
  • a line 424 leads from the protection module DS3c to other components of the electrical system 400th
  • a short circuit 440 occurs on the line 410, then it can be detected in the same way, including the protection modules DS1c, DS2c and DS3c, as explained above for FIG.
  • short circuits in the consumers V40, V41 and V42 have an effect, see the explanations to FIG. 2. This also makes it possible to monitor the consumers V40, V41 and V42 without their current consumption being detected directly must be, ie with separate or dedicated detection units at the consumers. Alternatively, however, a capture of the actual consumption values can also be carried out in the case of a branch, as has been explained above with reference to FIG.
  • the protection modules DS1c to DS3c can be constructed like the protection modules DS1, DS2 to DSn, the branch 14a, etc. is unused. Alternatively, the protection modules DSlc to DS3c do not include a branch 14a, etc.
  • FIG. 6 shows a vehicle electrical system 510, e.g. of a passenger vehicle.
  • the electrical system 510 contains:
  • Segments 512 to 526 which each contain a plus lead and possibly a minus lead, and which are connected in the order mentioned in a ring structure,
  • batteries or accumulators 528 and 530 For example, two batteries or accumulators 528 and 530, called battery for short, with the battery 528 on the segment 526 and the battery
  • Separators 532 to 546 e.g. mechanical, electro-mechanical or electronic switches, e.g. Power field effect transistors, in particular MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), which are connected in this order between the segments 12 to 26,
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • a data transmission connection or a bus system 550a, 550b for controlling the separation devices 532 through 546 via control lines 552 through 564 and 551 and for interrogating current and / or voltage sensors via sensor lines 572 through 582, as well as
  • a control and communication unit SE on the bus system 550a, 550b on the bus system 550a, 550b.
  • the monitoring can be carried out neighborhood-related by the separating devices 532 to 546, wherein the control units SEI, SE2, SEn explained with reference to FIG. 1 are present in the separating devices 532 to 546.
  • a central monitoring in the control unit SE can be performed. In both cases, consumption sizes of the consumers are included in the segments 512 to 526, see, for example, the consumer 590 and 592.
  • the body is usually, in an automobile, the body as
  • the segments 512 and 524 are mutually redundant and serve, for example, the power supply of control units with central tasks. These control units can each be redundant, ie two control units on the segment 512 and two control units on the segment 524.
  • the segments 514 and 522 are also mutually redundant and serve the power supply of control units to support the steering of the vehicle, see, for example, the control units 590 and 92 on the segment 22nd
  • the segments 516 and 538 are also redundant to one another and serve to supply power to control units which serve, for example, to automatically brake the vehicle, in particular brake-by-wire, i. a brake without any mechanical coupling between the pedal and the unit. Automatic braking systems are used, which brake the vehicle without the driver.
  • the measured data for the methods explained with reference to FIGS. 1 to 5 are detected, for example, only at selected segments 512.
  • measurement data may be acquired at all segments 512 through 516, 520 through 524, and optionally also at segments 518 and 526.
  • the equipment of each segment 512-516, 520-524 may be provided with detection units included in the separators 532-546.
  • the separation devices 532 to 546 are, for example, constructed like the module units explained with reference to FIGS. 1 to 5.
  • modular units without branch or module units with unused branch can be used.
  • the consumers 590, 592 may be connected via modular units with branch 14a and so on.
  • a more meshed topology is chosen instead of a ring topology.
  • the on-board electrical systems for example, carry voltages less than 100 volts or even less than 60 volts but greater than 5 volts or greater than 10 volts.
  • the methods described can also be used in the power grid.
  • the power grid may carry voltages greater than 100 volts or greater than 400 volts.
  • the voltages in the drive network can typically be less than 1000 volts. Due to the use of batteries or rechargeable batteries, mainly DC voltage systems are used.
  • the voltage on DC on - board networks is comparatively constant and fluctuates, for example, by less than plus / minus 10 percent of a mean value or nominal value.
  • the methods are not limited to DC voltage networks and can therefore also be used in AC networks.

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Abstract

Erläutert wird eine Moduleinheit (DS1), enthaltend: - eine erste Anschlussvorrichtung (A1), - eine zweite Anschlussvorrichtung (A2), - eine zwischen die erste Anschlussvorrichtung und die zweite Anschlussvorrichtung geschaltete Schalteinheit (S1a), - eine Erfassungseinheit (E1a), - eine Steuereinheit (SEI), die ausgangsseitig mit der Schalteinheit (S1a) und eingangsseitig mit der Erfassungsein¬ heit (E1a) verbunden ist, - eine Empfangseinheit (E1), die ausgangsseitig mit der Steu¬ ereinheit (SE1) gekoppelt ist, und enthaltend - entweder eine weitere Erfassungseinheit (E2a), die bezogen auf eine dritte Anschlussvorrichtung (A3) für eine Verbrauchseinheit (V1) einen elektrischen Strom oder eine elektrische Leistung erfasst, oder eine Speichereinheit (M1), in der ein Wert des elektrischen Stroms oder der elektrischen Leistung für eine Verbrauchseinheit (V1) gespeichert ist.

Description

Beschreibung
Moduleinheit, Verbund und Verfahren zum Überwachen eines Energieversorgungsnetzes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Moduleinheit zum Überwachen eines Energieversorgungsnetzes. Weiterhin werden ein erster Verbund und ein zweiter Verbund aus Moduleinheiten zum Überwachen eines Energieversorgungsnetzes angegeben. Auch ein Verfahren zum Überwachen eines Energieversorgungsnetzes wird angegeben .
Das Energieversorgungsnetz ist insbesondere das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei das Bordnetz eine Vielzahl von Be- Sonderheiten aufweist:
- vergleichsweise geringe Spannung, z.B. kleiner als 100 Volt oder kleiner als 1000 Volt,
- Gleichspannung,
- kurze Kabellängen von bspw. kleiner als 100 Meter,
- das Netz hat nur eine geringe räumliche Ausdehnung von bspw. kleiner als 40 Quadratmetern.
Die Erfindung betrifft eine Moduleinheit, enthaltend:
- eine erste Anschlussvorrichtung,
- eine zweite Anschlussvorrichtung,
- eine zwischen die erste Anschlussvorrichtung und die zweite Anschlussvorrichtung geschaltete Schalteinheit,
- eine Erfassungseinheit, die vorzugsweise eine elektrische Größe erfasst,
- eine Steuereinheit, die ausgangsseitig mit vorzugsweise einem Eingang der Schalteinheit und eingangsseitig mit vorzugsweise einem Ausgang der Erfassungseinheit verbunden ist,
- eine Empfangseinheit, die ausgangsseitig mit einem Eingang der Steuereinheit gekoppelt ist, und enthaltend
- entweder eine weitere Erfassungseinheit, die bezogen auf eine dritte Anschlussvorrichtung für eine Verbrauchseinheit einen elektrischen Strom oder eine elektrische Leistung erfasst, oder eine Speichereinheit, in der ein Wert des elekt- rischen Stroms oder der elektrischen Leistung für eine
Verbrauchseinheit gespeichert ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Energieversorgungsnetzes, enthaltend:
- Erfassen eines ersten Stroms oder einer ersten Leistung an einer ersten Stelle des Energieversorgungsnetzes,
- Erfassen eines zweiten Stroms oder einer zweiten Leistung an einer zweiten Stelle des Energieversorgungsnetzes,
- Erfassen oder Vorgeben eines Verbrauchswertes für mindestens eine Verbrauchseinheit die an eine Leitung zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle angeschlossen ist,
- Vergleichen der an der ersten Stelle erfassten Größe, der an der zweiten Stelle erfassten Größe und des Verbrauchswer- tes mit einem Sollwert.
Es ist Aufgabe der Ausführungsbeispiele, eine Moduleinheit anzugeben, die zur Überwachung eines Energieversorgungsnetzes bzw. Spannungsversorgungsnetzes geeignet ist, insbesondere eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Die Moduleinheit soll insbesondere einfach aufgebaut sein. Außerdem sollen ein zugehöriger Verbund aus den Moduleinheiten, ein weiterer Verbund und ein zugehöriges Verfahren angegeben werden. Diese Aufgabe wird durch eine Moduleinheit gemäß Anspruch 1, durch einem Verbund gemäß dem unabhängigem Vorrichtungsanspruch, und durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben .
Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Moduleinheit, enthaltend :
- eine erste Anschlussvorrichtung, z.B. eine Lötverbindung, ein Schraubklemmverbindung, o.ä.,
- eine zweite Anschlussvorrichtung, z.B. eine Lötverbindung, ein Schraubklemmverbindung, o.ä
- eine zwischen die erste Anschlussvorrichtung und die zweite Anschlussvorrichtung geschaltete Schalteinheit, z.B. eine Halbleiterschalteinheit, wie ein Transistor (IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), FET (Field Effect Transistor) usw.) bzw. ein Thyristor (GTO o.a.), oder eine elektromechanische Schalteinheit, wie z.B. ein Relais,
- eine Erfassungseinheit, die vorzugsweise eine elektrische Größe erfasst, z.B. eine Stromerfassungseinrichtung und/ oder eine Spannungserfassungseinrichtung,
- eine Steuereinheit, die ausgangsseitig mit vorzugsweise einem Eingang der Schalteinheit und eingangsseitig mit Vorzugs - weise einem Ausgang der Erfassungseinheit verbunden ist,
- eine Empfangseinheit, die ausgangsseitig mit vorzugsweise einem Eingang der Steuereinheit gekoppelt ist, und enthaltend
- entweder eine weitere Erfassungseinheit, die bezogen auf eine dritte Anschlussvorrichtung für eine Verbrauchseinheit einen elektrischen Strom oder eine elektrische Leistung erfasst, oder eine Speichereinheit, in der ein vorzugsweise fest vorgegebener bzw. ein maximaler Wert des elektrischen Stroms oder der elektrischen Leistung für eine Verbrauchseinheit gespeichert ist.
Damit lassen sich Fehler, insbesondere Kurzschlüsse schnell vor Ort Erfassen und durch Abschalten eines betroffenen Netzsegmentes ausschalten. Die Empfangseinheit gewährleistet, dass auch Erfassungsgrößen von benachbarten Moduleinheiten einbezogen werden können.
