WO2015086666A1 - Vorrichtung zur auslösung eines trennschalters für fahrzeuge - Google Patents

Vorrichtung zur auslösung eines trennschalters für fahrzeuge Download PDF

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WO2015086666A1
WO2015086666A1 PCT/EP2014/077188 EP2014077188W WO2015086666A1 WO 2015086666 A1 WO2015086666 A1 WO 2015086666A1 EP 2014077188 W EP2014077188 W EP 2014077188W WO 2015086666 A1 WO2015086666 A1 WO 2015086666A1
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fuse
line
control
magnetic field
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PCT/EP2014/077188
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Inventor
Josef Krammer
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/007—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current with galvanic isolation between controlling and controlled circuit, e.g. transformer relay
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit
    • H01H71/125—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit characterised by sensing elements, e.g. current transformers
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications

Definitions

  • the invention relates to a device for securing high-voltage electrical connections, especially in vehicles.
  • HV on-board networks In hybrid and electric vehicles, fuses are typically used in high-voltage on-board networks (HV on-board networks).
  • Fuses are used to protect individual lines (with different currents and cable cross-sections) of the vehicle electrical system.
  • a battery of the vehicle to different consumers (e.g., air conditioning, etc.) of the vehicle and / or transport of electrical energy from a generator (e.g., a charger, a generator, ...) of the vehicle to the battery of the vehicle.
  • a generator e.g., a charger, a generator, Certainly of the vehicle to the battery of the vehicle.
  • the battery of the vehicle is
  • a separate "fuse distributor” could be provided with electrical fuses (e.g., fuses) for the various strands of wire.
  • Fuse distributor would, however, lead to an increased cabling effort (and thus to increased costs, increased weight and increased space requirements) in the
  • fuses which are located within the existing components, typically can not be replaced during service operation, since corresponding openings on the existing components for the
  • Fuse replacement due to numerous requirements such. HV protection, tightness, adequate accessibility, etc., would be very expensive. Therefore, in a triggered fuse, typically the entire existing component is replaced, although otherwise the component is functional because the reason for triggering the fuse is typically located elsewhere in the on-board network (e.g., on a defective cable).
  • the present document describes an apparatus and a method for securing a wiring harness in a HV electrical system of a vehicle.
  • reliable triggering a backup of the wiring harness is ensured.
  • a fuse for interrupting a line is described.
  • the line may be a line of a HV electrical system of a vehicle (e.g., a passenger car or a truck or a motorcycle).
  • the vehicle may be a vehicle with an electric motor for driving the vehicle.
  • the fuse may be used to protect a line-connected component (e.g., a consumer of the vehicle) from excessive current.
  • the fuse comprises a line coil which is adapted to be flowed through a line current on the line and thereby a
  • the line current on the line can generate a magnetic field from the line coil.
  • the Securing a control coil that is magnetically coupled to the line coil.
  • the line coil and the control coil can be interconnected by a magnetically conductive core.
  • the control coil can be flowed through by a control current and thereby influence the magnetic field (in particular a field strength of the magnetic field).
  • the line coil may comprise a smaller number of turns than the
  • Control coil This makes it possible that even with a relatively small control current, a magnetic field can be generated, which is the same
  • Magnitude has as the magnetic field generated by the line current.
  • the fuse further includes a circuit breaker configured to interrupt the line in response to a field strength of the magnetic field.
  • the line is interrupted (e.g., by opening the
  • Disconnect switch when the field strength of the magnetic field exceeds a predefined field strength threshold value.
  • the field strength threshold typically corresponds to a tripping current threshold of the line current.
  • the fuse comprises a control unit which is adapted to determine (and possibly also to generate) a control current through the control coil in order to change the field strength of the magnetic field and thus to cause or to prevent a disconnection of the line by the disconnector.
  • the control unit can be powered by a low-voltage network of the vehicle (eg a 12V network of the vehicle) with electrical energy. Through the line coil and the control coil there is a galvanic isolation between the HV network and the NV network.
  • the control unit may be an analog or digital electronic circuit with or without software.
  • control unit enables the implementation of precise and / or complex tripping characteristics.
  • the fuse may comprise means for measuring the field strength of the magnetic field (e.g., a Hall sensor).
  • the control unit can be set up
  • the control unit can be set up
  • control current such that the (absolute) field strength is less than or equal to a predefined field strength threshold (e.g., zero).
  • a predefined field strength threshold e.g., zero
  • the control current can be determined such that the (absolute) field strength of the magnetic field is adjusted to a certain predefined field strength value (e.g., zero value).
  • control current can be used to check whether the line current has exceeded a predefined trip current threshold, and therefore the fuse should be tripped to break the line.
  • the control unit may be configured one of the control stream
  • derived signal (e.g., a boosted control current) with a
  • Trip current threshold to compare may be an indicator of the line current.
  • the control unit may be configured to determine the control current such that the magnetic field generated by the line coil is attenuated when the derived signal is smaller than the tripping current threshold value.
  • control unit may be configured to determine the control current such that the magnetic field generated by the line coil is amplified when the derived signal is greater than the tripping current threshold value. By amplifying the magnetic field, a release of the fuse can be supported, thereby ensuring a reliable triggering of the fuse.
  • the control unit may be configured to determine if that is from the
  • Control current derived signal is at or above the tripping current threshold for at least a predefined period of time.
  • control unit may be configured to determine the control current such that the magnetic field generated by the line coil is amplified (only) if the derived signal is at or above the tripping current threshold for at least the predefined period of time. If the condition is not present, the magnetic field generated by the line coil can be damped.
  • Components are considered in terms of overcurrents. In particular, tripping due to short-term current spikes can be avoided.
  • the fuse may be configured such that the magnetic field (exclusively) generated by the line current causes the line to break through the circuit breaker when the line current reaches or exceeds a default threshold.
  • the default threshold may be less than or equal to the above tripping current threshold. It can thus be ensured that when the default threshold value is reached (also at Failure of the control unit and the control current) the fuse is triggered.
  • the default threshold value is typically less than a predefined acceptable operating current of a component that is supplied via the line with electrical current, and less than a maximum operating current of the line to the component.
  • the acceptable operating current may be the operating current for which the component was designed.
  • the acceptable operating current can be time-dependent. The design of the fuse with respect to a default threshold value ensures that no damage to the component takes place even if the control unit fails.
  • the component may have a typical operating current that is less than the acceptable operating current of the component.
  • the typical operating current may correspond to an operating current at which the component is typically operated.
  • the typical operating current can be time-dependent.
  • the default threshold may be less than the typical operating current.
  • the control unit may be configured to determine the control current such that the circuit breaker interrupts the line at a line current that is higher than the typical operating current and smaller than the acceptable operating current.
  • the tripping current threshold may be chosen to be higher than the typical operating current and less than the acceptable operating current.
  • the controller provides the desired overcurrent protection (i.e., for currents beyond the reasonable operating current) while providing reliable protection in the event of a controller failure.
  • an apparatus for detecting a fault current through a load comprises a first fuse described in this document, which lies on a line leading to the load.
  • the first backup is set up in this document described manner to determine a first control current.
  • the device comprises a second fuse described in this document on a line leading away from the load.
  • the second fuse is arranged to determine a second control current as described in this document.
  • the device includes a comparison unit configured to compare the first and second control currents and to detect a fault current on the load based on the comparison.
  • the first and second control currents represent indicators of the line currents on the line to the load, respectively, on the line away from the load
  • Control currents thus a fault current in the load (to ground) can be detected.
  • the detection of a fault current can lead to triggering of the first and / or second fuse.
  • a vehicle is described that includes the fuse described in this document.
  • a method is described.
  • the method can be carried out, for example, by a control unit and / or fuse described in this document.
  • the described method comprises
  • SW software program
  • the SW program can be set up to run on a processor and thereby perform the method described in this document.
  • the storage medium may comprise a SW program which is set up be executed on a processor, and thereby perform the method described in this document.
  • Figure la is a block diagram of an exemplary fuse
  • Figure lb is another block diagram of an exemplary fuse
  • FIG. 2 shows exemplary currents in a fuse
  • FIG. 3 is a block diagram of an exemplary reset mechanism
  • FIG. 4 a shows an example current-time diagram for a fuse
  • FIG. 4b shows an exemplary circuit diagram of a fuse for implementing the current-time diagram shown in FIG. 4a;
  • FIG. 5a shows an exemplary device for determining a fault current
  • FIG. 5b shows an exemplary device for securing fault currents
  • FIG. 6 shows an example current-time diagram for a fuse, which is a fuse
  • the present document describes an apparatus and a method for securing a wiring harness in a HV electrical system of a vehicle.
  • a reliable triggering a backup of Line s strand guaranteed. Furthermore, a reset and thus a reuse of the backup is possible.
  • the household electromechanical circuit breakers have the advantage that they after a release of the fuse and after elimination of the cause of the triggering
  • Electromechanical circuit breakers can but in
  • Vehicles are typically not used because they can be triggered by movements of the vehicle (vibrations, accelerations, etc.) unintentionally.
  • Short circuit When short circuit usually very high currents occur, which should be switched off very quickly. Possible trigger mechanisms of a fuse that respond to a short circuit are melting the fuse or triggering a magnetic switch.
  • Overload If enabled, increased currents (possibly slightly) occur above a rated current of the fuse. The increased currents may last for relatively long periods of time. Due to the thermal inertia of the systems (cables, connectors, etc.), a shutdown is typically much less time-critical than a short circuit. Possible
  • Shutter release mechanisms that respond to overload are melting a wire or heating a bimetallic contact.
  • the fuse of a line should also be able to trigger without its own, additional, electrical energy supply. This should especially be the case in the case of a short circuit when the voltage is between the phases in the electrical system is zero. The triggering should therefore take place exclusively via the current flow in the line to be protected. In other words, the energy to trigger the fuse should if possible from the
  • electromagnetic circuit breakers have the disadvantage that they are sensitive to shocks typical in the vehicle. This is especially because near the tripping threshold of the fuse (ie, the triggering operation current) already the magnetic force has a relatively high effect on the circuit breaker of the fuse. If a corresponding mechanical acceleration (vibration) occurs to the magnetic force, the mechanical and the magnetic force can act in total and lead to a triggering of the fuse, although the current is still below the triggering threshold. Thus, from the household known electromagnetic circuit breakers can not be used reliably in vehicles.
  • Figure la shows a block diagram of an exemplary fuse
  • the fuse 100 comprises means 102 for measuring the current 111 through the line 107.
  • the line 107 typically belongs to the vehicle's HV electrical system.
  • the means 102 for measuring the current 111 (also referred to as line current Is) may be, for example, a measuring resistor, the voltage drop across the measuring resistor being an indicator of the line current 111.
  • the means 102 for measuring the current 111 may be, for example, a measuring resistor, the voltage drop across the measuring resistor being an indicator of the line current 111.
  • the means 102 for measuring the current 111 may be, for example, a measuring resistor, the voltage drop across the measuring resistor being an indicator of the line current 111.
