WO2024088650A1 - Method and protective device for protecting a device from a fault current and correspondingly configured motor vehicle - Google Patents

Method and protective device for protecting a device from a fault current and correspondingly configured motor vehicle Download PDF

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WO2024088650A1
WO2024088650A1 PCT/EP2023/075453 EP2023075453W WO2024088650A1 WO 2024088650 A1 WO2024088650 A1 WO 2024088650A1 EP 2023075453 W EP2023075453 W EP 2023075453W WO 2024088650 A1 WO2024088650 A1 WO 2024088650A1
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fuse
fault
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fault current
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PCT/EP2023/075453
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Martin Baumann
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/44—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to the rate of change of electrical quantities
    • H—ELECTRICITY
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators

Definitions

  • the present invention relates to a method and a protective device for protecting an electrical and/or electronic device against a fault current.
  • the invention further relates to a motor vehicle equipped therewith.
  • Fuses can be used to prevent damage or safety risks. However, depending on the application, this can also cause problems. For example, classic fuses can have a tripping time of several ms and thus react comparatively slowly. Electronic fuses can in principle switch more quickly, but this can also be a potential hazard, particularly with relatively large inductances.
  • a method for protecting an electronic system from electrical overcurrent and short circuit is described in DE 102011 121 604 A1.
  • a determined actual value of a current increase of an operating current is compared with a setpoint value, which is set dynamically by a control unit as a maximum permissible current increase of the operating current according to a design and/or a current current requirement of the system. If the actual value of the current increase exceeds the first setpoint value, the control unit triggers a circuit breaker to interrupt the operating current.
  • This is intended to Improved safety can be achieved by identifying potential short-circuit hazards at an early stage and then preventing them.
  • it can also be problematic to reliably distinguish operating current from fault current based on the current increase alone, so that high energies can still occur in the event of a fault and must be handled.
  • DE 10 2009 007 969 A1 describes a short-circuit protection device for limiting short-circuit currents in high-energy direct current networks.
  • a first switch for bridging the resistance when there is no short circuit is connected in parallel to an electrical resistor for guiding and limiting the short-circuit current.
  • a monitoring and control device is also provided for monitoring the current through the switch and for opening the switch when the current through the switch exceeds a predetermined limit. This should make it possible to safely control the short-circuit current that occurs in the event of a short circuit.
  • the method according to the invention can be used to protect an electrical and/or electronic device from a fault current by means of a fuse.
  • a fuse can therefore be opened or triggered automatically in order to avoid or reduce damage to the device due to a fault current, for example an overcurrent or a short-circuit current, or possible damaging effects of such a fault current.
  • the method according to the invention comprises several procedural steps, each of which can be applied in the operation of the facility.
  • a normal operating current that is currently expected when there are no faults is determined at a predetermined point on the device.
  • This point can in particular be the fuse, so that in other words it can be determined which normal operating current should currently flow through the fuse.
  • another point for determining the normal operating current can also be specified or predefined, for example along a line surrounding the fuse immediately before or after the fuse or the like. This can enable a correspondingly flexible application of the method.
  • a corresponding current normal operating current increase expected when there are no faults is determined here based on the expected normal operating current or the temporal course of the expected normal operating current.
  • the gradient of the normal operating current currently expected when there are no faults is determined, for example in A/s.
  • This normal operating current increase can be different or vary depending on the design of the device, even when there are no faults.
  • the normal operating current may be a corresponding expected capacitive charging current, whereby the normal operating current increase may then depend on the capacitance of the load.
  • a fault current currently expected in the event of a fault in particular in the event of an electrical short circuit, at the or a predetermined location and a corresponding fault current increase, i.e. a currently expected gradient of the fault current, are determined.
  • predetermined electrical parameters that describe or characterize the device can be used.
  • the electrical voltage in the device or between two predetermined points can be measured over time and used as a basis or input for determining the quantities mentioned.
  • a current actually flowing through the specified location is measured over time. This actually measured current can also be referred to here as the measuring current.
  • a corresponding current actual i.e. real, given measuring current increase, i.e. a corresponding gradient of the measuring current, is determined.
  • the measuring current is then recognised as a fault current and the fuse is automatically triggered if at least two predefined conditions are met.
  • the fuse can then be opened automatically to interrupt the fault current through the device or the fuse and thus also through a part of the device to be protected.
  • a first condition for recognizing the measuring current as a fault current and not as a normal operating current is met if the fault current increase currently expected in the event of a fault is more than a predefined threshold value greater than the normal operating current increase currently expected in the event of no faults.
  • the expected fault current increase and the expected normal operating current increase can be determined permanently or quasi-continuously or at a correspondingly high frequency in order to achieve or enable a sufficiently rapid protective effect.
  • the amounts of these current increases can be compared with one another.
  • the predefined threshold value can be used to set or take into account a corresponding fault tolerance or confidence.
  • the threshold value can be minimized, for example, taking into account the accuracy or reliability of determining the expected fault current increase and the expected normal operating current increase that is given or achievable in the respective application. This can, for example, depend on an accuracy of the available parameters or parameter values for describing or characterizing the device, a resolution of a corresponding model and/or the like.
  • a second condition for recognizing the measuring current as a fault current is that a difference between the fault current increase currently expected in the event of a fault and the current measuring current increase, in particular the amount of this difference, is smaller than a predefined difference threshold value.
  • the amount of the difference between the measuring current increase and the expected fault current increase can be multiplied by a predefined confidence value or Confidence fraction increased amount of fault current increase or the like.
  • a fault current can be detected and the fuse can be automatically triggered as soon as the expected normal operating current increase and the expected fault current increase differ sufficiently from each other to be able to distinguish between a fault, for example a short circuit, and normal operation with appropriate confidence or a correspondingly high level of trust, and as soon as the expected fault current increase and the actual measuring current increase are close enough together to be able to actually detect a fault or a short circuit with appropriate confidence or a corresponding level of trust.
  • the method proposed here makes it possible to distinguish particularly early and particularly reliably between a regular maximum operating current and a fault or short-circuit current, which is not possible quickly enough with conventional overcurrent shutdowns, for example due to the capacity of the device or a corresponding load.
  • the present invention can therefore enable a particularly early detection of a fault current. This is the case because not only the absolute value of the flowing current, but also the current increase is monitored or taken into account. Ultimately, this means that even with a particularly low absolute fault current, it is possible to react and trigger the fuse.
  • the expected normal operating current or the corresponding normal operating current increase and the expected fault current or the corresponding fault current increase are calculated using two different predefined models.
  • Such predefined models can therefore model the device and its electrical behavior or current conduction behavior.
  • a first model can model the intended and specified, i.e. error-free, normal operation.
  • a different, in particular different, second model can, however, model an error case or error operation of the device.
  • the second model can also be possible for the second model to model several different types or forms of errors or a corresponding behavior of the device and/or several different second models can be specified in order to model different types or forms of errors or corresponding operations or behaviors of the device. This makes it possible to react flexibly and precisely to different situations, i.e. to ensure that the fuse is triggered quickly and reliably, for example, even in different error situations.
  • the model-based calculation of the current increases proposed here allows for a particularly simple and flexible adaptation to different situations, operating strategies and/or changes to the device and/or, for example, a load connected to it or the like.
  • a corresponding adaptation of a predetermined calculation model can be significantly simpler, faster and more flexible, in particular, for example, dynamically during operation of the device, than a corresponding adaptation of a hardware circuit or the like that maps the corresponding behavior of the device.
  • the predetermined models can in particular be or include computer models, which can therefore be executed, for example, by means of a corresponding computer device.
  • Such a computer device can be designed, for example, as a controller or control device or the like, in particular as part of a protective device set up to apply the method according to the invention.
  • the temporal course of an electrical voltage in the device is measured and used as input for the models used.
  • the electrical voltage can be measured, for example, between two specified or predefined points of the device and/or the fuse and/or against mass or earth or the like.
  • This can in particular be an operating voltage of the device for which fluctuations or deviations from its value or course in fault-free normal operation are to be expected when a fault occurs.
  • Such a voltage can be measured relatively easily, with little effort, quickly and precisely and thus represent an effective possibility or basis for ultimately being able to distinguish a normal operating current increase from a fault current increase.