Das Ausbreiten des Fehlers und größere Schäden durch Fehler lassen sich somit vermeiden. Andere Einheiten am Bordnetz oder einem anderen Energieversorgungsnetz können weiterarbei - ten. Dieses Schutzkonzept ist insbesondere in Fahrzeugen relevant wegen der Sicherheit von Personen in dem Fahrzeug und auch hinsichtlich der Gesundheit anderer Verkehrsteilnehmer. Die Anforderungen an Bordnetze in Fahrzeugen erhöhen sich dramatisch. Einerseits werden die Bordnetze auf Grund der zu- nehmenden Anzahl von elektrischen Systemen komplexer. Andererseits werden zunehmend auch Fahrerassistenzfunktionen verwendet, die ausfallsicher sein müssen. Es lassen sich redundante Systeme für die Fahrerassistenzfunktionen verwenden, was die Komplexität des Bordnetzes jedoch weiter erhöht. Bei einer Störung muss selektiv geschaltet werden, ohne die Funktion der redundanten Komponente zu gefährden. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz der vorgeschlagenen Moduleinheiten besonders wirkungsvoll. Insbesondere ist der Zusatzaufwand im Vergleich zur erzielbaren Wirkung vertretbar bzw. sogar als klein einzustufen.
Die Verbrauchswerte der Verbraucher können sich ständig än- dern, z.B. bei einer Datenverarbeitungsanlage abhängig von der Auslastung eines Prozessors oder beim Einschalten/Ausschalten eines Motors, z.B. eines Scheibenwischermotors. Deshalb können die Verbrauchswerte erfasst bzw. nach einem Abgleich auf SI (System International) Größen gemessen werden. Alternativ werden maximale Verbrauchswerte einbezogen, mit denen der Verbrauch nach oben hin abgeschätzt wird.
Das Erfassen kann durch Einschieifen eines Sensors in eine Leitung erfolgen, bspw. eines Shunt -Widerstands . Alternativ kann an der Leitung erfasst werden, bspw. kann das elektrische Feld oder das magnetische Feld von einem Stromfluss in der Leitung abhängig sein. Insbesondere können Hallsensoren oder andere Sensoren verwendet werden. Alternativ wird eine Spannung abgegriffen
Die Verbrauchswerte können Verbraucher eines Bordnetzes betreffen, bspw. Datenverarbeitungsanlagen, Kleinmotore mit Leistungen kleiner als 1 Kilowatt, Lampen u.ä. Insbesondere beziehen sich die Verbrauchswerte dann nicht auf Kurzschlüs- se, Übertragungsverluste oder Spannungswandlerverluste.
Die Empfangseinheit kann bspw. nach einem der folgenden Datenübertragungsprotokolle arbeiten :
- CAN (Controller Area Network) ,
- LIN (Local Interconnect Network) ,
- Flexray,
- Ethernet, siehe IEEE 802.x (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Profinet-Bus (PROcess Fleld NETwork) .
Diese Protokolle sind insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet. Die zu diesen Protokollen gehörenden Übertragungsstrecken können auch gedoppelt ausgeführt werden. Die zu übertragenen Datenmenge ist vergleichsweise überschaubar und liegt bspw. unter ein Kilobyte pro Sekunde.
Andere Schutzkonzepte, wie Schmelzsicherungen oder die Ver- wendung von Sicherungsautomaten, können zusätzlich zu den Moduleinheiten verwendet werden. Alternativ, kann jedoch nur ein auf den Moduleinheiten basierendes Schutzkonzept verwendet werden, d.h. es werden bspw. keine Schmelzsicherungen und kein Sicherungsautomaten mehr verwendet. Somit entsteht eine einfache Lösung.
Die Moduleinheit wird bei der Erläuterung der Figuren unten auch als Schutzmodul bezeichnet. Die Schalteinheit kann für Schaltspannungen kleiner als 1000 Volt oder kleiner als 200 Volt ausgelegt sein, d.h. insbesondere für Verhältnisse, wie sie im Gleichspannungs -Bordnetz eines Kraftfahrzeuges auftreten. Die Schaltleistungen können entsprechend klein sein, z.B. kleiner als 1 Kilowatt. Das Kraftfahrzeug kann bspw. durch einen Verbrennungsmotor oder durch einen Elektromotor angetrieben werden. Auch ein Hybridantrieb ist möglich.
Wird ein Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet, so kann es zusätzlich zum Bordnetz noch ein Antriebsnetz geben, das bspw. eine Gleichspannung haben kann, die größer als 100 Volt größer als 200 Volt oder sogar größer als 300 Volt ist. Auf Grund der Isolationsfestigkeit kann die Spannung des Antriebsnetzes kleiner als 1000 Volt sein. Die Moduleinheiten lassen sich aber auch für das Antriebsnetz auslegen und verwenden . Die Moduleinheit kann einen Abzweig enthalten von einer zwischen der ersten Anschlussvorrichtung und der zweiten Anschlussvorrichtung liegenden elektrisch leitfähigen Verbindung zu der dritten Anschlussvorrichtung der Moduleinheit. Der Abzweig gestattet das Anschließen von Verbrauchern. Der Stromverbrauch/Leistungsverbrauch der angeschlossenen
Verbraucher lässt sich in der Moduleinheit mit Abzweig zusätzlich zum Stromfluss/Leistungsfluss an einer Hauptleitung auf einfache Art bestimmen. Der Verbraucher ist dabei an die Hauptleitung angeschlossen.
Der Verbraucher lässt sich in der Moduleinheit auch von der Hauptleitung trennen, insbesondere bei fehlerhaftem Verbraucher. Ein fehlerhafter Verbraucher wird bspw. über einen zu hohen Stromfluss/Leistungsfluss zum Verbraucher erfasst.
Alternativ kann die Moduleinheit aber auch ohne Abzweig ausgeführt werden. Die Moduleinheit kann dann zwischen der ersten Anschlussvorrichtung und der zweiten Anschlussvorrichtung nur ein Erfassungseinheit oder mehrere Erfassungseinheiten sowie nur eine Schalteinheit enthalten. Es entsteht ein sehr einfaches modulares System. An Stelle einer Moduleinheit mit einem Abzweig können dann zwei Moduleinheiten ohne Abzweig verwendet werden.
Die Schalteinheit kann zwischen die erste Anschlussvorrichtung und dem Abzweig geschaltet sein. Damit kann eine Hauptleitung an der Moduleinheit unterbrochen werden. Die Schalteinheit kann eine als erste Schalteinheit bezeichnete Schalteinheit sein. Die Moduleinheit kann eine als zweite Schalteinheit bezeichnete Schalteinheit enthalten.
So kann bei einer Ausgestaltung wahlweise eine Hauptleitung an zwei Stellen unterbrochen werden, insbesondere vor und hinter einem Abzweig zu einem Verbraucher. Die Anzahl der benötigten Moduleinheiten lässt sich durch diese Maßnahme verringern . Die Schalteinheit kann bei einer Ausgestaltung wieder eine erste Schalteinheit sein. Eine weitere Schalteinheit kann zwischen einem Abzweig und der dritten Anschlussvorrichtung geschaltet sein. Die weitere Schalteinheit kann zum Abschalten eines Verbrauchers genutzt werden. Die Anzahl der benötigten Moduleinheiten verringert sich durch das Verwenden von zwei Schalteinheiten je Moduleinheit. Insbesondere können auch drei Schalteinheiten in einer Modul - einheit vorhanden sein, bspw. zum Abtrennen eines Verbrauchers von einer Hauptleitung und zum Unterbrechen der Hauptleitung an beiden Seiten eines Abzweigs, der zum Verbraucher führt. Die Moduleinheit mit drei Schalteinheiten lässt sich für eine Vielzahl von Netzkonfigurationen einsetzen, z.B. an einem Abzweig oder auch an einer Hauptleitung, wobei der Abzweig unbenutzt bleiben kann.
Die Moduleinheit kann eine Steuereinheit enthalten, die aus- gangsseitig mit einem Eingang der Schalteinheit und die ein- gangsseitig mit einem Ausgang der Erfassungseinheit verbunden ist. Damit ist die Steuereinheit zur Weiterbearbeitung des Erfassungsergebnisses und zum Betätigen der Schalteinheit geeignet .
In dem Fall, in dem die weitere Erfassungseinheit gibt, kann die Steuereinheit eingangsseitig auch mit einem Ausgang der weiteren Erfassungseinheit verbunden sein. Somit können von der weiteren Erfassungseinheit erfasste Verbrauchswerte bei der Ansteuerung der Schalteinheit berücksichtigt werden.
In dem Fall, in dem eine Speichereinheit vorgesehen ist, kann die Steuereinheit eingangsseitig auch mit einem Ausgang der Speichereinheit verbunden sein. Somit können wiederum
Verbrauchswerte bei der Ansteuerung der Schalteinheit berücksichtigt werden. Die Steuereinheit kann einen Prozessor enthalten oder ohne Prozessor aufgebaut sein.
Die Moduleinheit kann mindestens eine der folgenden Einheiten enthalten:
- eine Empfangseinheit, die ausgangsseitig mit einem Eingang der Steuereinheit verbunden ist,
- eine Sendeeinheit, die eingangsseitig mit einem Ausgang der Steuereinheit verbunden ist.
Insbesondere dann, wenn sowohl eine Sendeeinheit als auch ein Empfangseinheit vorhanden sind, entsteht eine vollständige Kommunikationsschnittstelle nach außen. Geeignete Protokolle für die Kommunikation sind bspw. CAN (Controller Area Net- work) , LIN (Local Interconnect Network) , Flexray, Ethernet und Profinet -Bus (PROcess Fleld NETwork) .
Die Steuereinheit kann eine Vergleichseinheit enthalten, die eingangsseitig mit einem Ausgang der Erfassungseinheit und mit der weiteren Erfassungseinheit verbunden ist oder die eingangsseitig mit einem Ausgang der Erfassungseinheit und mit einem Ausgang der Speichereinheit verbunden ist.
Die Vergleichseinheit bildet bspw. eine Summe oder eine Dif- ferenz für einen Netzknoten des Bordnetzes oder des Energieversorgungsnetzes. Gemäß Kirchhoffschem Gesetz muss die Summe aller Ströme in einem Netzknoten Null sein. Gleiches gilt für einen Netzabschnitt oder für einen Teil eines Netzes, wenn kein Fehler vorliegt. Auch für die Leistung gelten analoge Zusammenhänge. Es kann ein Bereich um den Wert Null herum oder ein Bereich beginnend bei Null verwendet werden, um kleinere Fehlerströme zuzulassen.
Es können Ströme in den überwachten Knoten bzw. Netzabschnitt hinein fließen oder heraus fließen. Demzufolge sind bspw. Differenzen zu bilden. Alternativ können aber auch die hin fließenden Ströme/Leistungen mit den weg fließenden Strö- me/Leistungen vergleichen werden, wobei wieder ein Toleranzbereich berücksichtigt werden kann.
