WO2017102489A1 - Lichtbogen-erkennungsvorrichtung, entsprechendes verfahren und elektronisches bauteil - Google Patents

Lichtbogen-erkennungsvorrichtung, entsprechendes verfahren und elektronisches bauteil Download PDF

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Jiahang Jin
Arndt Wagner
Hans Geyer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Arc recognition device corresponding method and electronic component
  • the present invention relates to a detection device for detecting an electric arc occurring between a first current-carrying element and at least one conductive element, an electronic component, and a method for detecting an electric arc occurring between a first current-carrying element and a conductive element.
  • Hybrid vehicles are used, arcing must be detected quickly and appropriate countermeasures are initiated before a fire causes or dangerous voltages are accessible from the outside. Arcs can in particular when closing switches or due to located in the housing of the high-voltage component metal chips or between
  • High-frequency receiver comprises, which detects the arc on the basis of an emitted from the electrical line electromagnetic wave and outputs an alarm.
  • the present invention provides a detection device for detecting an arc occurring between a first current-carrying element and at least one conductive element, having the features of
  • Patent claim 1 an electronic component, having the features of
  • Patent claim 4 and a method for detecting a occurring between a first current-carrying element and a conductive element
  • the invention accordingly provides a detection device for detecting an arc occurring between a first current-carrying element and at least one conductive element, having at least one measuring device which is designed to measure a current flowing through the first current-carrying element; and an evaluation device which is designed to determine a frequency spectrum of the current measured by the measuring device and to detect the arc occurring between the first current-carrying element and the at least one conductive element based on a high-frequency range of the determined frequency spectrum.
  • the invention further provides an electronic component with a first
  • Detection device for detecting an occurring between the first current-carrying element and the at least one conductive element arc.
  • the invention provides a method of detecting a current occurring between a first current-carrying element and a conductive element
  • Electric arc comprising the steps of: measuring a current flowing through the first current-carrying element; Determining a frequency spectrum of the measured current; and detecting an arc occurring between the first current-carrying element and the conductive element based on a high-frequency range of the determined frequency spectrum.
  • the at least one measuring device comprises a Hall sensor and / or a coupling line parallel to the first current-carrying element.
  • Evaluation device designed to detect an arc when at least one spectral component in the high frequency range of berstimmten frequency spectrum is above a predetermined value. An electric arc can be detected well and precisely due to its pronounced high-frequency component in the frequency spectrum of the current.
  • the at least one conductive element comprises a second current-carrying element; wherein a current path with a switch is inserted between the first current-carrying element and the second current-carrying element; and where the
  • Evaluation device is designed to close the switch as soon as the
  • the switch comprises a power contactor and / or a solenoid switch.
  • the at least one conductive element comprises a housing which at least partially houses the first current-carrying element and the switch; wherein the housing in an environment of the switch at least partially an electrically insulating
  • Coating has.
  • the electrically insulating coating prevents an arc between switch and housing when switching the switch can arise.
  • the electronic component is between a first measuring device and a second measuring device of at least one Measuring device connected a common mode filter between the first current-carrying element and the second current-carrying element; wherein the evaluation device is designed to detect on the basis of a comparison of the frequency spectrum of the current measured by the first measuring device with the frequency spectrum of the current measured by the second measuring device, if the detected arc between the first current-carrying element and / or second current-carrying element and the second current-carrying Element or between the first current-carrying element and the housing has occurred.
  • the method further comprises the step of: closing a switch inserted in a current path between the first current-carrying element and the conductive element as soon as the evaluation device has detected an arc; wherein when closing the switch a current source which generates the current is short-circuited via a fuse and the current path.
  • 1 is a block diagram of a recognition device according to a
  • Fig. 2-5 are schematic diagrams of electronic components
  • FIG. 7 shows frequency spectra of a measured current
  • FIG. 8 shows a time dependence of a measured current
  • 10 is a flowchart for explaining a method of detecting an arc.
  • the recognition device 100 comprises a measuring device 101 and an evaluation device 102.
  • the mode of operation of the recognition device 100 will be discussed in more detail below.
  • Fig. 2 is an exemplary electronic component 200 with a
  • the electronic component 200 comprises a current source 106 with a fuse 105 in a power source housing 109, which via a first power line, which forms a first current-carrying element 103 a and a second power line, which forms an electrically conductive element or a second current-carrying element 103 b, one located in a housing 108
  • Circuit powered which drives an electric motor 107.
  • possible arcs may occur at positions 104a to 104i.
  • Measuring device 101 is configured to measure a current I flowing through the first current-carrying element 103 a.
  • the measuring device 101 may comprise a Hall sensor and / or a coupling line parallel to the first current-carrying element 103a.
  • the measuring device 101 transmits the measured current I to the
  • the evaluation device 102 is designed to determine a frequency spectrum of the measured current I and based on a
  • the evaluation device 102 is adapted to close a switch 201, which is incorporated in the additional current path 107.