  • At least one equivalent resistance, one inductance and one component capacitance of the device with parameter values individually specified or adapted for the respective device are used as parameters of the models.
  • the equivalent resistance can, for example, be a combination of the resistance of a line to be protected by the fuse and the equivalent series resistance (ESR) of its capacitance or a corresponding short-circuit resistance.
  • the inductance can, for example, be or include a line inductance of the line to be protected.
  • the component capacitance can, for example, be a capacitance of a capacitive load supplied via the fuse or the line to be protected or the like.
  • the various models can each contain one or more of these parameters. In particular, the parameters of the models do not have to be identical to one another.
  • the first model for determining the expected normal operating current or normal operating current increase can contain all three of the parameters mentioned, while a second model for determining the expected fault current or fault current increase can, for example, only contain two of the parameters mentioned, for example only the equivalent resistance and the inductance or the like.
  • the current increases can be modelled and ultimately determined particularly easily and with little effort, while at the same time being accurate and reliable.
  • an electronic fuse is used as the fuse. This is triggered to interrupt the flow of current through the fuse. After such a triggering, the fuse is then automatically switched on again as soon as a predefined reset criterion is met.
  • a reset criterion can be or include, for example, the expiration of a predefined period of time and/or a falling below a predefined reset threshold value for a current or a voltage applied to one side of the fuse, for example, compared to a predefined measuring or reference point or potential or the like. In this way, both effective protection of the device and particularly robust and convenient operation of the device can be enabled.
  • the supply to the device via the fuse can be automatically continued, i.e. resumed.
  • the electronic fuse since such a fuse can be switched reversibly, i.e. triggered and reset, many times, compared to a conventional fuse or the like. This can also enable correspondingly cost-effective protection of the respective device, since the fuse then does not have to be replaced after each triggering.
  • the electronic fuse can switch or trip significantly faster, for example compared to conventional fuses, with a switching or tripping time in the range of a few ps compared to several ms.
  • the use of an electronic fuse can enable more precise adaptation to the device or line to be protected and thus, for example, a correspondingly tighter design or better utilization of the corresponding device or line.
  • the threshold values specified as part of the conditions for recognizing the measuring current as a fault current are designed in such a way that in the event of a fault, in particular in the event of a short circuit, the fuse is triggered, i.e. opened, at a smaller fault current, i.e. at a smaller measuring current, than would be the case with a purely overcurrent-based triggering of the fuse in the otherwise identically designed device or protective device.
  • a purely overcurrent-based shutdown would be given in this sense if the only condition for triggering the fuse was specified or checked was that the measuring current exceeds a predefined maximum value, as would still be expected in fault-free normal operation of the device, by at least a predetermined value.
  • This value can be minimized, but for example due to tolerances, measurement uncertainties, limited accuracy in predicting the behavior of the device in fault-free normal operation and/or similar, they must necessarily have a certain minimum size.
  • the design proposed here enables the fuse to be triggered automatically at an earlier stage and yet still accurately and reliably. As described elsewhere, this can reduce the energy that builds up in the event of a fault or when the fuse is triggered automatically, thus ultimately achieving improved safety and/or enabling the components involved to be triggered in a smaller and more cost-effective manner.
  • the present invention also relates to a protective device for protecting an electrical or electronic device against a fault current.
  • the protective device according to the invention has an electronically controllable fuse, a measuring device for measuring a current flowing through the fuse during operation and a control device for controlling the fuse taking the measured current into account.
  • the protective device according to the invention or its control device is designed to carry out or apply the method according to the invention, in particular automatically.
  • the protective device according to the invention can in particular be the protective device mentioned in connection with the method according to the invention or correspond to it. Accordingly, the protective device according to the invention can have some or all of the properties and/or features mentioned in this context.
  • the fuse is designed as a reversibly switchable electronic fuse that comprises at least one controllable transistor, in particular a MOSFET.
  • a controllable transistor in particular a MOSFET.
  • the avalanche effect of the transistor can then be used or exploited to allow the resulting current to run freely after the fuse has been triggered and thus to gradually reduce it. This can prevent destructive voltage peaks from building up, which could otherwise lead to damage to the device and/or other components despite the fuse being triggered.
  • the exploitation of the avalanche effect can be a particularly cost-effective and low-effort option for this.
  • the protective device comprises a freewheeling diode.
  • a freewheeling diode can allow the remaining energy to run free after the fuse has been triggered, or a freewheeling and gradual reduction of the resulting current. This can prevent damage, for example due to an uncontrolled voltage increase after the fuse has been triggered.
  • the use of a freewheeling diode proposed here is particularly simple, safe and reliable thanks to the present invention, since the current gradient-based triggering of the fuse means that the amount of freewheeling energy can be reduced, for example, compared to conventional purely overcurrent-based triggering, and thus overloading of the freewheeling diode can be reliably avoided without any further measures - even with a simple and cost-effective design.
  • the use of the freewheeling diode can therefore represent a particularly simple, cost-effective and effective option for further protection.
  • the present invention also relates to a motor vehicle with an electrical on-board network and a protective device according to the invention integrated therein. Since today's motor vehicles often use relatively high operating voltages and can transport relatively large amounts of electrical energy in their on-board network and can also have an increasing variety of electronic components and systems that are more sensitive to fault currents, short circuits, voltage peaks and the like, this provides a particularly useful application of the method according to the invention or the protective device according to the invention. In addition, the present invention can ensure or improve occupant protection in a particularly simple and effective and efficient manner by limiting the amount of energy released after the fuse is triggered, for example without additional costly or weight-intensive measures. Further features of the invention can be derived from the claims, the figures and the description of the figures.
  • Fig. 1 is an exemplary schematic diagram of temporal profiles of operating currents in various embodiments of an electronic device and of a short-circuit current to illustrate an overcurrent protection shutdown;
  • Fig. 2 is an exemplary schematic diagram of temporal progressions of current increases of operating currents in various embodiments of an electronic device and a short-circuit current to illustrate a current gradient-based protective shutdown;
  • Fig. 3 shows an exemplary scheme to illustrate an implementation of the current gradient-based protective shutdown.
  • FIG. 1 shows an example of a schematic diagram in which the time t is plotted on the x-axis and the current I, such as can flow through a fuse during operation, is plotted on the y-axis.
  • Various curves of a normal operating current 1 are plotted for different capacities of a supplied load.
  • a curve of a current that occurs in the event of a fault is also shown.
  • Short-circuit current 2 is plotted here.
  • the normal operating current 1 cannot be reliably distinguished from the short-circuit current 2.
  • the maximum operating current 3 here is around 580 A with a load capacity of 10 mF in this example. Even if the maximum operating current 3 can be lower with lower load capacities, a similar increase in the current can still occur up to the respective maximum operating current 3 - regardless of whether a fault is present or not.
  • a classic overcurrent shutdown were to be used here, it would be possible to provide for a shutdown, i.e. a tripping of the fuse, at a threshold value 4 that is above the maximum regularly occurring maximum operating current 3.
  • This threshold value 4 can be, for example, around 600 A. In the present example, this threshold value 4 would occur at a tripping time ts of around 130 ps.
  • Such a relatively large current can be particularly critical, especially when the inductance L of a line to be protected is relatively large, since a correspondingly large amount of energy E can then be stored according to
  • a trigger time ts that is as early as possible can be aimed for or set.
  • Fig. 2 shows an example schematic diagram to illustrate a current gradient-based shutdown or tripping of the fuse.
  • the time t is plotted on the x-axis.
  • the current rise rate IA is plotted.
  • several different normal operating current rises 5, such as can occur with different load capacities in fault-free normal operation are plotted here as examples.
  • a short-circuit current rise 6 is plotted here to illustrate a fault case.
  • this can result in free-running energy quantities of about 360 mJ after the fuse has been triggered in the case of the overcurrent shutdown illustrated in Fig. 1 and of about 40 mJ in the case of the current gradient-based shutdown illustrated in Fig. 2.
  • the current rise rate IA into account in a condition or criterion for the automatic triggering of the fuse, a reduction of about 89% in the amount of energy that then runs free is made possible here, for example.
  • Fig. 3 shows an example diagram 7 for a method for protecting an electrical or electronic device by means of a fuse that can be triggered automatically depending on the current rise rate IA.