Werden Abweichungen erfasst, so sind diese meist auf Kurz- Schlüsse in dem betrachteten Netzabschnitt zurückzuführen. Eine Lokalisierung findet implizit dadurch statt, dass nur die Werte von benachbarten Moduleinheiten einbezogen werden. Diese Moduleinheiten können dann den betroffenen Netzabschnitt schnell vom Netz trennen.
Die Steuereinheit kann bei einer beim Vergleich festgestellten Abweichung die Schalteinheit ansteuern, insbesondere, um einen Verbraucher oder die Hauptleitung vom Netz abzutrennen. Die Moduleinheit kann eine Empfangseinheit enthalten, die ausgangsseitig mit der Steuereinheit und/oder mit der Schalteinheit verbunden ist. Die Empfangseinheit kann auch mit der zweiten Schalteinheit und/oder der weiteren Schalteinheit verbunden sein. Durch die Empfangseinheit können in der Mo- duleinheit Berechnungen und/oder Vergleiche durchgeführt werden, die auch Ströme oder Leistungen an benachbarten Modul - einheiten berücksichtigen. Außerdem ist eine Fernsteuerung möglich . Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Verbund aus mindestens zwei der oben angegebenen Moduleinheiten. Der Verbund enthält eine Einheit, die über ein Datenübertragungsnetz mit den Moduleinheiten verbunden ist. Die Einheit kann eine Vergleichseinheit enthalten, die von den Moduleinheiten erfasste Größen oder aus diesen Größen berechnete Größen mit mindestens einem Sollwert vergleicht,
wobei mindestens eine erfasste Größe einen Verbrauchswert einer Verbrauchseinheit enthält oder wobei bei dem Vergleich mindestens ein vorzugsweise fest vorgegebener bzw. ein maxi- maier Verbrauchswert einer Verbrauchseinheit berücksichtigt wird, die an eine Leitung zwischen den Moduleinheiten oder an eine der beiden Moduleinheiten angeschlossen ist. Durch die Kombination von zwei Überwachungsverfahren in dem Fall in dem die Moduleinheiten auch Steuereinheiten enthalten lässt sich Redundanz aufbauen, die insbesondere bei Bordnetzen von Fahrzeugen die Sicherheit der Insassen beträchtlich erhöht .
Insbesondere werden auch in der Einheit Verbrauswerte beim Vergleich berücksichtigt, die in den Moduleinheiten erfasst worden sind oder die abgeschätzt worden sind.
Bei einer Ausgestaltung des ersten Verbundes kann die Steuereinheit bei einer Abweichung der erfassten Größe bzw. von aus den erfassten Größen berechneten Größen von einer Sollgröße mindestens eine Schalteinheit in einer oder in beiden Modul- einheiten ansteuern. Damit erfolgt eine Steuerung von einer den Moduleinheiten übergeordneten Stelle aus.
Vorzugsweise kann an beiden Enden einer fehlerhaften Leitung getrennt werden, so dass der Fehler keinen Einfluss auf das übrige Netz hat und der Energiefluss zur Fehlerstelle unterbrochen ist. Alternativ kann auch ein fehlerhafter Verbraucher abgetrennt werden.
Insbesondere kann bei einer Ausgestaltung der Moduleinheit oder des ersten Verbunds ein Anschluss einer Moduleinheit, der mit einer fehlerhaften Leitung oder einem fehlerhaften Verbraucher verbunden ist, von den anderen Anschlüssen elektrisch getrennt werden. Der erste Verbund kann insbesondere in einem Bordnetz eines Autos bzw. Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Insbesondere dort, wo hohe Redundanz erforderlich ist und hohe Anforderungen an die Ausfallsicherheit gestellt werden. Das Bordnetz, in dem der erste Verbund eingesetzt wird, kann eine Spannung kleiner als 100 Volt aber größer als 5 Volt haben . Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft einen zweiten Verbund enthaltend mindestens zwei Moduleinheiten, die jeweils enthalten :
- eine erste Anschlussvorrichtung,
- eine zweite Anschlussvorrichtung,
- eine zwischen die erste Anschlussvorrichtung und die zweite Anschlussvorrichtung geschaltete Schalteinheit,
- eine Erfassungseinheit, die vorzugsweise eine elektrische Größe erfasst,
eine Sendeeinheit, die eingangsseitig mit vorzugsweise einem Ausgang der Erfassungseinheit verbunden ist,
- eine Empfangseinheit, die ausgangsseitig mit der Schalteinheit verbunden ist . Der zweite Verbund kann eine Einheit enthalten, die über ein Datenübertragungsnetz mit den Moduleinheiten verbunden ist. Die Einheit kann eine Vergleichseinheit enthalten, die von den Moduleinheiten erfasste Größen oder aus diesen Größen berechnete Größen mit mindestens einem Sollwert vergleicht. Die erfassten Größen können mindestens einen Verbrauchswert einer Verbrauchseinheit enthalten oder bei dem Vergleich kann ein vorzugsweise fest vorgegebener oder maximaler Verbrauchswert einer Verbrauchseinheit berücksichtigt werden, die an eine Leitung zwischen den Moduleinheiten oder an die Moduleinhei- ten angeschlossen ist.
Die Moduleinheiten können demzufolge Steuereinheiten enthalten, müssen aber nicht. Damit wird ein alternatives System zu den oben angegebenen Moduleinheiten angegeben. Wieder kann die Überwachung eines Bordnetzes durch den Verbund auf
Verbrauchswerten bzw. auf mindestens einem Verbrauchswert basieren. Bei der alternativen Variante können die Moduleinheiten ohne Steuereinheit ausgeführt werden oder mit einer Steuereinheit, die jedoch keinen Vergleich von Stromwerten bzw. Leistungswerten durchführt.
Es handelt sich somit um einen zweiten Verbund, bei dem die Steuerung in der zentralen Einheit untergebracht ist. Auch der zweite Verbund kann insbesondere in einem Bordnetz eines Autos bzw. Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Insbesondere dort, wo hohe Redundanz erforderlich ist und hohe Anfor- derungen an die Ausfallsicherheit gestellt werden.
Das Bordnetz, in dem der zweite Verbund verwendet wird, kann eine Spannung kleiner als 100 Volt aber größer als 5 Volt haben .
Ein Ausführungsbeispiel betrifft auch ein Verfahren zum Überwachen eines Energieversorgungsnetzes, enthaltend:
- Erfassen eines ersten Stroms oder einer ersten Leistung an einer ersten Stelle des Energieversorgungsnetzes,
- Erfassen eines zweiten Stroms oder einer zweiten Leistung an einer zweiten Stelle des Energieversorgungsnetzes,
- Erfassen oder Vorgeben eines Verbrauchswertes für mindestens eine Verbrauchseinheit die an eine Leitung zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle angeschlossen ist, - Vergleichen der an der ersten Stelle erfassten Größe, der an der zweiten Stelle erfassten Größe und des Verbrauchswertes mit einem Sollwert.
Für das Verfahren gelten die oben für die Moduleinheiten ge- nannten technischen Wirkungen. Das Einbeziehen von
Verbrauchswerten für Verbraucher, die zwischen den einbezogenen Stellen des Netzes liegen, führt zu Anwendungen, bei denen Netzteile sehr selektiv vom übrigen Netz abgetrennt werden können, insbesondere Netzteile, an denen auch Verbraucher angeschlossen werden.
Das Verfahren kann das Erfassen eines dritten Stroms oder einer dritten Leistung an einer dritten Stelle des Energieversorgungsnetzes enthalten. Somit ist das Verfahren auch für Abzweige geeignet und damit für alle Netztopologien .
Bei einer Ausgestaltung wird der Vergleich unter Berücksichtigung der an der dritten Stelle erfassten Größe durchgeführt. Damit kann nicht nur eine Hauptleitung sondern auch ein Abzweig oder es können mehrere Abzweige in die Überwachung einbezogen werden.
Bei dem Verfahren kann eine der oben erläuterten Moduleinhei- ten, der erste Verbund oder der zweite Verbund bzw. deren Ausgestaltungen einbezogen werden.
Damit gelten die für die Moduleinheit und deren Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen genannten technischen Wirkungen auch für das Verfahren. Gleiches gilt für den ersten Verbund und für den zweiten Verbund bzw. für deren Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen .
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens kann eine fehlerhafte Erfassungseinheit automatisch ermittelt werden. Die fehlerhafte Erfassungseinheit bzw. die diese Einheit enthaltende Moduleinheit kann dann automatisch aus dem Verfahren ausgeschlossen werden. So können bei einem unter benachbarten Moduleinheiten durchgeführten Schutzverfahren die Nachbarschaf - ten neu festgelegt werden, indem die fehlerhafte Moduleinheit beim Festlegen der Nachbarschaften nicht mehr berücksichtigt wird .
Bei einem zentralen Schutzverfahren unter Verwendung der Mo- duleinheiten können bei einer Ausgestaltung bspw. Gleichungen, die sich auf durch die fehlerhafte Moduleinheit erfasste Größen beziehen, nicht mehr berücksichtigt werden. Das ermöglicht es bspw. sogenannten automatischen Lösungseinheiten (Solver) von Gleichungssystemen zur Beschreibung des Bordnet- zes wieder Lösungen zu finden. Solche Solver arbeiten bspw. nach dem Newtonverfahren, nach einem rekursiven Verfahren (Kaiman) oder auf andere Art und Weise. Das Gleichungssystem kann insbesondere mehrfach überbestimmt sein, bspw. mehr zwei Mal überbestimmt oder mehr als dreimal überbestimmt. Das Gleichungssystem kann weniger als fünf mal überbestimmt sein, um die Anzahl der Gleichungen in einem Rahmen zu halten, der auch mit schneller Rechentechnik vertretbar ist. Fehlerhafte Moduleinheiten können bei einer Ausgestaltung vergleichsweise leicht ermittelt werden, wenn Gleichungen, die sich auf diese Moduleinheiten beziehen, bei der Lösung eines überbestimmten Gleichungssystems nicht berücksichtigt werden. Diese Gleichungen bzw. die betreffende Moduleinheit können automatisch ermittelt werden. So können alle Moduleinheiten einfach nacheinander durchprobiert werden. Es können auch Strategien verwendet werden, die schneller zu Aussagen führen, insbesondere Strategien, die Vorwissen und/oder die Topologie des Netzes berücksichtigen.
