WO2023180582A1 - Power circuit and method for increasing the release forces when switching a relay, a relay, a charging device and a control unit - Google Patents

Power circuit and method for increasing the release forces when switching a relay, a relay, a charging device and a control unit Download PDF

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WO2023180582A1
WO2023180582A1 PCT/EP2023/057836 EP2023057836W WO2023180582A1 WO 2023180582 A1 WO2023180582 A1 WO 2023180582A1 EP 2023057836 W EP2023057836 W EP 2023057836W WO 2023180582 A1 WO2023180582 A1 WO 2023180582A1
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voltage
excitation
switching
control unit
relay
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PCT/EP2023/057836
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Rudolf Haeussermann
Robert Ruef
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Webasto SE
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    • H01H47/22Circuit 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
    • H01H47/32Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator
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    • H01H51/00Electromagnetic relays
    • H01H51/02Non-polarised relays
    • H01H51/04Non-polarised relays with single armature; with single set of ganged armatures
    • H01H51/06Armature is movable between two limit positions of rest and is moved in one direction due to energisation of an electromagnet and after the electromagnet is de-energised is returned by energy stored during the movement in the first direction, e.g. by using a spring, by using a permanent magnet, by gravity

Definitions

  • the present invention relates to a power circuit and a method for increasing the release forces when switching a mechanical relay controlled with a mechanical excitation coil, as well as a relay, a charger and a control unit.
  • AC chargers for electric vehicles which are provided in a wallbox or a cordset, for example, switch the power path between the power grid and the electric vehicle using electromagnetic relays.
  • These relays have special requirements regarding the welding resistance of the contacts. For example, significant inrush currents arise when charging the input filter of electric vehicles. Switching off under load can lead to arcing and contact wear. In some cases, these effects are limited by the relevant specifications. However, it can happen that these specifications are exceeded under real conditions. The relays therefore have to be significantly oversized in terms of welding resistance.
  • the course of the control voltage is selected so that the contact means is excited to oscillate with a natural frequency of the contact means and a mechanical “shaking” is achieved on the contact means.
  • a power circuit for increasing the release forces of a mechanical relay controlled with an excitation coil, preferably in an AC (alternating current) charger for a motor vehicle comprising a spring-loaded armature.
  • the power circuit includes a control unit that can be connected to the excitation coil of the relay and is designed and set up to apply a switching voltage to the excitation coil of the relay at a predetermined switching time for switching the relay.
  • the armature can be released from an electrical contact by means of a return spring to disconnect an electrical connection between the armature and the contact.
  • the armature is pressed onto the contact by a magnetic force from the excitation coil due to the switching voltage, which counteracts the return spring.
  • this can also be the other way around.
  • the switching voltage in the excitation coil to generate the switching force that presses or releases the armature onto the contact can have a constant average value.
  • the switching voltage can be generated by a control device at the time of switching.
  • the switching time can be received by the control device by means of an input signal, for example from a timer or a battery control device of a motor vehicle, comprising the switching time for starting or ending charging and/or stored in a memory.
  • the control unit can control the excitation coil with the switching voltage to establish, i.e. armature is on the contact, or disconnect, i.e. armature is released from the contact, the electrical connection.
  • a welded connection can arise between the armature and the contact due to flashover voltages, which can result in the armature no longer being able to be released from the contact by the return spring or by a switching force of the excitation coil.
  • the anchor can therefore adhere or stick to the contact.
  • the power circuit is characterized in that the control unit is designed and set up to apply, in addition to the switching voltage of the excitation coil of the relay, an excitation voltage that is synchronized with the switching time (in a time interval before and/or simultaneously and/or in a time interval after) and periodically to provide additional dynamic switching force.
  • synchronous can mean that the excitation voltage can be impressed on the switching voltage by the control device in a time interval before or after the switching time or at the same time as the switching time.
  • the excitation voltage can cause a fluctuating magnetic force of the excitation coil on the armature and thus cause the armature to vibrate, in particular to mechanically shake.
  • the vibration can create additional dynamic switching force in addition to the restoring force the return spring or the excitation coil through the switching voltage to disconnect the electrical connection and cause the armature to be released from the contact, in particular the welded connection.
  • control unit can apply the excitation voltage to the switching voltage before the switching time and stimulate the contact to vibrate before the switching process in order to prevent the armature from sticking to the contact before switching solve.
  • the switching time can also be delayed based on an external switching command by the excitation time interval desired before the switching time.
  • control device can apply the excitation voltage to the switching voltage simultaneously with the switching process or after the switching process and thus increase the switching force of the restoring force or the excitation coil by means of vibration.
  • the control unit is designed and set up to provide the excitation voltage at an excitation frequency which is in the range of the natural frequency of the spring-mass system comprising the spring-loaded armature, in particular in the range of the natural frequency of the armature.
  • the dynamic force can be optimized in that the excitation frequency in the excitation coil causes a magnetic force on the armature, which oscillates at the natural frequency of the spring-mass system comprising the armature and the return spring and generates a resonance.
  • the excitation frequency can also assume the natural frequency of the armature, so that a connection between the armature and the contact can be released by the resonance.
  • the anchor and contact can be made of different materials.
  • the anchor can be made of iron and the contact can be made of a silver alloy or can include these materials.
  • the anchor and the contact can also be made of the same material. This has the advantage that the energy required to release the armature from the contact is optimized by exploiting mechanical resonance and the force to release the armature from the contact, which is caused by the resonance, enables a smaller design of the spring and coil.
  • the control unit is designed and set up to vary (wobble) the excitation frequency over a predefined period of time, in particular to adjust the excitation frequency to a changed natural frequency of the spring-mass system or the armature by means of the variation.
  • the natural frequency of the spring-mass system or the armature can change due to at least a mechanical tolerance and/or a temperature fluctuation and must therefore be determined again. This can be determined heuristically by varying the excitation frequency.
  • the control device can increase or decrease the excitation frequency in a frequency band, for example depending on the temperature. If the armature separates from the contact when the excitation frequency is reached, a resonance may occur. The excitation frequency reached can be saved as a new resonance frequency. This makes it easy to determine a changing resonance frequency. This has the advantage that changing environmental conditions can be taken into account by the control unit.
  • control unit is designed and set up to modulate the excitation voltage by means of pulse width modulation, in particular with an asymmetrical duty cycle, i.e. not equal to (0.5) half the period duration.
  • the armature is made of a non-permanent magnetic material such as iron, the armature can only be attracted and not repelled by the excitation coil.
  • the armature can be alternately pressed or pulled away from the contact by means of a sum of a spring force of the return spring and the tightening force of the excitation coil.
  • the attraction force of the excitation coil can be zero for as long as possible or the excitation voltage can be zero by means of pulse width modulation until the armature swings back due to the restoring force of the restoring spring.
  • the duration over which the attraction force of the excitation coil acts on the armature and the duration over which the armature swings back due to the return spring can be of different lengths.
  • the excitation voltage required for the attraction force of the excitation coil can be generated by the control unit using pulse width modulation, in particular with an asymmetrical duty cycle.
  • the duty cycle of the pulse width modulation In particular, if it is not equal to half the period (0.5) of the excitation frequency, the excitation voltage can be set to a mechanical time constant of the return spring, in particular to the duration of the armature swinging back.
  • the armature can consist of a permanent magnetic material, so that the armature is alternately electrically pulled away or pressed against the contact by the periodic course of the excitation voltage.
  • the vibration can be converted into a rhythmic pulling away without pressing. This can further improve vibration efficiency.
  • the period halves can have the negative voltage values can be used as the excitation voltage and/or the odd multiples of the period half with the negative voltage values.
  • this can also be the other way around.
  • the control unit is set up to impose the excitation voltage on the switching voltage over the predefined period of time, which in particular includes a duration for reducing and / or building up a magnetic field of the excitation coil.
  • the predefined period of time for applying the excitation voltage can take into account the time required to build up or reduce the magnetic field of the excitation coil, which can cause the force that presses the armature onto the contact.
  • the duration of the reduction of the magnetic field of the excitation coil can be longer or shorter than the duration of the build-up of the magnetic field, for example due to the use of freewheeling diodes in the power circuit. The time it takes to build up and break down the magnetic field of the excitation coil is therefore asymmetrical.
  • the duration for the reduction of the magnetic field can be at least partially equal to the period in which the excitation voltage is applied are added, whereas at least partially the duration for building up the magnetic field is added to the period where the excitation voltage is zero and the return spring acts on the armature.
  • the duration for building up the magnetic field can be at least partially added to the period of time for the excitation voltage to be applied, whereas at least partially the duration can be added Reduction of the magnetic field is added to the period where the excitation voltage is zero.
  • the timing of the application of the excitation voltage can thus be adapted to the oscillation behavior of the spring-mass system, in particular by modulating the excitation voltage using pulse width modulation with an asymmetrical duty cycle in order to meet the resonance frequency of the spring-mass system.
  • This has the advantage that the timing of the application of the excitation voltage can be adapted to the oscillation behavior of the spring-mass system.
  • control unit is designed and set up to measure a voltage in a primary circuit, which the armature opens or closes, by means of a measuring device, in particular after the switching time.
  • the voltage in the primary circuit can be measured by the control unit.
  • the threshold value can be at least partially the value of the operating voltage of the primary circuit.
  • control unit can determine the switching state of the relay by using an auxiliary contact (monitor contact) in the relay.
  • control unit can be set up to measure the current, in particular a rate of current rise, in the secondary circuit for determining the switching state of the relay. Opening or closing the relay can change an inductance of the excitation coil by changing the position of the armature with respect to the excitation coil. For example, with a closed relay, a larger portion of the armature may be in the field coil than with an open relay. The change in inductance due to a change in the switching state of the relay causes a change in the rate of rise of the current in the secondary circuit.
  • the control unit can determine the respective switching state of the relay by measuring the rate of current rise in the secondary circuit. In particular, by measuring the current and/or The speed of current rise in the secondary circuit can be checked for plausibility by the control unit.
  • the control unit can check the plausibility of whether the armature is still resting on the contact or has been released from the contact by monitoring, in particular by means of at least two different methods for determining the switching state.
  • a changing resonance frequency can be determined by monitoring the current in the primary circuit by the control unit and a natural frequency of the mass-spring system or the armature that changes due to environmental influences. While the excitation voltage is being applied to release the armature from the contact, the excitation frequency can be varied by the control unit, for example increased or decreased.
  • the excitation frequency at which the measured current in the secondary circuit reaches a minimum and the armature is released from the contact due to a resonance effect can be stored as a new natural frequency or resonance frequency by the control unit.
  • the resonance frequency can shift from the original resonance frequency of the spring-mass system.
  • the resonance frequency may increase in this case, and this can be recognized by the control unit when the measured current reaches the minimum. This results in the advantage that by monitoring the current in the secondary circuit, switching reliability can be increased and an additional means for determining a new natural frequency can be provided when environmental conditions change.
  • control unit is set up to apply the excitation voltage to the switching voltage when the measured voltage reaches a threshold value after the switching time and/or to apply the excitation voltage to the switching voltage until the measured voltage in the primary circuit is essentially zero .
  • the imposition of the excitation voltage can be made dependent on the condition as to whether the armature has actually detached from the contact after the switching time for disconnecting the electrical connection . This can be determined by the control unit by measuring the voltage in the primary circuit and/or by measuring the rate of current rise in the secondary circuit or alternatively by measuring the voltage with respect to an auxiliary contact (monitor contact).
  • the control unit can detect sticking or detachment of the armature from the Recognize contact. Additionally or alternatively, the control unit can detect and/or check the plausibility of whether the relay is open or closed by measuring the current in the primary circuit.
  • the threshold value can be different from zero and can be at least partially the value of the operating voltage of the primary circuit.
  • the control unit can detect that the armature is sticking to the contact and can apply the excitation voltage to the switching voltage for disconnecting the electrical connection, so that the armature is fed through the excitation coil to the contact Vibration is caused and comes away from contact.
  • the control unit can align the duration of the application of the excitation voltage according to the predetermined period of time, in particular the duration for the build-up or reduction of the magnetic field of the excitation coil, or, additionally or alternatively, apply the excitation voltage to the switching voltage until the measured voltage after the switching time for disconnecting the electrical connection is essentially zero, i.e. the relay is open, and/or the measured current in the primary circuit is essentially zero. This has the advantage that the safety of the relay is improved.
  • a relay which includes at least one of the power circuits described herein.
  • a charger or charging cable which includes at least one of the power circuits described herein and/or the relay described herein.
  • control unit can use an excitation voltage to control an excitation coil in the power circuit, which establishes or separates an electrical connection between at least two contacts of a primary circuit by means of a contact means at a switching time.
  • a periodic course of the excitation voltage that is synchronous with the switching time (in a time interval before and/or at the same time and/or in a time interval after) can cause the contact means to vibrate, with the vibration increasing a switching force of the contact means for separating or establishing the electrical connection .
  • control unit for operating the power circuit, in particular a relay, wherein the control unit comprises at least one processor and/or at least one memory, wherein program instructions are stored in the memory, which cause the at least one processor to carry out the method.
  • control unit can have a data processing device or at least a processor device that is set up to carry out an embodiment of the method according to the invention.