  • the switch 201 is opened in a normal operating state of the electronic component 2, that is, when the evaluation unit has not detected an arc.
  • the switch 201 may be a contactor or a solenoid switch.
  • a total current I ge s generated by the power source 106 is split into a
  • an electrically insulating coating 302 may be formed on the housing 108 in an environment of the switch 201.
  • the electrically insulating coating 302 prevents flashover from the switch 201 to the housing 108.
  • FIG. 5 illustrates an equivalent circuit diagram of the electronic component 200.
  • Current source 106 is by a high voltage UHV and an internal resistance Ri, the first current-carrying element 103 a through a first resistor Rk before
  • the measuring device 101 is characterized by an inductance L and a meter resistor Rn and the additional circuit 107 by a third resistor R p .
  • FIG. 6 illustrates a time dependence of the total current intensity Iges measured by the measuring device 101.
  • the current measurement by the measuring device 101 is in this case subdivided into a plurality of operating cycles 601, 602, 603 of a length of preferably 10.
  • the working cycles 601, 602, 603 overlap in this case.
  • two adjacent work cycles may overlap one-half.
  • the evaluation device 102 is designed to analyze a current course measured within a duty cycle 601, 602, 603.
  • the evaluation device 102 determines a frequency spectrum of the measured current I within the duty cycle 601, 602, 603, for example by fast Fourier transformation (FFT).
  • FFT fast Fourier transformation
  • Fig. 7 corresponding frequency spectra are shown, which were obtained by Fast Fourier Transformation.
  • an arc occurs.
  • a current waveform is illustrated on the left and, on the right, a corresponding frequency spectrum of the current I for the third duty cycle 603, wherein an arc is present.
  • a current waveform is illustrated on the left and, on the right, a corresponding frequency spectrum of the current I for the first working cycle 601, with no arc present.
  • the evaluation device 102 is designed to analyze a high-frequency range 701 of the specific frequency spectrum, that is to say a range for frequencies f greater than a threshold frequency f 0 , for example of 10 kHz. Is at least one spectral component in the high-frequency range 701 above a predetermined
  • Threshold S the evaluation device 102 detects the occurrence of an arc. If all spectral components in the high-frequency range 701 are below the threshold value S, then the evaluation device 102 can be designed to recognize that there is no electric arc. The evaluation device 102 thus detects an arc in the upper case, while in the lower case it recognizes that no
  • An arc occurring at the first time ti is detected at the end of the second working cycle 602 at a second time t 2 , for which a detection time T E is required.
  • the detection time TE is for example between 20 and 50 ms.
  • a current waveform is illustrated as a function of time, wherein the
  • Total current I ge s, the short-circuit current Ip on the additional current path 107 and the arc current intensity ILB are plotted over the arc as a function of time t.
  • the evaluation device 102 After the detection of the arc at the second time t 2 , the evaluation device 102 begins to close the switch 201. Until the switch is completely closed at a third time t 3 , whereby the additional current path 107 is also closed, a reaction time T R elapses. Up to the third time t 3 is the total current Iges with the arc current ILB
  • the arc current intensity ILB decreases, while the short-circuit current intensity Ip increases by the additional current path 107.
  • the Current source 106 is short-circuited via the fuse 105 and the additional current path 107.
  • a fourth time t 4 triggers the fuse 105 and the total current I ge s and the short-circuit current I p decrease and drop to a fifth time t 5 to zero.
  • a time period TA between the third time t 3 and the fifth time t 5 corresponds to an action time T A.
  • Action time TA is divided into a response time or melting time Tprearc from the third time t 3 to the fourth time t 4 and an arc time T arc from the fourth time U to the fifth time t 5 .
  • the additional current path 107 is preferably formed such that a total time period T ges between the occurrence of the arc at the first time ti to the fifth time t 5 , at which the total current intensity Iges drops to 0, is smaller than a predetermined threshold.
  • the predetermined threshold value here corresponds to an error reaction time TFRZ, which typically corresponds to a time which requires an arc in order to propagate from a point of origin of the arc to the housing 108. The arc should therefore be deleted before it reaches the housing 108.
  • the error reaction time TFRZ is preferably 100 to 150 ms.
  • ges Ri + Rk + Rll + Rp is the total resistance
  • ⁇ L / R ge s is a time constant.
  • the triggering time U is obtained by solving the following equation for t 4 : where Y denotes the I 2 t value of the fuse 105 for the melting time Iprearc.
  • the gauge resistor Rn and the third resistor Rp are therefore preferably selected to be small.
  • the gauge resistance Rn, the third resistor Rp are therefore preferably selected to be small.
  • Resistor Rp and the inductance L are preferably chosen so that the following condition is met:
  • FIG. 9 shows a circuit diagram of an electronic component 900 according to another embodiment of the present invention. Between a first current-carrying element 903a and a second current-carrying element 903b is in this case a
  • Common mode filter 910 arranged. Before the common-mode filter 910, a first measuring device 901 is introduced at the first current-carrying element 903 a and behind the common-mode filter 910 a second measuring device 902, which is designed to measure the current I flowing through the first current-carrying element 903 a. The currents I measured by the first measuring device 901 and the second measuring device 902 are transmitted to an evaluation device 102.