Das überwachte Netz bzw. Bordnetz kann bei einer Ausgestaltung mindestens vier oder mindestens sechs voneinander abschaltbare Segmente haben. Die Anzahl der Segmente kann klei- ner als 100 sein. Jedes Segment kann in einen Vergleich der elektrischen Ströme oder Leistungen einbezogen sein. Somit kann ein vollständiger Schutz gewährleistet werden.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird ein Schutzkonzept für ein Bordnetz mittels Differentialschutz angegeben.
In Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit eines technischen Systems, z.B. der Fahrzeugsteuerung, darf der Ausfall der Energieversorgung auch in Teilen nicht zum Ausfall des Gesamtsystems führen. Dies betrifft insbesondere Fehler wie Kurzschlüsse, Über- und Unterspannungen im Bordnetz. Diese müssen durch geeignete Mechanismen rechtzeitig erkannt werden, um Schäden an Betriebsmitteln zu vermindern oder vermeiden. Fehlerhafte Komponenten müssen zuverlässig abgeschaltet werden, um eine Fehlerausbreitung und somit eine Ausfalls des Gesamtsystem zu vermeiden.
Durch die stetige Zunahme von elektrischen Verbrauchern wird das Bordnetz zunehmend komplexer, die verwendeten Leitungs- längen länger und die Entwicklung, Fertigung, Montage und Wartbarkeit immer schwieriger. Ebenso ist in den letzen Jahren der durchschnittliche Energieverbrauch in einem Fahrzeug stetig angestiegen. Es kann davon ausgegangen werden, dass die daraus resultierenden größeren Lastströme eine Zunahme der Kurzschlussströme zur Folge haben.
In Fahrzeugen können Bordnetze eingesetzt werden, die in ihrer Typologie einer Stranglösung folgen. Jede Leitung ist in der Regel nur einer Energiequelle zugeordnet. Die Verwendung von Bordnetzen in Ringlösungen ist nicht gebräuchlich.
Es können Schmelzsicherungen sowie Sicherungsautomaten für einzelne Fahrzeugkomponenten und deren Zuleitungen, verwendet werden. Diese werden meist in einem zentralen Sicherungskas - ten untergebracht. Im Fahrzeug können den einzelnen Baugruppen (entweder funktionell oder räumlich) separate Sicherungsgruppen zugeordnet werden.
Powermanagement -System in einem elektrischen Energiebordnetz eines Kraftfahrzeuges können geprägt sein durch Regelung der Bordspannung und Steuerung des Batteriestroms mit Hilfe der datentechnischen Anbindung des Generatorreglers und des intelligenten Batteriesensors Die Daten Batteriestrom, - Spannung, und -temperatur sowie wichtige Daten der ange- schlossenen Verbraucher können zu einer gezielten Regelung der Bordnetzspannung und Balancierung des Energiehaushalts funktional verknüpft werden..
Es können Schutzkonzepte eingesetzt werden, die mittels Dif- ferentialschutz den Strom z.B. am Verbraucher messen (z.B. vor und nach dem Verbraucher) und aus der Differenzbildung beider Ströme eine Aussage treffen können, ob die Übertragung funktionsgemäß erfolgt oder das Stromgleichgewicht gestört ist .
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen Bordnetze von Fahrzeugen, welche Messvorrichtungen bezüglich Strom und/oder Spannung an Verbrauchern und/oder an geeigneten Punkten in der Energieverteilung vorhalten, die mit dem Kommunikations - netzwerk verbunden sind, und Schaltvorrichtungen an den Verbrauchern und/oder an entsprechenden Positionen, die ebenfalls mit dem Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. Dies be- trifft insbesondere die Kombination von Messvorrichtung und Schaltvorrichtung in einem Modul, das die gezielte Absicherung des Bordnetzes ermöglicht, wobei sehr gezielt von einer Störung betroffene Bordnetzsegmente passiviert werden können. Durch einen Vergleich der Differenz zwischen den Messpunkten kann auf Fehler, insbesondere Kurzschlüsse in einem Segment des Bordnetzes, geschlossen werden. Einerseits muss die Gesamtbilanz des Stroms bzw. der Leistung gleich 0 sein, anderseits müssen sich die Differenz/Gradient bzgl . Strom/Leistung in einer vorher als sicher bestimmten Bandbreite (z.B. durch Aufsummierung der Maximal -Verbrauche der zugeordneten
Verbraucher) bewegen. Die Messungen können absolut oder über einen definierten Zeitbereich ermittelt werden. Ebenso kann die Bandbreite durch feste Schwellwerte oder durch zeit-/ leistungsabhängige Grenzen definiert werden und die entsprechenden Messungen dagegen verglichen werden.
Über das Kommunikationsnetz werden diese Informationen zum einen an die benachbarten Knoten verteilt, (autonomes Ent- scheiden an den jeweiligen Knoten), zum anderen werden die
Informationen zur Ermittlung der Gesamtbilanz an einen zentralen Rechner weitergeleitet. Dort wird, falls notwendig, ein Schaltbefehl an den Knoten ausgelöst und entsprechende Maßnahmen getroffen. Diese Informationen können auch zu einer Echtzeitsimulation des Bordnetzzustandes (und einer entsprechenden Zustandsbewertung) z.B. auf dem Zentralrechner genutzt werden. Bei Bedarf lassen sich die Schaltschwellen beliebig anpassen. Überprüfung der Funktion jeder Komponente bzw. jedes Gerätes über die Strommessung am Ein- und Ausgang von Verbrauchern. Der Grundgedanke hierzu ist, dass jede Komponente den Strom vom Eingang zum Ausgang nach einer definierten Funktion überträgt .
Bei nach diesem System aufgebauten Bordnetzen können an jeder Stelle zusätzliche Mess - /Schaltmodule integriert werden, die eine feinere Passivierung des betroffenen Bordnetz -Segments ermöglichen. Dabei kann es für das zusätzliche Mess- /Schaltmodul notwendig sein, dass für das Modul eine Kommunikation zu den benachbarten Modulen gegeben ist.
Eine Anwendung des Schutzkonzepts mittels Differentialschutz in einem Bordnetz von Fahrzeugen kann nun durchgeführt werden. Insbesondere können das vorhandene Kommunikationsnetz und die vorhandene Sensorik des Energiemanagements genutzt und erweitert werden, um ein Differentialschutz-ähnliches Konzept in einem Fahrzeug umzusetzen. Dieser Domänenübergreifende Ansatz ist neuartig und ermöglicht eine optimale Überwachung der Energieflüsse. Dadurch kann die Verfügbarkeit des Bordnetzes und somit die Zuverlässigkeit der Energieversorgung wie des Gesamtsystems Fahrzeug, besser gewährleistet werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Ausbreitung eines Fehlers (insbesondere eines Kurzschlusses) im Bordnetz über Freischaltung der direkt vom Fehler betroffenen Komponente bzw. des Geräts oder des Bordnetzsegments verringert wird.
Dieses Schutzkonzept kann zum Energiemanagement des gesamten Bordnetzes verwendet werden und ist frei skalierbar, z.B. von zwei Schutzvorrichtungen bis mehr als hundert Schutzvorrichtungen .
Ein Modul, das sowohl Messvorrichtung als auch Schaltvorrichtung ist, kann als standardisiertes Bauteil kostengünstig entwickelt und produziert werden. Die Anwendung des Moduls kann generisch im Bordnetz verwendet werden. "Generisch" heißt, dass die Schutzeinrichtungen beliebig verbaut werden können. Ein gleichzeitiges Auslösen ist unmöglich. Somit muss im Vergleich zu Überstromsicherungen oder Ähnlichem bei der Auslegung keine Staffelung nach dem Strom oder der Zeit berücksichtig werden. Bei einem Haus ist zum Beispiel der Anschluss mit 64 A (Ampere) abgesichert. Das Stockwerk mit 32 A und die Räume mit 16 A. Im Kurzschlussfall treten Ströme von deutlich über 64 A auf. Folglich muss man die Sicherungen zeitlich hintereinander staffeln. Dies ist beim Differentialschutz zwischen di- rekten Nachbarn nicht nötig, d.h. er darf immer maximal schnell sein.
Die in der Einleitung erläuterten Ausführungsbeispiele und Ausgestaltungen können untereinander oder mit den unten an Hand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen kombiniert werden .
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen: Figur 1 ein Bordnetz eines Fahrzeugs,
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Bordnetz,
Figur 3 einen Ausschnitt aus einem weiteren Bordnetz,
Figur 4 einen Ausschnitt aus einem Bordnetz mit Netzwerkbereichen,
Figur 5 einen Ausschnitt aus einem Bordnetz mit Abzweig
oder aus einem Energieversorgungsnetz mit Abzweig, und
Figur 6 ein Bordnetz eines Fahrzeugs, z.B. eines Personenkraftfahrzeugs . Die Figur 1 zeigt ein Bordnetz 12 eines Fahrzeugs oder ein allgemeines Energieversorgungsnetz . Das allgemeine Energieversorgungsnetz kann ein Gleichspannungsnetz oder ein Wechselspannungsnetz sein. Die Spannungen können im Niederspannungsbereich, Mittelspannungsbereich oder im Hochspannungsbereich liegen, insbesondere bei Spannungen größer als 1000 Volt. Die im Folgenden für das Bordnetz 12 erläuterte Überwachung gilt entsprechen auch für das allgemeine Energieversorgungsnetz.
Beim Bordnetz 12 handelt es sich dagegen um ein Gleichspan- nungsnetz von bspw. kleiner als 100 Volt.
Das Bordnetz 12 enthält einen Verbund 10 aus Schutzmodulen DSl bis DSn, die insbesondere Differential -Schutzmodule sein können, wenn Differenzen beim Vergleich bzw. der Überwachung herangezogen werden.
In einer Variante I enthält der Verbund 10 keine zentrale Steuereinheit ZSE. In den Schutzmodulen DSl bis DSn gibt es bei der Variante I jedoch Steuereinheiten SEI bis SEn, die die Überwachung für Nachbarschaftsbereiche durchführen, z.B. die Schutzmodule DSl und DS2 für die Leitung 22 und die unmittelbar angrenzenden Verbraucher VI bzw. V2 , insbesondere die an die Schutzmodule DSl und DS2 angeschlossenen Verbraucher VI bzw. V2.
In einer Variante II enthält der Verbund 10 zusätzlich zu Variante I noch eine zentrale Steuereinheit ZSE, die ebenfalls eine Überwachung unter Einbeziehung von Nachbarschaften durchführt und/oder die eine Überwachung der Erfassungsein- heiten durchführt, wie unten an Hand der Figur 4 noch näher erläutert wird.