  • the processor device can have at least one microprocessor and/or at least one microcontroller and/or at least one FPGA (Field Programmable Gate Array) and/or at least one DSP (Digital Signal Processor).
  • the processor device can have program code that is designed to carry out the embodiment of the method according to the invention when executed by the processor device.
  • the program code can be stored in a data memory or processor device.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the electrical circuit that is installed in a charging station or in a charging cable for an electric vehicle
  • Figure 2 shows an exemplary course of the control voltage, taking into account the duty cycle of a pulse width modulation
  • Figure 3 shows a schematic progression of the method for increasing the release force in the electrical circuit.
  • a charger 1 schematically shows a charger 1, such as a charging station or a wallbox, for charging an electrically powered motor vehicle 5.
  • the charger 1 is connected to an electrical network, which forms the primary circuit 2, and charges the motor vehicle 5 via a relay 3.
  • the relay 3 can also be integrated in a control unit of the charging cable 4.
  • the relay 3 establishes an electrical connection between the primary circuit 2 and the motor vehicle 5 over the charging period by closing the relay 3 for charging and opening it to end charging.
  • a detailed schematic representation of the relay 3 is shown, which is connected, for example, to a phase L1 of the primary circuit 2 and, by means of the armature 10, establishes or separates an electrical connection 11 between the contacts 9 and 9 'by opening or closing the armature 10.
  • relay 3 can be a contactor.
  • the excitation voltage UA can be applied to the switching voltage synchronously with the switching time tout to disconnect the electrical connection 11 .
  • the excitation voltage UA can have a periodic course comprising at least one excitation frequency.
  • the excitation voltage UA is generated by the control unit 7 and causes a vibration, in particular a shaking, of the armature 10, which increases the switching force for releasing the armature 10 from the contact 9, so that the switching force can overcome the adhesion of the armature 10 to the contact 9.
  • the excitation voltage UA can be activated by the control unit 7 before or simultaneously or after the switching time tout to disconnect the electrical connection 11 from the control unit 7.
  • the period of time as long as the control unit 7 activates the excitation voltage UA or applies it to the switching voltage can be a predetermined duration, such as 0.5, 1 or 1.5 s seconds or the duration for building up or reducing a magnetic field of the excitation coil 8 depending on a design of the relay must be set, i.e. whether an average value of the switching voltage is not equal to 0 V or equal to 0 V to disconnect the electrical connection 11.
  • control unit 7 can measure a voltage in the primary circuit 2 synchronously with the switching time tout by means of a measuring device 12, which is essentially 0 V after the electrical connection 11 has been disconnected after the switching time tout. If the voltage measured by the control unit 7 exceeds a threshold value after the switching time tout, the control unit 7 can control the excitation coil 8 with the excitation voltage UA, so that the excitation coil 8 causes the contact means 10 to vibrate, which causes the Armature 10 shakes away from contact 9.
  • the threshold value can, for example, be at least partially the operating voltage of the primary circuit, for example 20 V.
  • the control unit 7 can effect the duration of activating the excitation voltage UA until the measured voltage in the primary circuit after the switching time tout is 0 V.
  • the excitation voltage can be modulated asymmetrically by the control unit, so that the different duration for building up or reducing the magnetic field of the excitation coil 8 and the duration as long as the return spring 15 resets the armature 10 can be taken into account.
  • the vibration of the armature 10 in two directions or only in one direction can be caused by the excitation coil 8 by a course of the excitation voltage UA predetermined by the control unit 7. If the armature 10 vibrates in only one direction, this corresponds to a rhythmic pulling on the armature 10 away from the contact 9.
  • This can be effected by the control unit 7 in that the control unit 7 modulates the excitation voltage UA by means of pulse width modulation with an asymmetrical duty cycle and provides the excitation voltage UA modulated in this way to the excitation coil 8.
  • the excitation voltage UA in III can be generated based on an information signal 14 with the period T in I by means of a pulse width modulation 13 according to II.
  • the information signal 14 can be a sine signal and, additionally or alternatively, also a periodic square wave or a triangle or a sawtooth signal or a combination of the previously mentioned signal forms.
  • the excitation voltage UA can be generated by the control unit 7 from the information signal 14 by means of a pulse width modulation 13 with a duty cycle of, for example, 0.5 of the period T to II. This creates the excitation voltage UA to III, which is applied to the excitation coil 8.
  • the excitation voltage UA includes the odd multiples 17 of at least one period T of the sinusoid of the information signal 14, here only the antinodes with negative voltage values. Depending on the design of the relay, these can also be the positive voltage values.
  • the armature 10 is made of a non-permanent magnetic material, such as iron, the armature 10 can only be attracted and not repelled by the excitation coil 8. A vibration or shaking can therefore be generated by alternately tightening the armature 10 to the contact 9 by the excitation coil 8 and pulling the armature 10 away from the contact 9 by the return spring 15. Due to the course of the excitation voltage UA to III on the excitation coil 8, the armature 10 can be pressed in a direction towards the contact 9 by the negative voltage values of the excitation voltage UA, while the Return spring 15 pulls the armature 10 away from contact 9 when the excitation voltage UA to III is 0 V.
  • a non-permanent magnetic material such as iron
  • the excitation voltage UA is essentially 0 V, so that the return spring 15 can pull the armature 10 away from the contact 9.
  • the excitation voltage UA according to III is therefore alternately switched on and off by means of the pulse width modulation 13 according to II, so that a vibration or shaking of the armature 10 occurs in order to release the armature 10 from the contact 9 during welding.
  • the period of time as long as the excitation voltage UA is different from 0 V can be set according to II using the duty cycle of the pulse width modulation 13.
  • An asymmetrical duty cycle is set in II.
  • the duration as long as the attraction force of the excitation coil 8 acts on the armature 10 and the duration as long as the armature 10 swings back due to the return spring 15 can be different.
  • the excitation voltage UA required for the attraction force of the excitation coil 8 can be generated by the control unit 7 by means of the pulse width modulation 13 with the asymmetric duty cycle according to II in order to generate a vibration or shaking of the armature 10.
  • the excitation voltage UA can be set to a mechanical time constant of the return spring 15, in particular to the duration of the armature's swing back.
  • the duration for the build-up and/or breakdown of the magnetic field of the excitation coil 8 can be taken into account.
  • the excitation voltage UA in III can be 0 V until the magnetic field of the excitation coil has subsided and the return spring 15 pulls the armature 10 away from the contact 9.
  • the excitation voltage UA in III can have the negative voltage values until the magnetic field of the excitation coil 8 has built up and pushes the armature 10 in the direction of the contact 9.
  • the duration of the build-up and breakdown of the magnetic field can be different, so that the excitation voltage UA during the period T is 0 V for different lengths of time and, on the other hand, has the non-zero voltage values, here the negative voltage values of the multiples 17 in III.
  • the control unit 7 can generate the excitation voltage UA according to III by adjusting the duty cycle of the pulse width modulation 13 according to II, an asymmetrical duty cycle, from the information signal 14.
  • the control device 7 can additionally set or change the duty cycle of the pulse width modulation 13 so that the excitation voltage UA and thus a vibration pattern of the armature 10 varies over a period of time or is adapted to changing environmental conditions of the spring-mass system.
  • the positive and negative voltage values in the case of a permanent magnetic armature 10 can alternately cause the armature 10 to be pulled off (positive) and pushed forward (negatively) from or to the contact 9. This can be undesirable because the armature 10, which is pressed against the contact 9 again after the switching time tout to disconnect the electrical connection 11.
  • the alternating withdrawal can be effected by means of the odd-numbered multiples 17 of the periods with the negative voltage values in the excitation voltage UA.
  • the positive and negative voltage values can be swapped.
  • Figure 3 shows a course of the method for increasing the release forces of a mechanical relay 3 controlled with the excitation coil 8.
  • a first step S1 an input signal 16 is received from the control unit 7, which comes, for example, a signal from a timer or a battery control unit and includes a switching time tout to end the charging process.
  • the control unit 7 stores the switching time tout in a memory.
  • the control unit 7 applies a switching voltage to the excitation coil 8, so that the armature 10 is released from the contact 9 to disconnect the electrical connection 11.
  • a return spring can release the armature 10 from the contact 9.
  • the control unit 7 applies an excitation voltage UA to the switching voltage in a third step S3 synchronously with the switching time tout.
  • the excitation voltage UA can be impressed within a time interval before or after the switching time tout or at the same time as the switching time tout.
  • control unit 7 can measure a voltage in the primary circuit 2 after the switching time tout by means of a measuring device 12 and if the measured voltage after the switching time tout essentially reaches a threshold value, the control unit 7 can detect that the armature 10 is sticking to the contact 9 and impress the excitation voltage UA onto the switching voltage.
  • the threshold value can at least partially be the operating voltage of the primary circuit.
  • the excitation coil 8 is controlled by the excitation voltage UA in such a way that it causes the armature 10 to vibrate and the armature 10 is released from the contact 9 due to the dynamic force of the vibration.
  • the control unit 7 deactivates the excitation voltage UA after a predetermined period of time has elapsed.
  • the Period can be, for example, 0.5, 1 to 10 seconds. Alternatively, the period can correspond to a multiple of the time until the magnetic field of the excitation coil 8 is built up or reduced. Additionally or alternatively, the control unit can deactivate the excitation voltage UA if the voltage measured in the primary circuit 2 by means of the measuring device 12 is essentially 0 V. Alternatively, the voltage can be measured using an auxiliary contact (monitor contact).
  • the aim is to increase the release forces without changing the design of the relay.
  • the return spring together with the armature, forms a spring-mass system.
  • a dynamic force can be generated in addition to the spring force.
  • the excitation occurs by periodically energizing the excitation coil with the mechanical natural frequency.
  • the control is carried out by a controller, which is usually already present on the system anyway.
  • the current can also be regulated using, for example, PWM (pulse width modulation).
  • PWM pulse width modulation
  • the required on and off times of the coil are determined experimentally. In this case, it is necessary to vary the excitation frequency over time (wobble) in order to reach the resonance point even if the resonance frequency differs (tolerances, temperature).
  • the resonance point can also be set and/or controlled by monitoring the coil current.
  • the activation of the excitation frequency can either be carried out across the board with every switch-off process or only when necessary, i.e. the relay has not yet released despite the coil voltage being switched off.
  • the excitation frequency is applied either for a predefined time or until the contact is released. This control can be done either by monitoring the switched voltages or by using an auxiliary contact set or again by monitoring the field coil current.

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Abstract

The present invention relates to a power circuit for increasing the release forces when switching a mechanical relay (3) in a charging device (1) or in a charging cable (4) for a motor vehicle (5). The relay (3) comprises a spring-biased armature (10) for establishing or breaking an electrical connection (11) in a primary current circuit (2) for charging the motor vehicle (5), the armature (10) being moved by a control unit (7) using an exciter coil (8). The control unit (7) of the relay (3) is designed to apply the switching voltage of the exciter coil in synchronisation with a switching time point (tout) in order to break the electrical connection with a periodic excitation voltage (UA) at an excitation frequency which corresponds to a characteristic frequency of the spring-mass system of the armature (10) of the relay (3). The excitation voltage (UA) causes the armature (10) to vibrate, releasing, due to the dynamic force, the armature (10) from the contact (9) if the armature (10) is adhering to the contact (9) because of a bonding during operation.

Description

Leistungsschaltung und Verfahren zur Erhöhung der Lösekräfte beim Schalten eines Relais, sowie ein Relais, ein Ladegerät und eine Steuereinheit Power circuit and method for increasing the release forces when switching a relay, as well as a relay, a charger and a control unit
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsschaltung und ein Verfahren zum Erhöhen der Lösekräfte beim Schalten eines mit einer mechanischen Erregerspule angesteuerten mechanischen Relais sowie ein Relais, ein Ladegerät und eine Steuereinheit. The present invention relates to a power circuit and a method for increasing the release forces when switching a mechanical relay controlled with a mechanical excitation coil, as well as a relay, a charger and a control unit.
Stand der Technik State of the art
Wechselstromladegeräte für Elektrofahrzeuge, die beispielsweise in einer Wallbox oder einem Cordset bereitgestellt werden, schalten den Leistungspfad zwischen Stromnetz und Elektrofahrzeug mit Hilfe elektromagnetischer Relais. An diese Relais sind besondere Anforderungen bezüglich der Verschweißfestigkeit der Kontakte gestellt. So entstehen beispielsweise beim Laden des Eingangsfilters der Elektrofahrzeuge erhebliche Einschaltströme. Ein Abschalten unter Last kann zu Lichtbogenbildung und zum Verschleiß des Kontakts führen. Teilweise sind diese Effekte durch die relevanten Spezifikationen begrenzt. Es kann aber vorkommen, dass diese Spezifikationen unter Realbedingungen überschritten werden. Somit müssen die Relais bezüglich Verschweißfestigkeit deutlich überdimensioniert werden. AC chargers for electric vehicles, which are provided in a wallbox or a cordset, for example, switch the power path between the power grid and the electric vehicle using electromagnetic relays. These relays have special requirements regarding the welding resistance of the contacts. For example, significant inrush currents arise when charging the input filter of electric vehicles. Switching off under load can lead to arcing and contact wear. In some cases, these effects are limited by the relevant specifications. However, it can happen that these specifications are exceeded under real conditions. The relays therefore have to be significantly oversized in terms of welding resistance.