  • the method is started in a method step S1.
  • a corresponding protective device or the electrical or electronic device protected by it can be put into operation or set up, for example by specifying or loading parameter values, models, threshold values and/or the like.
  • a temporal progression of the current l(t) through the fuse is measured.
  • the current rise or gradient miMess of the measured current l(t) is determined from this.
  • the temporal progression of the current I (t) can be calculated in a process step S4.
  • Two corresponding current increases or gradients can be calculated using two predefined models.
  • the current increase miLoad currently expected in error-free normal operation can be calculated in a process step S5.
  • a corresponding predefined normal operation model 8 can be applied or evaluated in a process step S6:
  • u(t) is the time course of the voltage
  • R is a given equivalent resistance
  • L is a given inductance
  • C is a given capacitance in the respective device or the supplied load.
  • a current increase misc that is currently to be expected in the event of a fault or short circuit can be calculated.
  • a corresponding predefined short-circuit model 9 can be applied or evaluated in a method step S8.
  • This short-circuit model can, for example, be specified as:
  • a process step S9 it can then be checked whether a specified deviation condition between the current increase miLoad expected in error-free normal operation and the current increase misc expected in the event of a fault is fulfilled: l ⁇ isc l > (1 + ⁇ 5) I oad l
  • ö gives a predetermined desired confidence, for example around 10%, for distinguishing between a short circuit or fault and normal operation. If this first condition is not met, the procedure can be continued in the next run as described above. For example, the next expected value for the current increases miLoad and misc can then be calculated.
  • process step S9 if the first condition is met in process step S9, the process can be continued in a process step S10. There, a second specified condition can be checked:
  • ö can, for example, have the same value as in the first condition checked in process step S9. However, a different specified value for ö can also be used here. If this second condition is not met, the process can also be continued in the next run as described above.
  • the fuse can then be automatically triggered, i.e. opened, in a process step S11.
  • the examples described show how a current gradient-based triggering or switching off of electronic fuses can be implemented for particularly reliable, safe and early protection of electrical and/or electronic equipment.

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Abstract

The invention relates to a method (7) for protecting an electronic device from a fault current by means of a fuse. The invention further relates to a corresponding protective device and to a motor vehicle equipped therewith. In the method (7), an increase (5) in the normal operating current which is presently expected when there is no fault and a respective increase (6) in the fault current which is presently expected when there is a fault are determined. An increase in a prevailing measuring current which is actually present is also determined. A measured current (I) through the fuse is identified as a fault current (2) when the increase (6) in the fault current is greater than the increase (5) in the normal operating current by more than a predetermined threshold value and simultaneously a difference between the increase (6) in the fault current and the increase in the measuring current is lower than a predetermined difference threshold value. In this case, the fuse is then tripped automatically.

Description

Verfahren und Schutzeinrichtung zum Schützen einer Einrichtung vor einem Fehlerstrom und entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug Method and protective device for protecting a device against a fault current and motor vehicle equipped accordingly
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schutzeinrichtung zum Schützen einer elektrischen und/oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom. Die Erfindung betrifft weiter ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. The present invention relates to a method and a protective device for protecting an electrical and/or electronic device against a fault current. The invention further relates to a motor vehicle equipped therewith.
Elektrische und elektronische Systeme werden heutzutage in unübersehbarer Vielfalt eingesetzt. Um dabei Beschädigungen oder Sicherheitsrisiken zu vermeiden, können Sicherungen eingesetzt werden. Dies kann jedoch je nach Anwendungsfall ebenfalls Probleme mit sich bringen. So können beispielsweise klassische Schmelzsicherungen eine Auslösezeit von mehreren ms aufweisen und damit vergleichsweise langsam reagieren. Elektronische Sicherungen können zwar prinzipiell schneller schalten, womit jedoch insbesondere bei relativ großen Induktivitäten ebenfalls ein Gefahrenpotenzial einhergehen kann. Electrical and electronic systems are used in an enormous variety of ways today. Fuses can be used to prevent damage or safety risks. However, depending on the application, this can also cause problems. For example, classic fuses can have a tripping time of several ms and thus react comparatively slowly. Electronic fuses can in principle switch more quickly, but this can also be a potential hazard, particularly with relatively large inductances.
Als ein Lösungsansatz ist in der DE 102011 121 604 A1 ein Verfahren zum Schützen eines elektronischen Systems vor einem elektrischen Überstrom und Kurzschluss beschrieben. Darin wird ein ermittelter Istwert eines Stromanstiegs eines Betriebsstroms mit einem Sollwert verglichen, der als ein maximal zulässiger Stromanstieg des Betriebsstroms einer Auslegung und/oder einer aktuellen Stromanforderung des Systems entsprechend durch ein Steuergerät dynamisch eingestellt wird. Wenn der Istwert des Stromanstiegs den ersten Sollwert übersteigt, wird durch das Steuergerät zur Unterbrechung des Betriebsstroms ein Schutzschalter ausgelöst. Damit soll eine verbesserte Sicherheit ermöglicht werden, um eine potenzielle Kurzschlussgefahr frühzeitig zu erkennen und dann zu unterbinden. Es kann jedoch auch hier problematisch sein, allein anhand des Stromanstiegs den Betriebsstroms zuverlässig von einem Fehlerstrom zu unterscheiden, sodass dennoch im Fehlerfall hohe Energien auftreten können und gehandhabt werden müssen. As a solution, a method for protecting an electronic system from electrical overcurrent and short circuit is described in DE 102011 121 604 A1. In this method, a determined actual value of a current increase of an operating current is compared with a setpoint value, which is set dynamically by a control unit as a maximum permissible current increase of the operating current according to a design and/or a current current requirement of the system. If the actual value of the current increase exceeds the first setpoint value, the control unit triggers a circuit breaker to interrupt the operating current. This is intended to Improved safety can be achieved by identifying potential short-circuit hazards at an early stage and then preventing them. However, it can also be problematic to reliably distinguish operating current from fault current based on the current increase alone, so that high energies can still occur in the event of a fault and must be handled.
Als weiteren Ansatz beschreibt die DE 10 2009 007 969 A1 eine Kurzschluss- Schutzvorrichtung zur Begrenzung von Kurzschlussströmen in Hochenergie- Gleichstromnetzen. Darin ist zu einem elektrischen Widerstand zur Führung und Begrenzung des Kurzschlussstroms ein erster Schalter zur Überbrückung des Widerstands bei Kurzschlussfreiheit parallel geschaltet. Weiter ist eine Überwachungsund Steuerungseinrichtung zur Überwachung des Stromes durch den Schalter und zum Öffnen des Schalters, wenn der Strom durch den Schalter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, vorgesehen. Damit soll der bei einem Kurzschluss auftretende Kurzschluss- Strom sicher beherrschbar sein. As a further approach, DE 10 2009 007 969 A1 describes a short-circuit protection device for limiting short-circuit currents in high-energy direct current networks. In this device, a first switch for bridging the resistance when there is no short circuit is connected in parallel to an electrical resistor for guiding and limiting the short-circuit current. A monitoring and control device is also provided for monitoring the current through the switch and for opening the switch when the current through the switch exceeds a predetermined limit. This should make it possible to safely control the short-circuit current that occurs in the event of a short circuit.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen besonders zuverlässigen und sicheren Fehlerstromschutz zu ermöglichen. It is the object of the present invention to enable a particularly reliable and safe residual current protection.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen. This object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Further possible embodiments of the invention are disclosed in the subclaims, the description and the figures. Features, advantages and possible embodiments that are set out in the description for one of the subject matter of the independent claims are to be regarded at least analogously as features, advantages and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims and of any possible combination of the subject matter of the independent claims, if appropriate in conjunction with one or more of the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden zum Schützen einer elektrischen und und/oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom mittels einer Sicherung. Eine solche Sicherung kann also automatisch geöffnet oder ausgelöst werden, um eine Beschädigung der Einrichtung durch einen Fehlerstrom, also beispielsweise einen Überstrom oder einen Kurzschlussstrom bzw. mögliche schädigende Effekte eines solchen Fehlerstrom zu vermeiden oder zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mehrere Verfahrensschritte, die jeweils im Betrieb der Einrichtung angewendet werden können. The method according to the invention can be used to protect an electrical and/or electronic device from a fault current by means of a fuse. Such a fuse can therefore be opened or triggered automatically in order to avoid or reduce damage to the device due to a fault current, for example an overcurrent or a short-circuit current, or possible damaging effects of such a fault current. The method according to the invention comprises several procedural steps, each of which can be applied in the operation of the facility.