In einer dritten Variante III wird eine Überwachung unter Beachtung von Nachbarschaften der Schutzmodulen DSl bis DSn nur in der zentralen Steuereinheit ZSE durchgeführt. Zusätzlich kann die zentrale Steuereinheit ZSE auch in der Variante III eine Überwachung der Erfassungseinheiten in den Schutzmodulen DSl bis DSn durchführen, wie unten an Hand der Figur 4 noch näher erläutert wird. Die Schutzmodule DSl bis DSn führen in der Variante III keine Überwachung unter Berücksichtigung von Nachbarschaften und Verbrauchern durch. Zusätzlich zu den drei Varianten I bis III kann noch danach unterschieden werden, ob die bei der Überwachung einbezogenen Verbrauchswerte A) nur nach oben hin abgeschätzt werden oder B) tatsächlich erfasst bzw. gemessen werden. Dies ist unten an Hand der Figur 3 bzw. 4 für die Abschätzung erläutert. Die Figur 3 bzw. eine im Text erläuterte Abwandlung der Figur 5 bezieht sich auf die Variante mit Messung der Verbrauchswerte. Für alle drei Varianten I bis III gibt es also sowohl die Variante A als auch die Variante B was die Anzahl der Varianten auf den Wert 6 erhöht .
Die Schutzmodule DSl bis DSn sind in eine Leitung 20 des Bordnetzes 12 geschaltet. Die Leitung 20 ist als Ringleitung geführt. Andere Topologien sind ebenfalls möglich, z.B. Linie, Stern oder Vermaschung. Ein Akkumulator EQ ist mit der Leitung 20 verbunden, z.B. der Pluspol des Akkumulators EQ .
Die Schutzmodule DSl bis DSn können untereinander gleich aufgebaut sein, weshalb im Folgenden nur der Aufbau des Schutzmoduls DSl näher erläutert wird. Alternativ können die
Schutzmodule voneinander verschiedene aufgebaut sein, insbesondere mit und ohne Abzweig.
Das Schutzmodul DSl enthält:
- drei Anschlüsse Ala bis A3a, wobei der Anschluss Ala mit der Leitung 20, der Anschluss A2a mit der Leitung 22 und der Anschluss A3a mit einem Verbraucher VI verbunden ist,
- drei Schalteinheiten Sla bis S3a,
- zwei Erfassungseinheiten Ela und E2a, die eine Spannung und/oder eine Strom bzw. eine Leistung erfassen können, - ein Spannungsknoten Nla,
- eine optionale Steuereinheit SEI,
- einen optionalen Speicher Ml, - eine Empfangseinheit El und ggf. eine optionale Sendeeinheit Sl.
Es liegt die folgende interne Verschaltung vor:
- die Erfassungseinheit Ela ist mit dem Anschluss Ala und mit dem einen Anschluss der Schalteinheit Sla verbunden, z.B. mit dem Arbeitsanschluss eines Leistungstransistors,
- die Schalteinheit Sla liegt mit einem weiteren Anschluss am Schaltungsknoten Nla, z.B. mit dem anderen Arbeitsanschluss des Leistungstransistors,
- die Schalteinheit S2a liegt mit einem Anschluss am Schaltungsknoten Nla und mit einem weiteren Anschluss am Anschluss A2a des Schutzmoduls DS1,
- am Schaltungsknoten Nla liegt außerdem ein Abzweig 14a, der zu der Erfassungseinheit E2a führt,
- die Schalteinheit S3a ist mit dem dritten Anschluss A3a und mit der Erfassungseinheit E2a verbunden.
Andere Schaltungsanordnungen sind ebenfalls möglich, bspw. Vertauschen von Erfassungseinheit Ela und Schalteinheit Sla oder Vertauschen von Erfassungseinheit E2a und Schalteinheit S3a. Außerdem können bspw. die Schalteinheit S2a, die Erfassungseinheit E2a und/oder die Schalteinheit S3a weggelassen werden .
Die Schalteinheiten Sla bis S3a können Leistungstransistoren sein, insbesondere IGBT's. Die Erfassungseinheiten Ela und Elb können in die Leitungen eingeschleift sein, im Wirkbereich eines elektrischen Feldes der betreffenden Leitung an- geordnet sein oder die Leitung an einer oder mehreren Stellen Kontaktieren. Geeignete Erfassungseinheiten Ela und Elb enthalten insbesondere Analog-Digital-Wandler (ADC) .
Die Leitung 22 liegt zwischen dem Anschluss A2a des Schutzmo- duls DS1 und dem Anschluss Alb des Schutzmoduls DS2. Eine
Leitung 24 liegt zwischen dem Anschluss A2b des Schutzmoduls DS2 und dem Anschluss Aln des Schutzmoduls DSn, wobei n eine natürlich Zahl ist, z.B. drei oder größer als drei. Die anderen Schutzmodule DS2 bis DSn sind im Ausführungsbei - spiel wie das Schutzmodul DSl aufgebaut. So gibt es im
Schutzmodul DS3 ebenfalls:
- einen Schaltungsknoten Nlb,
- einen Abzweig 14b,
- Anschlüsse Alb bis A3b,
- Schalteinheiten Slb bis S3b,
- Erfassungseinheiten Elb und E2b, z.B. zum Erfassen einer Spannung und/oder Strom bzw. einer Leistung,
- einen Spannungsknoten Nlb,
- eine optional Steuereinheit SE2,
- einen optionalen Speicher M2 , und
- eine Empfangseinheit E2 und ggf. eine optionale Sendeein- heit S2.
Ein Verbraucher V2 ist an dem Anschluss A3b des Schutzmoduls DS2 angeschlossen. Ein Verbraucher Vn ist an dem Anschluss A3n des Schutzmoduls DSn angeschlossen.
Eine Kommunikationsleitung 32 liegt zwischen der Empfangs- /Sendeeinheit El/Al und einer Kommunikationsleitung 30, welche die Schutzmodule DSl bis DS2 verbindet. Die in der Einleitung genannten Kommunikationsprotokolle können auf den Leitungen 30 bis 36 verwendet werden. Die Leitungen 30 bis 36 können verschiedene Topologien bilden, z.B. eine Linie, einen Ring, einen Stern oder eine Vermaschung.
An Stelle der Leitungen 30 bis 36 kann auch ein Funknetz ver- wendet werden, z.B. Bluetooth oder ZigBee.
Die Schutzmodule DSl bis DSn können auch ohne Abzweig ausgeführt werden, so dass es nur eine Erfassungseinheit und eine Schalteinheit zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eines Schutzmoduls DSl bis DSn gibt. Dies gilt für alle sechs Varianten und wird unten an Hand der Figuren 2 bis 6 näher erläutert . In der Variante I und II enthalten die Schutzmodule DS1 bis DSn jeweils eine Steuereinheit SEI bis SEn, welche ein Überwachungsverfahren unter Berücksichtigung von Nachbarschaften und Verbrauswerten durchführen. Die Verbrauswerte werden in der Variante A abgeschätzt und bspw. in Speichern Ml bis Mn gespeichert für den jeweiligen Verbraucher VI bis Vn. In der Variante B werden die Verbrauswerte erfasst bzw. gemessen mit den Erfassungseinheiten E2a bis E2n. In der Variante I wird keine zentrale Steuereinheit ZSE benötigt. Die zentrale Steuereinheit ZSE wird dagegen in der Variante II benötigt. Alternativ kann Variante II auch peer to peer Verfahren verwenden. Auch in der Variante III wird die zentrale Steuereinheit ZSE, z.B. ein Mikroprozessor oder ein MikroController MP, einbezogen. Die zentrale Steuereinheit ZSE enthält einen Speicher M, bspw. zum Speichern von Verbrauchswerten und/oder von Programmbefehlen, die durch den Prozessor ausgeführt werden. Über eine Leitung 38 ist die zentrale Steuereinheit ZSE mit der Leitung 30 verbunden. Alternativ kann eine Funkstrecke verwendet werden. In der Variante III müssen die Schutzmodule DS1 bis DSn keine eigenen Steuereinheiten enthalten, weil sie durch die zentrale Steuereinheit ZSE fern gesteuert werden können. Enthalten die Schutzmodule DS1 bis DSn in der Variante III jeweils Steuereinheiten, so führen diese jedoch kein separates Überwachungsverfahren unter Berücksichtigung von Nachbarschaften und von Verbrauchswerten zusätzlich zu dem in der zentralen Steuereinheit ZSE durchgeführten Überwachungs - verfahren durch.
Das Bordnetz wird in allen drei Varianten auf Kurzschlüsse hin überwacht, siehe bspw. Kurzschluss 26 an der Leitung 22 oder einen Kurzschluss an anderer Stelle. Kabelbrüche können durch Redundanz in ihrer Wirkung aufgehoben werden, bspw. werden bei einem Kabelbruch in Leitung 22 noch alle Verbraucher über die Leitung 20 bzw. über die Leitungen 20 und 24 weiter mit Spannung/Strom bzw. Energie versorgt. Auch können mehrere Akkumulatoren EQ an die Leitung 20 angeschlossen werden. Üblicherweise wird bei einem Automobil die Karosserie als Rückleiter genutzt. Ein expliziter Rückleiter ist somit nicht notwendig, kann jedoch z.B. mit Hinblick auf Störein- kopplungen vorteilhafter sein. Auch eine doppelte Leitungs- führung kann verwendet werden.
Auch die Verbraucher VI bis Vn lassen sich über die Erfassungseinheiten S3a bis S3n direkt in die Überwachung einbe- ziehen. Eine indirekte Überwachung ist auch für Schutzmodule DS1 bis DSn ohne Abzweig möglich, wie unten an Hand der Figuren 2 und 4 erläutert wird. Fehler in den Verbrauchern wirken dann ähnlich wie Kurzschlüsse und können somit auf die gleiche Weise erkannt und von der Energieversorgung abgetrennt werden.
Die Figur 3 zeigt die Vorgänge für eine Messung des
Verbrauchs an den Verbrauchern. Bei der Variante I in Kombination mit der Variante A werden im Niederspannungsenergienetz des Fahrzeugs bspw. die folgenden Schritte durchgeführt:
In dem Schutzmodul/Moduleinheit DS1 liegt eine gemessene Stromstärke 1(1) und ggf. eine gemessene Spannung U(l) vor, siehe Erfassungseinheit Ela. In dem Schutzmodul DS2 liegt die gemessene Stromstärke 1(2) und ggf. eine gemessene Spannung U(2) vor, siehe Erfassungseinheit Elb. Vom Verbraucher VI, bspw. mit definiertem Sollverbrauch, ist der Verbrauch bekannt .