Beim Schließen unter Spannung bildet sich zwischen den Kontakten ein Lichtbogen, der die Kontaktoberfläche lokal aufschmilzt und so zu einer „Verschweißung“ der Kontakte führt. Dies ist ein normaler Vorgang, der bei jedem Schließvorgang eines schaltenden Relais passiert, wobei dieser bei mehr Last ausgeprägter sein kann. Diese Verklebung muss beim Abfallen des Relais durch die Rückstellfeder wieder gelöst werden. Um ein Relais verschweißfester zu machen, wird durch konstruktive Maßnahmen diese Lösekraft erhöht. Dies kann geschehen durch eine stärkere Auslegung der Rückstellfeder oder auch durch Konstruktionen, die eine tangentiale Lösekraft auf den Kontakt ausüben. Weiterhin sind auch andere, exotischere Kontaktmaterialien möglich, die die Festigkeit der Schweißverbindung reduzieren, aber die Kosten für das Relais erhöhen. So ist aus der DE 10 2012 011 251 A1 ein Verfahren zur Reparatur einer „klebenden“ Kontaktbrücke bekannt, wobei die Ansteuerfrequenz einer Impulssequenz an die mechanische Resonanz des Ankers mit der Kontaktbrücke angepasst wird. When closing under voltage, an arc forms between the contacts, which locally melts the contact surface and thus leads to the contacts being “welded”. This is a normal process that occurs every time a switching relay closes, although it may be more pronounced with more load. This bond must be released again when the relay drops out using the return spring. In order to make a relay more weld-resistant, this release force is increased through design measures. This can be done through a stronger design of the return spring or through designs that exert a tangential release force on the contact. Other, more exotic contact materials are also possible, which reduce the strength of the weld but increase the cost of the relay. A method for repairing an “adhesive” contact bridge is known from DE 10 2012 011 251 A1, whereby the control frequency of a pulse sequence is adapted to the mechanical resonance of the armature with the contact bridge.
In der DE 102012 222 129 A1 wird der Verlauf der Ansteuerspannung so gewählt, dass das Kontaktmittel zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz des Kontaktmittels angeregt wird und so ein mechanisches „Rütteln“ an dem Kontaktmittel erreicht wird. In DE 102012 222 129 A1, the course of the control voltage is selected so that the contact means is excited to oscillate with a natural frequency of the contact means and a mechanical “shaking” is achieved on the contact means.
Aus der DE 102015 016 992 A1 ist ein Verfahren zum Lösen der Kontaktbrücke von einem Kontakt bekannt, bei welchem die elektrischen Kontakte mit ihrer Eigenfrequenz vibriert werden. From DE 102015 016 992 A1 a method for releasing the contact bridge from a contact is known, in which the electrical contacts are vibrated at their natural frequency.
Aus der WO 2005/069330 A1 ist eine Methode zur Verwendung einer niedrigeren Spannung für Pull-in der Kontaktplatten bekannt, wobei die Spannung an Elektroden mit einer Resonanzfrequenz der Struktur angewendet wird. From WO 2005/069330 A1 a method for using a lower voltage for pull-in of the contact plates is known, the voltage being applied to electrodes with a resonance frequency of the structure.
Aus der DE 102015 016 992 A1 ist eine Anregung mechanischer Vibrationen eines elektrischen Kontakts durch Anlegen einer elektrischen Wellenform mit der Eigenfrequenz des elektrischen Kontakts bekannt. From DE 102015 016 992 A1 an excitation of mechanical vibrations of an electrical contact by applying an electrical waveform with the natural frequency of the electrical contact is known.
Aus der DE 102011 052 173 B3 ist ein elektromagnetischer Aktuator zum Festhalten und zum Lösen von beweglichen Teilen in Kraftfahrzeugen bekannt. From DE 102011 052 173 B3 an electromagnetic actuator for holding and releasing moving parts in motor vehicles is known.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einer Leistungsschaltung eine Schaltkraft eines Kontaktmittels zum Herstellen oder Trennen einer elektrischen Verbindung in zu erhöhen. Based on the known prior art, it is an object of the present invention to increase a switching force of a contact means for establishing or separating an electrical connection in a power circuit.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. The task is solved by a device with the features of claim 1. Advantageous further developments result from the subclaims, the description and the figures.
Entsprechend wird eine Leistungsschaltung zum Erhöhen der Lösekräfte eines mit einer Erregerspule angesteuerten mechanischen Relais, bevorzugt in einem AC (Wechselstrom) Ladegerät für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, wobei das Relais einen federvorgespannten Anker umfasst. Die Leistungsschaltung umfasst eine mit der Erregerspule des Relais verbindbare Steuereinheit, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, zu einem vorgegebenen Schaltzeitpunkt der Erregerspule des Relais eine Schaltspannung zum Schalten des Relais aufzuprägen. Mit anderen Worten, der Anker kann mittels einer Rückstellfeder von einem elektrischen Kontakt zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Anker und dem Kontakt gelöst werden. Zum Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen dem Anker und dem Kontakt in einem Primärstromkreis, wird der Anker durch eine magnetische Kraft von der Erregerspule aufgrund der Schaltspannung, welche der Rückstellfeder entgegenwirkt, auf den Kontakt gedrückt. Alternativ kann dies auch umgekehrt sein. Accordingly, a power circuit for increasing the release forces of a mechanical relay controlled with an excitation coil, preferably in an AC (alternating current) charger for a motor vehicle, is proposed, the relay comprising a spring-loaded armature. The power circuit includes a control unit that can be connected to the excitation coil of the relay and is designed and set up to apply a switching voltage to the excitation coil of the relay at a predetermined switching time for switching the relay. In other words, the armature can be released from an electrical contact by means of a return spring to disconnect an electrical connection between the armature and the contact. To establish the electrical connection between the armature and the contact in a primary circuit, the armature is pressed onto the contact by a magnetic force from the excitation coil due to the switching voltage, which counteracts the return spring. Alternatively, this can also be the other way around.
Die Schaltspannung in der Erregerspule zum Erzeugen der Schaltkraft, welche den Anker auf den Kontakt drückt oder löst kann einen konstanten Mittelwert aufweisen. Die Schaltspannung kann von einem Steuergerät zum Schaltzeitpunkt erzeugt werden. Der Schaltzeitpunkt kann hierzu von dem Steuergerät mittels eines Eingangssignals, beispielsweise von einem Timer oder einem Batteriesteuergerät eines Kraftfahrzeugs, umfassend den Schaltzeitpunkt zum Starten oder Beenden des Ladens empfangen und/oder in einem Speicher speichern. Wenn der Schaltzeitpunkt erreicht ist, kann das Steuergerät die Erregerspule mit der Schaltspannung zum Herstellen, also Anker liegt auf dem Kontakt auf, oder Trennen, also Anker wird vom Kontakt gelöst, der elektrischen Verbindung ansteuern. The switching voltage in the excitation coil to generate the switching force that presses or releases the armature onto the contact can have a constant average value. The switching voltage can be generated by a control device at the time of switching. For this purpose, the switching time can be received by the control device by means of an input signal, for example from a timer or a battery control device of a motor vehicle, comprising the switching time for starting or ending charging and/or stored in a memory. When the switching point is reached, the control unit can control the excitation coil with the switching voltage to establish, i.e. armature is on the contact, or disconnect, i.e. armature is released from the contact, the electrical connection.
Beim Herstellen und Trennen der elektrischen Verbindung kann aufgrund von Überschlagsspannungen eine Schweißverbindung zwischen dem Anker und dem Kontakt entstehen, was dazu führen kann, dass der Anker sich von dem Kontakt von der Rückstellfeder oder von einer Schaltkraft der Erregerspule nicht mehr lösen lässt. Der Anker kann also auf dem Kontakt anhaften oder kleben. When making and breaking the electrical connection, a welded connection can arise between the armature and the contact due to flashover voltages, which can result in the armature no longer being able to be released from the contact by the return spring or by a switching force of the excitation coil. The anchor can therefore adhere or stick to the contact.
Die Leistungsschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, zusätzlich zu der Schaltspannung der Erregerspule des Relais eine mit dem Schaltzeitpunkt synchronisierte (in einem Zeitintervall vorher und/oder gleichzeitig und/oder in einem Zeitintervall nachher) und periodisch verlaufende Anregungsspannung aufzuprägen, um eine zusätzliche dynamische Schaltkraft bereitzustellen. The power circuit is characterized in that the control unit is designed and set up to apply, in addition to the switching voltage of the excitation coil of the relay, an excitation voltage that is synchronized with the switching time (in a time interval before and/or simultaneously and/or in a time interval after) and periodically to provide additional dynamic switching force.
Mit anderen Worten, kann synchron bedeuten, dass die Anregungsspannung von dem Steuergerät in einem Zeitintervall vor oder nach dem Schaltzeitpunkt oder gleichzeitig zum Schaltzeitpunkt auf die Schaltspannung aufgeprägt werden kann. Die Anregungsspannung kann mittels ihres periodischen Verlaufs eine schwankende magnetische Kraft der Erregerspule auf den Anker bewirken und somit den Anker zu einem Vibrieren, insbesondere zu einem mechanischen Rütteln, bewegen. Das Vibrieren kann eine zusätzliche dynamische Schaltkraft zusätzlich zur Rückstellkraft der Rückstellfeder oder der Erregerspule durch die Schaltspannung zum Trennen der elektrischen Verbindung erzeugen und ein Lösen des Ankers vom Kontakt, insbesondere der Schweißverbindung, bewirken. In other words, synchronous can mean that the excitation voltage can be impressed on the switching voltage by the control device in a time interval before or after the switching time or at the same time as the switching time. By means of its periodic course, the excitation voltage can cause a fluctuating magnetic force of the excitation coil on the armature and thus cause the armature to vibrate, in particular to mechanically shake. The vibration can create additional dynamic switching force in addition to the restoring force the return spring or the excitation coil through the switching voltage to disconnect the electrical connection and cause the armature to be released from the contact, in particular the welded connection.
Da der Schaltzeitpunkt zum Trennen der elektrischen Verbindung bereits im Voraus bekannt sein kann, kann das Steuergerät vor dem Schaltzeitpunkt die Anregungsspannung auf die Schaltspannung aufprägen und den Kontakt vor dem Schaltvorgang zu einem Vibrieren anregen, um das Anhaften des Ankers auf dem Kontakt vor dem Schalten zu lösen. Since the switching time for disconnecting the electrical connection can already be known in advance, the control unit can apply the excitation voltage to the switching voltage before the switching time and stimulate the contact to vibrate before the switching process in order to prevent the armature from sticking to the contact before switching solve.
Um die Anregungsspannung bereits vor dem eigentlichen Schaltzeitpunkt anlegen zu können und entsprechend eine zusätzliche dynamische Schaltkraft aufzubringen, kann der Schaltzeitpunkt auch ausgehend von einem externen Schaltbefehl um das vor dem Schaltzeitpunkt gewünschte Anregungszeitintervall verzögert werden. In order to be able to apply the excitation voltage before the actual switching time and accordingly apply an additional dynamic switching force, the switching time can also be delayed based on an external switching command by the excitation time interval desired before the switching time.