In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein jeweils aktuell bei Fehlerfreiheit, wenn sich also die Einrichtung in einem fehlerfreien Normalbetrieb befindet, an einer vorgegebenen Stelle der Einrichtung erwarteter Normalbetriebsstrom bestimmt. Diese Stelle kann insbesondere die Sicherung sein, sodass mit anderen Worten also bestimmt werden kann, welcher Normalbetriebsstrom jeweils aktuell durch die Sicherung fließen sollte. Ebenso kann aber ebenso eine andere Stelle zum Bestimmen des Normalbetriebsstroms vorgegeben oder vordefiniert sein, beispielsweise entlang einer die Sicherung umfassenden Leitung unmittelbar vor oder nach der Sicherung oder dergleichen. Dies kann eine entsprechend flexible Anwendung des Verfahrens ermöglichen. Weiter wird hier anhand des erwarteten Normalbetriebsstroms bzw. des zeitlichen Verlaufs des erwarteten Normalbetriebsstroms ein jeweils korrespondierender bei Fehlerfreiheit erwarteter aktueller Normalbetriebsstromanstieg bestimmt. Mit anderen Worten wird also der jeweils aktuell bei Fehlerfreiheit erwartete Gradient des Normalbetriebsstroms bestimmt, beispielsweise in A/s. Dieser Normalbetriebsstromanstieg kann je nach Ausgestaltung der Einrichtung auch bei Fehlerfreiheit unterschiedlich sein bzw. variieren. Beispielsweise kann bei einer über die Sicherung abgesicherten bzw. versorgten kapazitiven Last der Normalbetriebsstrom ein entsprechender erwarteter kapazitiver Ladestrom sein, wobei der Normalbetriebsstromanstieg dann von der Kapazität der Last abhängig sein kann. In a method step of the method according to the invention, a normal operating current that is currently expected when there are no faults, i.e. when the device is in normal operation without faults, is determined at a predetermined point on the device. This point can in particular be the fuse, so that in other words it can be determined which normal operating current should currently flow through the fuse. However, another point for determining the normal operating current can also be specified or predefined, for example along a line surrounding the fuse immediately before or after the fuse or the like. This can enable a correspondingly flexible application of the method. Furthermore, a corresponding current normal operating current increase expected when there are no faults is determined here based on the expected normal operating current or the temporal course of the expected normal operating current. In other words, the gradient of the normal operating current currently expected when there are no faults is determined, for example in A/s. This normal operating current increase can be different or vary depending on the design of the device, even when there are no faults. For example, for a capacitive load protected or supplied by the fuse, the normal operating current may be a corresponding expected capacitive charging current, whereby the normal operating current increase may then depend on the capacitance of the load.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein jeweils aktuell bei einem Fehler, insbesondere bei einem elektrischen Kurzschluss, an der oder einer vorgegebenen Stelle erwarteter Fehlerstrom und ein jeweils korrespondierender Fehlerstromanstieg, also ein jeweils aktuell erwarteter Gradient des Fehlerstroms bestimmt. In a further method step of the method according to the invention, a fault current currently expected in the event of a fault, in particular in the event of an electrical short circuit, at the or a predetermined location and a corresponding fault current increase, i.e. a currently expected gradient of the fault current, are determined.
Zum Bestimmen dieser Größen können beispielsweise jeweils vorgegebene elektrische Parameter, welche die Einrichtung beschreiben oder charakterisieren, verwendet werden. Ebenso kann beispielsweise die elektrische Spannung in der Einrichtung bzw. zwischen zwei vorgegebenen Punkten über die Zeit gemessen und als Basis oder Input zum Bestimmen der genannten Größen verwendet werden. In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein tatsächlich durch die vorgegebene Stelle fließender Strom über die Zeit gemessen. Dieser tatsächlich gemessene Strom kann hier auch als Messstrom bezeichnet werden. Anhand des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Messstroms wird weiter ein korrespondierender jeweils aktueller tatsächlicher, also real gegebener Messstromanstieg, das heißt ein entsprechender Gradient des Messstroms bestimmt. To determine these quantities, for example, predetermined electrical parameters that describe or characterize the device can be used. Likewise, for example, the electrical voltage in the device or between two predetermined points can be measured over time and used as a basis or input for determining the quantities mentioned. In a further step of the method according to the invention, a current actually flowing through the specified location is measured over time. This actually measured current can also be referred to here as the measuring current. On the basis of the measured temporal progression of the measuring current, a corresponding current actual, i.e. real, given measuring current increase, i.e. a corresponding gradient of the measuring current, is determined.
Der Messstrom wird dann als Fehlerstrom erkannt und es wird automatisch die Sicherung ausgelöst, wenn wenigstens zwei vorgegebene Bedingungen erfüllt sind. Die Sicherung kann dann also automatisch geöffnet werden, um den Fehlerstrom durch die Einrichtung bzw. die Sicherung und damit auch durch einen zu schützenden Teil der Einrichtung zu unterbrechen. Eine erste Bedingung zum Erkennen des Messstroms als Fehlerstrom und nicht als Normalbetriebsstrom ist dann erfüllt, wenn der aktuell bei Vorliegen eines Fehlers erwartete Fehlerstromanstieg um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert größer ist als der bei Fehlerfreiheit aktuell erwartete Normalbetriebsstromanstieg. Dazu kann permanent oder quasi-kontinuierlich oder entsprechend hochfrequent, um eine ausreichend schnelle Schutzwirkung zu erzielen oder zu ermöglichen, der erwartete Fehlerstromanstieg und der erwartete Normalbetriebsstromanstieg bestimmt und ein entsprechender Vergleich durchgeführt werden. Dabei können insbesondere jeweils die Beträge dieser Stromanstiege miteinander verglichen werden. Durch den vorgegebenen Schwellenwert kann eine entsprechende Fehlertoleranz oder Konfidenz eingestellt bzw. berücksichtigt werden. Der Schwellenwert kann beispielsweise minimiert werden unter Berücksichtigung einer im jeweiligen Anwendungsfall gegebenen oder erreichbaren Genauigkeit oder Zuverlässigkeit der Bestimmung des erwarteten Fehlerstromanstiegs und des erwarteten Normalbetriebsstromanstiegs. Dies kann beispielsweise abhängig sein von einer Genauigkeit der verfügbaren Parameter oder Parameterwerte zum Beschreiben oder Charakterisieren der Einrichtung, einer Auflösung eines entsprechenden Modells und/oder dergleichen mehr. The measuring current is then recognised as a fault current and the fuse is automatically triggered if at least two predefined conditions are met. The fuse can then be opened automatically to interrupt the fault current through the device or the fuse and thus also through a part of the device to be protected. A first condition for recognizing the measuring current as a fault current and not as a normal operating current is met if the fault current increase currently expected in the event of a fault is more than a predefined threshold value greater than the normal operating current increase currently expected in the event of no faults. To do this, the expected fault current increase and the expected normal operating current increase can be determined permanently or quasi-continuously or at a correspondingly high frequency in order to achieve or enable a sufficiently rapid protective effect. In particular, the amounts of these current increases can be compared with one another. The predefined threshold value can be used to set or take into account a corresponding fault tolerance or confidence. The threshold value can be minimized, for example, taking into account the accuracy or reliability of determining the expected fault current increase and the expected normal operating current increase that is given or achievable in the respective application. This can, for example, depend on an accuracy of the available parameters or parameter values for describing or characterizing the device, a resolution of a corresponding model and/or the like.