Die Messwerte 1(2) und ggf. U(2) werden von dem Schutzmodul DS2 zu dem Schutzmodul DS1 übertragen.
Es wird in dem Schutzmodul DS1 ein Vergleich des Ist- Verbrauchs durchgeführt als Differenz von Messwerten 1 und Messwerten 2 zum definierten Soll -Verbrauch . Es wird im Schutzmodul DS1 geprüft, ob der Wert innerhalb der Bandbreite liegt. Bei einer Abweichung wird der Kurzschluss 26 erfasst und es folgt die Abschaltung des Bordnetzes 12 bzw. der Leitung 22 unter Verwendung der Schalteinheiten S2a.
In der Variante I werden weiterhin die Messwerte 1(1) und ggf. U(l) von dem Schutzmodul DS1 zu dem Schutzmodul DS2 übertragen . Es wird in dem Schutzmodul DS2 ein Vergleich des Ist- Verbrauchs durchgeführt als Differenz von Messwerten 1 und Messwerten 2 zum definierten Soll -Verbrauch . Es wird in dem Schutzmodul DS2 geprüft, ob der Wert innerhalb der Bandbreite liegt. Bei einer Abweichung wird der Kurzschluss 26 erfasst und es folgt die Abschaltung des Bordnetzes 12 bzw. der Leitung 22 unter Verwendung der Schalteinheiten Slb des Schutzmoduls DS2.
Bei der Variante II werden zusätzlich die Messwerte 1(1) und ggf. U(l) von dem Schutzmodul DS1 und die Messwerte 1(2) und ggf. U(2) von dem Schutzmodul DS2 zur Steuereinheit ZSE übertragen .
Es wird in der Steuereinheit ZSE ein Vergleich des Ist- Verbrauchs durchgeführt als Differenz von Messwerten 1 und Messwerten 2 zum definierten Soll -Verbrauch . Es wird in der Steuereinheit ZSE geprüft, ob der Wert innerhalb der Bandbreite liegt. Bei einer Abweichung wird der Kurzschluss 26 erfasst und es folgt ferngesteuert die Abschaltung des Bord- netzes 12 bzw. der Leitung 22 unter Verwendung der Schalteinheit S2a des Schutzmoduls DS1 und der Schalteinheit Slb des Schutzmoduls DS2.
Bei der Variante III wird der Vergleich nur in der Steuerein- heit ZSE durchgeführt, d.h. nicht in den Schutzmodulen DS1 und DS2. Auch in den anderen Schutzmodulen DSn liegen an der Hauptleitung gemessene Stromstärken I (n) und ggf. gemessene Spannungen U(n) vor, wobei n eine natürliche Zahl größer als 2 aber z.B. kleiner als 100 oder kleiner als 200 ist. Die Verbrau- eher Vn haben entweder einen definierten Sollverbrauch, insbesondere einen definierten maximalen Verbrauch oder der Verbrauch wird erfasst .
Zwischen dem Schutzmodul DS2 und dem Schutzmodul DSn liegt bezüglich der Leitung 24 eine entsprechende Nachbarschaft vor wie zwischen dem Schutzmodulen DS1 und DS2 bezüglich der Leitung 22. Somit können auch auf der Leitung 22 bzw. auf anderen Leitungen des Bordnetzes 12 Kurzschlüsse erfasst werden gemäß den erläuterten Varianten I, II und II in Kombination mit den Varianten A (Schätzen der Verbrauchswerte) und B
(Messen bzw. Erfassen der Verbrauchswerte. Auch Fehler, z.B. Kurzschlüsse, in den Verbrauchern, lassen sich erfassen, insbesondere auch für die Variante B, was im Folgenden noch näher erläutert wird.
Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bordnetz 100 oder aus einem Energieversorgungsnetz. Das Bordnetz 100 ist bspw. ein Ausschnitt aus dem Bordnetz 12, siehe Figur 1, oder aus dem Bordnetz 510, siehe Figur 6.
Das Bordnetz 100 enthält:
- einen Akkumulator 102,
- zwei Schutzmodule, z.B. Differentialschutz-Module, DSla, DS2a, und
- zwei Verbraucher V10, Vll.
Es liegt die folgende Verschaltung vor:
- eine Leitung 104 liegt zwischen dem Akkumulator 102 und dem Schutzmodul DSla,
- eine Leitung 110 führt vom Schutzmodul DSla zum Schutzmodul DS2a,
- eine Leitung 112 führt von der Leitung 110 zum Verbraucher V10, - eine Leitung 114 führt von der Leitung 110 zum Verbraucher Vll, und
- eine Leitung 116 führt von dem Schutzmodul DS2a zu weiteren Komponenten des Bordnetzes 100.
Es wird angenommen, dass der Verbraucher V10 maximal 200 Watt verbraucht. Der Verbraucher Vll soll maximal 100 Watt verbrauchen. Tatsächlich sollen der Verbraucher V10 gerade 100 Watt und der Verbraucher Vll 20 Watt verbrauchen.
Werden in dem Schutzmodul DSla 600 Watt und in dem Schutzmodul DS2a 480 Watt erfasst, so ist die Differenz von 120 Watt kleiner als der maximale Verbrauch von 300 Watt, so dass ein fehlerfreiere Zustand vorliegt.
Tritt dagegen bspw. in Kurzschluss 120 an der Leitung 110 auf, so werden im Schutzmodul DS2a bspw. nur noch 100 Watt erfasst. Die Differenz beträgt 500 Watt, was erheblich größer als der Maximalverbrauch der Verbraucher V10 und Vll von 300 Watt ist. Damit wird die Abschaltung der Leitung 120 veranlasst, bei Variante I in den Schutzmodulen DSla und DS2a, bei Variante III durch die zentrale Steuereinheit ZSE, und bei Variante II redundant sowohl von den Schutzmodulen DSla und DS2a als auch von der zentralen Steuereinheit ZSE.
Gleiche Zusammenhänge gelten bei konstanter Spannung für die Ströme. So dass an Stelle der Leistungen auch auf Ströme Bezug genommen werden kann . Ebenso wie der Kurzschluss 120 auf der Leitung 110 wirken sich Kurzschlüsse in den Verbrauchern V10 und Vll aus. Damit ist auch eine Überwachung der Verbraucher V10, Vll möglich ohne dass deren aktueller Verbrauch direkt erfasst werden muss, d.h. mit separaten bzw. dedizierten Erfassungseinheiten an den Verbrauchern.
Die Schutzmodule DSla und DS2a können wie die Schutzmodule DS1, DS2 bis DSn aufgebaut sein, wobei der Abzweig 14a usw. unbenutzt ist. Alternativ enthalten die Schutzmodule DSla und DS2a keinen Abzweig 14a usw.
Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren Bord- netz 200 oder aus einem Energieversorgungsnetz. Das Bordnetz 200 ist bspw. ein Ausschnitt aus dem Bordnetz 12, siehe Figur 1, oder aus dem Bordnetz 510, siehe Figur 6.
Das Bordnetz 200 enthält:
- einen Akkumulator 202,
- vier Schutzmodule, z.B. Differentialschutz-Module, DSlb, DS2b, DS3b und DS4b, und
- zwei Verbraucher V20, V21. Es liegt die folgende Verschaltung vor:
- eine Leitung 204 liegt zwischen dem Akkumulator 202 und dem Schutzmodul DSlb,
- eine Leitung 210 führt vom Schutzmodul DSlb zum Schutzmodul DS2b,
- eine Leitung 212 führt von der Leitung 210 zum Schutzmodul DS3b,
- der Verbraucher V20 ist an das Schutzmodul DS3b angeschlossen,
- eine Leitung 214 führt von der Leitung 210 zum Schutzmodul DS4b
- der Verbraucher V21 ist an das Schutzmodul DS4b angeschlossen, und
- eine Leitung 216 führt von dem Schutzmodul DS2b zu weiteren Komponenten des Bordnetzes 200.
Es wird angenommen, dass das Schutzmodul DS3b für den
Verbraucher V20 gerade einen Verbrauch von 100 Watt und das Schutzmodul DS4b für den Verbraucher V21 einen momentanen Verbrauch von 20 Watt erfasst.
Werden in dem Schutzmodul DSla 600 Watt und in dem Schutzmodul DS2a 480 Watt erfasst, so ist die Differenz von 120 Watt gleich dem momentan erfassten Verbrauch von 120 Watt, so dass ein fehlerfreiere Zustand vorliegt.
Tritt dagegen bspw. ein Kurzschluss 220 an der Leitung 210 auf, so werden im Schutzmodul DS2b bspw. nur noch 100 Watt erfasst. Die Differenz beträgt 500 Watt, was erheblich größer als der erfasste Verbrauchswert von 120 Watt für die Verbraucher V10 und Vll. Damit wird die Abschaltung der Leitung 220 veranlasst, bei Variante I in den Schutzmodulen DSlb und DS2b bzw. in allen angrenzenden Schutzmodulen DSlb bis DS4b, bei Variante III durch die zentrale Steuereinheit ZSE, und bei Variante II redundant sowohl von den Schutzmodulen DSlb und DS2b bzw. DSlb bis DS4b als auch von der zentralen Steuereinheit ZSE.
Gleiche Zusammenhänge gelten bei konstanter Spannung für die Ströme. So dass an Stelle der Leistungen auch auf Ströme Bezug genommen werden kann . Kurzschlüsse in den Verbrauchern V20 und V21 werden direkt in den Schutzmodulen DS3b bzw. DS4b erfasst.
Die Schutzmodule DSlb bis DS4b können wie die Schutzmodule DS1, DS2 bis DSn aufgebaut sein, wobei der Abzweig 14a usw. unbenutzt ist. Alternativ enthalten die Schutzmodule DSlb bis DS4b keinen Abzweig 14a usw.
Die Schutzmodule DSlb und DS4b können bspw. zu einem Schutz - modul 222 zusammengefasst werden, das wie das Schutzmodul DS1 aufgebaut ist, was eine entsprechende Segmentierung voraussetzt. Ebenso können Schutzmodule DS4b und DS2b bspw. zu einem Schutzmodul 224 zusammengefasst werden, das wie das Schutzmodul DS2 aufgebaut ist. Die Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bordnetz 300 oder aus einem Energieversorgungsnetz, wobei Netzwerkbereiche festgelegt sind. Das Bordnetz 300 ist bspw. ein Ausschnitt aus dem Bordnetz 12, siehe Figur 1, oder aus dem Bordnetz 510, siehe Figur 6.