  • the means 102 for measuring the current 111 may be, for example, a measuring resistor, the voltage drop across the measuring resistor being an indicator of the line current 111.
  • Fuse 100 means 103 for measuring the strength of a magnetic field ⁇ 112 through the coils Li 104 and L 2 105 of the fuse 100 include.
  • the means 103 of the magnetic field 112 may be, for example, a Hall sensor.
  • the fuse 106 includes a switch 106 (also as
  • Disconnector designated), which is adapted to interrupt the line current 111 on the line 107.
  • the switch 106 is configured by the
  • Magnetic field 112 to be opened the switch 106 opens when the magnetic field 112 exceeds a predefined trip threshold.
  • the magnetic field 112 may be generated by the first coil 104 and / or the second coil 105 of the fuse 100.
  • the first coil 104 also referred to as line coil 104
  • the second coil 105 also referred to as control coil 105
  • a trigger of the switch 106 may be magnetically coupled together.
  • a common core of relatively high permeability or magnetic conductivity may be used.
  • the control spool 105 includes a higher number of
  • Windings than the line coil 104 also with, in comparison to the
  • the fuse 100 further comprises a control unit 101.
  • the control unit 101 may be connected to a low-voltage (NV) network 110 of the vehicle.
  • NV low-voltage
  • the control unit 101 can be supplied with electric power through a vehicle NV network 110 (eg, a 12V network) of the vehicle.
  • the control unit 101 may be configured to receive an indicator for the line current 111 from the current measuring means 102 and / or an indicator for the magnetic field 112 from the magnetic field measuring means 103.
  • the control unit 101 may be configured to control the control current
  • Control coil 105 to determine about the
  • Control current to manipulate the magnetic field 112 (in particular to amplify or attenuate).
  • FIG. 1b shows a fuse 100 which has a means 103 for measuring the
  • the control of the control coil L 2 105 can be such (by the
  • Control unit 101 take place, that the magnetic flux ⁇ 112 disappears and thus no magnetic force is generated on the circuit breaker 106.
  • the control unit 101 may be configured to
  • the magnetic field in the coils 104, 105 is dependent on the windings ni and n 2 of the first and second coils 104, 105.
  • control unit 101 is set up to determine the field strength ⁇ from the means 103 for measuring the magnetic field 112.
  • the control unit 101 is further configured to change the control current I 2 in such a way that the field strength ⁇ is less than or equal to the predefined safety threshold value ⁇ 5 , ie ⁇ ⁇ 5 .
  • control current I 2 which is set to control the field strength ⁇ to a certain value (eg to the value 0), is an indicator of the
  • the ratio - can be chosen small by a suitable choice of the number of turns and / or the length of the coils, so that the control current I 2 compared to the line current I s is small, and thus the required for controlling the fuse 100 electrical energy is small.
  • "n 2 can be selected (eg with the same coil lengths or equal lengths of the air gap of the magnetic circuit).
  • Figure 2 shows an exemplary control of the control coil 105 and an exemplary release of the circuit breaker 106 in dependence on the
  • Line current 111 In particular, Figure 2 shows the line current 111, 211, which increases with time 201 and finally exceeds the tripping current threshold 210 I threshold. With increasing line current 211, the field strength 212 of the magnetic field 112 would also increase. However, the control unit 101 is configured to determine the control current 213 by the control coil 105 such that the field strength 212 (in the case where the line current 211 is the
  • the control stream 213 is therefore also referred to in this document as
  • control current 113, 213 is typically proportional to the line current 111, 211 due to the control by the control unit 101.
  • control unit 101 can be made of the
  • control unit 101 may be configured to generate a control current 113, 213 that amplifies the field strength ⁇ ⁇ , when it is determined that the
  • Line current 113, 213 has reached or exceeded the trip current threshold 210. This is shown in FIG. In the case illustrated in FIG. 2, the control unit 101 generates an inverted control current 213 with an amplification current intensity I max 214. If the control current I 2 exceeds a threshold corresponding to the tripping current threshold value 210, the polarity reversal (and possibly amplification) of I 2 a trip of the disconnector initiated. By reversing the control current 213, the field strength ⁇ - L of the magnetic field of the line coil 104 is no longer compensated but amplified, resulting in a sum field strength ⁇ 212, which is well above the tripping threshold for the circuit breaker 106. This can ensure that reliable triggering of the switch 106 is ensured even in the presence of mechanical forces in the vehicle, which counteract the triggering of the switch 106.
  • fuse 100 is bidirectional, i. can be used for positive and / or negative line currents 1 1 1.
  • the inversion of the line current 1 1 1 leads to a reversal of the magnetic field 1 12, which in turn leads to a reversal of the control current 1 13.
  • the tripping accuracy of the fuse 100 depends only on the accuracy of the determination of the sum field strength ⁇ 212 and the
  • the fuse 100 can be triggered with very high accuracy.
  • the triggering is independent of the temperature of the fuse 100.
  • the circuit breaker 106 should remain in a stable position in both positions (ie open and closed). In particular, the should
  • Isolation switch 106 which occur in a vehicle vibrations in these positions (without the action of an electro-magnetic force) exist. This can be achieved by suitable mechanical solutions (e.g., by mechanical springs).
  • the fuse 100 i.
  • the control unit 101 may be configured to allow for a certain predefined period of time (in particular, for a short time) a line current 1 1 1, which goes beyond the tripping current threshold 210 Ischwelle addition. In other words, there can be a limited time
  • Threshold exceedances are tolerated, and temporarily a higher one Threshold allowed.
  • the control unit may be adapted 101, 210 Ischwelle f ur to increase the tripping current threshold a certain period, and thus to compensate temporarily for excessive line currents 1 1 1, the magnetic field by a suitable control current 1. 13
  • the behavior of the fuse 100 can be adapted to systems with high peak currents and low average currents.
  • the fuse 100 also ensures a malfunction of the control unit 101, e.g. In the event of a power failure, reliable triggering of the disconnect switch 106 thus provides a so-called "fail save" state.
  • a failure of the control unit 101 results in an interruption of the magnetic field compensation 1 1 1 to trigger the disconnector 106.
  • premature tripping may occur (eg due to vibrations in the circuit breaker)
  • the release of the circuit breaker 106 via the control current I 2 1 13 and the corresponding triggering threshold is defined.
  • the tripping characteristic of the application of the fuse 100 can be adjusted.
  • the fuse 100 has no electrical connection between the path 107 to be protected (of the HV on-board network) and the control electronics 101 and the coil L 2 105 (of the vehicle's on-board network).
  • a galvanic isolation between HV line and control is given.
  • FIG. 3 shows selected portions of an exemplary fuse 300 that may be reset after a trip.
  • FIG. 3 shows selected portions of an exemplary fuse 300 that may be reset after a trip.
  • FIG. 3 shows a first magnetic circuit with the first magnetic field 112 generated by the line coil 104 and by the control coil 105. Furthermore, FIG. 3 shows a second magnetic circuit with a second magnetic field 312, which is generated by a reset coil L 3 304. Furthermore, FIG. 3 shows a movable component 306 which is magnetically coupled respectively to the first and second magnetic fields 112, 312 and which is arranged to open the disconnect switch 106 (in the dashed position) or to close it (in the filled position) ). The movable component 306 is typically bistable with the two positions shown in FIG.
  • the control unit 101 may be configured to also drive the reset coil 304.
  • a reset current may be generated by the reset coil 304, thereby generating a magnetic field 312 that moves the movable component 306 to the position through which the magnetic field 312 moves
  • Disconnector 106 is closed (i.e., in the filled position shown in Figure 3).
  • the movable component 306 can be moved to the position that opens the disconnect switch 106 (i.e., the dashed line position in Fig. 3).
  • the fuse 300 can be reset after a trip again. This can be done in different ways.
  • the terminals of the reset coil L 3 304 may consist of the component in which the
  • the coil 304 can be controlled via a special adapter and the circuit breaker 106 can be reset.
  • the fuse 300 can be reset in a controlled manner (eg, by qualified service personnel).
  • the coil L 3 304 may be provided by a processor of the component in which the fuse 300 is installed (for example by the control unit 101). The initiation of the reset can take place via special commands, which are protected, for example, by special codes so that the effect of the fuse 300 can not be tampered with without authorization.
  • a mechanical reset can be carried out by a component led out of the component
  • Actuating mechanism be enabled.
  • FIG. 4a shows an exemplary current-time diagram 400 for a fuse 100, 300.
  • FIG. 4a shows an operating current 421 for the one of the
  • Fuse 100, 300 downstream, to be secured, system is designed.
  • FIG. 4 a shows an exemplary typical (and / or maximum) operating current 411 of FIG.
  • This typical operating current 411 is less than that
  • the operating current 411 is increased for short periods 201, which may be the case, for example, with electric motors due to a starting current.
  • the control unit 101 can be set up to monitor the time course of the time
  • Tripping current threshold 410 to realize.
  • the time profile of the tripping current threshold value 410 may be adapted to the time profile of the typical operating current 411 and to follow the time profile of the typical operating current 411 with a certain safety margin.
  • the time profile of the triggering current threshold 410 may be between the time profile of the typical operation of current 411 and the time profile of the operating current 421 for which the system to be protected is designed. In the example shown in FIG.
  • Periods T> T 0 at I a 416 may be configured such that the time course of the tripping current threshold 410 a predefined minimum margin 403 to the operating current 421 for which the system to be protected is designed.
  • the timing of tripping current threshold 410 corresponds to a fuse characteristic provided by the electronic-magnetic method described in this document.
  • FIG. 4 a further shows a fuse characteristic 406 which is provided by the fuse 100, 300 in the event of the failure of the control unit 101.
  • the fuse characteristic 406 is an electromagnetic fuse characteristic that results from the line current 111 (and without the action of a control current 113).
  • the fuse characteristic 406 typically has a minimum trip threshold (at a relatively low current 402) and a maximum trip threshold (at a relatively high current 402). These triggering thresholds are
  • Tripping threshold represents a tolerance range 407 of purely electro-magnetic tripping.
  • the electro-magnetic tripping typically has a certain inertia, which causes current surges to be shorter than one
  • Inertia period 405 do not lead to a trip fuse 100, 300.
  • the fuse 100, 300 may be configured such that the maximum trip threshold has a predefined minimum margin 404 to the operating current 421 for which the system to be protected is designed.
  • Minimum margin 404 can typically be set independent of the minimum margin 403.
  • FIG. 4b shows a block diagram of an exemplary electronic (in particular analog) realization of a control unit 101.
  • FIG. 4b further shows the FIG
  • Line coil 104 and the control coil 105 which are coupled together by a common magnetic core.
  • Figure 4b shows the means 103 for measuring the magnetic field generated by the coils 104, 105.
  • the means 103 for measuring the magnetic field may be a
  • the control unit 101 shown in FIG. 4b is set up to realize the profile of the tripping current threshold 410 shown in FIG. 4a.
  • the control unit may include a rectifier 431 configured to rectify the control current 113.
  • the control unit 101 can be used to protect positive and / or negative line currents 111.