Eine zweite Bedingung zum Erkennen des Messstroms als Fehlerstrom ist, dass eine Differenz zwischen dem bei Vorliegen eines Fehlers aktuell erwarteten Fehlerstromanstieg und dem aktuellen Messstromanstieg, insbesondere der Betrag dieser Differenz, kleiner als ein vorgegebener Differenzschwellenwert ist. Hier kann beispielsweise der Betrag der Differenz zwischen dem Messstromanstieg und dem erwarteten Fehlerstromanstieg mit dem um einen vorgegebenen Konfidenzwert oder Konfidenzanteil erhöhten Betrag des Fehlerstromanstiegs oder dergleichen verglichen werden. A second condition for recognizing the measuring current as a fault current is that a difference between the fault current increase currently expected in the event of a fault and the current measuring current increase, in particular the amount of this difference, is smaller than a predefined difference threshold value. Here, for example, the amount of the difference between the measuring current increase and the expected fault current increase can be multiplied by a predefined confidence value or Confidence fraction increased amount of fault current increase or the like.
Mit anderen Worten kann also ein Fehlerstrom erkannt und dementsprechend die Sicherung automatisch ausgelöst werden, sobald sich der erwartete Normalbetriebsstromanstieg und der erwartete Fehlerstromanstieg stark genug voneinander unterscheiden, um mit entsprechender Konfidenz bzw. einem entsprechend hohen Vertrauen zwischen einem Fehler, beispielsweise einem Kurzschluss, und einem Normalbetrieb unterscheiden zu können, und sobald dann der erwartete Fehlerstromanstieg und der tatsächliche Messstromanstieg eng genug beieinander liegen, um mit entsprechender Konfidenz oder entsprechendem Vertrauen tatsächlich einen Fehler oder einen Kurzschluss feststellen zu können. In other words, a fault current can be detected and the fuse can be automatically triggered as soon as the expected normal operating current increase and the expected fault current increase differ sufficiently from each other to be able to distinguish between a fault, for example a short circuit, and normal operation with appropriate confidence or a correspondingly high level of trust, and as soon as the expected fault current increase and the actual measuring current increase are close enough together to be able to actually detect a fault or a short circuit with appropriate confidence or a corresponding level of trust.
Sobald ein entsprechender Fehlerstrom oder Kurzschluss oder dergleichen erkannt bzw. festgestellt wird, kann dieser durch Öffnen der Sicherung unmittelbar isoliert werden. As soon as a corresponding fault current or short circuit or the like is detected or identified, it can be immediately isolated by opening the fuse.
Durch das hier vorgeschlagene Verfahren kann besonders frühzeitig und besonders zuverlässig zwischen einem regulären Maximalbetriebsstrom und einem Fehler- bzw. Kurzschlussstrom unterschieden werden, was bei herkömmlichen Überstromabschaltungen etwa aufgrund einer Kapazität der Einrichtung bzw. einer entsprechenden Last nicht ohne Weiteres entsprechend schnell möglich ist. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Überstromabschaltung, die allein auf das Überschreiten eines Schwellenwertes durch einen gemessenen Strom reagiert, kann durch die vorliegende Erfindung also eine besonders frühzeitige Detektion eines Fehlerstroms ermöglicht werden. Dies ist der Fall, da hier nicht nur der Absolutwert des fließenden Stroms, sondern auch der Stromanstieg überwacht bzw. berücksichtigt wird. Somit kann letztlich bereits bei einem besonders geringen absoluten Fehlerstrom reagiert und die Sicherung ausgelöst werden. Dies kann eine in einem entsprechenden Fehlerfall zu handhabende Energiemenge im Vergleich zu herkömmlichen Überstromabspaltungen bei ansonsten gleicher Ausgestaltung der Einrichtung und auch der Sicherung reduzieren. Dies wiederum kann entsprechende Folgeschäden der automatischen Auslösung der Sicherung reduzieren und somit zu einer insgesamt verbesserten Sicherheit und Robustheit der Einrichtung und/oder der Schutzeinrichtung beitragen. In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden der erwartete Normalbetriebsstrom bzw. der entsprechenden Normalbetriebsstromanstieg und der erwartete Fehlerstrom bzw. der entsprechende Fehlerstromanstieg mittels zweier unterschiedlicher vorgegebener Modelle berechnet. Solche vorgegebenen Modelle können also die Einrichtung und deren elektrisches Verhalten oder Stromführungsverhalten modellieren. Dabei kann ein erstes Modell den bestimmungs- und spezifikationsgemäßen, also fehlerfreien Normalbetrieb modellieren. Ein davon verschiedenes, insbesondere unterschiedliches, zweites Modell kann hingegen einen Fehlerfall oder Fehlerbetrieb der Einrichtung modellieren. Dabei kann es auch möglich sein, dass das zweite Modell mehrere verschiedene Arten oder Ausprägungen von Fehlern bzw. ein entsprechende Verhalten der Einrichtung modelliert und/oder es können mehrere verschiedene zweite Modelle vorgegeben sein, um unterschiedliche Arten oder Ausprägungen von Fehlern bzw. entsprechende Betriebe oder Verhaltensweisen der Einrichtung zu modellieren. Damit kann entsprechend flexibel und genau auf verschiedene Situationen reagiert, also eine entsprechend schnelle und zuverlässige Auslösung der Sicherung beispielsweise auch in unterschiedlichen Fehlersituationen sichergestellt werden. The method proposed here makes it possible to distinguish particularly early and particularly reliably between a regular maximum operating current and a fault or short-circuit current, which is not possible quickly enough with conventional overcurrent shutdowns, for example due to the capacity of the device or a corresponding load. In comparison to a conventional overcurrent shutdown, which only reacts when a measured current exceeds a threshold value, the present invention can therefore enable a particularly early detection of a fault current. This is the case because not only the absolute value of the flowing current, but also the current increase is monitored or taken into account. Ultimately, this means that even with a particularly low absolute fault current, it is possible to react and trigger the fuse. This can reduce the amount of energy to be handled in the event of a corresponding fault compared to conventional overcurrent shutdowns with otherwise identical device and fuse design. This in turn can reduce the corresponding consequential damage caused by the automatic triggering of the fuse and thus contribute to an overall improvement in the safety and robustness of the device and/or the protective device. In a possible development of the present invention, the expected normal operating current or the corresponding normal operating current increase and the expected fault current or the corresponding fault current increase are calculated using two different predefined models. Such predefined models can therefore model the device and its electrical behavior or current conduction behavior. A first model can model the intended and specified, i.e. error-free, normal operation. A different, in particular different, second model can, however, model an error case or error operation of the device. It can also be possible for the second model to model several different types or forms of errors or a corresponding behavior of the device and/or several different second models can be specified in order to model different types or forms of errors or corresponding operations or behaviors of the device. This makes it possible to react flexibly and precisely to different situations, i.e. to ensure that the fuse is triggered quickly and reliably, for example, even in different error situations.