  • the first measuring device 901 and the second measuring device 902 are transmitted to an evaluation device 102.
  • Evaluation device 102 is designed to detect whether there is an arc 909 by comparing the frequency spectrum of the current measured by the first measuring device 901 and the current measured by the second measuring device 902, and if there is an arc 909, if the arc 909 is between the first current-carrying Element 903 a and the second current-carrying element 903 b or between the first or second current-carrying element 903 a and 903b and a
  • the evaluation device 102 is hereby designed to determine a comparison variable which expresses a similarity of a first frequency spectrum of the current I measured by the first measuring device 901 and a second frequency spectrum of the current I measured by the second measuring device 902. The larger the comparison size, the less similar are the frequency spectra.
  • the high-frequency region of the current I is weakened by the common-mode filter 910, so that the spectral component of the first In the high-frequency range, current clearly differs from the spectral component of the high-frequency range of the second current. If the comparison quantity is above a predetermined value, then the evaluation device 904 is designed to recognize that an arc occurs between the first current-carrying element 903a and the second current-carrying element 903b.
  • FIG. 10 shows a flowchart for explaining a method for detecting an arc occurring between a first current-carrying element and at least one electrically conductive element.
  • a current I flowing through the first current-carrying element 103a is measured in this case.
  • a frequency spectrum of the measured current I is determined, and in a third method step S3, an arc occurring between the current-carrying element 103a and the at least one conductive element is detected based on a high-frequency range of the determined frequency spectrum.
  • a switch inserted in an additional current path between the current-carrying element and the conductive element is closed as soon as an arc has been detected.
  • the method can be carried out in particular with a recognition device according to one of the embodiments described above.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erkennungsvorrichtung (100) zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element (103a; 903a) und mindestens einem leitfähigen Element (103b, 108; 903b, 907) auftretenden Lichtbogens (104a–i; 909), mit mindestens einer Messeinrichtung (101;901, 902), welche ausgebildet ist, einen durch das erste stromführende Element (103a; 903a) fließenden Strom (I) zu messen; und einer Auswerteeinrichtung (102), welche ausgebildet ist, ein Frequenzspektrum des gemessenen Stroms (I) zu bestimmenund basierend auf einem Hochfrequenzbereich des bestimmten Frequenzspektrums den zwischen dem ersten stromführenden Element (103a; 903a) und dem mindestens einen leitfähigen Element (103b, 108; 903b, 907) auftretenden Lichtbogen (104a–i; 909) zu erkennen.

Description

Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, entsprechendes Verfahren und elektronisches Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erkennungsvorrichtung zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element und mindestens einem leitfähigen Element auftretenden Lichtbogens, ein elektronisches Bauteil und ein Verfahren zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element und einem leitfähigen Element auftretenden Lichtbogens.
Stand der Technik
Bei Hochspannungskomponenten, wie sie insbesondere in Elektro- oder
Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, müssen entstehende Lichtbögen schnell erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, bevor ein Brand verursacht oder gefährliche Spannungen von außen zugänglich werden. Lichtbögen können insbesondere beim Schließen von Schaltern oder aufgrund von im Gehäuse der Hochspannungskomponente befindlichen Metallspänen oder auch zwischen
Stromleitungen und dem Gehäuse auftreten.
Aus der DE 20 2005 011 504 Ul ist ein Lichtbogenmelder bekannt, welcher
Hochfrequenzempfänger umfasst, welche anhand einer von der elektrischen Leitung ausgesendeten elektromagnetischen Welle den Lichtbogen erkennt und einen Alarm ausgibt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Erkennungsvorrichtung zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element und mindestens einem leitfähigen Element auftretenden Lichtbogens, mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 , ein elektronisches Bauteil, mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 4 und ein Verfahren zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element und einem leitfähigen Element auftretenden
Lichtbogens, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Die Erfindung schafft demnach eine Erkennungsvorrichtung zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element und mindestens einem leitfähigen Element auftretenden Lichtbogens, mit mindestens einer Messeinrichtung, welche ausgebildet ist, einen durch das erste stromführende Element fließenden Strom zu messen; und einer Auswerteeinrichtung, welche ausgebildet ist, ein Frequenzspektrum des von der Messeinrichtung gemessenen Stroms zu bestimmen und basierend auf einem Hochfrequenzbereich des bestimmten Frequenzspektrums den zwischen dem ersten stromführenden Element und dem mindestens einen leitfähigen Element auftretenden Lichtbogen zu erkennen.
Die Erfindung schafft weiter ein elektronisches Bauteil, mit einem ersten
stromführenden Element, mindestens einem leitfähigen Element, und einer
Erkennungsvorrichtung zum Erkennen eines zwischen dem ersten stromführenden Element und dem mindestens einen leitfähigen Element auftretenden Lichtbogens.