  • the control unit 101 further comprises two comparators 432 and 433 (for example, operational amplifier) through which a comparison of the control current 113 with the two (on the control current converted) triggering threshold values I a and I b 416 can be made 415th
  • the measured control current 113 may be amplified by an amplifier 435 to the corresponding line current 111.
  • Tripping threshold I a 416 are determined, and by the comparator 432 can be determined whether the tripping threshold I a 416 is exceeded or not.
  • the tripping threshold I b 415 can be determined by the voltage divider with the resistors R lt R 2 , and by the
  • Comparator 433 can be determined whether the tripping threshold I b 415 is exceeded or not.
  • OR gate 434 causes one of the two
  • the Control unit 101 can be realized by analog circuit technology.
  • a digital signal processor for example the processor of the component in which the fuse 100, 300 is installed can also be used to implement the control unit 101.
  • the accuracy of the tripping thresholds I a 416 and I b 415 of the electronic-magnetic fuse 100, 300 is determined by the precision of the magnetic control to a certain value (eg zero) in the magnetic circuit of the coils 104 and 105, and by the tolerance of the resistors R lt R 2 , R 3 , ß 4 influenced.
  • the accuracy of the time response is determined by the components R 0 , C 0 of the RC
  • the accuracy can be increased with relatively simple means, e.g. can be specified by using a digital oscillator, the timing.
  • Control unit 101 the accuracy of the release of the fuse 100, 300 are set.
  • Figures 5a and 5b illustrate how two identical fuses 100, 300 on a two-phase line can be combined for additional residual current protection without changing the individual protection functions of the individual fuses 100, 300.
  • a line can be fused with a first fuse 501 before a load 503 and with a second fuse 502 after the load 503.
  • the first fuse 501 is flowed through the first line current / + and the second fuse 502 is through the second
  • Line current / _ flows through.
  • the line currents / + and / _ can be detected in the respective fuses 501, 502, in particular in the respective control units of the fuses.
  • a fault current 511 can be determined as a deviation between the detected line currents / + and / _.
  • FIG. 5b shows a block diagram of an exemplary arrangement 520 for
  • the two control units 521, 521 of the two fuses 501, 502 supply control currents / "+ and /" _, which the Line currents / + and / _ correspond.
  • a comparison unit 523 is arranged to compare the control currents I p + and I p _ (or signals derived therefrom) and to determine whether an absolute difference ⁇ l p + - I p _ ⁇ is equal to or greater than a predefined residual current Threshold iFehierMax- In other words, regardless of the tripping current of the fuses 501, 502, a more sensitive tripping threshold IpehierMax can be selected for the fault current Ipehier 511.
  • the two signals I p + and I p _ of the backup currents I + and L can be supplied to a comparative threshold circuit 523.
  • the result of the comparison can be the two individual fuses 501, 502
  • Link 434 be initiated to trip.
  • a fault current 511 triggering of the individual fuses 501, 502 are triggered (regardless of the actual height of the line currents / + and / _).
  • the electronic-magnetic fuse 100, 300 described in this document can be combined with a fuse.
  • Fuse can be ensured that at extreme line currents in any case, a separation of the line 107 takes place.
  • the electronic-magnetic fuse 100, 300 smaller critical line s streams.
  • the circuit breaker typically requires only a low separation capability.
  • the fuse may serve as a fuse for malfunction of the electronic-magnetic fuse 100, 300 (e.g., due to a clamped disconnect switch 106). This is shown in the current-time diagram in FIG. FIG. 6 shows exemplary operating currents 622, 621 for which different lines (with
  • the timing of the tripping current threshold 410 of the electronic-magnetic fuse 100, 300 ensures that before reaching the operating currents 622, 621, the respective line is disconnected.
  • a fuse (curve 610) ensures that, if no separation of the line through the electronic-magnetic fuse 100, 300 has been carried out, the line is separated by a certain line current through the fuse.
  • control unit 101 e.g., an electronic circuit
  • control unit 101 When the control unit 101 is an electronic circuit, e.g. by using methods such as trimming resistors, or by using a check-sum
  • the fuse currents (i.e., the line currents 111) may flow through the
  • Control unit 101 are measured.
  • the measured signals can be provided via an AD (analog to digital) conversion of a control SW.
  • AD analog to digital
  • FIGS. 5 a and 5 b show a combination of two fuses 50 1, 50 2 for realizing a residual current protection circuit. Here are more
  • Circuit optimizations with respect to the controllers 521, 522 are performed because there are redundancies in the two full fuses 501, 502 with approximately equal currents and characteristics.
  • the fuse 100, 300 described in this document provides a galvanically isolated signal with respect to the magnitude of the line s current 111 through the fuse 100, 300.
  • the possibility of additional backup triggering is provided.
  • a trigger threshold 406 below the typical operating current 411 of the downstream functional unit can be set. This can lead to a shutdown, although the maximum current of
  • Function unit is not reached. This may be useful, since there is already an error in the vehicle electrical system with the fault of the power supply 110 of the fuse 100.
  • the tripping caused by the tripping threshold 206 does not occur in fault-free operation, but prevents the fuse 100, 300 from being triggered too late in the event of a fault, triggering the fuse 100, 300 too late.
  • the electronic-magnetic fuse 100, 300 described in this document fulfills all necessary requirements for use in a vehicle.
  • the fuse described allows independence from the operating temperature, as well as a robustness against shocks and vibrations.
  • the fuse has further low tolerances regarding
  • Tripping current on which can also be compared in the manufacturing process. This allows for optimal design of the systems to be secured, e.g. can lead to smaller cable cross-sections, low weight, etc.
  • the fuses described thus make it possible to reduce the cost and weight of vehicles.
  • Fuse current This can e.g. used to perform software plausibility checks of the operating current.
  • the described method allows a galvanically isolated possibility of intervention for switching off due to further triggering signals, e.g. on the occurrence and detection of serious software errors or detection of a crash event.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sicherung von elektrischen Hochvolt Verbindungen, insbesondere in Fahrzeugen. Es wird eine Sicherung (100) zur Unterbrechung einer Leitung (107) beschrieben. Die Sicherung (100) umfasst eine Leitungsspule (104), die eingerichtet ist, durch einen Leitungsstrom (111) auf der Leitung (107) durchflossen zu werden und dadurch ein Magnetfeld (112) zu erzeugen. Weiter umfasst die Sicherung (100) eine Steuerungsspule (105), die mit der Leitungsspule (104) magnetisch gekoppelt ist, und einen Trennschalter (106), der eingerichtet ist, die Leitung (107) in Abhängigkeit von einer Feldstärke des Magnetfelds (112) zu unterbrechen. Außerdem umfasst die Sicherung (100) eine Steuereinheit (101), die eingerichtet ist, einen Steuerungsstrom (113) durch die Steuerungsspule (105) zu bestimmen, um die Feldstärke des Magnetfelds zu verändern, und damit eine Unterbrechung der Leitung (107) durch den Trennschalter (106) zu verursachen oder zu unterbinden.

Description

VORRICHTUNG ZUR AUSLÖSUNG EINES TRENNSCHALTERS FÜR FAHRZEUGE
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sicherung von elektrischen Hochvolt Verbindungen, insbesondere in Fahrzeugen.
5
Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden in Hochvolt-Bordnetzen (HV- Bordnetzen) typischerweise Schmelzsicherungen eingesetzt. Die
Schmelzsicherungen dienen zur Absicherung einzelner Leitungsstränge (mit unterschiedlichen Stromstärken und Leitungsquerschnitten) des Bordnetzes. Die
10 einzelnen Leitungsstränge dienen dem Transport von elektrischer Energie von
einer Batterie des Fahrzeugs zu unterschiedlichen Verbrauchern (z.B. Klima- Anlage, etc.) des Fahrzeugs und/oder dem Transport von elektrischer Energie von einem Erzeuger (z.B. einem Ladegerät, einem Generator, ...) des Fahrzeugs zu der Batterie des Fahrzeugs. Bei der Batterie des Fahrzeugs handelt es sich
15 typischerweise um eine Hochvolt-Batterie, bspw. mit einer Spannung von
mehreren 100V.
Für die verschiedenen Leitungsstränge könnte ein separater„Sicherungs- Verteiler" mit elektrischen Sicherungen (z.B. Schmelzsicherungen) für die
20 verschiedenen Leitungsstränge im Fahrzeug verwendet werden. Ein derartiger
Sicherungs- Verteiler würde aber zu einem erhöhten Verkabelungsaufwand (und damit zu erhöhten Kosten, erhöhtem Gewicht und erhöhtem Platzbedarf) im
Fahrzeug führen. Aus diesem Grund werden an bestehenden Komponenten des Fahrzeug (z.B. an der Leistungselektronik, an dem Ladegerät, etc.) zusätzliche
25 Stromanschlüsse angebracht (für zusätzliche Verbraucher bzw. Erzeuger des
Fahrzeugs) und mit Sicherungen für die Stromanschlüsse in den bestehenden
Komponenten versehen. Schmelzsicherungen, die sich innerhalb der bestehenden Komponenten befinden, lassen sich jedoch im Servicebetrieb typischerweise nicht austauschen, da entsprechende Öffnungen an den bestehenden Komponenten zum
Sicherungstausch aufgrund zahlreicher Auflagen wie z.B. HV-Schutz, Dichtheit, ausreichende Zugänglichkeit, etc., sehr aufwendig wären. Daher wird bei einer ausgelösten Sicherung typischerweise die gesamte bestehende Komponente ausgetauscht, obwohl die Komponente ansonsten funktionsfähig ist, da der Grund für die Auslösung der Schmelzsicherung typischerweise an einer anderen Stelle des Bordnetzes liegt (z.B. auf einem defekten Kabel).
Das vorliegende Dokument beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Sicherung von einem Leitungsstrang in einem HV-Bordnetz eines Fahrzeugs. Durch die beschriebene Vorrichtung und durch das beschriebene Verfahren wird eine zuverlässige Auslösung einer Sicherung des Leitungsstrangs gewährleistet. Desweiteren wird ein Zurücksetzten der Sicherung ermöglicht, was dazu führt, dass eine Fahrzeugkomponente, die die Sicherung umfasst, weiterverwendet werden kann.
Gemäß einem Aspekt wird eine Sicherung zur Unterbrechung einer Leitung beschrieben. Bei der Leitung kann es sich um eine Leitung eines HV-Bordnetzes eines Fahrzeugs (z.B. eines Personenkraftwagens oder eines Lastkraftwagens oder eines Motorrads) handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Fahrzeug um ein Fahrzeug mit einem Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs handeln. Die Sicherung kann dazu verwendet werden, eine über die Leitung angeschlossene Komponente (z.B. einen Verbraucher des Fahrzeugs) vor einem zu hohen Strom zu schützen.
