WO2021160452A1 - Method and system for operating an electromagnetic switch - Google Patents

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WO2021160452A1
WO2021160452A1 PCT/EP2021/052278 EP2021052278W WO2021160452A1 WO 2021160452 A1 WO2021160452 A1 WO 2021160452A1 EP 2021052278 W EP2021052278 W EP 2021052278W WO 2021160452 A1 WO2021160452 A1 WO 2021160452A1
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switch
inductance
current
control
time
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PCT/EP2021/052278
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Inventor
Michael Wortberg
Florian Munker
Original Assignee
Lisa Dräxlmaier GmbH
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    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for operating an electromagnetic switch, which can be a contactor or a relay, for example.
  • the invention also relates to the use of such a method or system in the on-board network of a motor vehicle, which can be, for example, an at least partially electrically driven motor vehicle, such as an electric car, hybrid vehicle or fuel cell vehicle.
  • a motor vehicle which can be, for example, an at least partially electrically driven motor vehicle, such as an electric car, hybrid vehicle or fuel cell vehicle.
  • electromagnetic switches such as contactors
  • an energy store such as a battery
  • the switch can be activated, for example, from a low-voltage electrical system of the motor vehicle.
  • a low-voltage electrical system of the motor vehicle During the product life cycle of the motor vehicle, a situation can arise in which the low-voltage on-board network can only provide a voltage that is below the actual nominal voltage, for example 12 V, if, for example, the corresponding vehicle battery of the low-voltage on-board network is or is deeply discharged similar. Such a reduced voltage can be less than 10 V, for example only about 7 V, only as an example.
  • contacts of the switch can indeed be present, but a magnetic circuit of the switch can not be closed completely or not with full contact force. If the switch is now activated in the "Hold" state with a comparatively low voltage (reduced via PWM), for example to reduce the activation power of the switch, the magnetic circuit still does not remain completely closed.
  • the object of the invention is therefore to improve the operation of a switch, in particular an electromagnetic switch, with regard to its functional reliability.
  • a first aspect provides a method for checking a switching state of an electromagnetic switch, in particular a contactor or relay.
  • the procedure consists of the following steps:
  • Control after the switch has been activated, the switch with a control voltage that is limited or reduced compared to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current, in particular holding current.
  • the method can be at least partially or completely computer-implemented, preferably in the form of hardware and / or software.
  • a system according to the second aspect described below can be used for this purpose.
  • the method steps described above can in particular be carried out by one or more microcontrollers and, if necessary, with additional measuring devices, such as a current measuring device, a resistance measuring device, a voltage measuring device, etc.
  • the switch in particular the contactor, can be intended for higher switching capacities and can be operated remotely.
  • the switch or its circuits can comprise two circuits, namely a control circuit and a main circuit. If a control current flows through a magnetic circuit or a magnetic coil of the switch, the magnetic field pulls, in particular mechanical contacts, into an active state.
  • a spring can restore the state of rest so that the contacts return to their original position.
  • the magnetic circuit of the switch closes, whereby an air gap in the magnetic circuit is reduced or even becomes zero.
  • the defined period of time can be in the range of a fraction of a second, for example in the millisecond range, wherein, for example, 1 ms to 50 ms, preferably 5 ms to 20 ms, particularly preferably about 10 ms, have proven to be expedient. This enables a meaningful inductance measurement to be achieved without disrupting or endangering the operation of the switch, e.g. through thermal overload due to high current flow or the like.
  • the temporary increase in the control voltage and / or the control current can, after the previous activation of the switch, again exert a closing force on the magnetic circuit or on the contacts of the switch, so that during the control or during the increase in the control voltage and / or of the control current can change the closed state of the switch again.
  • the switch in particular a contactor
  • Uo OV to Ui (eg 4V).
  • ⁇ t e.g. 10ms
  • the inductance can be determined directly or indirectly, e.g. by calculating the inductance based on the values of the initial supply voltage, the control voltage and / or the control current, a current increase by increasing the control voltage and / or the control current, and the defined time period.
  • the inductance of the at least one magnetic circuit with an air gap depends on, for example, the size, in particular the width, of the air gap. If the magnetic circuit is closed completely or as desired, the result is a corresponding value of the inductance, e.g. of about 310 mH. If the air gap in the magnetic circuit is not properly closed, for example with an air gap of 0.8 mm, the result is a different, rather reduced value of the inductance, for example of approximately 170 mH. Determining the inductance therefore makes it possible to check or diagnose the switching state and / or the closed state of the switch.
  • the operation of the switch can be improved with regard to its functional reliability, since the switching state and / or the closed state of the switch can be checked or diagnosed.
  • This makes it possible, among other things, to react early to a non-optimal switching or closing state and, if necessary, to take suitable substitute measures.
  • the thermal stress on the switch can also be reduced by suitable substitute measures by reacting accordingly before an arcing occurs, for example, due to contacts that open unintentionally as a result of insufficient holding force.
  • the switch after activation, can be operated with a control voltage that is limited or reduced compared to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current (holding current), so that the control power and / or the thermal load on the switch can be reduced during operation .
  • the switching state of the switch is checked on the basis of the determined inductance of the magnetic circuit.
  • the result of the check can include whether or not the actual switching state corresponds to the target switching state.
  • various substitute measures can be taken, such as renewed activation of the switch without an economy circuit, switching off the motor vehicle or parts thereof, etc.
  • a closed state of the switch can be deduced from the determined inductance of the magnetic circuit compared to an inductance threshold value, with a certain inductance less than the inductance threshold value indicating an incomplete closed state and a certain inductance greater than or equal to the inductance threshold value indicates a fully closed state.
  • control voltage and / or the control current can be reduced or limited by an economy circuit or an economizer.
  • economizer is used to describe devices that allow the control power to be reduced so that the power consumption and the heating of a coil of the switch can be reduced.
  • control voltage and / or the control current can be provided by means of pulse width modulation, PWM.
  • PWM pulse width modulation
  • the PWM can be accomplished, for example, by a microcontroller with one or more integrated PWM modules, with which PWM signals can be generated without loading the CPU. But it is also possible to use a software solution. For example, the CPU of the microcontroller can generate the PWM. As a result, the drive power can be reduced, so that the power consumption and the heating of a coil of the switch can be reduced.
  • the step of increasing the control voltage and / or the control current for a defined period of time can include:
  • the duty cycle can be increased from a first value, with which the switch is activated during its intended operation, to a second value, which is higher in comparison.
  • the control voltage and / or the control current can thereby be temporarily increased in order to exert an additional or higher closing force.
  • the method can also have the step:
  • this step can be limited to appropriate scenarios in which an appropriate closing force is available due to sufficiently high values of the supply voltage.
  • the step of determining an inductance of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time has elapsed can include:
  • the current can be measured directly or indirectly with a suitable current measuring device.
  • the defined period of time can be specified, determined, etc. by a system clock, a timer, etc. of a microcontroller.
  • the associated information can be written into a memory, a register or the like, for example.
  • the inductance can be determined particularly precisely, quickly and / or in a resource-saving manner.
  • the step of determining an inductance (L) of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time has elapsed can include:
  • the step of determining an inductance of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time has elapsed can include:
  • the comparison can take place with statistical algorithms such as a k-nearest neighbor algorithm or the like. This allows the inductance to be determined even more precisely.
  • a second aspect relates to a system for operating an electromagnetic switch.
  • the system is preferably set up to carry out the method described above.
  • the system has: an electromagnetic switch, which can be activated to close its magnetic circuit with an initial supply voltage and, after activation, can be controlled to hold its closed state, and at least one microcontroller which is set up to: the switch, after the switch has been activated, with to control a control voltage that is limited or reduced compared to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current, to increase the control voltage and / or the control current for a defined period of time, and an inductance of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time has elapsed to determine.
  • the switch can be the switch described above in connection with the method, that is to say in particular a contactor.
  • the microcontroller does not necessarily have to be a single Be a component, but can also be distributed, for example with several components.
  • the microcontroller itself can either have one or more integrated circuits, software modules, etc. in order to carry out the above functions or the functions described in connection with the method, such as current measurement, resistance measurement, etc.
  • the microcontroller can, however, also interact with external devices, such as measuring devices, etc., and receive and process corresponding signals from them.