Schließlich schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element und einem leitfähigen Element auftretenden
Lichtbogens, mit den Schritten: Messen eines durch das erste stromführende Element fließenden Stroms; Bestimmen eines Frequenzspektrums des gemessenen Stroms; und Erkennen eines zwischen dem ersten stromführenden Element und dem leitfähigen Element auftretenden Lichtbogens, basierend auf einem Hochfrequenzbereich des bestimmten Frequenzspektrums.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unter anspräche. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Erkennungsvorrichtung hat den Vorteil, dass ein auftretender Lichtbogen sehr schnell anhand des ausgeprägten Hochfrequenzbereichs des
Frequenzspektrums erkannt wird. Somit können sofort nach dem Auftreten des Lichtbogens entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden und beispielsweise die Stromversorgung zügig unterbrochen werden. Die Sicherheit wird somit erhöht, da eine Brandgefahr oder eine Gefahr eines Stromschlags reduziert wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erkennungsvorrichtung umfasst die mindestens eine Messeinrichtung einen Hallsensor und/oder eine zu dem ersten stromführenden Element parallele Koppelleitung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erkennungsvorrichtung ist die
Auswerteeinrichtung ausgebildet, einen Lichtbogen zu erkennen, wenn mindestens ein Spektralanteil im Hochfrequenzbereich des berstimmten Frequenzspektrums über einem vorgegebenen Wert liegt. Ein Lichtbogen lässt sich aufgrund seines ausgeprägten Hochfrequenzanteils im Frequenzspektrum des Stroms gut und präzise erkennen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des elektronischen Bauteils umfasst das mindestens eine leitfähige Element ein zweites stromführendes Element; wobei zwischen dem ersten stromführenden Element und dem zweiten stromführenden Element ein Strompfad mit einem Schalter eingebracht ist; und wobei die
Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, den Schalter zu schließen, sobald die
Auswerteeinrichtung einen Lichtbogen erkannt hat.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des elektronischen Bauteils umfasst der Schalter einen Leistungsschützen und/oder einen Elektromagnetschalter.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des elektronischen Bauteils wird beim
Schließen des Schalters eine Stromquelle, welche den Strom erzeugt, über eine Sicherung und den Strompfad kurzgeschlossen. Durch das Auslösen der Sicherung wird das stromführende Element von der Stromversorgung getrennt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des elektronischen Bauteils umfasst das mindestens eine leitfähige Element ein Gehäuse, welches das erste stromführenden Element und den Schalter zumindest teilweise einhaust; wobei das Gehäuse in einer Umgebung des Schalters zumindest abschnittsweise eine elektrisch isolierende
Beschichtung aufweist. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung wird verhindert, dass ein Lichtbogen zwischen Schalter und Gehäuse beim Schalten des Schalters entstehen kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des elektronischen Bauteils ist zwischen einer ersten Messeinrichtung und einer zweiten Messeinrichtung der mindestens einen Messeinrichtung ein Gleichtaktfilter zwischen dem ersten stromführenden Element und dem zweiten stromführenden Element geschaltet; wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, anhand eines Vergleiches des Frequenzspektrums des von der ersten Messeinrichtung gemessenen Stroms mit dem Frequenzspektrum des von der zweiten Messeinrichtung gemessenen Stroms zu erkennen, ob der erkannte Lichtbogen zwischen dem ersten stromführenden Element und/oder zweiten stromführenden Element und dem zweiten stromführenden Element oder zwischen dem ersten stromführenden Element und dem Gehäuse aufgetreten ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren weiter den Schritt: Schließen eines in einem Strompfad zwischen dem ersten stromführenden Element und dem leitfähigen Element eingebrachten Schalters, sobald die Auswerteeinrichtung einen Lichtbogen erkannt hat; wobei beim Schließen des Schalters eine Stromquelle, welche den Strom erzeugt, über eine Sicherung und den Strompfad kurzgeschlossen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Erkennungsvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2-5 schematische Schaltbilder von elektronischen Bauteilen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Zeitabhängigkeit eines gemessenen Stroms;
Fig. 7 Frequenzspektren eines gemessenen Stroms;
Fig. 8 eine Zeitabhängigkeit eines gemessenen Stroms; ein schematisches Schaltbild eines elektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 10 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Erkennen eines Lichtbogens.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.
Verschiedene Ausführungsformen können, soweit nichts anderes angegeben ist, beliebig miteinander kombiniert werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Erkennungsvorrichtung 100 zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element und mindestens einem leitfähigen Element auftretenden Lichtbogens. Die Erkennungsvorrichtung 100 umfasst eine Messeinrichtung 101 und eine Auswerteeinrichtung 102. Die Funktionsweise der Erkennungsvorrichtung 100 wird im Folgenden näher erörtert.