Die Sicherung umfasst eine Leitungsspule, die eingerichtet ist, durch einen Leitungsstrom auf der Leitung durchflössen zu werden und dadurch ein
Magnetfeld zu erzeugen. Mit anderen Worten, der Leitungsstrom auf der Leitung kann anhand der Leitungsspule ein Magnetfeld erzeugen. Desweiteren umfasst die Sicherung eine Steuerungsspule, die mit der Leitungsspule magnetisch gekoppelt ist. Dazu können die Leitungsspule und die Steuerungsspule durch einen magnetisch leitenden Kern miteinander verbunden sein. Die Steuerungsspule kann durch einen Steuerungsstrom durchflössen werden und dadurch das Magnetfeld (insbesondere eine Feldstärke des Magnetfelds) beeinflussen. Die Leitungsspule kann dabei eine geringere Anzahl von Windungen umfassen als die
Steuerungsspule. Dadurch wird ermöglicht, dass auch mit einem relativ geringen Steuerungsstrom ein Magnetfeld erzeugt werden kann, das die gleiche
Größenordnung aufweist wie das durch den Leitungsstrom erzeugte Magnetfeld.
Die Sicherung umfasst weiter einen Trennschalter, der eingerichtet ist, die Leitung in Abhängigkeit von einer Feldstärke des Magnetfelds zu unterbrechen.
Typischerweise, wird die Leitung unterbrochen (z.B. durch Öffnung des
Trennschalters), wenn die Feldstärke des Magnetfelds einen vordefinierten Feldstärke- Schwell wert überschreitet. Bei Abwesenheit eines Steuerungsstroms entspricht der Feldstärke-Schwellwert typischerweise einem Auslösestrom- Schwellwert des Leitungsstroms. Somit wird bei einem Leitungsstrom, der den Auslösestrom-Schwellwert überschreitet, die Leitung durch den Trennschalter unterbrochen.
Desweiteren umfasst die Sicherung eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, einen Steuerungsstrom durch die Steuerungsspule zu bestimmen (und ggf. auch zu erzeugen), um die Feldstärke des Magnetfelds zu verändern, und damit eine Unterbrechung der Leitung durch den Trennschalter zu verursachen oder zu unterbinden. Die Steuereinheit kann durch ein NV-Netz des Fahrzeug (z.B. ein 12V Netz des Fahrzeugs) mit elektrischer Energie versorgt werden. Durch die Leitungsspule und die Steuerungsspule erfolgt eine galvanische Trennung zwischen HV-Netz und NV-Netz. Bei der Steuereinheit kann es sich um einen analogen oder digitalen elektronischen Schaltkreis mit oder ohne Software handeln. Durch die Verwendung einer Steuereinheit, die über die Steuerungsspule das auslösende Magnetfeld beeinflusst, kann eine zuverlässige Auslösung der
Sicherung gewährleistet werden. Außerdem ermöglicht die Verwendung einer Steuereinheit die Implementierung von präzisen und/oder komplexen Auslöse - Kennlinien.
Die Sicherung kann ein Mittel zur Messung der Feldstärke des Magnetfelds (z.B. einen Hallsensor) umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den
Steuerungsstrom in Abhängigkeit von der gemessenen Feldstärke des Magnetfelds zu bestimmen. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den
Steuerungsstrom derart zu bestimmen, dass die (absolute) Feldstärke kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Feldstärke-Schwellwert (z.B. null) ist. Mit anderen Worten, der Steuerungsstrom kann derart bestimmt werden, dass die (absolute) Feldstärke des Magnetfelds auf einen bestimmten vordefinierten Feldstärke wert reguliert wird (z.B. den Wert null).
Wie in diesem Dokument dargelegt, stellt der Steuerungsstrom, ggf. in
Zusammenhang mit der Feldstärke des Magnetfelds, einen Indikator für den Leitungsstrom dar. Somit kann der Steuerungsstrom dazu verwendet werden, zu prüfen, ob der Leitungsstrom einen vordefinierten Auslösestrom-Schwellwert überschritten hat, und daher die Sicherung ausgelöst werden sollte um die Leitung zu unterbrechen.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, ein von dem Steuerungsstrom
abgeleitetes Signal (z.B. einen verstärkten Steuerungsstrom) mit einem
Auslösestrom-Schwellwert zu vergleichen. Wie oben dargelegt, kann das abgeleitete Signal einen Indikator für den Leitungsstrom darstellen. Desweiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Steuerungsstrom derart zu bestimmen, dass das durch die Leitungsspule erzeugte Magnetfeld gedämpft wird, wenn das abgeleitete Signal kleiner als der Auslösestrom-Schwellwert ist.
Dadurch kann eine Auslösung der Sicherung unterbunden werden. Insbesondere kann ein ungewolltes Auslösen der Sicherung (z.B. durch Erschütterungen) vermieden werden. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Steuerungsstrom derart zu bestimmen, dass das durch die Leitungsspule erzeugte Magnetfeld verstärkt wird, wenn das abgeleitete Signal größer als der Auslösestrom-Schwellwert ist. Durch eine Verstärkung des Magnetfelds kann eine Auslösung der Sicherung unterstützt, und dadurch ein zuverlässiges Auslösen der Sicherung gewährleistet werden.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, festzustellen, ob das von dem
Steuerungsstrom abgeleitete Signal für mindestens einen vordefinierten Zeitraum bei oder über dem Auslösestrom-Schwellwert liegt. Desweiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Steuerungsstrom derart zu bestimmen, dass das durch die Leitungsspule erzeugte Magnetfeld (nur dann) verstärkt wird, wenn das abgeleitete Signal für mindestens den vordefinierten Zeitraum bei oder über dem Auslösestrom-Schwellwert liegt. Wenn die Bedingung nicht vorliegt, so kann das durch die Leitungsspule erzeugte Magnetfeld gedämpft werden. Durch die Berücksichtigung des vordefinierten Zeitraumes kann die Trägheit von
Komponenten in Bezug auf Überströme berücksichtigt werden. Insbesondere kann ein Auslösen aufgrund von kurzfristigen Stromspitzen vermieden werden.
Die Sicherung kann eine Rückstell-Spule umfassen, die eingerichtet ist, durch Aufbau eines Magnetfelds den Trennschalter zu schließen, um eine
Unterbrechung der Leitung aufzuheben. Dadurch kann eine Weiterverwendung der Sicherung nach Auslösen ermöglicht werden.
Die Sicherung kann derart ausgelegt sein, dass das (ausschließlich) durch den Leitungsstrom erzeugte Magnetfeld eine Unterbrechung der Leitung durch den Trennschalter verursacht, wenn der Leitungsstrom einen Default-Schwellwert erreicht oder übersteigt. Der Default-Schwellwert kann kleiner sein als oder gleich sein wie der oben genannte Auslösestrom-Schwellwert. Es kann somit sichergestellt werden, dass bei Erreichen des Default-Schwellwerts (auch bei Ausfall der Steuereinheit und des Steuerungsstroms) die Sicherung ausgelöst wird. Der Default-Schwellwert ist typischerweise kleiner als ein vordefinierter vertretbarer Betriebsstrom einer Komponente, die über die Leitung mit elektrischem Strom versorgt wird, bzw. kleiner als ein maximaler Betriebsstrom der Leitung zur Komponente. Bei dem vertretbaren Betriebsstrom kann es sich um den Betriebsstrom handeln, für den die Komponente ausgelegt wurde. Der vertretbare Betriebsstrom kann zeitabhängig sein. Durch die Auslegung der Sicherung in Bezug auf einen Default-Schwellwert wird gewährleistet, dass auch bei Ausfall der Steuereinheit keine Schädigung der Komponente erfolgt.
Die Komponente kann einen typischen Betriebsstrom aufweisen, der kleiner als der vertretbare Betriebsstrom der Komponente ist. Der typische Betriebsstrom kann einem Betriebsstrom entsprechen, bei dem die Komponente typischerweise betrieben wird. Der typische Betriebsstrom kann zeitabhängig sein. Der Default- Schwellwert kann kleiner sein als der typische Betriebsstrom. Das führt dazu, dass ein Ausfall der Steuereinheit direkt zu einer Auslösung der Sicherung führt (wenn die Komponente bei oder über dem typischen Betriebsstrom betrieben wird). Andererseits kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Steuerungsstrom derart zu bestimmen, dass der Trennschalter die Leitung bei einem Leitungsstrom unterbricht, der höher ist als der typische Betriebsstrom und kleiner ist als der vertretbare Betriebsstrom. Mit anderen Worten, der Auslösestrom-Schwellwert kann so gewählt werden, dass er höher als der typische Betriebsstrom und kleiner als der vertretbare Betriebsstrom ist. Somit wird durch die Steuereinheit der gewünschte Schutz vor Überstrom (d.h. für Ströme jenseits des vertretbaren Betriebsstroms) bereitgestellt, und gleichzeitig ein zuverlässiger Schutz bei Ausfall der Steuereinheit gewährleistet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erkennung eines Fehlerstroms durch eine Last beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine erste in diesem Dokument beschriebene Sicherung, die auf einer Leitung liegt, die zu der Last führt. Die erste Sicherung ist eingerichtet, in der in diesem Dokument beschriebenen Weise, einen ersten Steuerungsstrom zu bestimmen. Desweiteren umfasst die Vorrichtung eine zweite in diesem Dokument beschriebene Sicherung auf einer Leitung, die von der Last weg führt. Die zweite Sicherung ist eingerichtet, in der in diesem Dokument beschriebenen Weise, einen zweiten Steuerungsstrom zu bestimmen. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Vergleichseinheit, die eingerichtet ist, den ersten und zweiten Steuerungsstrom zu vergleichen, und anhand des Vergleichs einen Fehlerstrom an der Last zu erkennen. Wie in diesem Dokument beschrieben, stellen die ersten und zweiten Steuerungsströme Indikatoren für die Leitungsströme auf der Leitung zu der Last, respektive auf der Leitung von der Last weg dar. Durch einen Vergleich der
Steuerungsströme kann somit ein Fehlerstrom in der Last (zur Masse) detektiert werden. Die Detektion eines Fehlerstroms kann zu einem Auslösen der ersten und/oder zweiten Sicherung führen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug beschrieben, dass die in diesem Dokument beschriebene Sicherung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren beschrieben. Das Verfahren kann beispielsweise durch eine in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit und/oder Sicherung ausgeführt werden. Das beschriebene Verfahren umfasst
Merkmale, die den Merkmalen der in diesem Dokument beschriebenen Sicherung entsprechen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
Figur la ein Blockdiagram einer beispielhaften Sicherung;
Figur lb ein weiteres Blockdiagram einer beispielhaften Sicherung;
Figur 2 beispielhafte Ströme in einer Sicherung;
Figur 3 ein Blockdiagram eines beispielhaften Rücksetz-Mechanismus;
Figur 4a ein beispielhaftes Strom-Zeitdiagram für eine Sicherung;
Figur 4b ein beispielhaftes Schaltungsdiagram einer Sicherung zur Realisierung des in Figur 4a gezeigten Strom-Zeitdiagrams;
Figur 5a eine beispielhafte Vorrichtung zur Ermittlung eines Fehlerstroms;
Figur 5b eine beispielhafte Vorrichtung zur Sicherung von Fehlerströmen; und
Figur 6 ein beispielhaftes Strom-Zeitdiagram für eine Sicherung, welche eine
Kombination aus einer elektronisch-mechanischen Sicherung und einer
Schmelzsicherung umfasst.