  • a third aspect relates to the use of a system for operating an electromagnetic switch according to the preceding claim in an on-board network of a motor vehicle, wherein the switch couples power electronics of the motor vehicle to a battery of the motor vehicle depending on the switching state, and the system checks the switching state of the switch and A function of the motor vehicle is influenced as a function of a check result.
  • This use enables a high level of functional reliability, since the switching and / or closing state of the switch can be reliably monitored or diagnosed.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a motor vehicle with a system according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a system according to an embodiment in a schematic block diagram.
  • the figures are merely schematic representations and only serve to explain the invention. Elements that are the same or have the same effect are provided with the same reference symbols throughout.
  • FIG. 1 shows, in a schematic side view, a motor vehicle 1, which here is an example of a battery-operated electric car.
  • the motor vehicle 1 has an energy store 10 in the form of a battery system and power electronics 20 which include a voltage converter, etc., for example.
  • One or more switches 100 are arranged between the energy store 10 and the power electronics 20 in order to separate the poles of the energy store 10 from the power electronics if necessary.
  • the switch 100 is an electromagnetic switch in the form of a contactor, which essentially has a control circuit and a main circuit.
  • the control circuit is used to control the contactor and the main circuit is the circuit that is switched.
  • the switch 100 has a magnetic circuit with an air gap.
  • Such a switch 100 is generally known, so that a more detailed description is dispensed with here.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a system for operating the switch 100.
  • This can be activated to close its magnetic circuit with an initial supply voltage U, which is made available by an on-board network, in particular by a low-voltage on-board network, of the motor vehicle 1, and after the activation to hold its closed state, which is typically ended after a few milliseconds, can be acted upon with a pulse width modulation PWM as a type of economy circuit in order to lower the power and thus save energy, especially in the hold state.
  • the PWM is set up in particular to control the switch 100 with a control voltage that is limited or reduced with respect to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current.
  • the PWM can also be referred to as an economy circuit or economizer.
  • the PWM limits the control current and / or the control voltage of the switch 100.
  • the system for operating the switch 100 also has a microcontroller 200 which is functionally connected to the switch 100.
  • the microcontroller is, for example, part of an electronic control device or a control device network of the motor vehicle 1.
  • the microcontroller 200 is set up in particular to determine an inductance of the magnetic circuit of the switch 100 during and / or after the defined period of time has elapsed.
  • the PWM described above can also be part of the microcontroller 200, for example in the form of a PWM module.
  • the microcontroller 200 is set up to increase the control voltage and / or the control current of the switch 100 for a defined period of time, the period of time preferably being in the range of milliseconds (ms).
  • a voltage of the on-board network of the motor vehicle 1 can be used, which can optionally also be provided by the same voltage source, such as a vehicle battery, as the supply voltage U mentioned above the pulse width modulation, PWM, using the current supply voltage U, which is higher than the initial supply voltage.
  • the microcontroller 200 is set up to determine an inductance L of the magnetic circuit of the switch 100 during and / or after the defined period of time has elapsed, such as measuring a current, a current difference or a current increase and calculating the inductance L from this.
  • the microcontroller 200 is also set up to determine the supply voltage Us for the defined period of time before increasing the control voltage and / or the control current, for example by means of a voltage measurement or information from signals from the vehicle electrical system, etc. Threshold value suspend the step of increasing the control voltage and / or the control current until the supply voltage threshold value is reached or exceeded.
  • the supply voltage threshold value can be approximately 8 V to 12 V, preferably approximately 9.5 V, for example.
  • the operation of the switch 100 or a method suitable for this can proceed as described below.
  • the motor vehicle 1 or the system described above is set up to switch 100 for example, to activate from the low-voltage on-board network, for example by a 12 V vehicle battery or the like.
  • the supply voltage Us available in the low-voltage vehicle electrical system can be comparatively low, for example only about 7 V. This means that a comparatively low control voltage is used to activate the switch 100, which may be sufficient for the contacts of the switch 100 to be applied, but the switch 100 is not completely closed or has only a low holding force on the contacts.
  • the switch 100 after activating the switch 100, for which the initial supply voltage U, here for example approximately 7 V, the switch 100 is initially operated with the above-mentioned PWM, ie a control voltage that is limited or reduced with respect to the supply voltage Us and / or with a limited or operated., In which case, however, the control voltage and / or the control current is increased for a defined, ie known or specific, period of time.
  • the current, the current difference or the current increase DI can then be determined by means of the microcontroller 200, e.g. by means of direct or indirect current measurement.
  • the start current value can first be determined before the start of the defined time period ⁇ t.
  • the current rise DI can then be determined during the defined period of time ⁇ t.
  • the end current value is determined after the defined period of time ⁇ t has elapsed and the current rise DI is calculated from the end current value and the start current value.
  • the inductance L can then be calculated by the microcontroller 200, it being possible for this to be calculated or determined, for example:
  • the inductance L is to be calculated briefly with exemplary numerical values for an exemplary switch 100. It can be assumed here that the PWM, the economy circuit or the economizer reduces the current I PWM to approx.
  • 0.74 A controls or regulates.
  • R is determined, for example by a resistance measurement or on the basis of a specification of the switch 100, to be approximately 5.7 ohms.
  • the voltage Us is increased to approx. 12 V and, for example, determined by measurement, for the defined period of time ⁇ t of approx. 10 ms.
  • the current increases from 0.74 A to e.g. about 0.98 A, i.e. a current difference DI of about 0.24 A. This results in the inductance L with these exemplary numerical values:
  • the inductance is then determined by the diagnostic unit as:
  • This now determined inductance L of the magnetic circuit can be compared with an inductance threshold value in order to infer a closed state and / or a switched state of the switch 100 therefrom.
  • an inductance L greater than or equal to 300 mH can be regarded as sufficient activation or closure or OK and an inductance L less than 200 mH as insufficient activation or closure or not OK.
  • the specific threshold value can deviate from the exemplary numerical values. If there is an inductance threshold value in between, the determination of the inductance L and / or the measurements can be repeated one or more times, i.e. the voltage can be increased again, etc.

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Abstract

The invention relates to a method for operating an electromagnetic switch (100), in particular a contactor or relay, having the steps of: activating the switch (100) using an initial supply voltage (US) in order to close a magnetic circuit of the switch (100); actuating the switch (100), after the switch (100) has been activated, using an actuation voltage and/or an actuation current which is limited or reduced in comparison to the initial supply voltage (US); increasing the actuation voltage for a defined period of time (Δt); and determining an inductance (L) of the magnetic circuit of the switch (100) during the defined period of time (Δt) and/or after the defined period of time has expired.

Description

VERFAHREN UND SYSTEM ZUM BETRIEB EINES ELEKTROMAGNETISCHEN SCHALTERS METHOD AND SYSTEM FOR OPERATING AN ELECTROMAGNETIC SWITCH
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters, bei dem es sich beispielsweise um einen Schütz oder um ein Relais handeln kann. The present invention relates to a method and a system for operating an electromagnetic switch, which can be a contactor or a relay, for example.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verfahrens oder Systems im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, bei dem es sich beispielsweise um ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wie ein Elektroauto, Hybrid-Fahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, handeln kann. The invention also relates to the use of such a method or system in the on-board network of a motor vehicle, which can be, for example, an at least partially electrically driven motor vehicle, such as an electric car, hybrid vehicle or fuel cell vehicle.
Stand der Technik State of the art
Aus der Praxis der Fahrzeugtechnik ist bekannt, dass insbesondere in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen elektromagnetische Schalter, wie etwa Schütze, verwendet werden, um beispielsweise eine Leistungselektronik des Kraftfahrzeugs mit einem Energiespeicher, wie etwa einer Batterie, wahlweise zu verbinden und zu trennen. Dies kann beispielsweise in einem Hochvolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. It is known from practical experience in vehicle technology that electromagnetic switches, such as contactors, are used, in particular in at least partially electrically driven motor vehicles, for example to selectively connect and disconnect power electronics of the motor vehicle with an energy store, such as a battery. This can be provided, for example, in a high-voltage electrical system of the motor vehicle.