In Fig. 2 ist ein beispielhaftes elektronisches Bauteil 200 mit einer
Erkennungsvorrichtung 100 abgebildet. Das elektronische Bauteil 200 umfasst eine Stromquelle 106 mit einer Sicherung 105 in einem Stromquellengehäuse 109, welche über eine erste Stromleitung, welche ein erstes stromführendes Element 103 a bildet und eine zweite Stromleitung, welche ein elektrisch leitfähiges Element bzw. ein zweites stromführendes Element 103b bildet, einen in einem Gehäuse 108 befindlichen
Schaltkreis mit Strom versorgt, welcher einen Elektromotor 107 antreibt. Hierbei können an Positionen 104a bis 104i mögliche Lichtbogen auftreten. Die
Messeinrichtung 101 ist ausgebildet, einen durch das erste stromführende Element 103 a fließenden Strom I zu messen. Die Messeinrichtung 101 kann einen Hall-Sensor und/oder eine zu dem ersten stromführenden Element 103a parallele Koppelleitung umfassen. Die Messeinrichtung 101 überträgt den gemessenen Strom I an die
Auswerteeinrichtung 102. Die Auswerteeinrichtung 102 ist dazu ausgebildet, ein Frequenzspektrum des gemessenen Stroms I zu bestimmen und basierend auf einem
Hochfrequenzbereich des berstimmten Frequenzspektrums einen zwischen den stromführenden Elementen 103 a und 103b auftretenden Lichtbogen, beispielsweise den Lichtbogen 104i zu erkennen. Zwischen dem ersten und dem zweiten stromführenden Element 103a und 103b befindet sich ein zusätzlicher Strompfad 107, dessen
Wirkungsweise in Fig. 3 genauer erläutert ist. Wenn die Auswerteeinrichtung 102 einen Lichtbogen erkennt, ist die Auswerteeinrichtung 102 dazu ausgebildet, einen Schalter 201, welcher in den zusätzlichen Strompfad 107 eingebracht ist, zu schließen. Der Schalter 201 ist hierbei in einem normalen Betriebszustand des elektronischen Bauteils 2, das heißt, wenn die Auswerteeinheit keinen Lichtbogen erkannt hat, geöffnet. Der Schalter 201 kann ein Leistungsschütze oder ein Elektromagnetschalter sein. Eine von der Stromquelle 106 erzeugte Gesamtstromstärke Iges spaltet sich in eine
Kurzschlussstromstärke Ip, welche durch den zusätzlichen Strompfad 107 fließt und eine Lichtbogenstromstärke ILB, welche durch den Lichtbogen 104i zwischen dem ersten stromführenden Element 103 a und dem zweiten stromführenden Element 103b fließt. Eine noch den restlichen Stromkreis des elektronischen Bauteils 200 fließende Stromstärke kann vernachlässigt werden, so dass gilt: IGES = IP + ILB-
Weiter kann, wie in Fig. 4 illustriert, in einer Umgebung des Schalters 201 an dem Gehäuse 108 eine elektrisch isolierende Beschichtung 302 ausgebildet sein. Die elektrisch isolierende Beschichtung 302 verhindert, dass ein Überschlag von dem Schalter 201 zu dem Gehäuse 108 stattfindet.
In Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild des elektronischen Bauteils 200 illustriert. Die
Stromquelle 106 ist durch eine Hochspannung UHV und einen Innenwiderstand Ri, das erste stromführende Element 103 a durch einen ersten Widerstand Rk vor dem
zusätzlichen Strompfad 107 und einen zweiten Widerstand R12 hinter dem zusätzlichen Strompfad 107 charakterisiert. Die Messeinrichtung 101 ist durch eine Induktivität L und einen Messeinrichtungswiderstand Rn und der zusätzliche Stromkreis 107 durch einen dritten Widerstand Rp charakterisiert.
In Fig. 6 ist eine Zeitabhängigkeit der von der Messeinrichtung 101 gemessenen Gesamtstromstärke Iges illustriert. Die Strommessung durch die Messeinrichtung 101 ist hierbei in eine Vielzahl von Arbeitszyklen 601, 602, 603 von einer Länge von vorzugsweise 10 unterteilt. Vorzugsweise überlappen sich die Arbeitszyklen 601, 602, 603 hierbei. Beispielsweise können sich zwei benachbarte Arbeitszyklen jeweils zur Hälfe überlappen. Die Auswerteeinrichtung 102 ist ausgebildet, einen innerhalb eines Arbeitszyklus 601, 602, 603 gemessenen Stromverlauf zu analysieren. Die Auswerteeinrichtung 102 bestimmt hierbei ein Frequenzspektrum des gemessenen Stroms I innerhalb des Arbeitszyklus 601, 602, 603, beispielsweise durch Fast-Fourier- Transformation (FFT). In Fig. 7 sind entsprechende Frequenzspektren dargestellt, welche durch Fast Fourier Transformation erhalten wurden. Zu einem ersten Zeitpunkt ti tritt ein Lichtbogen auf. Im oberen Bereich der Fig. 7 sind links ein Stromverlauf und rechts ein entsprechendes Frequenzspektrum des Stroms I für den dritten Arbeitszyklus 603 illustriert, wobei ein Lichtbogen vorliegt. Im unteren Teil der Fig. 7 ist links ein Stromverlauf und rechts ein entsprechendes Frequenzspektrum des Stroms I für den ersten Arbeitszyklus 601 illustriert, wobei kein Lichtbogen vorliegt.