Das Bordnetz 300 enthält fünf Netzabschnitte, die seriell hintereinander geschaltet sind:
- ein erster Netzabschnitt endet an einer Erfassungseinheit bzw. dem Schutzmodul A,
- ein zweiter Netzabschnitt erstreckt sich von der Erfassungseinheit A bis zu einer Erfassungseinheit B,
- ein dritter Netzabschnitt erstreckt sich von der Erfassungseinheit B bis zu einer Erfassungseinheit C,
- ein vierter Netzabschnitt erstreckt sich von der Erfassungseinheit C bis zu einer Erfassungseinheit D,
- ein fünfter Netzabschnitt beginnt an der Erfassungseinheit D.
Es sei angenommen, dass im ersten Netzabschnitt ein Strom von 10 A (Ampere) zu der Erfassungseinheit A fließt. Am zweiten Netzabschnitt soll ein Verbraucher V30 angeschlossen sein, der 1 Ampere verbraucht. Am dritten Netzabschnitt ist eine Verbraucher V31 angeschlossen, der ebenfalls 1 Ampere Verbraucht. Am vierten Netzabschnitt ist eine Verbraucher V32 angeschlossen, der ebenfalls 1 Ampere verbraucht. Auch
Verbraucher mit voneinander verschiedenem Stromverbrauch sind möglich.
Ein Netzwerkbereich 302 umfasst den zweiten Netzabschnitt. Für den Netzwerkbereich 302 kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:
B = A - V30, d.h. B = 10 Ampere - 1 Ampere = 9 Ampere. (1)
Ein Netzwerkbereich 304 umfasst den dritten Netzabschnitt. Für den Netzwerkbereich 304 kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:
C = B - V31, d.h. C = 9 Ampere - 1 Ampere = 8 Ampere. (2) Ein Netzwerkbereich 306 umfasst den vierten Netzabschnitt. Für den Netzwerkbereich 306 kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:
D = C - V33, d.h. D = 8 Ampere - 1 Ampere = 7 Ampere. (3)
Ein Netzwerkbereich 308 umfasst den zweiten Netzabschnitt, den dritten Netzabschnitt und den vierten Netzabschnitt. Für den Netzwerkbereich 306 kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:
D = A - V30 - V31 -V32, d.h. (4)
D = 10 Ampere - 1 Ampere - 1 Ampere - 1 Ampere = 7 Ampere.
Damit bilden die Gleichungen (1) bis (4) ein überbestimmtes Gleichungssystem, das im fehlerfreien Fall widerspruchsfrei ist und mit den bekannten Methoden gelöst werden kann, z.B. Gaußverfahren, Newtonverfahren, Runge-Kutta-Verfahren o.ä. Insbesondere können lineare Solver verwendet werden, weil bspw. nicht genaue Werte für die Lösung ermittelt werden müssen sondern weil nur festgestellt werden muss, ob eine Lösung berechenbar ist, was unten näher erläutert wird.
Erfasst bzw. misst bspw. die Erfassungseinheit C einen falschen Strom, von z.B. 4 Ampere, so kommt es zu Widersprüchen in dem Gleichungssystem aus den Gleichungen (1) bis (4) :
- Gleichung (1) stimmt.
- Gleichung (2) stimmt,
- es ergibt sich gemäß Gleichung (3) D = 4 Ampere - 1 Ampere = 3 Ampere, und
- gemäß Gleichung (4) D = 7 .
Damit stehen die Gleichungen (3) und (4) in direktem Widerspruch zueinander. Dieser Widerspruch kann gelöst werden, wenn die Gleichung, die sich auf die Erfassungseinheit C bezieht nicht bei der Lösung berücksichtiget wird, d.h. die Gleichung (3) .
Gleiche Überlegungen gelten auch für Fehler in den Erfassungseinheiten A, B und C, wobei hier jedoch jeweils zwei Gleichungen betroffen sind. Eine Unterbestimmung des verbleibenden Gleichungssystems könnte dann durch die Einbeziehung weiterer Gleichungen vermieden werden. Somit kann automatisch ermittelt werden, dass die Erfassungseinheit B fehlerhaft erfasst bzw. misst. Damit kann diese Erfassungseinheit von einem auf Nachbarschaften beruhenden Verfahren ausgeschlossen werden. Die Erfassungseinheiten A bis D können auch Schalteinheiten zum Abtrennen von Netzabschnitten und oder Verbrauchern haben. In diesem Fall können an Stelle der Erfassungseinheiten A bis D Schutzmodule verwendet werden, wie sie an Hand der Figuren 1 bis 4 oben erläutert worden sind oder an Hand der Figur 6 unten erläutert werden. Insbesondere können Schutzmodule mit und ohne Abzweig eingesetzt werden.
Alternativ kann auf Leistungen Bezug genommen werden bei der Aufstellung des Gleichungssystems. In diesem Fall werden auch SpannungsSchwankungen berücksichtigt.
Gleichungssysteme für bspw. 20 bis 30 Schaltungsknoten oder mehr lassen sich in kurzer Zeit bei Verwendung eines Prozessors lösen. Bei einem Fahrzeugnetz gibt es bspw. weniger als 100 Schaltungsknoten oder weniger als 300 Schaltungsknoten bei entsprechender Segmentierung. Das Verfahren lässt sich aber auch bei vier oder mehr Knoten bereits mit Vorteil einsetzen . Die Figur 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bordnetz 400 mit Abzweig oder aus einem Energieversorgungsnetz mit Abzweig. Das Bordnetz 400 ist bspw. ein Ausschnitt aus dem Bordnetz 12, siehe Figur 1, oder aus dem Bordnetz 510, siehe Figur 6. Das Bordnetz 400 enthält:
- einen Akkumulator 402,
- drei Schutzmodule, z.B. Differentialschutz-Module, DSlc, DS2c und DS3c, und - drei Verbraucher V40, V41 und V42.
Es liegt die folgende Verschaltung vor:
- eine Leitung 404 liegt zwischen dem Akkumulator 402 und dem Schutzmodul DSlc,
- eine Leitung 410 führt vom Schutzmodul DSlc zum Schutzmodul DS2c,
- eine Leitung 412 führt von der Leitung 410 zum Verbraucher V40,
- eine Leitung 414 führt von der Leitung 410 zum Verbraucher V41,
- eine Leitung 416 führt von dem Schutzmodul DS2c zu weiteren Komponenten des Bordnetzes 400,
- eine Leitung 420 führt von der Leitung 410 zum Schutzmodul DS3c, so dass ein Abzweig vorliegt,
- eine Leitung 422 führt von der Leitung 420 zum Verbraucher V42, und
- eine Leitung 424 führt von dem Schutzmodul DS3c zu weiteren Komponenten des Bordnetzes 400.
Tritt ein Kurzschluss 440 an der Leitung 410 auf, so kann er unter Einbeziehung der Schutzmodule DSlc, DS2c und DS3c auf die gleiche Weise erfasst werden, wie oben für die Figur 2 erläutert .
Ebenso wie der Kurzschluss 440 auf der Leitung 410 wirken sich Kurzschlüsse in den Verbrauchern V40, V41 und V42 aus, siehe die Erläuterungen zu Figur 2. Damit ist auch eine Überwachung der Verbraucher V40, V41 und V42 möglich, ohne dass deren aktueller Verbrauch direkt erfasst werden muss, d.h. mit separaten bzw. dedizierten Erfassungseinheiten an den Verbrauchern. Alternativ kann aber auch bei einem Abzweig ein Erfassen der tatsächlichen Verbrauchswerte durchgeführt werden, wie oben an Hand der Figur 3 erläutert worden ist.
Die Schutzmodule DSlc bis DS3c können wie die Schutzmodule DS1, DS2 bis DSn aufgebaut sein, wobei der Abzweig 14a usw. unbenutzt ist. Alternativ enthalten die Schutzmodule DSlc bis DS3c keinen Abzweig 14a usw.
Die Figur 6 zeigt ein Bordnetz 510 eines Fahrzeugs, z.B. ei- nes Personenkraftfahrzeugs. Das Bordnetz 510 enthält:
- Segmente 512 bis 526, die jeweils eine Pluspolleitung und ggf. eine Minuspolleitung enthalten, und die in der genannten Reihenfolge in einer Ringstruktur verschaltet sind,
- bspw. zwei Batterien bzw. Akkumulatoren 528 und 530, kurz Akku genannt, wobei der Akku 528 am Segment 526 und der Akku
530 am Segment 518 angeschlossen ist,
- Trennvorrichtungen 532 bis 546, z.B. mechanische, elektro- mechanische oder elektronische Schalter, z.B. Leistungs- Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET's (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) , die in dieser Reihenfolge zwischen die Segmente 12 bis 26 geschaltet sind,
- eine Datenübertragungsverbindung bzw. ein Bussystem 550a, 550b zur Ansteuerung der Trennvorrichtungen 532 bis 546 über Steuerleitungen 552 bis 564 und 551 und zur Abfrage von Strom und/oder SpannungsSensoren über Sensorleitungen 572 bis 582, sowie
- eine Steuer- und Kommunikationseinheit SE am Bussystem 550a, 550b. In dem Bordnetz 510 kann die Überwachung nachbarschaftsbezo- gen durch die Trennvorrichtungen 532 bis 546 durchgeführt werden, wobei die an Hand der Figur 1 erläuterten Steuereinheiten SEI, SE2, SEn in den Trennvorrichtungen 532 bis 546 vorhanden sind. Alternativ oder zusätzlich kann eine zentrale Überwachung in der Steuereinheit SE durchgeführt werden. In beiden Fällen werden Verbrauchsgrößen der Verbraucher an den Segmenten 512 bis 526 einbezogen, siehe bspw. die Verbraucher 590 und 592. Üblicherweise wird bei einem Automobil die Karosserie als
Rückleiter genutzt. Ein expliziter Rückleiter ist somit nicht notwendig, kann jedoch z.B. mit Hinblick auf Störeinkopplungen vorteilhafter sein. Die Segmente 512 und 524 sind zueinander redundant und dienen bspw. der Stromversorgung von Steuereinheiten mit zentralen Aufgaben. Diese Steuereinheiten können ihrerseits jeweils re- dundant ausgeführt sein, d.h. zwei Steuereinheiten am Segment 512 und zwei Steuereinheiten am Segment 524.