Wie eingangs dargelegt, beschreibt das vorliegende Dokument eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Sicherung von einem Leitungsstrang in einem HV- Bordnetz eines Fahrzeugs. Durch die beschriebene Vorrichtung und durch das beschriebene Verfahren wird eine zuverlässige Auslösung einer Sicherung des Leitung s Strangs gewährleistet. Desweiteren wird ein Zurücksetzten und damit eine Wiederverwendung der Sicherung ermöglicht.
Als eine Alternative zur Verwendung von Schmelzsicherungen in Fahrzeugen könnte die Verwendung von elektromechanischen Sicherungsautomaten in
Betracht gezogen werden. Die im Haushalt gebräuchlichen elektromechanischen Sicherungsautomaten haben den Vorteil, dass sie nach einer Auslösung der Sicherung und nach einer Beseitigung der Ursache für das Auslösen der
Sicherung wieder zurückgesetzt werden können und ihre Funktion wieder ausführen können. Elektromechanische Sicherungsautomaten können aber in
Fahrzeugen typischerweise nicht eingesetzt werden, da sie durch Bewegungen des Fahrzeugs (Vibrationen, Beschleunigungen, etc.) ungewollt ausgelöst werden können.
Bzgl. der Absicherungsfunktion einer Leitungs-Sicherung lassen sich
typischerweise folgende unterschiedlichen Anwendungsfälle betrachten:
1. Kurzschluss: Beim Kurzschluss treten in der Regel sehr hohe Ströme auf, die sehr schnell abgeschaltet werden sollten. Mögliche Auslösemechanismen einer Sicherung, die auf einen Kurzschluss reagieren, sind das Schmelzen der Sicherung oder die Auslösung eines Magnetschalters.
2. Überlast: Bei Überlasst treten (ggf. geringfügig) erhöhte Ströme oberhalb eines Bemessungsstromes der Sicherung auf. Die erhöhten Ströme können über relativ lange Zeiträume andauern. Aufgrund der thermischen Trägheit der Systeme (Leitungen, Stecker, etc.) ist eine Abschaltung typischerweise deutlich weniger zeitkritisch als bei einem Kurzschluss. Mögliche
Auslösemechanismen einer Sicherung, die auf eine Überlast reagieren, sind das Schmelzen eines Drahts oder die Erwärmung eines Bimetall-Kontakts.
Die Sicherung einer Leitung sollte nach Möglichkeit auch ohne eigene, zusätzliche, elektrische Energieversorgung Auslösen können. Dies sollte insbesondere auch bei Kurzschluss der Fall sein, wenn die Spannung zwischen den Phasen im Bordnetz null ist. Die Auslösung sollte daher ausschließlich über den Stromfluss in der abzusichernden Leitung erfolgen. Mit anderen Worten, die Energie zum Auslösen der Sicherung sollte nach Möglichkeit aus dem
Überlaststrom und dem Spannungsabfall an der Sicherung selbst erfolgen.
Wie bereits eingangs dargelegt, kann die Verwendung von Schmelzsicherungen im Fahrzeug zum unnötigen Tausch von relativ teuren und schwierig zu tauschenden Komponenten des Fahrzeugs führen. Dadurch werden die
Reparaturkosten des Fahrzeugs erhöht.
Aufgrund der sehr unterschiedlichen Arbeitstemperaturen der verschiedenen Komponenten im Fahrzeug (typisch von -25 °C bis 125°C) sind auch die
Betriebstemperaturen der in den Komponenten verwendeten Sicherungen entsprechend breit gestreut. Dies führt dazu, dass die tatsächlichen Auslöseströme der Sicherungen in den verschiedenen Komponenten relativ stark variieren. Dies wiederum hat zur Folge, dass die abzusichernden Leitungen (insbesondere der Leitungsquerschnitt, die verwendeten Stecker, etc.) entsprechend des für die Sicherung bei Arbeitstemperatur tatsächlich vorliegenden Auslösestroms ausgelegt werden müssen. Dies führt zu erhöhtem Aufwand bei der
Dimensionierung der einzelnen Leitungen des Bordnetzes.
Wie bereits eingangs dargelegt, haben elektromagnetische Trennschalter den Nachteil, dass sie empfindlich gegenüber im Fahrzeug typischen Erschütterungen sind. Dies kommt insbesondere daher, dass nahe der Auslöseschwelle der Sicherung (d.h. beim auslösenden Betriebs ström) bereits die Magnetkraft eine relative hohe Wirkung auf den Trennschalter der Sicherung hat. Kommt zu der Magnetkraft eine entsprechende mechanische Beschleunigung (Erschütterung), können die mechanische und die magnetische Kraft in Summe wirken und zu einem Auslösen der Sicherung führen, obwohl der Strom noch unterhalb der Auslöseschwelle liegt. Somit können aus dem Haushalt bekannte elektromagnetische Trennschalter nicht verlässlich in Fahrzeugen verwendet werden.
Figur la zeigt ein Blockdiagram einer beispielhaften Sicherung oder
Sicherungsschaltung 100. Die Sicherung 100 umfasst Mittel 102 zur Messung des Stroms 111 durch die Leitung 107. Die Leitung 107 gehört typischerweise zum HV-Bordnetz eines Fahrzeugs. Bei den Mittel 102 zur Messung des Stroms 111 (auch als Leitungsstrom Is bezeichnet) kann es sich beispielsweise um einen Messwiderstand handeln, wobei der Spannungsabfall an dem Messwiderstand ein Indikator für den Leitungsstrom 111 ist. Alternativ oder ergänzend kann die
Sicherung 100 Mittel 103 zur Messung der Stärke eines Magnetfelds Φ 112 durch die Spulen Li 104 und L2 105 der Sicherung 100 umfassen. Bei den Mittel 103 des Magnetfelds 112 kann es sich beispielsweise um einen Hallsensor handeln. Desweiteren umfasst die Sicherung 106 einen Schalter 106 (auch als
Trennschalter bezeichnet), der eingerichtet ist, den Leitungsstrom 111 auf der Leitung 107 zu unterbrechen. Der Schalter 106 ist eingerichtet, durch das
Magnetfeld 112 geöffnet zu werden. Insbesondere öffnet der Schalter 106, wenn das Magnetfeld 112 einen vordefinierten Auslöse-Schwellwert überschreitet. Das Magnetfeld 112 kann durch die erste Spule 104 und/oder durch die zweite Spule 105 der Sicherung 100 erzeugt werden. Dazu können die erste Spule 104 (auch als Leitungsspule 104 bezeichnet), die zweite Spule 105 (auch als Steuerungsspule 105 bezeichnet), und ein Auslöser des Schalters 106 magnetisch miteinander gekoppelt sein. Zur magnetischen Kopplung kann ein gemeinsamer Kern mit relativ hoher Permeabilität oder magnetischer Leitfähigkeit verwendet werden. Typischerweise umfasst die Steuerungsspule 105 eine höhere Anzahl von
Windungen als die Leitungsspule 104, um auch mit, im Vergleich zu dem
Leitungsstrom 111 geringen, Steuerungsströmen durch die Steuerungsspule 105 einen signifikanten Einfluss auf die Feldstärke des Magnetfelds 112 zu haben. Die Sicherung 100 umfasst weiter eine Steuereinheit 101. Die Steuereinheit 101 kann an ein Niedervolt (NV) Netz 110 des Fahrzeugs angeschlossen sein. Mit anderen Worten, die Steuereinheit 101 kann durch ein NV Netz 110 (z.B. ein 12V Netz) des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, einen Indikator für den Leitungsstrom 111 von dem Mittel 102 zur Strommessung und/oder einen Indikator für das Magnetfeld 112 von dem Mittel 103 zur Magnetfeldmessung zu empfangen. Desweiteren kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, den Steuerungsstrom durch die
Steuerungsspule 105 zu steuern bzw. zu bestimmen, um über den
Steuerungsstrom das Magnetfeld 112 zu manipulieren (insbesondere zu verstärken oder zu dämpfen).
Figur lb zeigt eine Sicherung 100, die ein Mittel 103 zur Messung des
Magnetfelds 112 (aber kein Mittel 102 zur Messung des Leitungsstroms 111) umfasst. Die Ansteuerung der Steuerungsspule L2 105 kann derart (durch die
Steuereinheit 101) erfolgen, dass der magnetische Fluss Φ 112 verschwindet und damit keine magnetische Kraftwirkung auf den Trennschalter 106 erzeugt wird. Mit anderen Worten, die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, den
Steuerungsstrom I2 113 durch die Steuerungsspule L2 105 derart einzustellen, dass das Magnetfeld 112 durch die Spulen 104, 105 und an dem Schalter 106 null ist (oder zumindest kleiner als ein vordefinierter Sicherheits-Sch wellwert).
Das Magnetfeld in den Spulen 104, 105 ist abhängig von den Windungen ni und n2 der ersten und zweiten Spulen 104, 105. Insbesondere gilt für die Feldstärke Φχ des durch die Leitungsspule 104 erzeugten Magnetfelds Φχ = Is -, wobei die
Anzahl der Windungen der Leitungsspule 104 ist und wobei 1-L die Länge der Leitungsspule bzw. die Länge des Luftspaltes des Magnetkreises 104 ist. In analoger Weise gilt für die Feldstärke Φ2 des durch die Steuerungsspule 105 erzeugten Magnetfelds Φ2 = I2— , wobei n2 die Anzahl der Windungen der Steuerungsspule 105 ist und wobei 12 die Länge der Steuerungsspule bzw. die Länge des Luftspaltes des Magnetkreises 105 ist. Die Feldstärke des durch beide Spulen 104, 105 erzeugten Magnetfelds ergibt sich als Φ = Φχ + Φ2.
Wie bereits oben dargelegt, ist die Steuereinheit 101 eingerichtet, die Feldstärke Φ anhand der Mittel 103 zur Messung des Magnetfelds 112 zu ermitteln. Die Steuereinheit 101 ist weiter eingerichtet, den Steuerungsstrom I2 derart zu verändern, dass die Feldstärke Φ kleiner als oder gleich wie der vordefinierte Sicherheits-Schwellwert Φ5 ist, d.h. Φ < Φ5. Insbesondere kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, den Steuerungsstrom I2 derart zu verändern, dass die Feldstärke Φ = 0 ist. In diesem Fall ergibt sich
φ = φ1 + φ2 = Is -i + I2 -i = 0.
li
Somit ist der Steuerungsstrom I2 , der eingestellt wird, um die Feldstärke Φ auf einen gewissen Wert zu regeln (z.B. auf den Wert 0), ein Indikator für den
Leitungsstrom Is, z.B. I2 =— Is -—. Das Verhältnis -— kann durch geeignete Wahl der Anzahl der Windungen und/oder der Länge der Spulen klein gewählt werden, so dass der Steuerungsstrom I2 im Vergleich zum Leitungsstrom Is klein ist, und damit auch die zur Steuerung der Sicherung 100 erforderliche elektrische Energie klein ist. Insbesondere kann « n2 gewählt werden (z.B. bei gleichen Spulenlängen bzw. gleichen Längen des Luftspaltes des Magnetkreises).