Die Auswerteeinrichtung 102 ist ausgebildet, einen Hochfrequenzbereich 701 des bestimmten Frequenzspektrums, das heißt einen Bereich für Frequenzen f größer als eine Schwellenfrequenz f0, beispielsweise von 10 kHz, zu analysieren. Liegt mindestens ein Spektralanteil im Hochfrequenzbereich 701 oberhalb eines vorgegebenen
Schwellenwertes S, so erkennt die Auswerteeinrichtung 102 das Auftreten eines Lichtbogens. Liegen sämtliche Spektralanteile im Hochfrequenzbereich 701 unterhalb des Schwellenwertes S, so kann die Auswerteeinrichtung 102 ausgebildet sein, zu erkennen, dass kein Lichtbogen vorliegt. Die Auswerteeinrichtung 102 erkennt somit im oberen Fall einen Lichtbogen, während sie im unteren Fall erkennt, dass kein
Lichtbogen vorliegt.
Ein zu dem ersten Zeitpunkt ti auftretender Lichtbogen wird am Ende des zweiten Arbeitszyklus 602 zu einem zweiten Zeitpunkt t2 erkannt, wofür eine Erkennungszeit TE benötigt wird. Die Erkennungszeit TE beträgt beispielsweise zwischen 20 und 50 ms.
In Fig. 8 ist ein Stromverlauf als Funktion der Zeit illustriert, wobei die
Gesamtstromstärke Iges, die Kurzschlussstromstärke Ip über den zusätzlichen Strompfad 107 und die Lichtbogenstromstärke ILB über den Lichtbogen als Funktionen der Zeit t eingezeichnet sind. Nach dem Erkennen des Lichtbogens zum zweiten Zeitpunkt t2 beginnt die Auswerteeinrichtung 102 den Schalter 201 zu schließen. Bis zum völligen Schließen des Schalters zu einem dritten Zeitpunkt t3, wobei auch der zusätzliche Strompfad 107 geschlossen ist, vergeht eine Reaktionszeit TR. Bis zu dem dritten Zeitpunkt t3 ist die Gesamtstromstärke Iges mit der Lichtbogenstromstärke ILB
identisch, da kein Strom über den zusätzlichen Strompfad 107 fließt, da dieser geöffnet ist, und somit die Kurzschlussstromstärke Ip gleich Null ist.
Ab dem dritten Zeitpunkt t3 nimmt die Lichtbogenstromstärke ILB ab, während die Kurzschlussstromstärke Ip durch den zusätzlichen Strompfad 107 ansteigt. Die Stromquelle 106 ist über die Sicherung 105 und den zusätzlichen Strompfad 107 kurzgeschlossen. Zu einem vierten Zeitpunkt t4 löst die Sicherung 105 aus und die Gesamtstromstärke Iges sowie die Kurzschlussstromstärke Ip nehmen ab und fallen zu einem fünften Zeitpunkt t5 auf Null ab. Eine Zeitspanne TA zwischen dem dritten Zeitpunkt t3 und dem fünften Zeitpunkt t5 entspricht einer Aktionszeit TA. Die
Aktionszeit TA teilt sich in eine Ansprechzeit bzw. Schmelzzeit Tprearc vom dritten Zeitpunkt t3 bis zum vierten Zeitpunkt t4 und in eine Lichtbogenzeit T arc vom vierten Zeitpunkt U bis zum fünften Zeitpunkt t5.
Der zusätzliche Strompfad 107 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine gesamte Zeitperiode Tges zwischen dem Entstehen des Lichtbogens zum ersten Zeitpunkt ti bis zum fünften Zeitpunkt t5, zu dem die Gesamtstromstärke Iges auf 0 absinkt, kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Der vorgegebene Schwellenwert entspricht hierbei einer Fehlerreaktionszeit TFRZ, welche typischerweise einer Zeit entspricht, welche ein Lichtbogen benötigt, um sich von einem Entstehungspunkt des Lichtbogens zu dem Gehäuse 108 fortzupflanzen. Der Lichtbogen soll also gelöscht werden, bevor er das Gehäuse 108 erreicht. Die Fehlerreaktionszeit TFRZ beträgt vorzugsweise 100 bis 150 ms.