Die Aktivierung des Schalters kann beispielsweise aus einem Niedervolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs heraus erfolgen. Während des Produktlebenszyklus des Kraftfahrzeugs kann dabei eine Situation auftreten, in der das Niedervolt-Bordnetz nur eine Spannung zur Verfügung stellen kann, die unterhalb der eigentlichen Nennspannung, beispielsweise von 12 V, liegt, wenn beispielsweise die entsprechende Fahrzeugbatterie des Niedervolt- Bordnetzes tiefentladen ist oder ähnliches. Lediglich exemplarisch kann eine solche reduzierte Spannung bei kleiner 10 V, beispielsweise auch nur bei etwa 7 V, liegen. Bei der Aktivierung und/oder Ansteuerung des Schalters mit einer derart niedrigen Spannung, können Kontakte des Schalters zwar anliegen, jedoch kann dabei ein Magnetkreis des Schalters nicht vollständig bzw. nicht mit voller Kontaktkraft geschlossen sein. Wenn nun der Schalter im Zustand „Halten“ mit einer vergleichsweise niedrigen Spannung (über PWM reduziert) angesteuert wird, um beispielsweise die Ansteuerleistung des Schalters zu reduzieren, bleibt der Magnetkreis auch weiterhin nicht vollständig geschlossen. The switch can be activated, for example, from a low-voltage electrical system of the motor vehicle. During the product life cycle of the motor vehicle, a situation can arise in which the low-voltage on-board network can only provide a voltage that is below the actual nominal voltage, for example 12 V, if, for example, the corresponding vehicle battery of the low-voltage on-board network is or is deeply discharged similar. Such a reduced voltage can be less than 10 V, for example only about 7 V, only as an example. In the Activation and / or control of the switch with such a low voltage, contacts of the switch can indeed be present, but a magnetic circuit of the switch can not be closed completely or not with full contact force. If the switch is now activated in the "Hold" state with a comparatively low voltage (reduced via PWM), for example to reduce the activation power of the switch, the magnetic circuit still does not remain completely closed.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass bei einem nicht vollständig geschlossenen Magnetkreis des Schalters eine entsprechende Haltekraft an den Kontakten verringert sein kann, in extremen Fällen auch signifikant um mehr als 50 % der Soll-Haltekraft. Dies kann während des Fährbetriebs des Kraftfahrzeugs zu einem unerwünschten Öffnen des Schalters unter Laststrom führen, was sich nachteilig auf die Funktionssicherheit oder Fahrsicherheit auswirken kann und ggf. auch den Schalter durch z.B. Lichtbogenbildung schädigen kann. It has been shown in practice that if the magnetic circuit of the switch is not completely closed, a corresponding holding force at the contacts can be reduced, in extreme cases even significantly by more than 50% of the target holding force. This can lead to an undesired opening of the switch under load current during the ferry operation of the motor vehicle, which can have a detrimental effect on the functional safety or driving safety and possibly also damage the switch by e.g. arcing.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Betrieb eines, insbesondere elektromagnetischen, Schalters hinsichtlich seiner Funktionssicherheit zu verbessern. The object of the invention is therefore to improve the operation of a switch, in particular an electromagnetic switch, with regard to its functional reliability.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. The object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the invention are given in the dependent claims, the description and the accompanying figures.
Ein erster Aspekt stellt ein Verfahren zum Überprüfen eines Schaltzustands eines elektromagnetischen Schalters, insbesondere eines Schützes oder Relais, zur Verfügung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: A first aspect provides a method for checking a switching state of an electromagnetic switch, in particular a contactor or relay. The procedure consists of the following steps:
Aktivieren des Schalters mit einer initialen Versorgungsspannung zum Schließen eines Magnetkreises des Schalters. Activation of the switch with an initial supply voltage to close a magnetic circuit of the switch.
Ansteuern, nach dem Aktvieren des Schalters, des Schalters mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom, insbesondere Haltestrom. Control, after the switch has been activated, the switch with a control voltage that is limited or reduced compared to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current, in particular holding current.
Erhöhen, für eine definierte Zeitdauer, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms. Bestimmen einer Induktivität des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer. Increase, for a defined period of time, the control voltage and / or the control current. Determining an inductance of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time.
Das Verfahren kann zumindest teilweise oder vollständig computer-implementiert sein, vorzugsweise in Form von Hardware und/oder Software. Hierfür kann ein System gemäß dem unten stehend beschriebenen zweiten Aspekt verwendet werden. Die oben beschriebenen Verfahrensschritte können insbesondere durch einen oder mehrere Mikrocontroller und ggf. mit zusätzlicher Messeinrichtung, wie einer Strommesseinrichtung, einer Widerstandsmesseinrichtung, einer Spannungsmesseinrichtung usw., durchgeführt werden. The method can be at least partially or completely computer-implemented, preferably in the form of hardware and / or software. A system according to the second aspect described below can be used for this purpose. The method steps described above can in particular be carried out by one or more microcontrollers and, if necessary, with additional measuring devices, such as a current measuring device, a resistance measuring device, a voltage measuring device, etc.
Der Schalter, insbesondere Schütz, kann für höhere Schaltleistungen bestimmt sein und fernbetätigbar sein. Der Schalter bzw. seine Schaltungen können zwei Stromkreise umfassen, nämlich einen Steuerstromkreis und einen Hauptstromkreis. Fließt ein Steuerstrom durch einen Magnetkreis bzw. eine Magnetspule des Schalters, zieht das Magnetfeld, insbesondere mechanisch ausgeführte, Kontakte in einen aktiven Zustand.The switch, in particular the contactor, can be intended for higher switching capacities and can be operated remotely. The switch or its circuits can comprise two circuits, namely a control circuit and a main circuit. If a control current flows through a magnetic circuit or a magnetic coil of the switch, the magnetic field pulls, in particular mechanical contacts, into an active state.
Ohne Strom kann eine Feder den Ruhezustand wieder hersteilen, so dass die Kontakte wieder in ihre Ausgangslage zurückkehren. Im aktivierten Zustand schließt der Magnetkreis des Schalters, wobei sich ein Luftspalt des Magnetkreises verkleinert oder gar Null wird. Without electricity, a spring can restore the state of rest so that the contacts return to their original position. In the activated state, the magnetic circuit of the switch closes, whereby an air gap in the magnetic circuit is reduced or even becomes zero.
Die definierte Zeitdauer kann im Bereich von einem Sekundenbruchteil, etwa im Millisekunden-Bereich liegen, wobei sich beispielsweise 1 ms bis 50 ms, vorzugsweise 5 ms bis 20 ms, besonders bevorzugt etwa 10 ms, als zweckmäßig erwiesen haben. Hiermit lässt sich eine aussagekräftige Induktivitätsmessung bewerkstelligen, ohne den Betrieb des Schalters zu stören oder zu gefährden, z.B. durch thermische Überbeanspruchung infolge hohen Stromflusses oder ähnliches. The defined period of time can be in the range of a fraction of a second, for example in the millisecond range, wherein, for example, 1 ms to 50 ms, preferably 5 ms to 20 ms, particularly preferably about 10 ms, have proven to be expedient. This enables a meaningful inductance measurement to be achieved without disrupting or endangering the operation of the switch, e.g. through thermal overload due to high current flow or the like.
Das zeitweise Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms kann nach dem vorherigen Aktivieren des Schalters nochmals eine Schließkraft auf den Magnetkreis bzw. auf die Kontakte des Schalters ausüben, so dass sich während der Ansteuerung bzw. bei der hier durchgeführten Erhöhung der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms der Schließzustand des Schalters nochmals ändern kann. Das Erhöhen der Ansteuerspannung kann beispielsweise durch hardware- und/oder softwarebasiertes Steuern oder Regeln des Steuerstromkreises erfolgen. Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann über den Stromanstieg als Antwort auf einen Spannungssprung von U, auf UBN (mit U, z.B. 4V und UBN=12V) erkannt werden, ob der Schalter geschlossen ist. Eine weitere naheliegende Ausführung besteht darin, dass das Schalter, insbesondere ein Schütz, geöffnet ist und eine Spannungssprung von Uo=OV auf Ui (z.B. 4V) erfolgt. Der Stromanstieg in Ät (z.B. 10ms) gibt dann Auskunft darüber, ob das Schalter wirklich geöffnet ist, also kein sogenannter Schützkleber bei einem Schütz vorliegt. The temporary increase in the control voltage and / or the control current can, after the previous activation of the switch, again exert a closing force on the magnetic circuit or on the contacts of the switch, so that during the control or during the increase in the control voltage and / or of the control current can change the closed state of the switch again. The control voltage can be increased, for example, by means of hardware- and / or software-based control or regulation of the control circuit. According to a further development of the method, it can be recognized via the current increase as a response to a voltage jump from U to UBN (with U, for example 4V and UBN = 12V) whether the switch is closed. Another obvious embodiment is that the switch, in particular a contactor, is open and there is a voltage jump from Uo = OV to Ui (eg 4V). The increase in current in Ät (e.g. 10ms) then provides information about whether the switch is really open, i.e. there is no so-called contactor adhesive on a contactor.