Durch die hier vorgeschlagene modellbasierte Berechnung der Stromanstiege kann eine besonders einfache und flexible Anpassung an unterschiedliche Situationen, Betriebsstrategien und/oder Veränderungen der Einrichtung und/oder beispielsweise einer daran angeschlossenen Last oder dergleichen berücksichtigt werden. So kann eine entsprechende Anpassung eines vorgegebenen Berechnungsmodells beispielsweise deutlich einfacher, schneller und flexibler, insbesondere beispielsweise auch dynamisch während des Betriebs der Einrichtung, möglich sein, als eine entsprechende Anpassung etwa einer das entsprechende Verhalten der Einrichtung abbildenden Hardwareschaltung oder dergleichen. Die vorgegebenen Modelle können insbesondere Computermodelle sein oder umfassen, die also beispielsweise mittels einer entsprechenden Computereinrichtung ausgeführt werden können. Eine solche Computereinrichtung können beispielsweise als Controller oder Steuergerät oder dergleichen, insbesondere als Teil einer zum Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichteten Schutzeinrichtung ausgestaltet sein. The model-based calculation of the current increases proposed here allows for a particularly simple and flexible adaptation to different situations, operating strategies and/or changes to the device and/or, for example, a load connected to it or the like. For example, a corresponding adaptation of a predetermined calculation model can be significantly simpler, faster and more flexible, in particular, for example, dynamically during operation of the device, than a corresponding adaptation of a hardware circuit or the like that maps the corresponding behavior of the device. The predetermined models can in particular be or include computer models, which can therefore be executed, for example, by means of a corresponding computer device. Such a computer device can be designed, for example, as a controller or control device or the like, in particular as part of a protective device set up to apply the method according to the invention.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird der zeitliche Verlauf einer elektrischen Spannung in der Einrichtung gemessen und als Input für die Modelle verwendet. Die elektrische Spannung kann beispielsweise zwischen zwei vorgegebenen oder vordefinierten Punkten der Einrichtung und/oder der Sicherung und/oder gegen Masse oder Erde oder dergleichen gemessen werden. Dabei kann es sich insbesondere um eine Betriebsspannung der Einrichtung handeln, für die bei Auftreten eines Fehlers Schwankungen oder Abweichungen von ihrem Wert oder Verlauf im fehlerfreien Normalbetrieb zu erwarten sind. Eine solche Spannung kann vergleichsweise einfach, aufwandsarm, schnell und genau messbar sein und somit eine effektive Möglichkeit oder Basis darstellen, um darauf basierend letztlich einen Normalbetriebsstromanstieg von einem Fehlerstromanstieg unterscheiden zu können. In a possible development of the present invention, the temporal course of an electrical voltage in the device is measured and used as input for the models used. The electrical voltage can be measured, for example, between two specified or predefined points of the device and/or the fuse and/or against mass or earth or the like. This can in particular be an operating voltage of the device for which fluctuations or deviations from its value or course in fault-free normal operation are to be expected when a fault occurs. Such a voltage can be measured relatively easily, with little effort, quickly and precisely and thus represent an effective possibility or basis for ultimately being able to distinguish a normal operating current increase from a fault current increase.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden als Parameter der Modelle zumindest ein Ersatzwiderstand, eine Induktivität und eine Komponentenkapazität der Einrichtung mit individuell für die jeweilige Einrichtung vorgegebenen oder angepassten Parameterwerten verwendet. Der Ersatzwiderstand kann beispielsweise eine Kombination aus dem Widerstand einer mittels der Sicherung zu schützenden Leitung und dem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von deren Kapazität bzw. ein entsprechender Kurzschlusswiderstand sein. Die Induktivität kann beispielsweise eine Leitungsinduktivität der zu schützenden Leitung sein oder umfassen. Die Komponentenkapazität kann beispielsweise eine Kapazität einer über die Sicherung bzw. die zu schützende Leitung versorgten kapazitiven Last oder dergleichen sein. Die verschiedenen Modelle können jeweils einen oder mehrere dieser Parameter enthalten. Insbesondere müssen die Parameter der Modelle nicht zueinander deckungsgleich sein. Es kann also beispielsweise das erste Modell zum Bestimmen des erwarteten Normalbetriebsstrom bzw. Normalbetriebsstromanstiegs alle drei der genannten Parameter enthalten, während ein zweites Modell zum Bestimmen des erwarteten Fehlerstroms bzw. Fehlerstromanstiegs beispielsweise nur zwei der genannten Parameter, beispielsweise nur den Ersatzwiderstand und die Induktivität, enthalten kann oder dergleichen. Durch die hier beschriebenen Parameter können die Stromanstiege besonders einfach und aufwandsarm und gleichzeitig genau und zuverlässig modelliert und letztlich bestimmt werden. In a possible development of the present invention, at least one equivalent resistance, one inductance and one component capacitance of the device with parameter values individually specified or adapted for the respective device are used as parameters of the models. The equivalent resistance can, for example, be a combination of the resistance of a line to be protected by the fuse and the equivalent series resistance (ESR) of its capacitance or a corresponding short-circuit resistance. The inductance can, for example, be or include a line inductance of the line to be protected. The component capacitance can, for example, be a capacitance of a capacitive load supplied via the fuse or the line to be protected or the like. The various models can each contain one or more of these parameters. In particular, the parameters of the models do not have to be identical to one another. For example, the first model for determining the expected normal operating current or normal operating current increase can contain all three of the parameters mentioned, while a second model for determining the expected fault current or fault current increase can, for example, only contain two of the parameters mentioned, for example only the equivalent resistance and the inductance or the like. Using the parameters described here, the current increases can be modelled and ultimately determined particularly easily and with little effort, while at the same time being accurate and reliable.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird als die Sicherung eine elektronische Sicherung verwendet. Diese wird zum Auslösen zum Unterbrechen einer Stromdurchleitung durch die Sicherung angesteuert. Nach einem solchen Auslösen wird die Sicherung dann automatisch wieder leitend geschaltet, sobald ein vorgegebenes Rücksetz- oder Resetkriterium erfüllt ist. Ein solches Resetkriterium kann beispielsweise ein Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne und/oder ein Unterschreiten eines vorgegebenen Rücksetzschwellenwertes für einen Strom oder eine beispielsweise an einer Seite der Sicherung anliegende Spannung gegenüber einem vorgegebenen Mess- oder Referenzpunkt oder -Potenzial oder dergleichen sein oder umfassen. Auf diese Weise kann sowohl ein effektiver Schutz der Einrichtung als auch ein besonders robuster und komfortabler Betrieb der Einrichtung ermöglicht werden. So kann beispielsweise dann, wenn der für das ursprüngliche Auslösen der Sicherung verantwortliche Fehler behoben wurde, die Versorgung der Einrichtung über die Sicherung automatisch fortgesetzt, also wieder aufgenommen werden. Dies wird durch die Verwendung der elektronischen Sicherung ermöglicht, da eine solche Sicherung, etwa im Vergleich zu einer herkömmlichen Schmelzsicherung oder dergleichen vielfach reversibel geschaltet, also ausgelöst und zurückgesetzt werden kann. Dies kann auch eine entsprechend kostengünstige Absicherung der jeweiligen Einrichtung ermöglichen, da die Sicherung dann nicht nach jedem Auslösen ausgetauscht werden muss. Zudem kann die elektronische Sicherung, beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzsicherungen deutlich schneller schalten bzw. auslösen, etwa mit einer Schaltoder Auslösezeit im Bereich von einigen ps im Vergleich zu mehreren ms. Ebenso kann die Verwendung einer elektronischen Sicherung eine genauere Anpassbarkeit an die zu schützende Einrichtung oder Leitung und damit beispielsweise eine entsprechend engere Auslegung bzw. bessere Ausnutzung der entsprechenden Einrichtung oder Leitung ermöglichen. In a further possible embodiment of the present invention, an electronic fuse is used as the fuse. This is triggered to interrupt the flow of current through the fuse. After such a triggering, the fuse is then automatically switched on again as soon as a predefined reset criterion is met. Such a reset criterion can be or include, for example, the expiration of a predefined period of time and/or a falling below a predefined reset threshold value for a current or a voltage applied to one side of the fuse, for example, compared to a predefined measuring or reference point or potential or the like. In this way, both effective protection of the device and particularly robust and convenient operation of the device can be enabled. For example, if the error responsible for the original triggering of the fuse has been rectified, the supply to the device via the fuse can be automatically continued, i.e. resumed. This is made possible by the use of the electronic fuse, since such a fuse can be switched reversibly, i.e. triggered and reset, many times, compared to a conventional fuse or the like. This can also enable correspondingly cost-effective protection of the respective device, since the fuse then does not have to be replaced after each triggering. In addition, the electronic fuse can switch or trip significantly faster, for example compared to conventional fuses, with a switching or tripping time in the range of a few ps compared to several ms. Likewise, the use of an electronic fuse can enable more precise adaptation to the device or line to be protected and thus, for example, a correspondingly tighter design or better utilization of the corresponding device or line.