Unter der Annahme, dass zum dritten Zeitpunkt t3 der Gesamtstrom Iges nur durch den zusätzlichen Strompfad 107 fließt, dass heißt die Lichtbogenstromstärke ILB sofort auf Null absinkt, verhält sich die Gesamtstromstärke Iges für die
Ansprechzeit bzw. Schmelzzeit Iprearc bis zum Auslösen der Sicherung 105
gemäß folgender Formel:
Figure imgf000010_0001
wobei ges = Ri + Rk + Rll + Rp der Gesamtwiderstand ist, und τ = L / Rges eine Zeitkonstante ist. Der Auslösezeitpunkt U ergibt sich durch Lösen folgender Gleichung nach t4:
Figure imgf000010_0002
wobei Y den I2t-Wert der Sicherung 105 für die Schmelzzeit Iprearc bezeichnet.
Der Messeinrichtungswiderstand Rn und der dritte Widerstand Rp werden daher vorzugsweise klein gewählt. Der Messeinrichtungswiderstand Rn, der dritte
Widerstand Rp und die Induktivität L werden vorzugsweise so gewählt, dass folgende Bedingung erfüllt ist:
Figure imgf000011_0001
'ges \L4J wobei Z den I2t-Wert der Sicherung 105 für die Lichtbogenzeit Lrc bezeichnet.
Fig. 9 zeigt ein Schaltbild eines elektronischen Bauteils 900 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zwischen einem ersten stromführenden Element 903a und einem zweiten stromführenden Element 903b ist hierbei ein
Gleichtaktfüter (common mode filter) 910 angeordnet. Vor dem Gleichtaktfilter 910 ist an dem ersten stromführenden Element 903 a eine erste Messeinrichtung 901 und hinter dem Gleichtaktfilter 910 eine zweite Messeinrichtung 902 eingebracht, welche ausgebildet ist, den durch das erste stromführende Element 903 a fließenden Strom I zu messen. Die von der ersten Messeinrichtung 901 und der zweiten Messeinrichtung 902 gemessenen Ströme I werden an eine Auswerteeinrichtung 102 übermittelt. Die
Auswerteeinrichtung 102 ist ausgebildet, durch Vergleichen des Frequenzspektrums des von der ersten Messeinrichtung 901 gemessenen Stroms und des von der zweiten Messeinrichtung 902 gemessenen Stroms zu erkennen, ob ein Lichtbogen 909 vorliegt, und falls ein Lichtbogen 909 vorliegt, ob der Lichtbogen 909 zwischen dem ersten stromführenden Element 903 a und dem zweiten stromführenden Element 903b oder zwischen dem ersten oder zweiten stromführenden Element 903 a und 903b und einem
Gehäuse 907 des elektronischen Bauteils 900 auftritt. Die Auswerteeinrichtung 102 ist hierbei ausgerichtet, eine Vergleichsgröße zu bestimmen, welche eine Ähnlichkeit eines ersten Frequenzspektrums des von der ersten Messeinrichtung 901 gemessenen Stroms I und eines zweiten Frequenzspektrums des von der zweiten Messeinrichtung 902 gemessenen Stroms I ausdrückt. Je größer die Vergleichsgröße, desto unähnlicher sind die Frequenzspektren.
Bei einem Lichtbogen zwischen dem ersten stromführenden Element 903a und dem zweiten stromführenden Element 903b wird der Hochfrequenzbereich des Stroms I durch den Gleichtaktfilter 910 geschwächt, so dass sich der Spektralanteil des ersten Stroms im Hochfrequenzbereich deutlich von dem Spektralanteil des Hochfrequenzbereichs des zweiten Stroms unterscheidet. Liegt die Vergleichsgröße oberhalb eines vorgegebenen Wertes, so ist die Auswerteeinrichtung 904 demnach ausgebildet, zu erkennen, dass ein Lichtbogen zwischen dem ersten stromführenden Element 903 a und dem zweiten stromführenden Element 903b auftritt.
In Fig. 10 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element und mindestens einem elektrisch leitfähigen Element auftretenden Lichtbogens abgebildet. In einem ersten Schritt Sl wird hierbei ein durch das erste stromführende Element 103a fließender Strom I gemessen. In einem zweiten Schritt S2 wird ein Frequenzspektrum des gemessenen Stroms I bestimmt und in einem dritten Verfahrensschritt S3 wird ein zwischen dem stromführenden Element 103 a und dem mindestens einen leitfähigen Element auftretender Lichtbogen basierend auf einem Hochfrequenzbereich des bestimmten Frequenzspektrums erkannt. In einem optionalen vierten Schritt S4 wird ein in einem zusätzlichen Strompfad zwischen dem stromführenden Element und dem leitfähigen Element eingebrachter Schalter geschlossen, sobald ein Lichtbogen erkannt wurde. Das Verfahren kann insbesondere mit einer Erkennungsvorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1. Erkennungsvorrichtung (100) zum Erkennen eines zwischen einem ersten
stromführenden Element (103 a; 903 a) und mindestens einem leitfähigen Element (103b, 108; 903b, 907) auftretenden Lichtbogens (104a-i; 909), mit mindestens einer Messeinrichtung (101; 901, 902), welche ausgebildet ist, einen durch das erste stromführende Element (103 a; 903 a) fließenden Strom (I) zu messen; und einer Auswerteeinrichtung (102), welche ausgebildet ist, ein Frequenzspektrum des gemessenen Stroms (I) zu bestimmen und basierend auf einem
Hochfrequenzbereich des bestimmten Frequenzspektrums den zwischen dem ersten stromführenden Element (103 a; 903 a) und dem mindestens einen leitfähigen Element (103b, 108; 903b, 907) auftretenden Lichtbogen (104a-i; 909) zu erkennen.
2. Erkennungsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Messeinrichtung (101; 901, 902) einen Hallsensor und/oder eine zu dem ersten stromführenden Element (103a; 903a) parallele Koppelleitung umfasst.
3. Erkennungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Auswerteeinrichtung (102) ausgebildet ist, einen Lichtbogen (104a-i; 909) zu erkennen, wenn mindestens ein Spektralanteil im Hochfrequenzbereich des bestimmten Frequenzspektrums über einem vorgegebenen Wert liegt.
4. Elektronisches Bauteil (200; 900), mit einem ersten stromführenden Element (103a; 903a); mindestens einem leitfähigen Element (103b, 108; 903b, 907); und einer Erkennungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Erkennen eines zwischen dem ersten stromführenden Element (103 a; 903 a) und dem mindestens einen leitfähigen Element (103b, 108; 903b, 907) auftretenden Lichtbogens (104a-i; 909).
Elektronisches Bauteil (200) nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine leitfähige Element (103b, 108) ein zweites stromführendes Element (103b) umfasst; wobei zwischen dem ersten stromführenden Element (103a) und dem zweiten stromführenden Element (103b) ein Strompfad (107) mit einem Schalter (201) eingebracht ist; und wobei die Auswerteeinrichtung (102) ausgebildet ist, den Schalter (201) zu schließen, sobald die Auswerteeinrichtung (102) einen Lichtbogen (104a-i) erkannt hat.
Elektronisches Bauteil (200) nach Anspruch 5, wobei der Schalter (201) einen Leistungsschützen und/oder einen
Elektromagnetschalter umfasst.
Elektronisches Bauteil (200) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei beim Schließen des Schalters (201) eine Stromquelle (106), welche den Strom (I) erzeugt, über eine Sicherung (105) und den Strompfad (107) kurzgeschlossen wird.
Elektronisches Bauteil (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das mindestens eine leitfähige Element (103b, 108) ein Gehäuse (108) umfasst, welches das erste stromführenden Element (103 a) und den
Schalter (201) zumindest teilweise einhaust; und wobei das Gehäuse (108) in einer Umgebung des Schalters (201) zumindest abschnittsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung (302) aufweist.
Elektronisches Bauteil (900) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei zwischen einer ersten Messeinrichtung (901) und einer zweiten
Messeinrichtung (902) der mindestens einen Messeinrichtung (901, 902) ein Gleichtaktfüter (910) zwischen dem ersten stromführenden Element (903 a) und dem zweiten stromführenden Element (903b) geschaltet ist; wobei die Auswerteeinrichtung (102) ausgebildet ist, anhand eines Vergleiches des Frequenzspektrums des von der ersten Messeinrichtung (901) gemessenen Stroms (I) mit dem Frequenzspektrum des von der zweiten
Messeinrichtung (902) gemessenen Stroms (I) zu erkennen, ob der erkannte Lichtbogen (909) zwischen dem ersten stromführenden Element (903 a) und dem zweiten stromführenden Element (903b) oder zwischen dem ersten
stromführenden Element (903a) und/oder zweiten stromführenden Element (903b) und einem Gehäuse (907) des elektronischen Bauteils (900) aufgetreten ist.
Verfahren zum Erkennen eines zwischen einem ersten stromführenden Element (103a; 903a) und einem leitfähigen Element (103b, 108; 903b, 907) auftretenden Lichtbogens (104a-i; 909), mit den Schritten:
Messen (Sl) eines durch das erste stromführende Element (103 a; 903 a) fließenden Stroms (I);
Bestimmen (S2) eines Frequenzspektrums des gemessenen Stroms (I); und
Erkennen (S3) eines zwischen dem ersten stromführenden Element (103a; 903a) und dem leitfähigen Element (103b, 108; 903b, 907) auftretenden Lichtbogens (104a-i; 909), basierend auf einem Hochfrequenzbereich des bestimmten Frequenzspektrums .
Verfahren nach Anspruch 9, weiter mit dem Schritt Schließen (S4) eines in einem Strompfad (107) zwischen dem ersten stromführenden Element (103a) und dem leitfähigen Element (103b, 108) eingebrachten Schalters (201), sobald die Auswerteeinrichtung (102) einen Lichtbogen (104a-i) erkannt hat; wobei beim Schließen des Schalters (201) eine Stromquelle (106), welche den Strom (I) erzeugt, über eine Sicherung (105) und den Strompfad (107) kurzgeschlossen wird.
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