Figur 2 zeigt eine beispielhafte Ansteuerung der Steuerungsspule 105 und eine beispielhafte Auslösung des Trennschalters 106 in Abhängigkeit von dem
Leitungsstrom 111. Insbesondere zeigt Figur 2 den Leitungsstrom 111, 211, der mit der Zeit 201 ansteigt und schließlich den Auslösestrom-Schwellwert 210 Ischwelle übersteigt. Mit steigendem Leitungsstrom 211 würde auch die Feldstärke 212 des Magnetfelds 112 steigen. Die Steuereinheit 101 ist jedoch eingerichtet, den Steuerungsstrom 213 durch die Steuerungsspule 105 derart zu bestimmen, dass die Feldstärke 212 (für den Fall, dass der Leitungsstrom 211 den
Auslösestrom-Schwellwert 210 nicht erreicht oder nicht übersteigt, d.h. für Is < Ischwelle °der Is ^ Ischwelle) nuil (oder bei einem definierten Wert) ist. Es ergibt sich somit ein analog zu dem Leitungsstrom 211 ansteigender
Steuerungsstrom 113, 213 durch den das von dem Leitungsstrom 211 erzeugte Magnetfeld 112 gedämpft wird (auf den definierten Feldstärke- Wert). Der Steuerungsstrom 213 wird daher auch in diesem Dokument als
Kompensationsstrom bezeichnet.
Wie oben dargelegt, ist der Steuerungsstrom 113, 213 aufgrund der Regelung bzw. Steuerung durch die Steuereinheit 101 typischerweise proportional zu dem Leitungsstrom 111, 211. Somit kann die Steuereinheit 101 aus dem
Steuerungsstrom 113, 213 den entsprechenden Leitungsstrom 111, 211 ermitteln (z.B. anhand eines Verstärkers). Insbesondere kann die Steuereinheit 101 überprüfen, ob der Leitungsstrom 211 den Auslösestrom-Schwellwert 210 erreicht oder übersteigt, d.h. ob Is > Ischwelle- Die Steuereinheit 101 kann weiter eingerichtet ein, die Kompensation des Magnetfelds der Leitungsspule 104 durch die Steuerungsspule 105 zu beenden, wenn ermittelt wird, dass der Auslösestrom- Sch well wert 210 erreicht oder überstiegen wird. Durch die Unterbrechung der Magnetfeld-Kompensation, entspricht die Feldstärke 212 des Magnetfelds 112 an dem Trennschalter 106 der Feldstärke Φχ = Is -, durch die bei Is > Ischwelle em Öffnen oder ein Auslösen des Trennschalters 106 verursacht wird.
Um ein zuverlässiges Auslösen des Trennschalters 106 zu gewährleisten, kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, einen, das die Feldstärke Φχ verstärkenden, Steuerungsstrom 113, 213 zu erzeugen, wenn ermittelt wird, dass der
Leitungsstrom 113, 213 den Auslösestrom-Schwellwert 210 erreicht oder überstiegen hat. Dies ist in Figur 2 dargestellt. In dem in Figur 2 dargestellten Fall, erzeugt die Steuereinheit 101 einen invertierten Steuerungsstrom 213 mit einer Verstärkungsstromstärke Imax 214. Wenn der Steuerungsstrom I2 eine dem Auslösestrom-Schwellwert 210 entsprechende Schwelle übersteigt, wird durch Umpolung (und ggf. Verstärkung) von I2 eine Auslösung des Trennschalters eingeleitet. Durch die Umkehrung des Steuerungsstroms 213 wird die Feldstärke Φ-L des Magnetfelds der Leitungsspule 104 nicht mehr kompensiert sondern verstärkt, was zu einer Summen-Feldstärke Φ 212 führt, die deutlich über dem Auslöse-Schwellwert für den Trennschalter 106 liegt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass auch bei Vorliegen von mechanischen Kräften im Fahrzeug, die der Auslösung des Schalters 106 entgegenwirken, ein zuverlässiges Auslösen des Schalters 106 gewährleistet wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Sicherung 100 bidirektional, d.h. für positive und/oder für negative Leitungsströme 1 1 1 einsetzbar ist. Die Umkehrung des Leitungsstroms 1 1 1 führt zu einer Umkehrung des Magnetfelds 1 12, was wiederum zu einer Umkehrung des Steuerungsstroms 1 13 führt.
Es ist weiter zu beachten, dass die Auslösegenauigkeit der Sicherung 100 nur von der Genauigkeit der Bestimmung der Summen-Feldstärke Φ 212 und der
Einstellung des Steuerungsstroms I2 abhängt. Somit kann die Sicherung 100 mit sehr hoher Genauigkeit ausgelöst werden. Dabei ist die Auslösung unabhängig von der Temperatur der Sicherung 100. Wie bereits oben dargelegt, sollte der Trennschalter 106 in beiden Stellungen (d.h. offen und geschlossen) in stabiler Lage verharren. Insbesondere sollte der
Trennschalter 106 die in einem Fahrzeug auftretenden Erschütterungen in diesen Positionen (ohne Einwirkung einer elektro-magnetischen Kraft) bestehen. Das kann durch geeignete mechanische Lösungen (z.B. durch mechanische Federn) erreicht werden.
Die Sicherung 100, d.h. insbesondere die Steuereinheit 101 , kann eingerichtet sein, für einen bestimmten vordefinierten Zeitraum (insbesondere kurzzeitig) einen Leitungsstrom 1 1 1 zuzulassen, der über den Auslösestrom-Schwellwert 210 Ischwelle hinaus geht. Mit anderen Worten, es kann zeitlich begrenzt eine
Schwellwertüberschreitung toleriert werden, und vorübergehend ein höherer Schwellwert zugelassen. Insbesondere kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, den Auslösestrom-Schwellwert 210 Ischwelle fur einen bestimmten Zeitraum zu erhöhen, und somit vorübergehend auch für überhöhte Leitungsströme 1 1 1 das Magnetfeld durch einen geeigneten Steuerungsstrom 1 13 zu kompensieren. Damit kann das Verhalten der Sicherung 100 an Systeme mit hohen Spitzenströmen und niedrigen Durschnittströmen angepasst werden.
Die Sicherung 100 gewährleistet auch bei einem Defekt der Steuereinheit 101 , z.B. bei einem Stromausfall, eine zuverlässige Auslösung des Trennschalters 106, und stellt somit einen sogenannten„Fail Save" Zustand bereit. Ein Ausfall der Steuereinheit 101 führt zu einer Unterbrechung der Magnetfeldkompensation. Auch in einem solchen Fall führt ein über den Auslösestrom-Schwellwert 210 hinausgehender Leitungsstrom 1 1 1 zu einer Auslösung des Trennschalters 106. Es kann jedoch aufgrund der fehlenden Magnetfeldkompensation zu einer frühzeitigen Auslösung kommen (z.B. aufgrund von Erschütterungen im
Fahrzeug).
In der Sicherung 100 wird die Auslösung des Trennschalters 106 über den Steuerungsstrom I2 1 13 und über die entsprechende Auslöseschwelle definiert. Somit kann durch entsprechende Schaltungsdimensionierung (Bestückung, Parameter-Kalibrierung, ...) einer analogen Steuereinheit 101 und/oder durch Programmierung einer digitalen Steuereinheit 101 die Auslösecharakteristik dem Anwendungsfall der Sicherung 100 angepasst werden. Wie aus den Figuren la und lb zu entnehmen ist, weist die Sicherung 100 keine elektrische Verbindung zwischen dem abzusichernden Pfad 107 (des HV- Bordnetzes) und der Steuerelektronik 101 und der Spule L2 105 (des NV- Bordnetzes) auf. Somit ist eine galvanische Trennung zwischen HV-Leitung und Steuerung gegeben. Figur 3 zeigt ausgewählte Teile einer beispielhaften Sicherung 300, die nach einem Auslösen zurückgesetzt werden kann. Figur 3 zeigt insbesondere einen ersten Magnetkreis mit dem ersten Magnetfeld 112, das durch die Leitungsspule 104 und durch die Steuerungsspule 105 erzeugt wird. Desweiteren zeigt Figur 3 einen zweiten Magnetkreis mit einem zweiten Magnetfeld 312, das durch eine Rücksetz-Spule L3 304 erzeugt wird. Desweiteren zeigt Figur 3 eine bewegliche Komponente 306, die jeweils mit dem ersten und dem zweiten Magnetfeldern 112, 312 magnetisch gekoppelt ist und die eingerichtet ist, den Trennschalter 106 zu öffnen (in der gestrichelt dargestellten Position) oder zu schließen (in der ausgefüllt dargestellten Position). Die bewegliche Komponente 306 ist typischerweise bistabil mit den beiden in Figur 3 dargestellten Positionen.
Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, auch die Rücksetz-Spule 304 anzusteuern. Zu diesem Zweck kann ein Rücksetz-Strom durch die Rücksetz - Spule 304 erzeugt werden, und dadurch ein Magnetfeld 312 erzeugt werden, das die bewegliche Komponente 306 in die Position bewegt, durch die der
Trennschalter 106 geschlossen wird (d.h. in die ausgefüllt dargestellte Position in Figur 3). Andererseits kann durch das oben dargelegte Verfahren mit dem ersten Magnetfeld 112 die bewegliche Komponente 306 in die Position bewegt werden, durch die der Trennschalter 106 geöffnet wird (d.h. in die gestrichelt dargestellte Position in Figur 3).
Somit kann über die Spule L3 304 die Sicherung 300 nach einer Auslösung wieder zurückgesetzt werden. Dies kann über unterschiedliche Wege geschehen. Die Anschlüsse der Rücksetz-Spule L3 304 können aus der Komponente, in der die
Sicherung 300 verbaut ist, auf eigene Stecker-Pins herausgeführt werden. So kann die Spule 304 über einen Spezialadapter angesteuert und der Trennschalter 106 zurückgesetzt werden. So kann nach Behebung der Ursache für die Auslösung der Sicherung 300 die Sicherung 300 in kontrollierter Weise (z.B. durch qualifiziertes Service Personal) zurückgesetzt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Spule L3 304 von einem Prozessor der Komponente, in der die Sicherung 300 verbaut ist, angesteuert werden (beispielsweise durch die Steuereinheit 101). Die Initiierung des Zurücksetzens kann über Spezialbefehle erfolgen, die z.B. durch spezielle Codes geschützt sind, um die Wirkung der Sicherung 300 nicht unbefugt manipulieren zu können. Alternativ oder ergänzend kann eine mechanische Rücksetzung durch einen aus der Komponente herausgeführten
Betätigungsmechanismus ermöglicht werden.
Figur 4a zeigt ein beispielhaftes Strom-Zeitdiagram 400 für eine Sicherung 100, 300. Insbesondere zeigt Figur 4a einen Betriebsstrom 421 für den ein der
Sicherung 100, 300 nachgelagertes, zu sicherndes, System ausgelegt ist.