Das Bestimmen der Induktivität kann direkt oder indirekt erfolgen, z.B. durch Berechnen der Induktivität anhand der Werte der initialen Versorgungsspannung, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms, eines Stromanstiegs durch Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms, und der definierten Zeitdauer. The inductance can be determined directly or indirectly, e.g. by calculating the inductance based on the values of the initial supply voltage, the control voltage and / or the control current, a current increase by increasing the control voltage and / or the control current, and the defined time period.
Die Induktivität des wenigstens einen Magnetkreises mit einem Luftspalt ist abhängig von z.B. der Größe, insbesondere Weite, des Luftspalts. Ist der Magnetkreis vollständig bzw. wie gewünscht geschlossen, so ergibt sich ein entsprechender Wert der Induktivität, z.B. von etwa 310 mH. Ist der Luftspalt im Magnetkreis nicht richtig geschlossen, beispielsweise mit einem Luftspalt von 0,8 mm, so ergibt sich ein anderer, eher reduzierter Wert der Induktivität, beispielsweise von etwa 170 mH. Die Induktivitätsbestimmung erlaubt es also, den Schaltzustand und/oder Schließzustand des Schalters zu überprüfen bzw. zu diagnostizieren. The inductance of the at least one magnetic circuit with an air gap depends on, for example, the size, in particular the width, of the air gap. If the magnetic circuit is closed completely or as desired, the result is a corresponding value of the inductance, e.g. of about 310 mH. If the air gap in the magnetic circuit is not properly closed, for example with an air gap of 0.8 mm, the result is a different, rather reduced value of the inductance, for example of approximately 170 mH. Determining the inductance therefore makes it possible to check or diagnose the switching state and / or the closed state of the switch.
Mit diesem Verfahren kann der Betrieb des Schalters hinsichtlich seiner Funktionssicherheit verbessert werden, da der Schaltzustand und/oder Schließzustand des Schalters überprüft bzw. diagnostiziert werden kann. Dadurch ist es u.a. möglich, frühzeitig auf einen nicht optimalen Schalt- oder Schließzustand zu reagieren und ggf. geeignete Ersatzmaßnahmen zu ergreifen. Auch lässt sich durch geeignete Ersatzmaßnahmen die thermische Beanspruchung des Schalters reduzieren, indem noch vor einer Lichtbogenbildung durch z.B. ungewollt öffnende Kontakte infolge einer zu geringen Haltekraft entsprechend reagiert wird. Dennoch lässt sich der Schalter nach seiner Aktivierung mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom (Haltestrom) betreiben, so dass die Ansteuerleistung und/oder die thermische Belastung des Schalters während des Betriebs reduziert werden kann. Gemäß einer Weiterbildung wird anhand der bestimmten Induktivität des Magnetkreises der Schaltzustand des Schalters überprüft. Das Ergebnis der Überprüfung kann umfassen, dass der Ist-Schaltzustand dem Soll-Schaltzustand entspricht oder nicht. Anhand des Ergebnisses können verschiedene Ersatzmaßnahmen ergriffen werden, wie etwa eine erneute Ansteuerung des Schalters ohne Sparschaltung, eine Abschaltung des Kraftfahrzeugs oder Teilen davon, usw. With this method, the operation of the switch can be improved with regard to its functional reliability, since the switching state and / or the closed state of the switch can be checked or diagnosed. This makes it possible, among other things, to react early to a non-optimal switching or closing state and, if necessary, to take suitable substitute measures. The thermal stress on the switch can also be reduced by suitable substitute measures by reacting accordingly before an arcing occurs, for example, due to contacts that open unintentionally as a result of insufficient holding force. Nevertheless, after activation, the switch can be operated with a control voltage that is limited or reduced compared to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current (holding current), so that the control power and / or the thermal load on the switch can be reduced during operation . According to a further development, the switching state of the switch is checked on the basis of the determined inductance of the magnetic circuit. The result of the check can include whether or not the actual switching state corresponds to the target switching state. On the basis of the result, various substitute measures can be taken, such as renewed activation of the switch without an economy circuit, switching off the motor vehicle or parts thereof, etc.
In einer Weiterbildung kann anhand der bestimmten Induktivität des Magnetkreises im Vergleich zu einem Induktivitäts-Schwellenwert auf einen Schließzustand des Schalters geschlossen werden, wobei eine bestimmte Induktivität kleiner dem Induktivitäts- Schwellenwert einen nicht-vollständigen Schließzustand angibt und eine bestimmte Induktivität größer gleich dem Induktivitäts-Schwellenwert einen vollständigen Schließzustand angibt. In a further development, a closed state of the switch can be deduced from the determined inductance of the magnetic circuit compared to an inductance threshold value, with a certain inductance less than the inductance threshold value indicating an incomplete closed state and a certain inductance greater than or equal to the inductance threshold value indicates a fully closed state.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom durch eine Sparschaltung oder einen Economizer abgesenkt oder begrenzt werden. Unter dem Begriff Economizer sind Einrichtungen bekannt, die es erlauben, die Ansteuerleistung zu reduzieren, so dass der Stromverbrauch und die Erhitzung einer Spule des Schalters reduziert werden können. According to a development, the control voltage and / or the control current can be reduced or limited by an economy circuit or an economizer. The term economizer is used to describe devices that allow the control power to be reduced so that the power consumption and the heating of a coil of the switch can be reduced.
In einer Weiterbildung kann die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom mittels Pulsweitenmodulation, PWM, bereitgestellt werden. Die PWM kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller mit einem oder mehreren integrierten PWM-Modulen bewerkstelligt werden, womit ohne CPU-Belastung PWM-Signale generiert werden können. Es ist aber auch möglich, eine Softwarelösung zu verwenden. Dabei kann beispielsweise die CPU des Mikrocontrollers die PWM-Generierung vornehmen. Dadurch kann die Ansteuerleistung reduziert werden, so dass der Stromverbrauch und die Erhitzung einer Spule des Schalters reduziert werden. In a further development, the control voltage and / or the control current can be provided by means of pulse width modulation, PWM. The PWM can be accomplished, for example, by a microcontroller with one or more integrated PWM modules, with which PWM signals can be generated without loading the CPU. But it is also possible to use a software solution. For example, the CPU of the microcontroller can generate the PWM. As a result, the drive power can be reduced, so that the power consumption and the heating of a coil of the switch can be reduced.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms umfassen: According to one development, the step of increasing the control voltage and / or the control current for a defined period of time can include:
Erhöhen eines Tastgrads einer Pulsweitenmodulation, PWM, unter Verwendung einer aktuellen Versorgungsspannung, die höher ist als die initiale Versorgungsspannung. In anderen Worten kann der Tastgrad von einem ersten Wert, mit dem die Ansteuerung des Schalters während seines bestimmungsgemäßen Betriebs erfolgt, auf einen demgegenüber höheren, zweiten Wert erhöht werden. Insbesondere kann die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom dadurch zeitweise erhöht werden, um eine zusätzliche bzw. höhere Schließkraft auszuüben. Increasing a duty cycle of a pulse width modulation, PWM, using a current supply voltage that is higher than the initial supply voltage. In other words, the duty cycle can be increased from a first value, with which the switch is activated during its intended operation, to a second value, which is higher in comparison. In particular, the control voltage and / or the control current can thereby be temporarily increased in order to exert an additional or higher closing force.