Ergänzend oder alternativ kann das Steuergerät die Anregungsspannung gleichzeitig zum Schaltvorgang oder nach dem Schaltvorgang auf die Schaltspannung aufprägen und somit die Schaltkraft der Rückstellkraft oder der Erregerspule mittels des Vibrierens erhöhen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass allein auf elektronischer Basis die Schaltkraft zum Lösen des Ankers von dem Kontakt erhöht werden kann und bestehende mechanische und elektrische Komponenten kleiner und damit platz- und energiesparender ausgelegt werden können. Additionally or alternatively, the control device can apply the excitation voltage to the switching voltage simultaneously with the switching process or after the switching process and thus increase the switching force of the restoring force or the excitation coil by means of vibration. This results in the advantage that the switching force for releasing the armature from the contact can be increased solely on an electronic basis and existing mechanical and electrical components can be designed to be smaller and therefore more space and energy-saving.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsspannung in einer Anregungsfrequenz bereitzustellen, die im Bereich der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems umfassend den federvorgespannten Anker, insbesondere im Bereich der Eigenfrequenz des Ankers, liegt. Mit anderen Worten kann die dynamische Kraft dadurch optimiert werden, dass die Anregungsfrequenz in der Erregerspule eine magnetische Kraft auf den Anker bewirkt, welche in der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems umfassend den Anker und die Rückstellfeder schwingt und eine Resonanz erzeugt. Ergänzend oder alternativ kann die Anregungsfrequenz auch die Eigenfrequenz des Ankers annehmen, sodass eine Verbindung zwischen dem Anker und dem Kontakt durch die Resonanz gelöst werden kann. Dabei können Anker und Kontakt aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So können beispielsweise der Anker aus Eisen und der Kontakt aus einer Silberlegierung gebildet sein oder diese Materialien umfassen. Alternativ können der Anker und der Kontakt auch aus dem gleichen Material ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die benötigte Energie für das Lösen des Ankers vom Kontakt durch Ausnutzen einer mechanischen Resonanz optimiert wird und die Kraft zum Lösen des Ankers vom Kontakt, welche durch die Resonanz entsteht, eine kleinere Auslegung von Feder und Spule ermöglicht. One embodiment provides that the control unit is designed and set up to provide the excitation voltage at an excitation frequency which is in the range of the natural frequency of the spring-mass system comprising the spring-loaded armature, in particular in the range of the natural frequency of the armature. In other words, the dynamic force can be optimized in that the excitation frequency in the excitation coil causes a magnetic force on the armature, which oscillates at the natural frequency of the spring-mass system comprising the armature and the return spring and generates a resonance. Additionally or alternatively, the excitation frequency can also assume the natural frequency of the armature, so that a connection between the armature and the contact can be released by the resonance. The anchor and contact can be made of different materials. For example, the anchor can be made of iron and the contact can be made of a silver alloy or can include these materials. Alternatively, the anchor and the contact can also be made of the same material. This has the advantage that the energy required to release the armature from the contact is optimized by exploiting mechanical resonance and the force to release the armature from the contact, which is caused by the resonance, enables a smaller design of the spring and coil.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsfrequenz über einen vordefinierten Zeitraum zu variieren (wobbeln), insbesondere die Anregungsfrequenz auf eine geänderte Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems oder des Ankers mittels des Variierens einzustellen. Mit anderen Worten, die Eigenfrequenz des Feder-Masse- Systems oder des Ankers kann aufgrund von zumindest einer mechanischen Toleranz und/oder einer Temperaturschwankung sich verändern und muss daher erneut bestimmt werden. Diese kann mittels des Variierens der Anregungsfrequenz heuristisch ermittelt werden. Während des Aufprägens der Anregungsspannung kann das Steuergerät die Anregungsfrequenz in einem Frequenzband, beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur, erhöhen oder senken. Wenn sich der Anker von dem Kontakt bei einer erreichten Anregungsfrequenz löst, kann eine Resonanz vorliegen. Die erreichte Anregungsfrequenz kann als neue Resonanzfrequenz gespeichert werden. Somit kann auf einfach Weise einer sich ändernden Resonanzfrequenz bestimmt werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich ändernde Umweltbedingungen von der Steuereinheit berücksichtigt werden können. One embodiment provides that the control unit is designed and set up to vary (wobble) the excitation frequency over a predefined period of time, in particular to adjust the excitation frequency to a changed natural frequency of the spring-mass system or the armature by means of the variation. In other words, the natural frequency of the spring-mass system or the armature can change due to at least a mechanical tolerance and/or a temperature fluctuation and must therefore be determined again. This can be determined heuristically by varying the excitation frequency. While the excitation voltage is being applied, the control device can increase or decrease the excitation frequency in a frequency band, for example depending on the temperature. If the armature separates from the contact when the excitation frequency is reached, a resonance may occur. The excitation frequency reached can be saved as a new resonance frequency. This makes it easy to determine a changing resonance frequency. This has the advantage that changing environmental conditions can be taken into account by the control unit.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsspannung mittels einer Pulsweitenmodulation, insbesondere mit einem asymmetrischen Tastverhältnis, also ungleich (0.5) der halben Periodendauer, zu modulieren. Mit anderen Worten, wenn der Anker aus einem nicht-permanentmagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, besteht, kann der Anker von der Erregerspule nur angezogen und nicht abgestoßen werden. Um dennoch ein abwechselndes Andrücken oder Wegziehen des Ankers vom Kontakt, also ein Vibrieren oder ein Rütteln, bereitzustellen, kann der Anker mittels einer Summe von einer Federkraft der Rückstellfeder und der Anzugskraft der Erregerspule abwechselnd vom Kontakt angedrückt oder weggezogen werden. Die Anzugskraft der Erregerspule kann so lange Null sein oder die Anregungsspannung kann mittels der Modulierung mit der Pulsweitenmodulation so lange Null betragen, bis der Anker durch die Rückstellkraft der Rückstellfeder zurückschwingt. One embodiment provides that the control unit is designed and set up to modulate the excitation voltage by means of pulse width modulation, in particular with an asymmetrical duty cycle, i.e. not equal to (0.5) half the period duration. In other words, if the armature is made of a non-permanent magnetic material such as iron, the armature can only be attracted and not repelled by the excitation coil. In order to still provide an alternating pressing or pulling of the armature from the contact, i.e. vibration or shaking, the armature can be alternately pressed or pulled away from the contact by means of a sum of a spring force of the return spring and the tightening force of the excitation coil. The attraction force of the excitation coil can be zero for as long as possible or the excitation voltage can be zero by means of pulse width modulation until the armature swings back due to the restoring force of the restoring spring.
Die Dauer, über die hinweg die Anzugskraft der Erregerspule auf den Anker wirkt, und die Dauer, über die hinweg der Anker durch die Rückstellfeder zurückschwingt, können dabei verschieden lang sein. Die für die Anzugskraft der Erregerspule erforderliche Anregungsspannung kann hierzu von der Steuereinheit mittels der Pulsweitenmodulation, insbesondere mit einem asymmetrischen Tastverhältnis, generiert werden. Durch Wahl des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation, insbesondere ungleich der halben Periodendauer (0.5) der Anregungsfrequenz, kann die Anregungsspannung auf eine mechanische Zeitkonstante der Rückstellfeder, insbesondere auf die Dauer des Zurückschwingens des Ankers, eingestellt werden. The duration over which the attraction force of the excitation coil acts on the armature and the duration over which the armature swings back due to the return spring can be of different lengths. The excitation voltage required for the attraction force of the excitation coil can be generated by the control unit using pulse width modulation, in particular with an asymmetrical duty cycle. By choosing the duty cycle of the pulse width modulation, In particular, if it is not equal to half the period (0.5) of the excitation frequency, the excitation voltage can be set to a mechanical time constant of the return spring, in particular to the duration of the armature swinging back.
Ergänzend oder alternativ kann der Anker aus einem permanentmagnetischen Material bestehen, sodass der Anker durch den periodischen Verlauf der Anregungsspannung abwechselnd von dem Kontakt elektrisch weggezogen oder angedrückt wird. Beispielsweise kann durch ein Filtern der Perioden der Anregungsfrequenz durch die Steuereinheit, welche den Anker, der ja von dem Kontakt gelöst werden soll, auf den Kontakt drücken, das Vibrieren in ein rhythmisches Wegziehen ohne Andrücken umgewandelt werden. Dies kann eine Effizienz des Vibrierens noch weiter verbessern. Wenn beispielsweise die Anregungsspannung in einem Verlauf einer Sinusfunktion mit einer Periodendauer T folgt, wobei die negativen Spannungswerte der Anregungsspannung ein Andrücken des Ankers an den Kontakt und die positiven Spannungswerte der Anregungsspannung ein Lösen des Ankers von dem Kontakt bewirken, können die Periodenhälften mit den negativen Spannungswerten als Anregungsspannung und/oder die ungeradzahligen Vielfachen der Periodenhälfte mit den negativen Spannungswerten verwendet werden. Alternativ kann dies in Abhängigkeit der Bauart des Relais auch umgekehrt sein. Additionally or alternatively, the armature can consist of a permanent magnetic material, so that the armature is alternately electrically pulled away or pressed against the contact by the periodic course of the excitation voltage. For example, by filtering the periods of the excitation frequency by the control unit, which presses the armature, which is to be released from the contact, onto the contact, the vibration can be converted into a rhythmic pulling away without pressing. This can further improve vibration efficiency. For example, if the excitation voltage follows a sine function with a period T, where the negative voltage values of the excitation voltage cause the armature to be pressed against the contact and the positive voltage values of the excitation voltage cause the armature to be released from the contact, the period halves can have the negative voltage values can be used as the excitation voltage and/or the odd multiples of the period half with the negative voltage values. Alternatively, depending on the design of the relay, this can also be the other way around.
Dem bloßen Vibrieren als eine Hin- und Her-Bewegung kann somit eine Richtung gegeben werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass neben dem Nutzen einer Resonanzfrequenz der Energiebedarf zusätzlich optimiert und eine Dauer des Lösens des Ankers vom Kontakt reduziert werden kann. The mere vibration as a back and forth movement can thus be given a direction. This has the advantage that, in addition to the use of a resonance frequency, the energy requirement can also be optimized and the time it takes for the armature to be released from the contact can be reduced.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Anregungsspannung über den vordefinierten Zeitraum, welcher insbesondere einer Dauer zum Abbau und/oder Aufbau eines Magnetfeldes der Erregerspule umfasst, auf die Schaltspannung aufzuprägen. Mit anderen Worten, der vordefinierte Zeitraum des Aufprägens der Anregungsspannung kann die Dauer zum Auf- oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule, welches die Kraft bewirken kann, die den Anker auf den Kontakt drückt, berücksichtigen. Dabei kann die Dauer des Abbaus des Magnetfelds der Erregerspule beispielsweise aufgrund eines Verwendens von Freilaufdioden in der Leistungsschaltung länger oder kürzer sein als die Dauer des Aufbaus des Magnetfeldes. Die Dauer zum Aufbau und zum Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule sind also asymmetrisch. Beispielsweise kann in einem ersten Fall, wo der Anker mittels der magnetischen Kraft der Erregerspule auf den Kontakt gedrückt wird, zumindest teilweise die Dauer zum Abbau des Magnetfeldes zum Zeitraum des Aufprägens der Anregungsspannung addiert werden, wohingegen zumindest teilweise die Dauer zum Aufbau des Magnetfeldes zum dem Zeitraum addiert wird, wo die Anregungsspannung null ist und die Rückstellfeder auf den Anker wirkt. In einem zweiten Fall kann bei einer alternativen Bauart des Relais, wo der Anker mittels der magnetischen Kraft der Erregerspule von dem Kontakt weggezogen wird, zumindest teilweise die Dauer zum Aufbau des Magnetfeldes zum Zeitraum des Aufprägens der Anregungsspannung addiert werden, wohingegen zumindest teilweise die Dauer zum Abbau des Magnetfeldes zum dem Zeitraum addiert wird, wo die Anregungsspannung null ist. Die Zeiteinteilung des Anliegens der Anregungsspannung kann so dem Schwingverhalten des Feder- Masse-Systems angepasst werden, insbesondere durch Modulierung der Anregungsspannung mittels einer Pulsweitenmodulation mit einem asymmetrischen Tastverhältnis, um die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems zu treffen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Zeiteinteilung des Aufprägens der Anregungsspannung an das Schwingverhalten des Feder- Masse-Systems angepasst werden kann. One embodiment provides that the control unit is set up to impose the excitation voltage on the switching voltage over the predefined period of time, which in particular includes a duration for reducing and / or building up a magnetic field of the excitation coil. In other words, the predefined period of time for applying the excitation voltage can take into account the time required to build up or reduce the magnetic field of the excitation coil, which can cause the force that presses the armature onto the contact. The duration of the reduction of the magnetic field of the excitation coil can be longer or shorter than the duration of the build-up of the magnetic field, for example due to the use of freewheeling diodes in the power circuit. The time it takes to build up and break down the magnetic field of the excitation coil is therefore asymmetrical. For example, in a first case where the armature is pressed onto the contact by means of the magnetic force of the excitation coil, the duration for the reduction of the magnetic field can be at least partially equal to the period in which the excitation voltage is applied are added, whereas at least partially the duration for building up the magnetic field is added to the period where the excitation voltage is zero and the return spring acts on the armature. In a second case, in an alternative design of the relay, where the armature is pulled away from the contact by means of the magnetic force of the excitation coil, the duration for building up the magnetic field can be at least partially added to the period of time for the excitation voltage to be applied, whereas at least partially the duration can be added Reduction of the magnetic field is added to the period where the excitation voltage is zero. The timing of the application of the excitation voltage can thus be adapted to the oscillation behavior of the spring-mass system, in particular by modulating the excitation voltage using pulse width modulation with an asymmetrical duty cycle in order to meet the resonance frequency of the spring-mass system. This has the advantage that the timing of the application of the excitation voltage can be adapted to the oscillation behavior of the spring-mass system.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Spannung in einem Primärstromkreis, welchen der Anker öffnet oder schließt, mittels einer Messeinrichtung zu messen, insbesondere nach dem Schaltzeitpunkt. Mit anderen Worten, die Spannung im Primärstromkreis kann von der Steuereinheit gemessen werden. So kann die Steuereinheit erkennen, dass das Relais geschlossen ist, wenn die gemessene Spannung einen Schwellenwert erreicht, und dass das Relais geöffnet ist, wenn die gemessene Spannung 0 V beträgt. Der Schwellenwert kann zumindest teilweise den Wert der Betriebsspannung des Primärstromkreises betragen. Alternativ kann die Steuereinheit den Schaltzustand des Relais mittels der Verwendung eines Hilfskontaktes (Monitorkontakt) im Relais bestimmen. One embodiment provides that the control unit is designed and set up to measure a voltage in a primary circuit, which the armature opens or closes, by means of a measuring device, in particular after the switching time. In other words, the voltage in the primary circuit can be measured by the control unit. This allows the control unit to recognize that the relay is closed when the measured voltage reaches a threshold and that the relay is open when the measured voltage is 0V. The threshold value can be at least partially the value of the operating voltage of the primary circuit. Alternatively, the control unit can determine the switching state of the relay by using an auxiliary contact (monitor contact) in the relay.
Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, den Strom, insbesondere eine Stromanstiegsgeschwindigkeit, im Sekundärstromkreis für die Bestimmung des Schaltzustands des Relais zu messen. Ein Öffnen oder Schließen des Relais kann eine Induktivität der Erregerspule durch die Positionsveränderung des Ankers bezüglich der Erregerspule verändern. So kann beispielsweise bei einem geschlossenen Relais ein größerer Teil des Ankers sich in der Erregerspule befinden als bei einem geöffneten Relais. Die Veränderung der Induktivität infolge einer Änderung des Schaltzustands des Relais bewirkt eine Veränderung der Stromanstiegsgeschwindigkeit des Stroms im Sekundärstromkreis. So kann die Steuereinheit mittels Messung der Stromanstiegsgeschwindigkeit im Sekundärstromkreis den jeweiligen Schaltzustand des Relais bestimmen. Insbesondere kann durch das Messen des Stroms und/oder der Stromanstiegsgeschwindigkeit im Sekundärstromkreis ein Herstellen oder ein Trennen der elektrischen Verbindung durch die Steuereinheit plausibilisiert werden. Additionally or alternatively, the control unit can be set up to measure the current, in particular a rate of current rise, in the secondary circuit for determining the switching state of the relay. Opening or closing the relay can change an inductance of the excitation coil by changing the position of the armature with respect to the excitation coil. For example, with a closed relay, a larger portion of the armature may be in the field coil than with an open relay. The change in inductance due to a change in the switching state of the relay causes a change in the rate of rise of the current in the secondary circuit. The control unit can determine the respective switching state of the relay by measuring the rate of current rise in the secondary circuit. In particular, by measuring the current and/or The speed of current rise in the secondary circuit can be checked for plausibility by the control unit.
Bevorzugt kann von der Steuereinheit durch die Überwachung, insbesondere mittels zumindest zwei verschiedener Verfahren zur Bestimmung des Schaltzustands, plausibilisiert werden, ob der Anker auf dem Kontakt noch aufliegt oder vom Kontakt gelöst ist. Hierdurch kann ergänzend oder alternativ eine sich ändernde Resonanzfrequenz mittels der Überwachung des Stroms im Primärstromkreis durch die Steuereinheit eine sich aufgrund von Umwelteinflüssen ändernde Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems oder des Ankers bestimmt werden. Während des Aufprägens der Anregungsspannung zum Lösen des Ankers vom Kontakt kann die Anregungsfrequenz von der Steuereinheit variiert, beispielsweise erhöht oder gesenkt, werden. Die Anregungsfrequenz, bei welcher der gemessene Strom im Sekundärstromkreis ein Minimum erreicht und sich der Anker vom Kontakt aufgrund eines Resonanzeffekts gelöst hat, kann als neue Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz von der Steuereinheit gespeichert werden. Bei einem verschweißten Relais kann sich Resonanzfrequenz von der ursprünglichen Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems verschieben. Die Resonanzfrequenz kann sich in diesem Fall erhöhen, wobei dies durch Erreichen des Minimums des gemessenen Stroms von der Steuereinheit erkannt werden kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Überwachung des Stroms im Sekundärstromkreis eine Schaltsicherheit erhöht und ein zusätzliches Mittel zum Bestimmen einer neuen Eigenfrequenz bei sich ändernden Umweltbedingungen bereitgestellt werden kann. Preferably, the control unit can check the plausibility of whether the armature is still resting on the contact or has been released from the contact by monitoring, in particular by means of at least two different methods for determining the switching state. In this way, in addition or alternatively, a changing resonance frequency can be determined by monitoring the current in the primary circuit by the control unit and a natural frequency of the mass-spring system or the armature that changes due to environmental influences. While the excitation voltage is being applied to release the armature from the contact, the excitation frequency can be varied by the control unit, for example increased or decreased. The excitation frequency at which the measured current in the secondary circuit reaches a minimum and the armature is released from the contact due to a resonance effect can be stored as a new natural frequency or resonance frequency by the control unit. With a welded relay, the resonance frequency can shift from the original resonance frequency of the spring-mass system. The resonance frequency may increase in this case, and this can be recognized by the control unit when the measured current reaches the minimum. This results in the advantage that by monitoring the current in the secondary circuit, switching reliability can be increased and an additional means for determining a new natural frequency can be provided when environmental conditions change.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Anregungsspannung auf die Schaltspannung aufzuprägen, wenn nach dem Schaltzeitpunkt die gemessene Spannung einen Schwellenwert erreicht und/oder die Anregungsspannung solange auf die Schaltspannung aufzuprägen, bis die gemessene Spannung im Primärstromkreis im Wesentlichen null ist. Mit anderen Worten kann ergänzend oder alternativ zum pauschalen Aufprägen der Anregungsspannung durch die Steuereinheit beim Trennen der elektrischen Verbindung das Aufprägen der Anregungsspannung von der Bedingung abhängig gemacht werden, ob sich der Anker tatsächlich nach dem Schaltzeitpunkt zum T rennen der elektrischen Verbindung von dem Kontakt gelöst hat. Dies kann von der Steuereinheit mittels einer Messung der Spannung im Primärstromkreis und/oder mittels Messung der Stromanstiegsgeschwindigkeit im Sekundärstromkreis oder alternativ mittels Spannungsmessung bezüglich eines Hilfskontaktes (Monitorkontakt) bestimmt werden. Wenn die gemessene Spannung im Primärstromkreis den Schwellenwert erreicht hat, kann die Steuereinheit ein Anhaften oder ein Lösen des Ankers vom Kontakt erkennen. Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit mittels einer Messung des Stroms im Primärstromkreis erkennen und/oder plausibilisieren, ob das Relais geöffnet oder geschlossen ist. Der Schwellenwert kann von null verschieden sein und zumindest teilweise den Wert der Betriebsspannung des Primärstromkreises betragen. One embodiment provides that the control unit is set up to apply the excitation voltage to the switching voltage when the measured voltage reaches a threshold value after the switching time and/or to apply the excitation voltage to the switching voltage until the measured voltage in the primary circuit is essentially zero . In other words, in addition to or as an alternative to the blanket imposition of the excitation voltage by the control unit when the electrical connection is disconnected, the imposition of the excitation voltage can be made dependent on the condition as to whether the armature has actually detached from the contact after the switching time for disconnecting the electrical connection . This can be determined by the control unit by measuring the voltage in the primary circuit and/or by measuring the rate of current rise in the secondary circuit or alternatively by measuring the voltage with respect to an auxiliary contact (monitor contact). When the measured voltage in the primary circuit has reached the threshold value, the control unit can detect sticking or detachment of the armature from the Recognize contact. Additionally or alternatively, the control unit can detect and/or check the plausibility of whether the relay is open or closed by measuring the current in the primary circuit. The threshold value can be different from zero and can be at least partially the value of the operating voltage of the primary circuit.
Wenn die von der Steuereinheit nach dem Schaltzeitpunkt zum Trennen der elektrischen Verbindung gemessene Spannung den Schwellenwert erreicht, kann die Steuereinheit ein Anhaften des Ankers an dem Kontakt feststellen und die Anregungsspannung auf die Schaltspannung zum Trennen der elektrischen Verbindung aufprägen, sodass der Anker durch die Erregerspule zum Vibrieren gebracht wird und sich vom Kontakt löst. Die Steuereinheit kann die Dauer des Aufprägens der Anregungsspannung nach dem vorgegebenen Zeitraum, insbesondere der Dauer zum Aufbau oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule ausrichten oder ergänzend oder alternativ die Anregungsspannung solange auf die Schaltspannung aufprägen, bis die gemessene Spannung nach dem Schaltzeitpunkt zum Trennen der elektrischen Verbindung im Wesentlichen null ist, also das Relais geöffnet ist, und/oder der gemessene Strom im Primärstromkreis im Wesentlichen null ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Sicherheit des Relais verbessert wird. If the voltage measured by the control unit after the switching time for disconnecting the electrical connection reaches the threshold value, the control unit can detect that the armature is sticking to the contact and can apply the excitation voltage to the switching voltage for disconnecting the electrical connection, so that the armature is fed through the excitation coil to the contact Vibration is caused and comes away from contact. The control unit can align the duration of the application of the excitation voltage according to the predetermined period of time, in particular the duration for the build-up or reduction of the magnetic field of the excitation coil, or, additionally or alternatively, apply the excitation voltage to the switching voltage until the measured voltage after the switching time for disconnecting the electrical connection is essentially zero, i.e. the relay is open, and/or the measured current in the primary circuit is essentially zero. This has the advantage that the safety of the relay is improved.
Weiterhin wird auch ein Relais vorgeschlagen, welches zumindest eine der hierin beschriebenen Leistungsschaltungen umfasst. Furthermore, a relay is also proposed which includes at least one of the power circuits described herein.
Weiterhin wird ein Ladegerät oder Ladekabel vorgeschlagen, welche zumindest eine der hierin beschriebenen Leistungsschaltungen und/oder das hierein beschriebene Relais umfassen. Furthermore, a charger or charging cable is proposed, which includes at least one of the power circuits described herein and/or the relay described herein.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Erhöhen der Lösekräfte eines mit einer Erregerspule angesteuerten mechanischen Relais mit einem federvorgespannten Anker, bevorzugt in einem AC Ladegerät für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Furthermore, a method for increasing the release forces of a mechanical relay controlled by an excitation coil with a spring-loaded armature, preferably in an AC charger for a motor vehicle, is proposed, the method comprising the following steps:
Empfangen und/oder Speichern eines Eingangssignals umfassend einen vorgegebenen Schaltzeitpunkt, wann das Relais geöffnet werden soll, Receiving and/or storing an input signal comprising a predetermined switching time when the relay should be opened,
Aufprägen einer Schaltspannung auf die Erregerspule zum Schaltzeitpunkt mittels einer Steuereinheit, welche mit der Erregerspule verbunden ist, - Aufprägen einer Anregungsspannung mit einer Anregungsfrequenz auf die Schaltspannung synchron (vorher, nachher, gleichzeitig) zum Schaltzeitpunkt mittels der Steuereinheit über einen vordefinierten Zeitraum, insbesondere über eine Dauer zum Abbau oder Aufbau eines Magnetfeldes der Erregerspule, Impressing a switching voltage on the excitation coil at the time of switching by means of a control unit which is connected to the excitation coil, - imposing an excitation voltage with an excitation frequency on the switching voltage synchronously (before, after, at the same time) at the switching time by means of the control unit over a predefined period of time, in particular over a period of time to reduce or build up a magnetic field of the excitation coil,
Beenden des Aufprägens der Anregungsspannung nach Ablauf des vordefinierten Zeitraums. Ending the application of the excitation voltage after the predefined period of time has elapsed.
Mit anderen Worten, kann die Steuereinheit mittels einer Anregungsspannung eine Erregerspule in der Leistungsschaltung ansteuern, welche eine elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei Kontakten eines Primärstromkreises mittels eines Kontaktmittels zu einem Schaltzeitpunkt herstellt oder trennt. Ein mit dem Schaltzeitpunkt synchroner (in einem Zeitintervall vorher und/oder gleichzeitig und/oder in einem Zeitintervall nachher) periodischer Verlauf der Anregungsspannung kann ein Vibrieren des Kontaktmittels bewirken, wobei mittels des Vibrierens eine Schaltkraft des Kontaktmittels zum Trennen oder Herstellen der elektrischen Verbindung erhöht wird. In other words, the control unit can use an excitation voltage to control an excitation coil in the power circuit, which establishes or separates an electrical connection between at least two contacts of a primary circuit by means of a contact means at a switching time. A periodic course of the excitation voltage that is synchronous with the switching time (in a time interval before and/or at the same time and/or in a time interval after) can cause the contact means to vibrate, with the vibration increasing a switching force of the contact means for separating or establishing the electrical connection .
Weiterhin werden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der hierin beschriebenen Leistungsschaltung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben. Further developments of the method according to the invention are described which have features as have already been described in connection with the developments of the power circuit described herein. For this reason, the corresponding further developments of the proposed method are not described again here.
Ferner wird eine Steuereinheit zum Betreiben der Leistungsschaltung, insbesondere eines Relais, vorgeschlagen, wobei die Steuereinheit zumindest einen Prozessor und/oder zumindest einen Speicher umfasst, wobei in dem Speicher Programmanweisungen gespeichert sind, die den zumindest einen Prozessor dazu veranlassen, das Verfahren auszuführen. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder zumindest eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Furthermore, a control unit for operating the power circuit, in particular a relay, is proposed, wherein the control unit comprises at least one processor and/or at least one memory, wherein program instructions are stored in the memory, which cause the at least one processor to carry out the method. In other words, the control unit can have a data processing device or at least a processor device that is set up to carry out an embodiment of the method according to the invention.
Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher oder Prozessoreinrichtung gespeichert sein. For this purpose, the processor device can have at least one microprocessor and/or at least one microcontroller and/or at least one FPGA (Field Programmable Gate Array) and/or at least one DSP (Digital Signal Processor). Furthermore, the processor device can have program code that is designed to carry out the embodiment of the method according to the invention when executed by the processor device. The program code can be stored in a data memory or processor device.
Kurze Beschreibung der Figuren Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Short description of the characters Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures. Show:
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung, die in einer Ladestation oder in einem Ladekabel für ein Elektrofahrzeug eingebaut ist; Figure 1 shows a schematic representation of the electrical circuit that is installed in a charging station or in a charging cable for an electric vehicle;
Figur 2 zeigt einen exemplarischen Verlauf der Ansteuerspannung unter Berücksichtigung des Tastverhältnisses einer Pulsweitenmodulation, und Figure 2 shows an exemplary course of the control voltage, taking into account the duty cycle of a pulse width modulation, and
Figur 3 zeigt einen schematischen Verlauf des Verfahrens zur Erhöhung der Lösekraft in der elektrischen Schaltung. Figure 3 shows a schematic progression of the method for increasing the release force in the electrical circuit.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele Detailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale ergänzbar. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden. Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the exemplary embodiment, the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that can be viewed independently of one another, which also develop the invention independently of one another and are therefore also to be viewed as part of the invention individually or in a combination other than that shown. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by further features already described. The same, similar or identical elements in the different figures are given identical reference numbers, and a repeated description of these elements is partly omitted in order to avoid redundancies.
In Figur 1 ist schematisch ein Ladegerät 1 , wie beispielsweise Ladesäule oder eine Wallbox, zum Laden eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 5 dargestellt. Das Ladegerät 1 ist an einem elektrischen Netz, das den Primärstromkreis 2 ausbildet, angeschlossen und lädt über ein Relais 3 das Kraftfahrzeug 5. Ergänzend oder alternativ kann das Relais 3 auch in einem Steuergerät des Ladekabels 4 integriert sein. Das Relais 3 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Primärstromkreis 2 und dem Kraftfahrzeug 5 über die Ladedauer her, indem das Relais 3 zum Laden geschlossen und zum Beenden des Ladens geöffnet wird. Weiterhin wird eine detaillierte schematische Darstellung des Relais 3 gezeigt, welche beispielhaft an einer Phase L1 des Primärstromkreises 2 angeschlossen ist und mittels des Ankers 10 eine elektrische Verbindung 11 zwischen den Kontakten 9 und 9‘ durch Öffnen oder Schließen des Ankers 10 herstellt oder trennt. Das Relais 3 kann alternativ ein Schütz sein. 1 schematically shows a charger 1, such as a charging station or a wallbox, for charging an electrically powered motor vehicle 5. The charger 1 is connected to an electrical network, which forms the primary circuit 2, and charges the motor vehicle 5 via a relay 3. Additionally or alternatively, the relay 3 can also be integrated in a control unit of the charging cable 4. The relay 3 establishes an electrical connection between the primary circuit 2 and the motor vehicle 5 over the charging period by closing the relay 3 for charging and opening it to end charging. Furthermore, a detailed schematic representation of the relay 3 is shown, which is connected, for example, to a phase L1 of the primary circuit 2 and, by means of the armature 10, establishes or separates an electrical connection 11 between the contacts 9 and 9 'by opening or closing the armature 10. Alternatively, relay 3 can be a contactor.
Beim Trennen der elektrischen Verbindung 11 kann sich aufgrund des Stromflusses im Primärstromkreis 2 eine Überschlagsspannung zwischen dem Kontakt 9 und dem Anker 10 beim Ablösen des Ankers 10 vom Kontakt 9 bilden, was zu einem Anhaften oder Ankleben des Ankers 10 an dem Kontakt 9 führen kann. In der Regel wird dem durch eine entsprechend starke Auslegung einer Rückstellfeder 15 entgegengewirkt, welche den Anker 10 vom Kontakt 9 löst. Der Anker 10 wird zum Herstellen oder Trennen der elektrischen Verbindung 11 von der Erregerspule 8 über die Leistungsschaltung 6 von der Steuereinheit 7 mittels einer Anregungsspannung UA angesteuert. Die Erregerspule 8 bewegt und/oder vibriert somit den Anker 10 zum Herstellen oder Trennen der elektrischen Verbindung 11. Zum Unterstützen des Lösens des Ankers 10 vom Kontakt 9 kann auf die Schaltspannung die Anregungsspannung UA synchron zum Schaltzeitpunkt tout zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 aufgeprägt werden. Die Anregungsspannung UA kann einen periodischen Verlauf umfassend zumindest eine Anregungsfrequenz aufweisen. Die Anregungsspannung UA wird von der Steuereinheit 7 erzeugt und bewirkt ein Vibrieren, insbesondere ein Rütteln, des Ankers 10, was die Schaltkraft zum Lösen des Ankers 10 vom Kontakt 9 vergrößert, sodass die Schaltkraft das Anhaften des Ankers 10 am Kontakt 9 überwinden kann. Die Anregungsspannung UA kann vom Steuergerät 7 vor oder gleichzeitig oder nach dem Schaltzeitpunkt tout zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 von Steuereinheit 7 aktiviert werden. Der Zeitraum, solange die Steuereinheit 7 die Anregungsspannung UA aktiviert oder auf die Schaltspannung aufprägt, kann eine vorgegebene Dauer sein, wie beispielsweise 0.5, 1 oder 1.5 s Sekunden oder auf die Dauer zum Aufbau oder Abbau eines Magnetfeldes der Erregerspule 8 in Abhängigkeit von einer Bauart des Relais eingestellt sein, also ob zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 ein Mittelwert der Schaltspannung ungleich 0 V oder gleich 0 V ist. When the electrical connection 11 is separated, due to the current flow in the primary circuit 2, a flashover voltage can form between the contact 9 and the armature 10 when the armature 10 is detached from the contact 9, which can lead to the armature 10 sticking or sticking to the contact 9. As a rule, this is counteracted by a correspondingly strong design of a return spring 15, which releases the armature 10 from the contact 9. To establish or disconnect the electrical connection 11 from the excitation coil 8 via the power circuit 6, the armature 10 is controlled by the control unit 7 using an excitation voltage UA. The excitation coil 8 thus moves and/or vibrates the armature 10 to establish or disconnect the electrical connection 11. To support the release of the armature 10 from the contact 9, the excitation voltage UA can be applied to the switching voltage synchronously with the switching time tout to disconnect the electrical connection 11 . The excitation voltage UA can have a periodic course comprising at least one excitation frequency. The excitation voltage UA is generated by the control unit 7 and causes a vibration, in particular a shaking, of the armature 10, which increases the switching force for releasing the armature 10 from the contact 9, so that the switching force can overcome the adhesion of the armature 10 to the contact 9. The excitation voltage UA can be activated by the control unit 7 before or simultaneously or after the switching time tout to disconnect the electrical connection 11 from the control unit 7. The period of time as long as the control unit 7 activates the excitation voltage UA or applies it to the switching voltage can be a predetermined duration, such as 0.5, 1 or 1.5 s seconds or the duration for building up or reducing a magnetic field of the excitation coil 8 depending on a design of the relay must be set, i.e. whether an average value of the switching voltage is not equal to 0 V or equal to 0 V to disconnect the electrical connection 11.
Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit 7 synchron zum Schaltzeitpunkt tout mittels einer Messeinrichtung 12 eine Spannung im Primärstromkreis 2 messen, welche nach dem Trennen der elektrischen Verbindung 11 nach dem Schaltzeitpunkt tout im Wesentlichen 0 V beträgt. Falls die von der Steuereinheit 7 gemessene Spannung nach dem Schaltzeitpunkt tout einen Schwellenwert überschreitet, kann die Steuereinheit 7 die Erregerspule 8 mit der Anregungsspannung UA ansteuern, sodass die Erregerspule 8 ein Vibrieren des Kontaktmittels 10 bewirkt, welches den Anker 10 vom Kontakt 9 losrüttelt. Der Schwellenwert kann beispielsweise zumindest teilweise die Betriebsspannung des Primärstromkreises sein, beispielsweise 20 V. Ergänzend kann die Steuereinheit 7 die Dauer des Aktivierens der Anregungsspannung UA solange bewirken, bis die gemessene Spannung im Primärstromkreis nach dem Schaltzeitpunkt tout 0 V beträgt. Additionally or alternatively, the control unit 7 can measure a voltage in the primary circuit 2 synchronously with the switching time tout by means of a measuring device 12, which is essentially 0 V after the electrical connection 11 has been disconnected after the switching time tout. If the voltage measured by the control unit 7 exceeds a threshold value after the switching time tout, the control unit 7 can control the excitation coil 8 with the excitation voltage UA, so that the excitation coil 8 causes the contact means 10 to vibrate, which causes the Armature 10 shakes away from contact 9. The threshold value can, for example, be at least partially the operating voltage of the primary circuit, for example 20 V. In addition, the control unit 7 can effect the duration of activating the excitation voltage UA until the measured voltage in the primary circuit after the switching time tout is 0 V.
Insbesondere kann die Anregungsspannung asymmetrisch von der Steuereinheit moduliert sein, sodass die unterschiedliche Dauer zum Auf- oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule 8 und der Dauer, solange die Rückstellfeder 15 den Anker 10 zurückstellt, berücksichtigt werden kann. Ergänzend kann das Vibrieren des Ankers 10 in zwei Richtungen oder nur in einer Richtung von der Erregerspule 8 durch einen von der Steuereinheit 7 vorgegebenen Verlauf der Anregungsspannung UA bewirkt werden. Wenn der Anker 10 nur in einer Richtung vibriert, entspricht dies einem rhythmischen Ziehen am Anker 10 vom Kontakt 9 weg. Dies kann von der Steuereinheit 7 dadurch bewirkt werden, dass die Steuereinheit 7 die Anregungsspannung UA mittels einer Pulsweitenmodulation mit einem asymmetrischen Tastverhältnis moduliert und die so modulierte Anregungsspannung UAan der Erregerspule 8 bereitstellt. In particular, the excitation voltage can be modulated asymmetrically by the control unit, so that the different duration for building up or reducing the magnetic field of the excitation coil 8 and the duration as long as the return spring 15 resets the armature 10 can be taken into account. In addition, the vibration of the armature 10 in two directions or only in one direction can be caused by the excitation coil 8 by a course of the excitation voltage UA predetermined by the control unit 7. If the armature 10 vibrates in only one direction, this corresponds to a rhythmic pulling on the armature 10 away from the contact 9. This can be effected by the control unit 7 in that the control unit 7 modulates the excitation voltage UA by means of pulse width modulation with an asymmetrical duty cycle and provides the excitation voltage UA modulated in this way to the excitation coil 8.
Hierzu zeigt Figur 2 beispielhaft, wie auf Basis eines Informationssignals 14 mit der Periodendauer T in I die Anregungsspannung UA in III mittels einer Pulsweitenmodulation 13 nach II erzeugt werden kann. Das Informationssignal 14 kann ein Sinussignal sein und ergänzend oder alternativ auch ein periodisches Rechteck- oder ein Dreieck- oder ein Sägezahnsignal oder eine Kombination aus den vorher genannten Signalformen. Die Anregungsspannung UA kann durch die Steuereinheit 7 aus dem Informationssignal 14 mittels einer Pulsweitenmodulation 13 mit einem Tastverhältnis von beispielsweise 0.5 der Periodendauer T nach II generiert werden. Dabei entsteht der Verlauf Anregungsspannung UA nach III, welcher an der Erregerspule 8 anliegt. Die Anregungsspannung UA umfasst die ungeradzahligen Vielfache 17 zumindest einer Periode T der Sinuskurve des Informationssignals 14, hier also nur die Wellenbäuche mit negativen Spannungswerten. Je nach Bauart des Relais können dies auch die positiven Spannungswerte sein. 2 shows an example of how the excitation voltage UA in III can be generated based on an information signal 14 with the period T in I by means of a pulse width modulation 13 according to II. The information signal 14 can be a sine signal and, additionally or alternatively, also a periodic square wave or a triangle or a sawtooth signal or a combination of the previously mentioned signal forms. The excitation voltage UA can be generated by the control unit 7 from the information signal 14 by means of a pulse width modulation 13 with a duty cycle of, for example, 0.5 of the period T to II. This creates the excitation voltage UA to III, which is applied to the excitation coil 8. The excitation voltage UA includes the odd multiples 17 of at least one period T of the sinusoid of the information signal 14, here only the antinodes with negative voltage values. Depending on the design of the relay, these can also be the positive voltage values.