Typischerweise weisen solche Systeme ein gewisse thermische Trägheit auf, so dass für kurze Zeiträume 201 ein erhöhter Strom 421 verarbeitet werden kann, ohne das System bleibend zu schädigen. Desweiteren zeigt Figur 4a einen beispielhaften typischen (und/oder maximalen) Betriebsstrom 411 des
nachgelagerten Systems. Dieser typische Betriebsstrom 411 ist kleiner als der
Strom 421, für den das System ausgelegt ist. In dem dargestellten Beispiel ist der Betriebsstrom 411 für kurze Zeiträume 201 erhöht, was beispielweise bei Elektromotoren aufgrund eines Anlaufstroms der Fall sein kann. Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, einen zeitlichen Verlauf des
Auslösestrom-Schwellwerts 410 zu realisieren. Wie in Figur 4a gezeigt kann der zeitliche Verlauf des Auslösestrom-Schwellwerts 410 an den zeitlichen Verlauf des typischen Betriebsstroms 411 angepasst sein, und dem zeitlichen Verlauf des typischen Betriebsstroms 411 mit einer gewissen Sicherheitsmarge folgen.
Insbesondere kann der zeitliche Verlauf des Auslösestrom-Schwellwerts 410 zwischen dem zeitlichen Verlauf des typischen Betriebs Stroms 411 und dem zeitlichen Verlauf des Betriebsstroms 421, für den das zu sichernde System ausgelegt ist, liegen. In dem in Figur 4a gezeigten Beispiel liegt der
Auslösestrom-Schwellwert 410 für Zeiträume T < T0 bei Ib 415 und für
Zeiträume T > T0 bei Ia 416. Die Sicherung 100, 300 kann derart konfiguriert sein, dass der zeitliche Verlauf des Auslösestrom-Schwellwerts 410 eine vordefinierte Mindestmarge 403 zu dem Betriebsstrom 421 aufweist, für den das zu sichernde System ausgelegt ist.
Der zeitliche Verlauf des Auslösestrom-Schwellwerts 410 entspricht einer durch das in diesem Dokument beschriebene, elektronisch-magnetische Verfahren bereit gestellten Sicherungskennlinie. Figur 4a zeigt weiter eine Sicherungskennlinie 406, die durch die Sicherung 100, 300 bei Ausfall der Steuereinheit 101 bereitgestellt wird. Bei der Sicherungskennlinie 406 handelt es sich um eine elektro-magnetische Sicherungskennlinie, die sich auf Basis des Leitungsstroms 111 (und ohne Einwirken eines Steuerungsstroms 113) ergibt. Die
Sicherungskennlinie 406 weist typischerweise eine minimale Auslöseschwelle (bei einem relativ niedrigen Strom 402) und eine maximale Auslöseschwelle (bei einem relativ hohen Strom 402) auf. Diese Auslöseschwellen liegen
typischerweise bei niedrigeren Strömen als die Auslösestrom-Schwellwerte 410. Die Differenz zwischen maximaler Auslöseschwelle und minimaler
Auslöseschwelle stellt einen Toleranzbereich 407 der rein elektro-magnetischen Auslösung dar. Die elektro-magnetische Auslösung weist typischerweise eine gewisse Trägheit auf, die dazu führt, dass Stromstöße die kürzer als ein
Trägheitszeitraum 405 sind, nicht zu einer Auslösung der Sicherung 100, 300 führen. Die Sicherung 100, 300 kann derart konfiguriert sein, dass die maximale Auslöseschwelle eine vordefinierte Mindestmarge 404 zu dem Betriebsstrom 421 aufweist, für den das zu sichernde System ausgelegt ist. Die vordefinierte
Mindestmarge 404 kann typischerweise unabhängig von der Mindestmarge 403 festgelegt werden.
Figur 4b zeigt ein Blockdiagram einer beispielhaften elektronischen (insbesondere analogen) Realisierung einer Steuereinheit 101. Weiter zeigt Figur 4b die
Leitungsspule 104 und die Steuerungsspule 105, die durch einen gemeinsamen magnetischen Kern miteinander gekoppelt sind. Außerdem zeigt Figur 4b das Mittel 103 zur Messung des durch die Spulen 104, 105 erzeugten Magnetfelds. Bei dem Mittel 103 zur Messung des Magnetfelds kann es sich um einen
Hallsensor handeln.
Die in Figur 4b gezeigte Steuereinheit 101 ist eingerichtet, den in Figur 4a gezeigten Verlauf des Auslösestrom-Schwellwerts 410 zu realisieren. Dazu kann die Steuereinheit einen Gleichrichter 431 umfassen, der eingerichtet ist, den Steuerungsstrom 113 gleichzurichten. Durch die Verwendung eines Gleichrichters 431 kann die Steuereinheit 101 zur Absicherung von positiven und/oder negativen Leitungsströmen 111 eingesetzt werden. Die Steuereinheit 101 umfasst weiter zwei Komparatoren 432 und 433 (z.B. Operationsverstärker), durch die ein Vergleich des Steuerungsstrom 113 mit den beiden (auf den Steuerungsstrom umgerechneten) Auslöseschwellwerten Ia 416 und Ib 415 vorgenommen werden kann. Alternativ kann, wie in Figur 4b gezeigt, der gemessene Steuerungsstrom 113 durch einen Verstärker 435 auf den entsprechenden Leitungsstrom 111 verstärkt werden.
Durch den Spannungsteiler mit den Widerständen R3, R4 kann der
Auslöseschwellwert Ia 416 festgelegt werden, und durch den Komparator 432 kann ermittelt werden, ob der Auslöseschwellwert Ia 416 überschritten wird oder nicht. In analoger Weise kann durch den Spannungsteiler mit den Widerständen Rlt R2 der Auslöseschwellwert Ib 415 festgelegt werden, und durch den
Komparator 433 kann ermittelt werden, ob der Auslöseschwellwert Ib 415 überschritten wird oder nicht. Dabei verzögert das RC-Glied aus dem Widerstand R0 und der Kapazität C0 einen Anstieg des (verstärkten) Steuerungsstroms 113 um die Zeitkonstante T0 = 1/R0 C0, so dass ein Anstieg des Steuerungsstroms 113 über den Auslöseschwellwert Ib 415 hinaus erst nach Ablauf von T0 von dem Komparator 433 detektiert wird.
Das ODER-Gatter 434 sorgt dafür, dass eine der beiden
Schwellwertüberschreitungen zu einer Umkehrung des Steuerungsstroms 113 und damit zu einer Auslösung der Sicherung 100, 300 führt. Somit kann die Steuereinheit 101 durch analoge Schaltungstechnik realisiert werden. Alternativ oder ergänzend kann auch ein digitaler Signalprozessor (z.B. der Prozessor der Komponente, in die die Sicherung 100, 300 eingebaut ist) zur Realisierung der Steuereinheit 101 verwendet werden.
Die Genauigkeit der Auslöseschwellen Ia 416 und Ib 415 der elektronischmagnetischen Sicherung 100, 300 wird durch die Präzision der magnetischen Regelung auf einen bestimmten Wert (z.B. Null) im Magnetkreis der Spulen 104 und 105, sowie durch die Toleranz der Widerstände Rlt R2, R3, ß4 beeinflusst. Die Genauigkeit des Zeitverhaltens wird durch die Komponenten R0, C0 des RC-
Glieds beeinflusst. Wenn erforderlich, kann die Genauigkeit mit relativ einfachen Mitteln gesteigert werden, z.B. kann durch Einsatz eines digitalen Oszillators das Zeitverhalten präzisiert werden. Somit kann durch Konfiguration der
Steuereinheit 101 die Genauigkeit der Auslösung der Sicherung 100, 300 eingestellt werden.
Figuren 5a und 5b veranschaulichen, wie zwei identische Sicherungen 100, 300 auf einer zweiphasigen Leitung zu einem zusätzlichen Fehlerstromschutz kombiniert werden können, ohne die einzelnen Schutzfunktionen der einzelnen Sicherungen 100, 300 zu verändern. Eine Leitung kann mit einer ersten Sicherung 501 vor einer Last 503 und mit einer zweiten Sicherung 502 nach der Last 503 abgesichert werden. Die erste Sicherung 501 wird durch den ersten Leitungsstrom /+ durchflössen und die zweite Sicherung 502 wird durch den zweiten
Leitungsstrom /_ durchflössen. Die Leitungsströme /+ und /_ können in den jeweiligen Sicherungen 501, 502, insbesondere in den jeweiligen Steuereinheiten der Sicherungen, erfasst werden. Dadurch kann ein Fehlerstrom 511 als eine Abweichung zwischen den erfassten Leitungsströmen /+ und /_ ermittelt werden.
Figur 5b zeigt ein Blockdiagram einer beispielhaften Anordnung 520 zur
Detektion eines Fehlerstroms 511. Die beiden Steuereinheiten 521, 521 der beiden Sicherungen 501, 502 liefern Steuerungsströme /„+ und /„_, die den Leitungsströmen /+ und /_ entsprechen. Eine Vergleichseinheit 523 ist eingerichtet, die Steuerungsströme Ip+ und Ip_ (oder davon abgeleitete Signale) zu vergleichen, und festzustellen, ob eine absolute Differenz \ lp +— Ip_ \ gleich ist wie oder größer ist als ein vordefinierter Fehlerstrom-Schwellwert iFehierMax- Mit anderen Worten, unabhängig von dem Auslösestrom der Sicherungen 501, 502 kann eine empfindlichere Auslöseschwelle IpehierMax für den Fehlerstrom Ipehier 511 gewählt werden. Dazu können die beiden Signale Ip+ und Ip_ der Sicherungsströme I+ und L einer vergleichenden Schwellwertschaltung 523 zugeführt werden. Das Ergebnis des Vergleichs kann den beiden Einzelsicherungen 501, 502
(insbesondere den beiden Steuereinheiten 521, 522) in die jeweilige ODER-
Verknüpfung 434 zur Auslösung eingeleitet werden. So kann bei Vorliegen eines Fehlerstroms 511 eine Auslösung der Einzelsicherungen 501, 502 angestoßen werden (unabhängig von der tatsächlichen Höhe der Leitungsströme /+ und /_). Die in diesem Dokument beschriebene elektronisch-magnetische Sicherung 100, 300 kann mit einer Schmelzsicherung kombiniert werden. Durch die
Schmelzsicherung kann sichergestellt werden, dass bei extremen Leitungsströmen auf jeden Fall eine Auftrennung der Leitung 107 erfolgt. Andererseits können durch die elektronisch-magnetische Sicherung 100, 300 kleinere kritische Leitung s ströme abgesichert werden. Der Trennschalter benötigt typischerweise nur eine niedrige Trennfähigkeit. Mit anderen Worten, die Schmelzsicherung kann als Absicherung für eine Fehlfunktion der elektronisch-magnetischen Sicherung 100, 300 (z.B. aufgrund eines eingeklemmten Trennschalters 106) dienen. Dies ist in dem Strom-Zeitdiagram in Figur 6 dargestellt. Figur 6 zeigt beispielhafte Betriebsströme 622, 621, für die unterschiedliche Leitungen (mit
2 2
2,5mm und mit 4mm Querschnitt) ausgelegt sind. Der zeitliche Verlauf des Auslösestrom-Schwellwerts 410 der elektronisch-magnetische Sicherung 100, 300 stellt sicher, dass vor Erreichen der Betriebsströme 622, 621, die jeweilige Leitung getrennt wird. Als weitere Sicherheitsstufe sorgt eine Schmelzsicherung (Verlauf 610) dafür, dass, falls keine Trennung der Leitung durch die elektronisch-magnetische Sicherung 100, 300 erfolgt ist, ab einem bestimmten Leitungsstrom die Leitung durch die Schmelzsicherung getrennt wird.