In einer Weiterbildung kann das Verfahren ferner den Schritt aufweisen: In a further development, the method can also have the step:
Bestimmen einer aktuellen Versorgungsspannung vor dem Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms für die definierte Zeitdauer, wobei bei einer Versorgungsspannung kleiner einem Versorgungsspannungs- Schwellenwert der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms ausgesetzt wird bis der Versorgungsspannungs- Schwellenwert erreicht oder überschritten ist. Determination of a current supply voltage before increasing the control voltage and / or the control current for the defined period of time, with a supply voltage below a supply voltage threshold the step of increasing the control voltage and / or the control current is suspended for a defined period of time until the supply voltage - The threshold has been reached or exceeded.
Dadurch kann das Durchführen dieses Schritts auf zweckdienliche Szenarien beschränkt werden, in denen eine zweckdienliche Schließkraft infolge ausreichend hoher Werte der Versorgungsspannung zur Verfügung steht. As a result, the implementation of this step can be limited to appropriate scenarios in which an appropriate closing force is available due to sufficiently high values of the supply voltage.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Schritt des Bestimmens einer Induktivität des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfassen: According to a further development, the step of determining an inductance of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time has elapsed can include:
Bestimmen eines Start-Stromwerts vor Beginn der definierten Zeitdauer,Determination of a starting current value before the start of the defined period of time,
Bestimmen eines Stromanstiegs während der definierten Zeitdauer oder Bestimmen eines End-Stromwerts nach Ablauf der definierten Zeitdauer und Berechnen des Stromanstiegs aus dem End-Stromwert und dem Start-Stromwert, und Determining a current increase during the defined time period or determining an end current value after the defined time period has elapsed and calculating the current increase from the end current value and the starting current value, and
Berechnen der Induktivität unter Verwendung des bestimmten oder berechneten Stromanstiegs. Calculate the inductance using the determined or calculated current rise.
Die Strommessung kann direkt oder indirekt mit einer geeigneten Strommesseinrichtung erfolgen. Die definierte Zeitdauer kann durch eine Systemuhr, einen Timer usw. eines Mikrocontrollers vorgegeben, bestimmt usw. werden. Die zugehörige Information kann z.B. in einem Speicher, einem Register oder ähnlichem festgeschrieben werden. Dadurch kann die Induktivität besonders genau, rasch und/oder ressourcenschonend bestimmt werden. Gemäß einer Weiterbildung kann der Schritt des Bestimmens einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfassen: The current can be measured directly or indirectly with a suitable current measuring device. The defined period of time can be specified, determined, etc. by a system clock, a timer, etc. of a microcontroller. The associated information can be written into a memory, a register or the like, for example. As a result, the inductance can be determined particularly precisely, quickly and / or in a resource-saving manner. According to one development, the step of determining an inductance (L) of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time has elapsed can include:
Messen eines Stromanstiegs als Reaktion auf die Erhöhung der Ansteuerspannung nach Ablauf der definierten Zeitdauer, und Measuring a current increase in response to the increase in the control voltage after the defined period of time has elapsed, and
Bestimmen der Induktivität des Magnetkreises als Quotient aus Änderung der Ansteuerspannung und Änderung des Ansteuerstromes multipliziert mit der Zeitdauer. Determine the inductivity of the magnetic circuit as the quotient of the change in the control voltage and the change in the control current multiplied by the duration.
In einer Weiterbildung kann der Schritt des Bestimmens einer Induktivität des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfassen: In a further development, the step of determining an inductance of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time has elapsed can include:
Vergleichen der bestimmten Induktivität mit früheren Induktivitätsbestimmungen und/oder Compare the determined inductance with previous inductance determinations and / or
Verwenden eines Maschinenlernen-Algorithmus, dem Trainingsdaten aus früheren Induktivitätsbestimmungen zugrunde liegen. Use a machine learning algorithm based on training data from previous inductance determinations.
Der Vergleich kann mit statistischen Algorithmen, wie etwa einem k-Nearest-Neighbor- Algorithmus oder ähnlichem, erfolgen. Dadurch kann das Bestimmen der Induktivität noch genauer erfolgen. The comparison can take place with statistical algorithms such as a k-nearest neighbor algorithm or the like. This allows the inductance to be determined even more precisely.
Ein zweiter Aspekt betrifft ein System zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters. Das System ist vorzugsweise dazu eingerichtet, das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen. Das System weist auf: einen elektromagnetischen Schalter, der zum Schließen seines Magnetkreises mit einer initialen Versorgungsspannung aktivierbar und nach der Aktivierung zum Halten seines Schließzustands ansteuerbar ist, und wenigstens einen Mikrocontroller, der dazu eingerichtet ist: den Schalter, nach dem Aktvieren des Schalters, mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom anzusteuern, die Ansteuerspannung und/oder den Ansteuerstrom für eine definierte Zeitdauer zu erhöhen, und eine Induktivität des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer zu bestimmen. A second aspect relates to a system for operating an electromagnetic switch. The system is preferably set up to carry out the method described above. The system has: an electromagnetic switch, which can be activated to close its magnetic circuit with an initial supply voltage and, after activation, can be controlled to hold its closed state, and at least one microcontroller which is set up to: the switch, after the switch has been activated, with to control a control voltage that is limited or reduced compared to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current, to increase the control voltage and / or the control current for a defined period of time, and an inductance of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time has elapsed to determine.
Der Schalter kann der oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebene Schalter, also insbesondere ein Schütz, sein. Der Mikrocontroller muss nicht zwingend eine einzelne Komponente sein, sondern kann auch verteilt, z.B. mit mehreren Komponenten, ausgeführt sein. Der Mikrocontroller kann entweder selbst eine oder mehrere integrierte Schaltungen, Software- Mod ule usw. aufweisen, um die vorstehenden Funktionen oder die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Funktionen, wie Strommessung, Widerstandsmessung, usw. durchzuführen. Der Mikrocontroller kann aber auch mit externen Einrichtungen, wie Messeinrichtungen usw., Zusammenwirken und entsprechende Signale von diesen erhalten und verarbeiten. The switch can be the switch described above in connection with the method, that is to say in particular a contactor. The microcontroller does not necessarily have to be a single Be a component, but can also be distributed, for example with several components. The microcontroller itself can either have one or more integrated circuits, software modules, etc. in order to carry out the above functions or the functions described in connection with the method, such as current measurement, resistance measurement, etc. The microcontroller can, however, also interact with external devices, such as measuring devices, etc., and receive and process corresponding signals from them.
Ein dritter Aspekt betrifft die Verwendung eines Systems zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters gemäß dem vorhergehenden Anspruch in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei der Schalter je nach Schaltzustand eine Leistungselektronik des Kraftfahrzeugs mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs koppelt, und das System den Schaltzustand des Schalters überprüft und in Abhängigkeit eines Überprüfungsergebnisses eine Funktion des Kraftfahrzeugs beeinflusst. A third aspect relates to the use of a system for operating an electromagnetic switch according to the preceding claim in an on-board network of a motor vehicle, wherein the switch couples power electronics of the motor vehicle to a battery of the motor vehicle depending on the switching state, and the system checks the switching state of the switch and A function of the motor vehicle is influenced as a function of a check result.
Diese Verwendung ermöglicht eine hohe Funktionssicherheit, da der Schalt- und/oder Schließzustand des Schalters zuverlässig überwacht bzw. diagnostiziert werden kann. This use enables a high level of functional reliability, since the switching and / or closing state of the switch can be reliably monitored or diagnosed.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsformen und den begleitenden Figuren. Further features, advantages and possible applications of the invention emerge from the following description of advantageous embodiments and the accompanying figures.
Kurze Figurenbeschreibung Brief description of the figures
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen: An advantageous exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the accompanying figures. Show it:
Figur 1 in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug mit einem System gemäß einer Ausführungsform und FIG. 1 shows a schematic side view of a motor vehicle with a system according to an embodiment and
Figur 2 in einem schematischen Blockschaltbild ein System gemäß einer Ausführungsform. Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen. FIG. 2 shows a system according to an embodiment in a schematic block diagram. The figures are merely schematic representations and only serve to explain the invention. Elements that are the same or have the same effect are provided with the same reference symbols throughout.