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die - als Teil der Bedingungen zum Erkennen des Messstroms als Fehlerstrom - vorgegebenen Schwellenwerte so ausgelegt, dass im Fehlerfall, insbesondere bei einem Kurzschluss, die Sicherung bereits bei einem betragsmäßig kleineren Fehlerstrom, also bei einem kleineren Messstrom ausgelöst, also geöffnet wird als dies bei einer rein überstrombasierten Auslösung der Sicherung in der jeweils ansonsten gleich ausgestalteten Einrichtung oder auch Schutzeinrichtung der Fall wäre. Eine rein überstrombasierte Abschaltung wäre in diesem Sinne dann gegeben, wenn als einzige Bedingung für das Auslösen der Sicherung vorgegeben wäre bzw. überprüft würde, dass der Messstrom einen vordefinierten Maximalwert, wie er im fehlerfreien Normalbetrieb der Einrichtung noch zu erwarten wäre, um wenigstens einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dieser Wert kann dabei zwar minimiert werden, jedoch beispielsweise aufgrund von Toleranzen, Messunsicherheiten, einer begrenzten Genauigkeit der Vorhersage des Verhaltens der Einrichtung im fehlerfreien Normalbetrieb und/oder dergleichen mehr zwangsläufig eine gewisse Mindestgröße aufweisen. Durch die hier vorgeschlagene Auslegung kann hingegen eine frühzeitigere und dennoch genaue und zuverlässige automatische Auslösung der Sicherung ermöglicht werden. Dadurch können wie auch an anderer Stelle beschrieben beispielsweise sich im Fehlerfall bzw. beim automatischen Auslösen der Sicherung aufbauende Energien reduziert und somit letztlich eine verbesserte Sicherheit erreicht und/oder eine entsprechend kleinere und kostengünstigere Auslösung der beteiligten Komponenten ermöglicht werden. In a further possible embodiment of the present invention, the threshold values specified as part of the conditions for recognizing the measuring current as a fault current are designed in such a way that in the event of a fault, in particular in the event of a short circuit, the fuse is triggered, i.e. opened, at a smaller fault current, i.e. at a smaller measuring current, than would be the case with a purely overcurrent-based triggering of the fuse in the otherwise identically designed device or protective device. A purely overcurrent-based shutdown would be given in this sense if the only condition for triggering the fuse was specified or checked was that the measuring current exceeds a predefined maximum value, as would still be expected in fault-free normal operation of the device, by at least a predetermined value. This value can be minimized, but for example due to tolerances, measurement uncertainties, limited accuracy in predicting the behavior of the device in fault-free normal operation and/or similar, they must necessarily have a certain minimum size. The design proposed here, however, enables the fuse to be triggered automatically at an earlier stage and yet still accurately and reliably. As described elsewhere, this can reduce the energy that builds up in the event of a fault or when the fuse is triggered automatically, thus ultimately achieving improved safety and/or enabling the components involved to be triggered in a smaller and more cost-effective manner.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Schutzeinrichtung zum Schützen einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung weist eine elektronisch ansteuerbare Sicherung, eine Messeinrichtung zum Messen eines im Betrieb durch die Sicherung fließenden Stromes und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Sicherung unter Berücksichtigung des gemessenen Stroms auf. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung bzw. deren Steuereinrichtung ist dabei zum, insbesondere automatischen, Ausführen oder Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Schutzeinrichtung sein oder dieser entsprechen. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung einige oder alle der in diesem Zusammenhang genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen. The present invention also relates to a protective device for protecting an electrical or electronic device against a fault current. The protective device according to the invention has an electronically controllable fuse, a measuring device for measuring a current flowing through the fuse during operation and a control device for controlling the fuse taking the measured current into account. The protective device according to the invention or its control device is designed to carry out or apply the method according to the invention, in particular automatically. The protective device according to the invention can in particular be the protective device mentioned in connection with the method according to the invention or correspond to it. Accordingly, the protective device according to the invention can have some or all of the properties and/or features mentioned in this context.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Sicherung als reversibel schaltbare elektronische Sicherung ausgestaltet, die zumindest einen ansteuerbaren Transistor, insbesondere einen MOSFET, umfasst. Dadurch kann die Sicherung besonders einfach ansteuerbar sein und eine besonders kurze Schaltzeit aufweisen. Zudem kann dann der Avalanche-Effekt des Transistors verwendet oder ausgenutzt werden, um nach dem Auslösen der Sicherung ein Freilaufen des resultierenden Stroms und somit dessen graduellen Abbau zu ermöglichen. Dies kann verhindern, dass destruktive Spannungsspitzen aufgebaut werden, die andernfalls trotz Auslösen der Sicherung zu Beschädigungen der Einrichtung und/oder anderen Bauteilen führen könnten. Die Ausnutzung Avalanche-Effekts kann dabei eine besonders kostengünstige und aufwandsarme Möglichkeit dafür darstellen. Dies wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, da aufgrund der stromgradientenbasierten Auslösung der Sicherung gegenüber einer herkömmlichen Überstromabschaltung oder Überstromauslösung die nach dem Auslösen der Sicherung maximal freilaufende Energiemenge reduziert ist und somit die Gefahr für eine Überbeanspruchung des Transistors bzw. des Avalanche-Effekts auf praktikabel handhabbare Werte begrenzt werden kann. In a possible development of the present invention, the fuse is designed as a reversibly switchable electronic fuse that comprises at least one controllable transistor, in particular a MOSFET. This makes it particularly easy to control the fuse and has a particularly short switching time. In addition, the avalanche effect of the transistor can then be used or exploited to allow the resulting current to run freely after the fuse has been triggered and thus to gradually reduce it. This can prevent destructive voltage peaks from building up, which could otherwise lead to damage to the device and/or other components despite the fuse being triggered. The exploitation of the avalanche effect can be a particularly cost-effective and low-effort option for this. This is made possible by the present invention because the current gradient-based triggering Compared to a conventional overcurrent shutdown or overcurrent release, the maximum amount of free-running energy after the fuse has been triggered is reduced and thus the risk of overloading the transistor or the avalanche effect can be limited to practically manageable values.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die Schutzvorrichtung eine Freilaufdiode. Eine solche Freilaufdiode kann nach dem Auslösen der Sicherung ein Freilaufen der verbleibenden Energie bzw. ein Freilaufen und einen graduellen Abbau des resultierenden Stroms ermöglichen. Dadurch können Beschädigungen, beispielsweise durch einen unkontrollierten Spannungsanstieg nach dem Auslösung der Sicherung vermieden werden. Die dazu hier vorgeschlagene Verwendung einer Freilaufdiode ist durch die vorliegende Erfindung besonders einfach, sicher und zuverlässig möglich, da aufgrund der stromgradientenbasierten Auslösung der Sicherung die freilaufende Energiemenge beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen rein überstrombasierten Auslösungen reduziert werden kann und dadurch eine Überlastung der Freilaufdiode - auch bei einfacher und kostengünstiger Auslegung - zuverlässig und ohne weitere Maßnahmen vermieden werden kann. Damit kann die Verwendung der Freilaufdiode eine besonders einfache, kostengünstige und effektive Möglichkeit zur weiteren Absicherung darstellen. In a possible development of the present invention, the protective device comprises a freewheeling diode. Such a freewheeling diode can allow the remaining energy to run free after the fuse has been triggered, or a freewheeling and gradual reduction of the resulting current. This can prevent damage, for example due to an uncontrolled voltage increase after the fuse has been triggered. The use of a freewheeling diode proposed here is particularly simple, safe and reliable thanks to the present invention, since the current gradient-based triggering of the fuse means that the amount of freewheeling energy can be reduced, for example, compared to conventional purely overcurrent-based triggering, and thus overloading of the freewheeling diode can be reliably avoided without any further measures - even with a simple and cost-effective design. The use of the freewheeling diode can therefore represent a particularly simple, cost-effective and effective option for further protection.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetzes und einer darin integrierten erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung. Da heutige Kraftfahrzeuge oftmals relativ hohe Betriebsspannungen verwenden und in ihrem Bordnetz relativ große elektrische Energiemengen transportieren können und zudem eine zunehmende Vielfalt von auf Fehlerströme, Kurzschlüsse, Spannungsspitzen und dergleichen mehr empfindlich reagierender elektronischer Komponenten und Systeme aufweisen können, ist damit ein besonders nützlicher Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung gegeben. Zudem kann durch die vorliegende Erfindung durch die Begrenzung der nach dem Auslösen der Sicherung freilaufenden Energiemenge besonders einfach und effektiv und effizient, also beispielsweise ohne zusätzliche kosten- oder gewichtsintensive Maßnahmen der Insassenschutz sichergestellt bzw. verbessert werden. Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. The present invention also relates to a motor vehicle with an electrical on-board network and a protective device according to the invention integrated therein. Since today's motor vehicles often use relatively high operating voltages and can transport relatively large amounts of electrical energy in their on-board network and can also have an increasing variety of electronic components and systems that are more sensitive to fault currents, short circuits, voltage peaks and the like, this provides a particularly useful application of the method according to the invention or the protective device according to the invention. In addition, the present invention can ensure or improve occupant protection in a particularly simple and effective and efficient manner by limiting the amount of energy released after the fuse is triggered, for example without additional costly or weight-intensive measures. Further features of the invention can be derived from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in: The drawing shows in:
Fig. 1 eine beispielhafte schematische Diagrammdarstellung zeitlicher Verläufe von Betriebsströmen in verschiedenen Ausgestaltungen einer elektronischen Einrichtung und eines Kurzschlussstroms zur Veranschaulichung einer Überstromschutzabschaltung; Fig. 1 is an exemplary schematic diagram of temporal profiles of operating currents in various embodiments of an electronic device and of a short-circuit current to illustrate an overcurrent protection shutdown;
Fig. 2 eine beispielhafte schematische Diagrammdarstellung zeitlicher Verläufe von Stromanstiegen von Betriebsströmen in verschiedenen Ausgestaltungen einer elektronischen Einrichtung und eines Kurzschlussstroms zur Veranschaulichung einer stromgradientenbasierten Schutzabschaltung; und Fig. 2 is an exemplary schematic diagram of temporal progressions of current increases of operating currents in various embodiments of an electronic device and a short-circuit current to illustrate a current gradient-based protective shutdown; and
Fig. 3 ein beispielhaftes Schema zur Veranschaulichung einer Umsetzung der stromgradientenbasierten Schutzabschaltung. Fig. 3 shows an exemplary scheme to illustrate an implementation of the current gradient-based protective shutdown.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference symbols.