Wenn der Anker 10 aus einem nicht-permanentmagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, besteht, kann der Anker 10 von der Erregerspule 8 nur angezogen und nicht abgestoßen werden. Ein Vibrieren oder Rütteln kann daher mittels einem abwechselnden Anziehen des Ankers 10 an den Kontakt 9 durch die Erregerspule 8 und einem Wegziehen des Ankers 10 vom Kontakt 9 durch die Rückstellfeder 15 erzeugt werden. Durch den Verlauf der Anregungsspannung UA nach III an der Erregerspule 8 kann das Andrücken des Ankers 10 in einer Richtung hin zum Kontakt 9 durch die negativen Spannungswerte der Anregungsspannung UA bewirkt werden, während die Rückstellfeder 15 den Anker 10 vom Kontakt 9 wegzieht, wenn die Anregungsspannung UA nach III 0 V beträgt. Zwischen den Vielfachen 17 der negativen Spannungswerte in III beträgt die Anregungsspannung UA im Wesentlichen 0 V, sodass die Rückstellfeder 15 den Anker 10 vom Kontakt 9 wegziehen kann. Die Anregungsspannung UA nach III wird also abwechselnd mittels der Pulsweitenmodulation 13 nach II ein- und ausgeschaltet, sodass ein Vibrieren oder ein Rütteln des Ankers 10 entsteht, um den Anker 10 vom Kontakt 9 bei einem Verschweißen zu lösen. If the armature 10 is made of a non-permanent magnetic material, such as iron, the armature 10 can only be attracted and not repelled by the excitation coil 8. A vibration or shaking can therefore be generated by alternately tightening the armature 10 to the contact 9 by the excitation coil 8 and pulling the armature 10 away from the contact 9 by the return spring 15. Due to the course of the excitation voltage UA to III on the excitation coil 8, the armature 10 can be pressed in a direction towards the contact 9 by the negative voltage values of the excitation voltage UA, while the Return spring 15 pulls the armature 10 away from contact 9 when the excitation voltage UA to III is 0 V. Between the multiples 17 of the negative voltage values in III, the excitation voltage UA is essentially 0 V, so that the return spring 15 can pull the armature 10 away from the contact 9. The excitation voltage UA according to III is therefore alternately switched on and off by means of the pulse width modulation 13 according to II, so that a vibration or shaking of the armature 10 occurs in order to release the armature 10 from the contact 9 during welding.
Die Zeitspanne, solange die Anregungsspannung UA von 0 V verschieden ist, kann mittels des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation 13 nach II eingestellt werden. In II ist ein asymmetrisches Tastverhältnis, eingestellt. Die Dauer, solange die Anzugskraft der Erregerspule 8 auf den Anker 10 wirkt, und die Dauer, solange der Anker 10 durch die Rückstellfeder 15 zurückschwingt, können dabei verschieden sein. Die für die Anzugskraft der Erregerspule 8 erforderliche Anregungsspannung UA kann hierzu von der Steuereinheit 7 mittels der Pulsweitenmodulation 13 mit dem asymmetrischen Tastverhältnis nach II generiert werden, um ein Vibrieren oder Rütteln des Ankers 10 zu erzeugen. Durch Wahl des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation 13, , kann die Anregungsspannung UA auf eine mechanische Zeitkonstante der Rückstellfeder 15, insbesondere auf die Dauer des Zurückschwingens des Ankers, eingestellt werden. The period of time as long as the excitation voltage UA is different from 0 V can be set according to II using the duty cycle of the pulse width modulation 13. An asymmetrical duty cycle is set in II. The duration as long as the attraction force of the excitation coil 8 acts on the armature 10 and the duration as long as the armature 10 swings back due to the return spring 15 can be different. The excitation voltage UA required for the attraction force of the excitation coil 8 can be generated by the control unit 7 by means of the pulse width modulation 13 with the asymmetric duty cycle according to II in order to generate a vibration or shaking of the armature 10. By selecting the duty cycle of the pulse width modulation 13, the excitation voltage UA can be set to a mechanical time constant of the return spring 15, in particular to the duration of the armature's swing back.
Ergänzend kann durch das Generieren der Anregungsspannung UA aus dem Informationssignal 14 mittels der Pulsweitenmodulation 13 aus II die Dauer zum Auf- und/oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule 8 berücksichtigt werden. Die Anregungsspannung UA in III kann so lange 0 V betragen, bis das Magnetfeld der Erregerspule abgeklungen ist und die Rückstellfeder 15 den Anker 10 vom Kontakt 9 wegzieht. Dagegen kann die Anregungsspannung UA in III so lange die negativen Spannungswerte aufweisen, bis sich das Magnetfeld der Erregerspule 8 aufgebaut hat und den Anker 10 in Richtung des Kontakts 9 drückt. Dabei können die Dauer des Aufbaus und des Abbaus des Magnetfelds unterschiedlich sein, sodass die Anregungsspannung UA während der Periodendauer T unterschiedlich lang einerseits 0 V beträgt und andererseits die von null verschiedenen Spannungswerte, hier die negativen Spannungswerte der Vielfachen 17 in III, aufweist. Die Anregungsspannung UA nach III kann die Steuereinheit 7 mittels eines Einstellens des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation 13 nach II, ein asymmetrisches Tastverhältnis, aus dem Informationssignal 14 generieren. Das Steuergerät 7 kann ergänzend das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation 13 einstellen oder verändern, sodass die Anregungsspannung UA und damit ein Vibrationsmuster des Ankers 10 über einen Zeitraum variiert oder an veränderte Umweltbedingungen des Feder-Masse-Systems angepasst wird. In addition, by generating the excitation voltage UA from the information signal 14 using the pulse width modulation 13 from II, the duration for the build-up and/or breakdown of the magnetic field of the excitation coil 8 can be taken into account. The excitation voltage UA in III can be 0 V until the magnetic field of the excitation coil has subsided and the return spring 15 pulls the armature 10 away from the contact 9. In contrast, the excitation voltage UA in III can have the negative voltage values until the magnetic field of the excitation coil 8 has built up and pushes the armature 10 in the direction of the contact 9. The duration of the build-up and breakdown of the magnetic field can be different, so that the excitation voltage UA during the period T is 0 V for different lengths of time and, on the other hand, has the non-zero voltage values, here the negative voltage values of the multiples 17 in III. The control unit 7 can generate the excitation voltage UA according to III by adjusting the duty cycle of the pulse width modulation 13 according to II, an asymmetrical duty cycle, from the information signal 14. The control device 7 can additionally set or change the duty cycle of the pulse width modulation 13 so that the excitation voltage UA and thus a vibration pattern of the armature 10 varies over a period of time or is adapted to changing environmental conditions of the spring-mass system.
Ergänzend oder alternativ können die positiven und negativen Spannungswerte bei einem permanentmagnetischen Anker 10 abwechselnd ein Abziehen (positiv) und ein Herandrücken (negativ) des Ankers 10 von oder an den Kontakt 9 bewirken. Dies kann unerwünscht sein, da der Anker 10, welcher nach dem Schaltzeitpunkt tout zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 wieder an den Kontakt 9 herangedrückt wird. Das abwechselnde Wegziehen kann mittels der ungeradzahligen Vielfachen 17 der Perioden mit den negativen Spannungswerten in der Anregungsspannung UA bewirkt werden. Alternativ können auch je nach Konstruktion die positiven und negativen Spannungswerte vertauscht sein. In addition or alternatively, the positive and negative voltage values in the case of a permanent magnetic armature 10 can alternately cause the armature 10 to be pulled off (positive) and pushed forward (negatively) from or to the contact 9. This can be undesirable because the armature 10, which is pressed against the contact 9 again after the switching time tout to disconnect the electrical connection 11. The alternating withdrawal can be effected by means of the odd-numbered multiples 17 of the periods with the negative voltage values in the excitation voltage UA. Alternatively, depending on the design, the positive and negative voltage values can be swapped.
Figur 3 zeigt einen Verlauf des Verfahrens zum Erhöhen der Lösekräfte eines mit der Erregerspule 8 angesteuerten mechanischen Relais 3. In einem ersten Schritt S1 wird von der der Steuereinheit 7 auf ein Eingangssignal 16 empfangen, welches beispielsweise ein Signal von einem Timer oder einem Batteriesteuergerät stammt und einen Schaltzeitpunkt tout zum Beenden des Ladevorgangs umfasst. Die Steuereinheit 7 speichert den Schaltzeitpunkt tout in einem Speicher. In einem zweiten Schritt S2 legt die Steuereinheit 7 eine Schaltspannung an die Erregerspule 8 an, sodass der Anker 10 vom Kontakt 9 zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 gelöst wird. Beispielsweise kann eine Rückstellfeder den Anker 10 vom Kontakt 9 lösen. Zum Vorbeugen eines Anhaftens oder Klebens des Ankers 10 am Kontakt 9 aufgrund von einer Durchschlagsspannung beim Trennen der elektrischen Verbindung 11 , prägt die Steuereinheit 7 in einem dritten Schritt S3 synchron zum Schaltzeitpunkt tout eine Anregungsspannung UA auf die Schaltspannung auf. Dabei kann das Aufprägen der Anregungsspannung UA innerhalb eines Zeitintervalls vor oder nach dem Schaltzeitpunkt tout oder gleichzeitig zum Schaltzeitpunkt tout erfolgen. Figure 3 shows a course of the method for increasing the release forces of a mechanical relay 3 controlled with the excitation coil 8. In a first step S1, an input signal 16 is received from the control unit 7, which comes, for example, a signal from a timer or a battery control unit and includes a switching time tout to end the charging process. The control unit 7 stores the switching time tout in a memory. In a second step S2, the control unit 7 applies a switching voltage to the excitation coil 8, so that the armature 10 is released from the contact 9 to disconnect the electrical connection 11. For example, a return spring can release the armature 10 from the contact 9. To prevent the armature 10 from sticking or sticking to the contact 9 due to a breakdown voltage when the electrical connection 11 is disconnected, the control unit 7 applies an excitation voltage UA to the switching voltage in a third step S3 synchronously with the switching time tout. The excitation voltage UA can be impressed within a time interval before or after the switching time tout or at the same time as the switching time tout.
Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit 7 nach dem Schaltzeitpunkt tout eine Spannung im Primärstromkreis 2 mittels einer Messeinrichtung 12 messen und wenn die gemessene Spannung nach dem Schaltzeitpunkt tout im Wesentlichen einen Schwellenwert erreicht, kann die Steuereinheit 7 ein Anhaften des Ankers 10 am Kontakt 9 erkennen und die Anregungsspannung UA auf die Schaltspannung aufprägen. Der Schwellenwert kann zumindest teilweise die Betriebsspannung des Primärstromkreises sein. Durch die Anregungsspannung UAwird die Erregerspule 8 derart angesteuert, dass die ein Vibrieren des Ankers 10 bewirkt und der Anker 10 aufgrund der dynamischen Kraft des Vibrierens vom Kontakt 9 gelöst wird. In einem fünften Schritt S5 deaktiviert die Steuereinheit 7 die Anregungsspannung UA nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums. Der Zeitraum kann beispielsweise 0.5, 1 bis 10 Sekunden betragen. Alternativ kann der Zeitraum einem Vielfachen der Zeit bis zum Aufbau oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule 8 entsprechen. Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit die Anregungsspannung UA deaktivieren, wenn die im Primärstromkreis 2 mittels der Messeinrichtung 12 gemessene Spannung im Wesentlichen 0 V beträgt. Alternativ kann die Spannung mittels eines Hilfskontaktes (Monitorkontakt) gemessen werden. Additionally or alternatively, the control unit 7 can measure a voltage in the primary circuit 2 after the switching time tout by means of a measuring device 12 and if the measured voltage after the switching time tout essentially reaches a threshold value, the control unit 7 can detect that the armature 10 is sticking to the contact 9 and impress the excitation voltage UA onto the switching voltage. The threshold value can at least partially be the operating voltage of the primary circuit. The excitation coil 8 is controlled by the excitation voltage UA in such a way that it causes the armature 10 to vibrate and the armature 10 is released from the contact 9 due to the dynamic force of the vibration. In a fifth step S5, the control unit 7 deactivates the excitation voltage UA after a predetermined period of time has elapsed. The Period can be, for example, 0.5, 1 to 10 seconds. Alternatively, the period can correspond to a multiple of the time until the magnetic field of the excitation coil 8 is built up or reduced. Additionally or alternatively, the control unit can deactivate the excitation voltage UA if the voltage measured in the primary circuit 2 by means of the measuring device 12 is essentially 0 V. Alternatively, the voltage can be measured using an auxiliary contact (monitor contact).
Ziel ist eine Erhöhung der Lösekräfte ohne die Konstruktion des Relais zu verändern. Die Rückholfeder bildet zusammen mit dem Anker ein Feder-Masse-System. Durch geeignete Anregung dieses mechanisch schwingfähigen Systems lässt sich eine zusätzlich zur Federkraft wirkende dynamische Kraft erzeugen. Die Anregung erfolgt durch periodische Bestromung der Erregerspule mit der mechanischen Eigenfrequenz. Die Steuerung übernimmt ein Controller, der in der Regel auf dem System sowieso bereits vorhanden ist. Die Regelung des Stromes kann zur genauen Kontrolle auch über zum Beispiel PWM (Pulsweitenmodulation) erfolgen. Im einfachsten Fall sind die erforderlichen Ein- und Ausschaltzeiten der Spule experimentell ermittelt. In diesem Fall ist es erforderlich, die Anregungsfrequenz über Zeit zu variieren (wobbeln), um auch bei abweichender Resonanzfrequenz (Toleranzen, Temperatur) den Resonanzpunkt zu treffen. The aim is to increase the release forces without changing the design of the relay. The return spring, together with the armature, forms a spring-mass system. By appropriately stimulating this mechanically oscillatory system, a dynamic force can be generated in addition to the spring force. The excitation occurs by periodically energizing the excitation coil with the mechanical natural frequency. The control is carried out by a controller, which is usually already present on the system anyway. For precise control, the current can also be regulated using, for example, PWM (pulse width modulation). In the simplest case, the required on and off times of the coil are determined experimentally. In this case, it is necessary to vary the excitation frequency over time (wobble) in order to reach the resonance point even if the resonance frequency differs (tolerances, temperature).