Detaillierte Beschreibung Detailed description
Figur 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich hier exemplarisch um ein batteriebetriebenes Elektroauto handelt. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Energiespeicher 10 in Form eines Batteriesystems und eine Leistungselektronik 20 auf, die beispielsweise einen Spannungswandler usw. umfasst. Zwischen dem Energiespeicher 10 und der Leistungselektronik 20 sind ein oder mehrere Schalter 100 angeordnet, um die Pole des Energiespeichers 10 im Bedarfsfall von der Leistungselektronik abzutrennen. FIG. 1 shows, in a schematic side view, a motor vehicle 1, which here is an example of a battery-operated electric car. The motor vehicle 1 has an energy store 10 in the form of a battery system and power electronics 20 which include a voltage converter, etc., for example. One or more switches 100 are arranged between the energy store 10 and the power electronics 20 in order to separate the poles of the energy store 10 from the power electronics if necessary.
Der Schalter 100 ist ein elektromagnetischer Schalter in Form eines Schützes, der im Wesentlichen einen Steuerstromkreis und einen Hauptstromkreis aufweist. Der Steuerstromkreis dient zur Steuerung des Schützes und beim Hauptstromkreis handelt es sich um den Stromkreis, der geschaltet wird. Zudem weist der Schalter 100 einen Magnetkreis mit einem Luftspalt auf. Ein solcher Schalter 100 ist im Allgemeinen bekannt, so dass hier auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet wird. The switch 100 is an electromagnetic switch in the form of a contactor, which essentially has a control circuit and a main circuit. The control circuit is used to control the contactor and the main circuit is the circuit that is switched. In addition, the switch 100 has a magnetic circuit with an air gap. Such a switch 100 is generally known, so that a more detailed description is dispensed with here.
Figur 2 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild ein System zum Betrieb des Schalters 100. Dieser ist zum Schließen seines Magnetkreises mit einer initialen Versorgungsspannung U aktivierbar, die von einem Bordnetz, insbesondere von einem Niedervolt-Bordnetz, des Kraftfahrzeugs 1 zur Verfügung gestellt wird, und nach der Aktivierung zum Halten seines Schließzustands, die typischerweise nach wenigen Millisekunden beendet ist, mit einer Pulsweitenmodulation PWM als eine Art Sparschaltung beaufschlagbar, um insbesondere im Haltezustand die Leistung abzusenken und so Energie einzusparen. Die PWM ist insbesondere dazu eingerichtet, den Schalter 100 mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom anzusteuern. Die PWM kann auch als Sparschaltung oder Economizer bezeichnet werden. Funktional betrachtet, begrenzt die PWM den Ansteuerstrom und/oder die Ansteuerspannung des Schalters 100. Das System zum Betrieb des Schalters 100 weist ferner einen Mikrocontroller 200 auf, der mit dem Schalter 100 funktional verbunden ist. Der Mikrocontroller ist beispielsweise Teil eines elektronischen Steuergeräts oder eines Steuergeräteverbunds des Kraftfahrzeugs 1. Der Mikrocontroller 200 ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Induktivität des Magnetkreises des Schalters 100 während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer zu bestimmen. Auch die oben beschriebene PWM kann beispielsweise in Form eines PWM- Moduls Teil des Mikrocontrollers 200 sein. Ferner ist der Mikrocontroller 200 dazu eingerichtet, für eine definierte Zeitdauer die Ansteuerspannung und/oder den Ansteuerstrom des Schalters 100 zu erhöhen, wobei die Zeitdauer vorzugsweise im Bereich von Millisekunden (ms) liegt. Hierzu kann eine Spannung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs 1 verwendet werden, die ggf. auch von derselben Spannungsquelle, wie etwa einer Fahrzeugbatterie, zur Verfügung gestellt werden kann wie die oben erwähnte Versorgungsspannung U. Zur Erhöhung der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms kann auch der Tastgrad der Pulsweitenmodulation, PWM, unter Verwendung der aktuellen Versorgungsspannung U, die höher ist als die initiale Versorgungsspannung, erfolgen. Zudem ist der Mikrocontroller 200 dazu eingerichtet, eine Induktivität L des Magnetkreises des Schalters 100 während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer zu bestimmen, wie etwa einen Strom, eine Stromdifferenz oder einen Stromanstieg zu messen und daraus die Induktivität L zu berechnen. Der Mikrocontroller 200 ist auch dazu eingerichtet, vor dem Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms für die definierte Zeitdauer die Versorgungsspannung Us, beispielsweise durch eine Spannungsmessung oder durch Informationen aus Signalen des Bordnetzes usw., zu bestimmen und bei einer Versorgungsspannung kleiner einem Versorgungsspannungs-Schwellenwert den Schritt des Erhöhens der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms auszusetzen, bis der Versorgungsspannungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten ist. Der Versorgungsspannungs-Schwellenwert kann beispielsweise bei etwa 8 V bis 12 V, vorzugsweise bei etwa 9,5 V liegen. Figure 2 shows a schematic block diagram of a system for operating the switch 100. This can be activated to close its magnetic circuit with an initial supply voltage U, which is made available by an on-board network, in particular by a low-voltage on-board network, of the motor vehicle 1, and after the activation to hold its closed state, which is typically ended after a few milliseconds, can be acted upon with a pulse width modulation PWM as a type of economy circuit in order to lower the power and thus save energy, especially in the hold state. The PWM is set up in particular to control the switch 100 with a control voltage that is limited or reduced with respect to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current. The PWM can also be referred to as an economy circuit or economizer. From a functional point of view, the PWM limits the control current and / or the control voltage of the switch 100. The system for operating the switch 100 also has a microcontroller 200 which is functionally connected to the switch 100. The microcontroller is, for example, part of an electronic control device or a control device network of the motor vehicle 1. The microcontroller 200 is set up in particular to determine an inductance of the magnetic circuit of the switch 100 during and / or after the defined period of time has elapsed. The PWM described above can also be part of the microcontroller 200, for example in the form of a PWM module. Furthermore, the microcontroller 200 is set up to increase the control voltage and / or the control current of the switch 100 for a defined period of time, the period of time preferably being in the range of milliseconds (ms). For this purpose, a voltage of the on-board network of the motor vehicle 1 can be used, which can optionally also be provided by the same voltage source, such as a vehicle battery, as the supply voltage U mentioned above the pulse width modulation, PWM, using the current supply voltage U, which is higher than the initial supply voltage. In addition, the microcontroller 200 is set up to determine an inductance L of the magnetic circuit of the switch 100 during and / or after the defined period of time has elapsed, such as measuring a current, a current difference or a current increase and calculating the inductance L from this. The microcontroller 200 is also set up to determine the supply voltage Us for the defined period of time before increasing the control voltage and / or the control current, for example by means of a voltage measurement or information from signals from the vehicle electrical system, etc. Threshold value suspend the step of increasing the control voltage and / or the control current until the supply voltage threshold value is reached or exceeded. The supply voltage threshold value can be approximately 8 V to 12 V, preferably approximately 9.5 V, for example.
Der Betrieb des Schalters 100 bzw. ein dazu geeignetes Verfahren kann wie nachfolgend beschrieben ablaufen. The operation of the switch 100 or a method suitable for this can proceed as described below.
Als exemplarische Ausgangssituation kann davon ausgegangen werden, dass das Kraftfahrzeug 1 bzw. das oben beschriebene System dazu eingerichtet ist, den Schalter 100 beispielsweise aus dem Niedervolt-Bordnetz, z.B. durch eine 12 V-Fahrzeugbatterie oder ähnliches, heraus zu aktivieren. Beispielsweise nach einem längeren Stand des Kraftfahrzeugs 1, bei ungünstigen Witterungsverhältnissen oder ähnlichen Randbedingungen, kann die im Niedervolt-Bordnetz verfügbare Versorgungsspannung Us vergleichsweise niedrig sein, z.B. lediglich etwa 7 V betragen. D.h., dass zur Aktivierung des Schalters 100 eine vergleichsweise niedrige Steuerspannung verwendet wird, die zwar ausreichen kann, damit die Kontakte des Schalters 100 anliegen, der Schalter 100 jedoch nicht vollständig geschlossen ist bzw. nur eine geringe Haltekraft an den Kontakten aufweist. As an exemplary initial situation, it can be assumed that the motor vehicle 1 or the system described above is set up to switch 100 for example, to activate from the low-voltage on-board network, for example by a 12 V vehicle battery or the like. For example, after the motor vehicle 1 has been stationary for a long time, under unfavorable weather conditions or similar boundary conditions, the supply voltage Us available in the low-voltage vehicle electrical system can be comparatively low, for example only about 7 V. This means that a comparatively low control voltage is used to activate the switch 100, which may be sufficient for the contacts of the switch 100 to be applied, but the switch 100 is not completely closed or has only a low holding force on the contacts.