Die Segmente 514 und 522 sind ebenfalls zueinander redundant und dienen der Stromversorgung von Steuereinheiten zur Unter- Stützung der Lenkung des Fahrzeugs, siehe bspw. die Steuergeräte 590 und 92 am Segment 22.
Die Segmente 516 und 538 sind ebenfalls zueinander redundant und dienen der Stromversorgung von Steuereinheiten, die bspw. dem automatischen Bremsen des Fahrzeugs dienen, insbesondere Brake-By-Wire , d.h. eine Bremse ohne jegliche mechanische Koppelung zwischen Pedal und Aggregat. Auch automatische Bremssysteme werden verwendet, die das Fahrzeug ohne Zutun des Fahrers bremsen.
Die Messdaten für die an Hand der Figuren 1 bis 5 erläuterten Verfahren werden bspw. nur an ausgewählten Segmenten 512 er- fasst. Alternativ können Messdaten an allen Segmenten 512 bis 516, 520 bis 524 und optional auch an den Segmenten 518 und 526 erfasst werden. Die Ausstattung jedes Segments 512 bis 516, 520 bis 524 kann mit Erfassungseinheiten erfolgen, die in den Trennvorrichtungen 532 bis 546 enthalten sind. In diesem Fall sind die Trennvorrichtungen 532 bis 546 bspw. wie die an Hand der Figuren 1 bis 5 erläuterten Moduleinheiten aufgebaut. Insbesondere können Moduleinheiten ohne Abzweig oder Moduleinheiten mit unbenutztem Abzweig verwendet werden.
Die Verbraucher 590, 592 können über Moduleinheiten mit Abzweig 14a usw. angeschlossen sein.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird an Stelle einer Ringtopologie eine stärker vermaschte Topologie gewählt. Auch bei Bordnetzen ohne Redundanz wird die Erfindung eingesetzt. Die Bordnetze führen bspw. Spannungen kleiner als 100 Volt oder sogar kleiner als 60 Volt, jedoch größer als 5 Volt oder größer als 10 Volt. Bei Elektrofahrzeugen können die erläu- terten Verfahren jedoch auch im Antriebsnetz eingesetzt werden. In diesem Fall kann das Antriebsnetz Spannungen größer als 100 Volt oder größer als 400 Volt führen. Die Spannungen im Antriebsnetz können typischerweise kleiner als 1000 Volt sein. Auf Grund der Verwendung von Batterien bzw. Akkus kom- men hauptsächlich Gleichspannungsnetze zum Einsatz. Im Gegensatz zu Signalleitungen ist die Spannung an Gleichspannungs - Bordnetzen vergleichsweise konstant und schwankt bspw. um weniger als plus/minus 10 Prozent eines Mittelwertes oder Nennwertes. Die Verfahren sind aber nicht auf Gleichspannungsnet - ze beschränkt und können somit auch bei Wechselspannungsnetzen eingesetzt werden.
Die an Hand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele können insbesondere mit den in der Einleitung genannten Ausfüh- rungsbeispielen kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Ansprüche
1. Moduleinheit (DS1) , enthaltend
eine erste Anschlussvorrichtung (Ala) ,
eine zweite Anschlussvorrichtung (A2a) ,
eine zwischen die erste Anschlussvorrichtung und die zweite Anschlussvorrichtung geschaltete Schalteinheit (Sla) , eine Erfassungseinheit (Ela) ,
eine Steuereinheit (SEI) , die ausgangsseitig mit der Schalt- einheit (Sla) und eingangsseitig mit der Erfassungseinheit (Ela) verbunden ist,
eine Empfangseinheit (El) , die ausgangsseitig mit der Steuereinheit (SEI) gekoppelt ist, und enthaltend
entweder eine weitere Erfassungseinheit (E2a) , die bezogen auf eine dritte Anschlussvorrichtung (A3) für eine
Verbrauchseinheit (VI) einen elektrischen Strom oder eine elektrische Leistung erfasst,
oder eine Speichereinheit (Ml) , in der ein Wert des elektrischen Stroms oder der elektrischen Leistung für eine
Verbrauchseinheit (VI) gespeichert ist.
2. Moduleinheit (DS1) nach Anspruch 1, wobei die Schalteinheit (Sla) für Schaltspannungen kleiner als 1000 Volt oder kleiner als 200 Volt ausgelegt ist.
3. Moduleinheit (DS1) nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend einen Abzweig (14a, 14b) von einer zwischen der ersten Anschlussvorrichtung (Ala) und der zweiten Anschlussvorrichtung (A2a) liegenden elektrisch leitfähigen Verbindung (Nla) zu der dritten Anschlussvorrichtung (A3) .
4. Moduleinheit (DS1) nach Anspruch 3, wobei die Schalteinheit (Sla) zwischen die erste Anschlussvorrichtung (AI) und dem Abzweig (14a) geschaltet ist.
5. Moduleinheit (DS1) nach Anspruch 1, wobei die Schalteinheit (Sla) eine erste Schalteinheit ist, und wobei das Modul mindestens eine der folgenden Schalteinheiten enthält :
- eine zweite Schalteinheit (S2a) ,
- eine weitere Schalteinheit (S2b) .
6. Moduleinheit (DS1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Steuereinheit (SEI) , die ausgangsseitig mit einem Eingang der Schalteinheit (Sla) verbunden ist, und die eingangsseitig mit einem Ausgang der Erfassungsein- heit (Ela) verbunden ist.
7. Moduleinheit (DS1) nach Anspruch 6, enthaltend mindestens eine der folgenden Einheiten:
eine Empfangseinheit (El) , die ausgangsseitig mit einem Ein- gang der Steuereinheit (SEI) verbunden ist,
eine Sendeeinheit (Sl) , die eingangsseitig mit einem Ausgang der Steuereinheit (SEI) verbunden ist.
8. Moduleinheit (DS1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steu- ereinheit (SEI) eine Vergleichseinheit enthält, die eingangsseitig mit einem Ausgang der Erfassungseinheit (Ela) und mit der weiteren Erfassungseinheit (E2a) verbunden ist, oder die eingangsseitig mit einem Ausgang der Erfassungseinheit (Ela) und mit einem Ausgang der Speichereinheit (Ml) verbunden ist.
9. Moduleinheit (DS1) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (SEI) bei einer Abweichung beim Vergleich die Schalteinheit (Sla) ansteuert.
10. Moduleinheit (DS1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Empfangseinheit (El) , die ausgangsseitig mit der Steuereinheit (SEI) und/oder mit der Schalteinheit (Sla) verbunden ist.
11. Verbund (10) aus mindestens zwei Moduleinheiten (DS1, DS2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Moduleinheiten (DS1, DS2), jeweils eine Sendeeinheit (Sl, S2) enthalten, die mit der Erfassungseinheit (Ela, Elb) der Moduleinheit (DS1, DS2) verbunden ist,
wobei der Verbund (10) eine Einheit (ZSE) enthält, die über ein Datenübertragungsnetz (30) mit den Moduleinheiten (DS1, DS2) verbunden ist, und
wobei die Einheit (ZSE) eine Vergleichseinheit (MP) enthält, die von den Moduleinheiten (DS1, DS2) erfasste Größen oder aus diesen Größen berechnete Größen mit mindestens einem Sollwert vergleicht,
wobei die erfassten Größen mindestens einen Verbrauchswert einer Verbrauchseinheiten (VI, V2) enthalten oder wobei bei dem Vergleich mindestens ein Verbrauchswert einer Verbrauchs - einheit (VI, V2) berücksichtigt wird, die an eine Leitung zwischen den Moduleinheiten (DS1, DS2) oder an eine der Moduleinheiten (DS1, DS2) angeschlossen ist.
12. Verbund (10) enthaltend,
mindestens zwei Moduleinheiten (DS1, DS2), die jeweils ent- halten:
eine erste Anschlussvorrichtung (Ala, Alb) ,
eine zweite Anschlussvorrichtung (A2a, A2b) ,
eine zwischen die erste Anschlussvorrichtung (Ala, Alb) und die zweite Anschlussvorrichtung (A2a, A2b) geschaltete
Schalteinheit (Sla, Slb) ,
eine Erfassungseinheit (Ela, Elb) ,
eine Sendeeinheit (Sl, S2), die eingangsseitig mit einem Ausgang der Erfassungseinheit (Ela, Elb) verbunden ist,
eine Empfangseinheit (El, E2), die ausgangsseitig mit der Schalteinheit (Sla, Slb) verbunden ist,
wobei der Verbund (10) eine Einheit (ZSE) enthält, die über ein Datenübertragungsnetz (30) mit den Moduleinheiten (DS1, DS2) verbunden ist, und
wobei die Einheit (ZSE) eine Vergleichseinheit (MP) enthält, die von den Moduleinheiten (DS1, DS2) erfasste Größen oder aus diesen Größen berechnete Größen mit mindestens einem Sollwert vergleicht, wobei die erfassten Größen mindestens einen Verbrauchswert einer Verbrauchseinheiten (VI, V2) enthalten oder wobei bei dem Vergleich mindestens ein Verbrauchswert einer Verbrauchs - einheit (VI, V2) berücksichtigt wird, die an eine Leitung zwischen den Moduleinheiten (DS1, DS2) oder an eine der Moduleinheiten (DS1, DS2) angeschlossen ist.
13. Verfahren zum Überwachen eines Energieversorgungsnetzes (12) , enthaltend,
Erfassen (Ela) eines ersten Stroms oder einer ersten Leistung an einer ersten Stelle des Energieversorgungsnetzes (12), Erfassen (E2a) eines zweiten Stroms oder einer zweiten Leistung an einer zweiten Stelle des Energieversorgungsnetzes (12) ,
Erfassen oder Vorgeben eines Verbrauchswertes für mindestens eine Verbrauchseinheit (VI, V2) die an eine Leitung zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle angeschlossen ist, Vergleichen der an der ersten Stelle erfassten Größe, der an der zweiten Stelle erfassten Größe und des Verbrauchswertes mit einem Sollwert.
14. Verfahren nach Anspruch 13, enthaltend
Erfassen (DS3c) eines dritten Stroms oder einer dritten Leistung an einer dritten Stelle des Energieversorgungsnetzes (400),
Durchführen des Vergleichs unter Berücksichtigung der an der dritten Stelle erfassten Größe.
15. Verfahren Anspruch 13 oder 14, wobei eine Moduleinheit (DS1, DS2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ein Verbund
(10) nach Anspruch 11 oder ein Verbund (10) nach Anspruch 12 verwendet wird.
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