Beim Abschalten wirkt auf das System die Federkraft, beim Einschalten der Elektromagnet abzüglich der Federkraft. Zusätzlich wird beim Abschalten der Abbau des Magnetfeldes in der Spule durch deren eventuelle Schutzbeschaltung verzögert. Die Ein- und Abschaltkräfte sind also regelmäßig unterschiedlich. Daher ist eine asymmetrische Ansteuerung (Tastverhältnis != 0.5) erforderlich. When switching off, the spring force acts on the system; when switching on, the electromagnet minus the spring force acts on the system. In addition, when the coil is switched off, the reduction of the magnetic field in the coil is delayed by any protective circuitry. The switch-on and switch-off forces are therefore regularly different. Therefore, asymmetrical control (duty cycle != 0.5) is required.
Weiterhin kann der Resonanzpunkt auch durch eine Überwachung des Spulenstroms eingestellt und/oder kontrolliert werden. Die Aktivierung der Anregungsfrequenz kann entweder pauschal bei jedem Abschaltvorgang erfolgen oder nur bei Bedarf, also das Relais hat sich trotz Abschaltung der Spulenspannung noch nicht gelöst. Der Anregungsfrequenz wird entweder eine vordefinierte Zeit angelegt oder so lange, bis sich der Kontakt gelöst hat. Diese Kontrolle kann entweder erfolgen durch Überwachung der geschalteten Spannungen oder durch Nutzung eines Hilfskontaktsatzes oder wiederum durch die Überwachung des Erregerspulenstroms. Furthermore, the resonance point can also be set and/or controlled by monitoring the coil current. The activation of the excitation frequency can either be carried out across the board with every switch-off process or only when necessary, i.e. the relay has not yet released despite the coil voltage being switched off. The excitation frequency is applied either for a predefined time or until the contact is released. This control can be done either by monitoring the switched voltages or by using an auxiliary contact set or again by monitoring the field coil current.
Es wird dadurch ermöglicht, durch rein elektrische Maßnahmen die Lösekraft auf einenThis makes it possible to use purely electrical measures to increase the release force
Relaiskontakt zu erhöhen. Somit kann auf besondere mechanische Maßnahmen zurIncrease relay contact. This means that special mechanical measures can be used
Lösekrafterhöhung verzichtet werden oder sie geringer gehalten werden. Dies ermöglicht in Summe eine kleinere, billigere und energiesparendere Ausführung des Relais im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik. Besondere Kontaktmaterialien sind nämlich teuer und haben andere Nachteile, insbesondere einen höheren Kontaktwiderstand, was zu Verlusten und erhöhter Temperaturbelastung führt. Stärkere Rückhohlfedern erfordern wiederum eine stärkere Auslegung der Erregerspule, was neben Mehrkosten zu erhöhtem Stromverbrauch und Erwärmung führt. Spezielle Konstruktionen zur Erzeugung anders gerichteter Lösekräfte erfordern mehr Bauraum. Auch größere Erregerspulen erfordern mehr Bauraum. Increase in dissolving force can be dispensed with or kept lower. Overall, this makes possible a smaller, cheaper and more energy efficient version of the relay compared to the current state of the art. Special contact materials are expensive and have other disadvantages, in particular a higher contact resistance, which leads to losses and increased temperature stress. Stronger hollow return springs in turn require a stronger design of the exciter coil, which leads to additional costs, increased power consumption and heating. Special designs for generating differently directed release forces require more installation space. Larger excitation coils also require more installation space.
Entsprechend wird auf diese Weise eine aktive Lösekrafterhöhung für Relaiskontakte bereitgestellt.Accordingly, an active increase in release force for relay contacts is provided in this way.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. To the extent applicable, all individual features shown in the exemplary embodiments can be combined and/or exchanged with one another without departing from the scope of the invention.
Bezuqszeichenliste Reference character list
1 Ladegerät 1 charger
2 Primärstromkreis 2 primary circuit
3 Relais 3 relays
4 Ladekabel 4 charging cables
5 Kraftfahrzeug 5 motor vehicle
6 Leistungsschaltung6 power circuit
7 Steuereinheit 7 control unit
8 Erregerspule 8 excitation coil
9, 9' Kontakt 9, 9' contact
10 Anker 10 anchors
11 elektrische Verbindung11 electrical connection
12 Messeinrichtung 12 measuring device
UA AnregungsspannungUA excitation voltage
13 Pulsweitenmodulation13 pulse width modulation
14 Informationssignal14 information signal
T Periodendauer tout Schaltzeitpunkt T period duration tout switching time
15 Rückstellfeder 15 return spring
16 Eingangssignal 16 input signal
17 Vielfaches 17 multiples
51 Schritt 1 51 Step 1
52 Schritt 2 52 Step 2
53 Schritt 3 53 Step 3
54 Schritt 4 54 Step 4

Claims

Leistungsschaltung (6) zum Erhöhen der Lösekräfte beim Schalten eines mit einer Erregerspule (8) angesteuerten mechanischen Relais (3) mit einem federvorgespannten Anker (10), bevorzugt in einem AC Ladegerät (1) für ein Kraftfahrzeug (5), umfassend eine mit der Erregerspule (8) des Relais (3) verbindbare Steuereinheit (7), die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, zu einem vorgegebenen Schaltzeitpunkt (tout) der Erregerspule (8) des Relais (3) eine Schaltspannung zum Schalten des Relais (3) aufzuprägen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, zusätzlich zu der Schaltspannung der Erregerspule (8) des Relais (3) eine mit dem Schaltzeitpunkt (tout) synchronisierte und periodisch verlaufende Anregungsspannung (UA) aufzuprägen, um eine zusätzliche dynamische Schaltkraft bereitzustellen. Leistungsschaltung (6) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsspannung (UA) in einer Anregungsfrequenz bereitzustellen, die im Bereich der Eigenfrequenz des Feder- Masse-Systems umfassend den federvorgespannten Anker (10), insbesondere im Bereich der Eigenfrequenz des Ankers (10), liegt. Leistungsschaltung (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsfrequenz über einen vordefinierten Zeitraum zu variieren (wobbeln), insbesondere die Anregungsfrequenz auf eine geänderte Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems oder des Ankers (10) mittels des Variierens einzustellen. Leistungsschaltung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsspannung (UA) mittels einer Pulsweitenmodulation (13), insbesondere mit einem asymmetrischen Tastverhältnis , zu modulieren. Leistungsschaltung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) dazu eingerichtet ist, die Anregungsspannung (UA) über den vordefinierten Zeitraum, welcher insbesondere einer Dauer zum Abbau und/oder Aufbau eines Magnetfeldes der Erregerspule (8) umfasst, auf die Schaltspannung aufzuprägen. Leistungsschaltung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Spannung in einem Primärstromkreis (2), welchen der Anker (10) öffnet oder schließt, mittels einer Messeinrichtung (12) zu messen, insbesondere nach dem Schaltzeitpunkt (tout) . Leistungsschaltung (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) dazu eingerichtet ist, die Anregungsspannung (UA) auf die Schaltspannung aufzuprägen, wenn nach dem Schaltzeitpunkt (tout) die gemessene Spannung einen Schwellenwert erreicht und/oder die Anregungsspannung (UA) solange auf die Schaltspannung aufzuprägen, bis die gemessene Spannung im Primärstromkreis Power circuit (6) for increasing the release forces when switching a mechanical relay (3) controlled by an excitation coil (8) with a spring-loaded armature (10), preferably in an AC charger (1) for a motor vehicle (5), comprising one with the Excitation coil (8) of the relay (3) connectable control unit (7), which is designed and set up to apply a switching voltage to the excitation coil (8) of the relay (3) at a predetermined switching time (tout) for switching the relay (3), characterized in that the control unit (7) is designed and set up to apply, in addition to the switching voltage of the excitation coil (8) of the relay (3), an excitation voltage (UA) which is synchronized with the switching time (tout) and runs periodically in order to achieve an additional dynamic To provide switching force. Power circuit (6) according to claim 1, characterized in that the control unit (7) is designed and set up to provide the excitation voltage (UA) at an excitation frequency which is in the range of the natural frequency of the spring-mass system comprising the spring-loaded armature (10 ), particularly in the range of the natural frequency of the armature (10). Power circuit (6) according to claim 1 or 2, characterized in that the control unit (7) is designed and set up to vary (wobble) the excitation frequency over a predefined period of time, in particular the excitation frequency to a changed natural frequency of the spring-mass system or the anchor (10) by varying. Power circuit (6) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (7) is designed and set up to modulate the excitation voltage (UA) by means of pulse width modulation (13), in particular with an asymmetrical duty cycle. Power circuit (6) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (7) is set up to reduce the excitation voltage (UA) over the predefined period of time, which in particular is a duration and/or building up a magnetic field of the excitation coil (8) to be impressed on the switching voltage. Power circuit (6) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (7) is designed and set up to measure a voltage in a primary circuit (2), which the armature (10) opens or closes, by means of a measuring device (12). to be measured, especially after the switching time (tout). Power circuit (6) according to claim 6, characterized in that the control unit (7) is set up to impose the excitation voltage (UA) on the switching voltage if, after the switching time (tout), the measured voltage reaches a threshold value and / or the excitation voltage ( UA) to be applied to the switching voltage until the measured voltage in the primary circuit
(2) im Wesentlichen null ist. Relais (3) umfassend zumindest eine Leistungsschaltung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. Ladegerät (1) oder Ladekabel (4) umfassend zumindest eine Leistungsschaltung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder ein Relais (3) nach Anspruch 8. Verfahren zum Erhöhen der Lösekräfte eines mit einer Erregerspule (8) angesteuerten mechanischen Relais (3) mit einem federvorgespannten Anker (10), bevorzugt in einem AC Ladegerät (1) für ein Kraftfahrzeug (5), umfassend die Schritte: (2) is essentially zero. Relay (3) comprising at least one power circuit (6) according to one of claims 1 to 7. Charger (1) or charging cable (4) comprising at least one power circuit (6) according to one of claims 1 to 7 and / or a relay (3) according to claim 8. Method for increasing the release forces of a mechanical relay (3) controlled with an excitation coil (8) with a spring-loaded armature (10), preferably in an AC charger (1) for a motor vehicle (5), comprising the steps:
Empfangen und/oder Speichern eines Eingangssignals (16) umfassend einen vorgegebenen Schaltzeitpunkt (tout), wann das Relais (3) geöffnet werden soll, Receiving and/or storing an input signal (16) comprising a predetermined switching time (tout) when the relay (3) should be opened,
- Aufprägen einer Schaltspannung auf die Erregerspule (8) zum Schaltzeitpunkt (tout) mittels einer Steuereinheit (7), welche mit der Erregerspule (8) verbunden ist, - imposing a switching voltage on the excitation coil (8) at the switching time (tout) by means of a control unit (7) which is connected to the excitation coil (8),
- Aufprägen einer Anregungsspannung (UA) mit einer Anregungsfrequenz auf die Schaltspannung synchron (in einem Zeitintervall vorher und/oder in einem Zeitintervall nachher und/oder gleichzeitig) zum Schaltzeitpunkt (tout) mittels der Steuereinheit (7) über einen vordefinierten Zeitraum, insbesondere über eine Dauer zum Abbau oder Aufbau eines Magnetfeldes der Erregerspule (8), - Impressing an excitation voltage (UA) with an excitation frequency onto the switching voltage synchronously (in a time interval before and/or in a time interval after and/or at the same time) at the switching time (tout) by means of the control unit (7) over a predefined period of time, in particular over a period of time for reducing or building up a magnetic field of the excitation coil (8),
Beenden des Aufprägens der Anregungsspannung (UA) nach Ablauf des vordefinierten Zeitraums. 11. Steuereinheit (7) zum Betreiben einer Leistungsschaltung (6), insbesondere eines RelaisEnding the application of the excitation voltage (UA) after the predefined period has expired. 11. Control unit (7) for operating a power circuit (6), in particular a relay
(3), wobei die Steuereinheit (7) zumindest einen Prozessor und/oder zumindest einen Speicher umfasst, wobei in dem Speicher Programmanweisungen gespeichert sind, die den zumindest einen Prozessor dazu veranlassen, ein Verfahren nach Anspruch 10 auszuführen. (3), wherein the control unit (7) comprises at least one processor and/or at least one memory, wherein program instructions are stored in the memory which cause the at least one processor to carry out a method according to claim 10.
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