Deshalb wird nach dem Aktivieren des Schalters 100, wozu die initiale Versorgungsspannung U, hier also beispielhaft etwa 7 V, der Schalter 100 zwar zunächst mit der oben erwähnten PWM, d.h. einer gegenüber der Versorgungsspannung Us begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom betrieben., wobei dann jedoch für eine definierte, d.h. bekannte oder bestimmte, Zeitdauer Ät die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom erhöht wird.Therefore, after activating the switch 100, for which the initial supply voltage U, here for example approximately 7 V, the switch 100 is initially operated with the above-mentioned PWM, ie a control voltage that is limited or reduced with respect to the supply voltage Us and / or with a limited or operated., In which case, however, the control voltage and / or the control current is increased for a defined, ie known or specific, period of time.
Dies kann beispielsweise durch ein Durchschalten der PWM auf einen ausreichenden Spannungswert erreicht werden. D.h., dass insbesondere der Tastgrad der PWM so gesteuert wird, dass am Schalter 100 eine Spannung größer oder gleich dem oben erwähnten Versorgungsspannungs-Schwellenwert anliegt. Sollte der Schalter 100 noch nicht vollständig geschlossen sein, kann diese zeitweise Erhöhung der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms eine zusätzliche, bzw. zeitlich betrachtet nachträgliche, Schließkraft auf den Magnetkreis bzw. die Kontakte des Schalters 100 aufbringen. This can be achieved, for example, by switching the PWM through to a sufficient voltage value. This means that in particular the duty cycle of the PWM is controlled in such a way that a voltage greater than or equal to the above-mentioned supply voltage threshold value is applied to switch 100. If the switch 100 is not yet completely closed, this temporary increase in the control voltage and / or the control current can apply an additional, or later, closing force to the magnetic circuit or the contacts of the switch 100.
Während der definierten Zeitdauer Ät kann dann mittels des Mikrocontrollers 200 der Strom, die Stromdifferenz oder der Stromanstieg DI, z.B. mittels direkter oder indirekter Strommessung bestimmt werden. Hierzu kann beispielsweise zunächst der Start-Stromwert vor Beginn der definierten Zeitdauer Ät bestimmt werden. Dann kann der Stromanstieg DI während der definierten Zeitdauer Ät bestimmt werden. Oder es wird der End-Stromwert nach Ablauf der definierten Zeitdauer Ät bestimmt und der Stromanstieg DI aus dem End- Stromwert und dem Start-Stromwert berechnet. Sodann kann die Induktivität L durch den Mikrocontroller 200 berechnet werden, wobei sich diese beispielsweise berechnen bzw. bestimmen lässt zu: During the defined period of time Ät, the current, the current difference or the current increase DI can then be determined by means of the microcontroller 200, e.g. by means of direct or indirect current measurement. For this purpose, for example, the start current value can first be determined before the start of the defined time period Δt. The current rise DI can then be determined during the defined period of time Ät. Or the end current value is determined after the defined period of time Ät has elapsed and the current rise DI is calculated from the end current value and the start current value. The inductance L can then be calculated by the microcontroller 200, it being possible for this to be calculated or determined, for example:
L — Ws IPWMR M/AI mit L als Induktivität, R als Widerstand der Spule(n),
Figure imgf000014_0001
als Ansteuerstrom der PWM, Ät als definierte Zeitdauer und DI als Stromdifferenz- oder Stromanstieg. L - Ws IPWMR M / AI with L as inductance, R as resistance of the coil (s),
Figure imgf000014_0001
as the control current of the PWM, Ät as a defined duration and DI as the current difference or current increase.
Zur besseren Veranschaulichung soll die Induktivität L mit exemplarischen Zahlenwerten für einen beispielhaften Schalter 100 kurz berechnet werden. Hierbei kann davon ausgegangen werden, dass die PWM, die Sparschaltung bzw. der Economizer den Strom IPWM auf ca.For a better illustration, the inductance L is to be calculated briefly with exemplary numerical values for an exemplary switch 100. It can be assumed here that the PWM, the economy circuit or the economizer reduces the current I PWM to approx.
0,74 A steuert oder regelt. R wird, beispielsweise durch eine Widerstandsmessung oder auf Basis einer Spezifikation des Schalters 100, mit ca. 5,7 Ohm bestimmt. Dann wird - beispielsweise durch Erhöhen des Tastgrads der PWM, die Spannung Us auf ca. 12 V erhöht und z.B. messtechnisch bestimmt, und zwar für die definierte Zeitdauer Ät von ca. 10 ms. Hierbei erhöht sich der Strom von 0,74 A auf z.B. etwa 0,98 A, also einer Stromdifferenz DI von etwa 0,24 A. Daraus ergibt sich die Induktivität L mit diesen exemplarischen Zahlenwerten zu: 0.74 A controls or regulates. R is determined, for example by a resistance measurement or on the basis of a specification of the switch 100, to be approximately 5.7 ohms. Then - for example by increasing the duty cycle of the PWM, the voltage Us is increased to approx. 12 V and, for example, determined by measurement, for the defined period of time Ät of approx. 10 ms. The current increases from 0.74 A to e.g. about 0.98 A, i.e. a current difference DI of about 0.24 A. This results in the inductance L with these exemplary numerical values:
325 mH
Figure imgf000014_0002
325 mH
Figure imgf000014_0002
Ist im Fehlerfall der Magnetkreis nicht geschlossen oder nicht vollständig geschlossen und es verbleibt infolgedessen ein Spalt von 0,8 mm, so ergibt sich in der Zeit von 10 ms ein Stromanstieg auf 0,5 A. Die Induktivität wird dann von der Diagnoseeinheit bestimmt zu: If, in the event of a fault, the magnetic circuit is not closed or not completely closed and as a result a gap of 0.8 mm remains, the current increases to 0.5 A within 10 ms. The inductance is then determined by the diagnostic unit as:
(12V — 4,2V)10ms (12V - 4.2V) 10ms
L = = 156 mH. L = = 156 mH.