Zusammenfassend wird in diesem Dokument ein elektronisch-magnetisches Verfahren beschrieben, das die Nachteile von Schmelzsicherung und/oder von elektromechanischen Sicherungen vermeidet. Durch die Verlagerung der Auslöseeigenschaften auf eine Steuereinheit 101 (z.B. auf eine elektronische Schaltung), ergeben sich darüber hinaus zahlreiche Möglichkeiten:
• Eine vereinfachte Parametrierung der Sicherung 100 im Fertigungsprozess.
Wenn es sich bei der Steuereinheit 101 um eine elektronische Schaltung handelt, so kann z.B. durch Nutzung von Methoden, wie dem Trimmen von Widerständen, oder durch Verwendung von einer Check-Summen
abgesicherten Parametrierung über SW, die Zahl von unterschiedlichen HW- Varianten der Sicherung 100, 300 für unterschiedliche Anwendungen reduziert oder ganz vermieden werden.
• Die Sicherungsströme (d.h. die Leitungsströme 111) können durch die
Steuereinheit 101 gemessen werden. Die gemessenen Signale können über eine AD (Analog zu Digital) -Wandlung einer Steuerungs-SW zur Verfügung gestellt werden. Anhand der Steuerungs-SW kann z.B. eine Plausibilisierung der Ströme durchgeführt oder eine Systemdiagnose durchgeführt werden.
• Figuren 5 a und 5b zeigen eine Kombination zweier Sicherungen 501, 502 zur Realisierung einer Fehlerstromschutzschaltung. Hier können weitere
Schaltungsoptimierungen in Bezug auf die Steuereinheiten 521, 522 durchgeführt werden, da in den zwei vollständigen Sicherungen 501, 502 mit annähernd gleichen Strömen und Charakteristiken Redundanzen vorhanden sind.
• Durch die in diesem Dokument beschriebene Sicherung 100, 300 wird ein galvanisch getrenntes Signal bzgl. der Höhe des Leitung s Stroms 111 durch die Sicherung 100, 300 bereitgestellt. Außerdem wird die Möglichkeit einer zusätzlichen Sicherungsauslösung bereitgestellt. Bei fehlender Versorgungsspannung für die Sicherungselektronik 101 kann, wie in Figur 4a dargestellt, eine Auslöseschwelle 406 unterhalb des typischen Betriebsstromes 411 der nachgeschalteten Funktionseinheit festgelegt werden. Dies kann zu einer Abschaltung führen, obwohl der Maximalstrom der
Funktionseinheit nicht erreicht ist. Dies kann sinnvoll sein, da bereits mit dem Fehler der Stromversorgung 110 der Sicherung 100 ein Fehler im Bordnetz vorliegt. Die durch die Auslöseschwelle 206 verursachte Auslösung tritt im fehlerfreien Betrieb nicht auf, verhindert aber bei Vorliegen eines Fehlerfalls der Sicherung 100, 300 eine zu späte Auslösung der Sicherung 100, 300.
Die in diesem Dokument beschriebene elektronisch-magnetische Sicherung 100, 300 erfüllt alle notwendigen Anforderungen für den Einsatz in einem Fahrzeug. Insbesondere erlaubt die beschriebene Sicherung eine Unabhängigkeit von der Einsatztemperatur, sowie eine Robustheit gegenüber Erschütterungen und Vibrationen. Die Sicherung weist weiter geringe Toleranzen bzgl. des
Auslösestromes auf, die darüber hinaus noch im Fertigungsprozess abgeglichen werden können. Dies ermöglicht eine optimale Auslegung der zu sichernden Systeme, was z.B. zu kleineren Leitungsquerschnitten, geringem Gewicht, etc. führen kann. Die beschriebenen Sicherungen ermöglichen es somit die Kosten und das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren.
Es wurden außerdem Mittel beschrieben, mit der eine Rücksetzbarkeit der Sicherung über einen flexibel definierbaren Mechanismus erreicht werden kann. Es ist somit kein Tausch von Komponenten notwendig. Desweiteren ist die Funktion der in diesem Dokument beschriebenen Sicherungen auch bei fehlender Spannungsversorgung sichergestellt.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Parametrierung der
Auslösecharakterisik der Sicherung im Fertigungsprozess. Dabei ist die
Parametrierung unabhängig von mechanischen Randbedingungen. Daher besteht eine erhöhte Flexibilität bei der Generierung von Auslösekennlinien. Wie bereits oben dargelegt, ist die Elektronik der Sicherung vollständig galvanisch vom Sicherungspfad 107 getrennt. Dies erleichtert die
Implementierung, da weniger Sicherheitsanforderungen zu erfüllen sind.
Desweiteren ermöglicht das in diesem Dokument beschriebene Verfahren einen galvanisch getrennten Spannungsabgriff zur Messung des Leitungs- oder
Sicherungsstromes. Dies kann z.B. dazu verwendet werden, um Software- Plausibilisierungen des Betriebsstromes durchzuführen. Außerdem ermöglicht das beschriebene Verfahren eine galvanisch getrennte Eingriffsmöglichkeit zur Abschaltung aufgrund weiterer Auslöse-Signale, z.B. bei Auftreten und Erkennen von schwerwiegenden Software-Fehlern, oder bei Erkennung eines Crash- Ereignisses.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Ansprüche
1) Sicherung (100) zur Unterbrechung einer Leitung (107), wobei die Sicherung (100) umfasst
- eine Leitungsspule (104), die eingerichtet ist, durch einen
Leitungsstrom (111) auf der Leitung (107) durchflössen zu werden und dadurch ein Magnetfeld (112) zu erzeugen;
- eine Steuerungsspule (105), die mit der Leitungsspule (104)
magnetisch gekoppelt ist;
- einen Trennschalter (106), der eingerichtet ist, die Leitung (107) in
Abhängigkeit von einer Feldstärke des Magnetfelds zu unterbrechen; und
- eine Steuereinheit (101), die eingerichtet ist, einen Steuerungsstrom (113) durch die Steuerungsspule (105) zu bestimmen, um die Feldstärke des Magnetfelds zu verändern, und damit eine
Unterbrechung der Leitung (107) durch den Trennschalter (106) zu verursachen oder zu unterbinden.
2) Sicherung (100) gemäß Anspruch 1, wobei
- die Sicherung (100) Mittel (103) zur Messung der Feldstärke des
Magnetfelds (112) umfasst; und
- die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, den Steuerungsstrom (113) in Abhängigkeit von der gemessenen Feldstärke des Magnetfelds (112) zu bestimmen.
3) Sicherung (100) gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (101)
eingerichtet ist,
- ein von dem Steuerungsstrom (113) abgeleitetes Signal mit einem Auslösestrom-Schwellwert (210) zu vergleichen;
- den Steuerungsstrom (113) derart zu bestimmen, dass das durch die
Leitungsspule (104) erzeugte Magnetfeld gedämpft wird, wenn das abgeleitete Signal kleiner als der Auslösestrom-Schwellwert (210) ist; und/oder
- den Steuerungsstrom (113) derart zu bestimmen, dass das durch die Leitungsspule (104) erzeugte Magnetfeld verstärkt wird, wenn das abgeleitete Signal größer als der Auslösestrom-Schwellwert (210) ist.
4) Sicherung (100) gemäß Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (101)
eingerichtet ist,
- festzustellen, ob das von dem Steuerungsstrom (113) abgeleitete
Signal für mindestens einen vordefinierten Zeitraum bei oder über dem
Auslösestrom-Schwellwert (210) liegt; und
- den Steuerungsstrom (113) derart zu bestimmen, dass das durch die Leitungsspule (104) erzeugte Magnetfeld verstärkt wird, wenn das abgeleitete Signal für mindestens den vordefinierten Zeitraum bei oder über dem Auslösestrom-Schwellwert (210) liegt.
5) Sicherung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, den Steuerungsstrom (113) derart zu bestimmen, dass die Feldstärke kleiner als ein vordefinierter Feldstärke-Schwellwert ist, wenn das abgeleitete Signal kleiner als der Auslösestrom-Schwellwert (210) ist.
6) Sicherung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitungsspule (104) eine geringere Anzahl von Windungen umfasst als die Steuerungsspule (105).
7) Sicherung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sicherung (100) eine Rückstell-Spule (304) umfasst, die eingerichtet ist, durch Aufbau eines Magnetfelds den Trennschalter (106) zu schließen, um eine Unterbrechung der Leitung (107) aufzuheben.
8) Sicherung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Sicherung (100) derart ausgelegt ist, dass das durch den
Leitungsstrom (111) erzeugte Magnetfeld (112) eine Unterbrechung der Leitung (107) durch den Trennschalter (106) verursacht, wenn der Leitungsstrom (111) einen Default-Schwellwert erreicht oder übersteigt;
- der Default-Schwellwert kleiner ist als ein vordefinierter vertretbarer Betriebsstrom einer Komponente, die über die Leitung (107) mit elektrischem Strom versorgt wird.
Sicherung (100) gemäß Anspruch 8, wobei
- die Komponente einen typischen Betriebsstrom aufweist, der kleiner als der vertretbare Betriebsstrom der Komponente ist;
- der Default-Schwellwert kleiner ist als der typische Betriebsstrom; und
- die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, den Steuerungsstrom (113) derart zu bestimmen, dass der Trennschalter (106) die Leitung (107) bei einem Leitungsstrom (111) unterbricht, der höher ist als der typische Betriebsstrom und kleiner ist als der vertretbare
Betriebsstrom.
10) Vorrichtung (520) zur Erkennung eines Fehlerstroms (511) durch eine Last (503), wobei die Vorrichtung (520) umfasst,
- eine erste Sicherung (501) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, auf einer Leitung, die zu der Last (503) führt; wobei die erste Sicherung (501) eingerichtet ist, einen ersten Steuerungsstrom zu bestimmen;
- eine zweite Sicherung (502) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, auf einer Leitung, die von der Last (503) weg führt; wobei die zweite Sicherung (502) eingerichtet ist, einen zweiten
Steuerungsstrom zu bestimmen; und
- eine Vergleichseinheit (523), die eingerichtet ist, den ersten und
zweiten Steuerungsstrom zu vergleichen, und anhand des Vergleichs einen Fehlerstrom (511) zu erkennen.
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