Ö5Ä Ö5Ä
Diese nun bestimmte Induktivität L des Magnetkreises kann mit einem Induktivitäts- Schwellenwert verglichen werden, um daraus auf einen Schließzustand und/oder Schaltzustand des Schalters 100 zu schließen. Bei den obigen exemplarischen Zahlenwerten kann z.B. eine Induktivität L größer gleich 300 mH als ausreichende Aktivierung bzw. Schließung bzw. i.O. und eine Induktivität L kleiner 200 mH als nicht ausreichende Aktivierung bzw. Schließung bzw. n.i.O. erachtet werden. Selbstverständlich kann der konkrete Schwellenwert von den exemplarischen Zahlenwerten abweichen. Bei einem dazwischen liegenden Induktivitäts-Schwellenwert kann die Bestimmung der Induktivität L und/oder die Messungen ein oder mehrere Male wiederholt werden, also nochmals die Spannung erhöht werden usw. BEZUGSZEICHENLISTE This now determined inductance L of the magnetic circuit can be compared with an inductance threshold value in order to infer a closed state and / or a switched state of the switch 100 therefrom. With the above exemplary numerical values, for example, an inductance L greater than or equal to 300 mH can be regarded as sufficient activation or closure or OK and an inductance L less than 200 mH as insufficient activation or closure or not OK. Of course, the specific threshold value can deviate from the exemplary numerical values. If there is an inductance threshold value in between, the determination of the inductance L and / or the measurements can be repeated one or more times, i.e. the voltage can be increased again, etc. REFERENCE LIST
1 Kraftfahrzeug 1 motor vehicle
10 Energiespeicher 20 Leistungselektronik 10 energy storage 20 power electronics
100 Schalter 100 switches
200 Mikrocontroller 200 microcontrollers

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters (100), insbesondere eines Schützes oder Relais, mit den Schritten: 1. A method for operating an electromagnetic switch (100), in particular a contactor or relay, with the steps:
Aktivieren des Schalters (100) mit einer initialen Versorgungsspannung (Us) zum Schließen eines Magnetkreises des Schalters (100), Activation of the switch (100) with an initial supply voltage (Us) to close a magnetic circuit of the switch (100),
Ansteuern, nach dem Aktvieren des Schalters (100), des Schalters (100) mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung (Us) begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom, Control, after the switch (100) has been activated, the switch (100) with a control voltage that is limited or reduced compared to the initial supply voltage (Us) and / or with a limited or reduced control current,
Erhöhen, für eine definierte Zeitdauer (Ät), der Ansteuerspannung, undIncrease, for a defined period of time (Ät), the control voltage, and
Bestimmen einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Ät). Determination of an inductance (L) of the magnetic circuit of the switch during and / or after the defined period of time (Ät) has elapsed.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei anhand der bestimmten Induktivität (L) des Magnetkreises der Schaltzustand des Schalters (100) überprüft wird. 2. The method according to claim 1, wherein the switching state of the switch (100) is checked on the basis of the determined inductance (L) of the magnetic circuit.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei anhand der bestimmten Induktivität (L) des Magnetkreises im Vergleich zu einem Induktivitäts-Schwellenwert auf einen Schließzustand des Schalters (100) geschlossen wird, eine bestimmte Induktivität (L) kleiner dem Induktivitäts-Schwellenwert einen nicht-vollständigen Schließzustand angibt, und eine bestimmte Induktivität (L) größer gleich dem Induktivitäts-Schwellenwert einen vollständigen Schließzustand angibt. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein based on the certain inductance (L) of the magnetic circuit in comparison to an inductance threshold value is concluded that the switch (100) is closed, a certain inductance (L) less than the inductance threshold value is not - indicates fully closed state, and a certain inductance (L) greater than or equal to the inductance threshold value indicates a fully closed state.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom durch eine Sparschaltung (PWM) oder einen Economizer abgesenkt oder begrenzt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the control voltage and / or the control current is reduced or limited by an economy circuit (PWM) or an economizer.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerspannung und/oder der Ansteuerstrom mittels Pulsweitenmodulation, PWM, bereitgestellt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the control voltage and / or the control current is provided by means of pulse width modulation, PWM.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer (Ät), der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms umfasst: 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the step of increasing, for a defined period of time (Ät), the control voltage and / or the control current comprises:
Erhöhen eines Tastgrads einer Pulsweitenmodulation, PWM, unter Verwendung einer aktuellen Versorgungsspannung (Us), die höher ist als die initiale Versorgungsspannung (Us). Increasing a duty cycle of a pulse width modulation, PWM, using a current supply voltage (Us) that is higher than the initial supply voltage (Us).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend den Schritt: 7. The method according to any one of the preceding claims, further comprising the step:
Bestimmen einer aktuellen Versorgungsspannung (Us) vor dem Erhöhen der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms für die definierte Zeitdauer, wobei bei einer Versorgungsspannung (Us) kleiner einem Versorgungsspannungs- Schwellenwert der Schritt des Erhöhens, für eine definierte Zeitdauer, der Ansteuerspannung und/oder des Ansteuerstroms ausgesetzt wird bis der Versorgungsspannungs-Schwellenwert erreicht oder überschritten ist. Determining a current supply voltage (Us) before increasing the control voltage and / or the control current for the defined period of time, with a supply voltage (Us) less than a supply voltage threshold the step of increasing, for a defined period of time, the control voltage and / or the Control current is suspended until the supply voltage threshold is reached or exceeded.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters (100) während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfasst: 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the step of determining an inductance (L) of the magnetic circuit of the switch (100) during and / or after the defined period of time has elapsed:
Bestimmen eines Start-Stromwerts vor Beginn der definierten Zeitdauer,Determination of a starting current value before the start of the defined period of time,
Bestimmen eines Stromanstiegs während der definierten Zeitdauer oder Bestimmen eines End-Stromwerts nach Ablauf der definierten Zeitdauer und Berechnen des Stromanstiegs aus dem End-Stromwert und dem Start-Stromwert, und Determining a current increase during the defined time period or determining an end current value after the defined time period has elapsed and calculating the current increase from the end current value and the starting current value, and
Berechnen der Induktivität unter Verwendung des bestimmten oder berechneten Stromanstiegs. Calculate the inductance using the determined or calculated current rise.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters (100) während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer umfasst: 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the step of determining an inductance (L) of the magnetic circuit of the switch (100) during and / or after the defined period of time has elapsed:
Messen eines Stromanstiegs als Reaktion auf die Erhöhung der Ansteuerspannung nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Ät), und Bestimmen der Induktivität (L) des Magnetkreises als Quotient aus Änderung der Ansteuerspannung und Änderung des Ansteuerstromes multipliziert mit der Zeitdauer (Ät). Measuring a current increase as a reaction to the increase in the control voltage after the defined period of time (Ät) has elapsed, and Determination of the inductivity (L) of the magnetic circuit as the quotient of the change in the control voltage and the change in the control current multiplied by the duration (Ät).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens einer Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters (100) während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Ät) umfasst: 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the step of determining an inductance (L) of the magnetic circuit of the switch (100) during and / or after the defined period of time (Ät) has elapsed:
Vergleichen der bestimmten Induktivität mit früheren Induktivitätsbestimmungen und/oder Compare the determined inductance with previous inductance determinations and / or
Verwenden eines Maschinenlernen-Algorithmus, dem Trainingsdaten aus früheren Induktivitätsbestimmungen zugrunde liegen. Use a machine learning algorithm based on training data from previous inductance determinations.
11. System zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters, aufweisend einen elektromagnetischen Schalter (100), der zum Schließen seines Magnetkreises mit einer initialen Versorgungsspannung (Us) aktivierbar und nach der Aktivierung zum Halten seines Schließzustands ansteuerbar ist, und wenigstens einen Mikrocontroller (200), der dazu eingerichtet ist: den Schalter (100), nach dem Aktvieren des Schalters, mit einer gegenüber der initialen Versorgungsspannung begrenzten oder abgesenkten Ansteuerspannung und/oder mit einem begrenzten oder abgesenkten Ansteuerstrom anzusteuern, die Ansteuerspannung für eine definierte Zeitdauer (Ät) zu erhöhen, und eine Induktivität (L) des Magnetkreises des Schalters (199) während und/oder nach Ablauf der definierten Zeitdauer (Ät) zu bestimmen. 11. System for operating an electromagnetic switch, comprising an electromagnetic switch (100) which can be activated to close its magnetic circuit with an initial supply voltage (Us) and can be controlled after activation to hold its closed state, and at least one microcontroller (200) which is set up to: control the switch (100), after the switch has been activated, with a control voltage that is limited or reduced compared to the initial supply voltage and / or with a limited or reduced control current, to increase the control voltage for a defined period of time (Ät), and to determine an inductance (L) of the magnetic circuit of the switch (199) during and / or after the defined period of time (Ät) has elapsed.
12. Verwendung eines Verfahrens oder Systems zum Betrieb eines elektromagnetischen Schalters (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs (1), wobei der Schalter (100) je nach Schaltzustand eine Leistungselektronik (20) des Kraftfahrzeugs (1) mit einer Batterie (10) des Kraftfahrzeugs (1) koppelt, und das System den Schaltzustand des Schalters (100) überprüft und in Abhängigkeit eines Überprüfungsergebnisses eine Funktion des Kraftfahrzeugs (1) beeinflusst. 12. Use of a method or system for operating an electromagnetic switch (100) according to one of the preceding claims in an on-board network of a motor vehicle (1), wherein the switch (100), depending on the switching state, a power electronics (20) of the motor vehicle (1) with a The battery (10) of the motor vehicle (1) couples, and the system checks the switching state of the switch (100) and influences a function of the motor vehicle (1) as a function of a test result.
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