Um Beschädigungen von Bauteilen zu vermeiden und im Sinne einer verbesserten funktionalen Sicherheit können elektrische oder elektronische Einrichtungen mit einer elektronischen Sicherung abgesichert werden. Es kann jedoch eine Herausforderung darstellen, derartige Sicherungen zwar im Fehlerfall möglichst frühzeitig aber im fehlerfreien Normalbetrieb nicht unnötig auszulösen. Zur Veranschaulichung zeigt Fig. 1 eine beispielhafte schematische Diagrammdarstellung, in der auf der x-Achse die Zeit t und auf der y-Achse der Strom I, wie er beispielsweise im Betrieb durch eine Sicherung fließen kann, aufgetragen sind. Darin sind verschiedene Verläufe eines Normalbetriebsstroms 1 für unterschiedliche Kapazitäten einer versorgten Last aufgetragen. Zudem ist auch einen Verlauf eines im Fehlerfall auftretenden Kurzschlussstroms 2 aufgetragen. Es ist hier erkennbar, dass unterhalb eines im fehlerfreien Normalbetrieb regulär auftretenden Maximalbetriebsstroms 3 der Normalbetriebsstrom 1 nicht zuverlässig von dem Kurzschlussstrom 2 unterscheidbar ist. Beispielhaft beträgt der Maximalbetriebsstrom 3 hier etwa 580 A bei einer Lastkapazität von in diesem Beispiel 10 mF. Auch wenn bei niedrigeren Lastkapazitäten der Maximalbetriebsstrom 3 geringer sein kann, kann sich doch jeweils ein ähnlicher Anstieg des Stroms je bis zu dem jeweiligen Maximalbetriebsstrom 3 ergeben - unabhängig davon, ob ein Fehler vorliegt oder nicht. In order to avoid damage to components and to improve functional safety, electrical or electronic devices can be protected with an electronic fuse. However, it can be a challenge to trigger such fuses as early as possible in the event of a fault, but not unnecessarily during fault-free normal operation. To illustrate this, Fig. 1 shows an example of a schematic diagram in which the time t is plotted on the x-axis and the current I, such as can flow through a fuse during operation, is plotted on the y-axis. Various curves of a normal operating current 1 are plotted for different capacities of a supplied load. In addition, a curve of a current that occurs in the event of a fault is also shown. Short-circuit current 2 is plotted here. It can be seen here that below a maximum operating current 3 that regularly occurs in fault-free normal operation, the normal operating current 1 cannot be reliably distinguished from the short-circuit current 2. For example, the maximum operating current 3 here is around 580 A with a load capacity of 10 mF in this example. Even if the maximum operating current 3 can be lower with lower load capacities, a similar increase in the current can still occur up to the respective maximum operating current 3 - regardless of whether a fault is present or not.
Würde hier eine klassische Überstromabschaltung angewendet werden, so könnte damit eine Abschaltung, also ein Auslösen der Sicherung bei einem oberhalb des maximalen regulär auftretenden Maximalbetriebsstroms 3 liegenden Schwellenwert 4 vorgesehen werden. Dieser Schwellenwert 4 kann hier beispielsweise etwa 600 A betragen. Im vorliegenden Beispiel würde dieser Schwellenwert 4 zu einem Auslösezeitpunkt ts bei etwa 130 ps erfolgen. If a classic overcurrent shutdown were to be used here, it would be possible to provide for a shutdown, i.e. a tripping of the fuse, at a threshold value 4 that is above the maximum regularly occurring maximum operating current 3. This threshold value 4 can be, for example, around 600 A. In the present example, this threshold value 4 would occur at a tripping time ts of around 130 ps.
Ein solcher relativ großer Strom kann, insbesondere bei gleichzeitig relativ großer Induktivität L einer zu schützenden Leitung besonders kritisch sein, da dann eine entsprechend große Energiemenge E gespeichert werden kann gemäß Such a relatively large current can be particularly critical, especially when the inductance L of a line to be protected is relatively large, since a correspondingly large amount of energy E can then be stored according to
E = i/2 ■ L ■ I2 und diese Energie zum Vermeiden einer Überspannung nach Auslösen der Sicherung dissipiert werden muss. Dies kann mit der Gefahr einer Überbeanspruchung von Komponenten, wie etwa eines Transistors der Sicherung und/oder einer Freilaufdiode einhergehen. Prinzipiell könnte zur Reduzierung dieser Problematik zwar die Induktivität L reduziert werden, etwa durch Verwendung kürzerer Leitungen. Dies ist in vielen Anwendungsfällen, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug jedoch nicht ohne weiteres möglich, da die Leitungslängen, beispielsweise durch gegebene Abmessungen des Kraftfahrzeugs bzw. eine gegebene Geometrie eines Kabelbaums oder dergleichen im Wesentlichen fest vorgegeben sind. E = i/ 2 ■ L ■ I 2 and this energy must be dissipated to avoid an overvoltage after the fuse has been triggered. This can lead to the risk of overstressing components such as a transistor in the fuse and/or a freewheeling diode. In principle, the inductance L could be reduced to reduce this problem, for example by using shorter cables. However, in many applications, such as in a motor vehicle, this is not easily possible because the cable lengths are essentially fixed, for example due to the given dimensions of the motor vehicle or a given geometry of a cable harness or the like.
Als anderer Ansatz kann daher ein möglichst früher Auslösezeitpunkt ts angestrebt oder festgelegt werden. Dazu zeigt Fig. 2 eine beispielhafte schematische Diagrammdarstellung zur Veranschaulichung einer stromgradientenbasierten Abschaltung bzw. Auslösung der Sicherung. Auch hier ist auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen. Auf der y-Achse ist hier hingegen die Stromanstiegsrate IA aufgetragen. Analog zu Fig. 1 sind hier beispielhaft mehrere unterschiedliche Normalbetriebsstromanstiege 5, wie sie bei unterschiedlichen Lastkapazitäten im fehlerfreien Normalbetrieb auftreten können, aufgetragen. Zudem ist hier zur Veranschaulichung eines Fehlerfalls ein Kurzschlussstromanstieg 6 aufgetragen. Die Überwachung der Stromanstiegsrate IA des durch die Sicherung fließenden Stroms I ermöglicht im Vergleich zur klassischen, auf dem Absolutwert des Stroms I basierenden Überstromabschaltung eine frühzeitigere Detektion eines Fehlerstroms bzw. eines Kurzschlusses. Damit kann - in Abhängigkeit von der Lastkapazität - ein entsprechender Fehlerstrom oder Kurzschluss mit einer vorgegebenen Konfidenz entsprechend frühzeitiger detektiert werden. Beispielhaft kann hier wiederum bei der Lastkapazität von 10 mF bereits nach etwa 45 ps der Kurzschluss mit einer praktikablen Konfidenz von einem Normalbetrieb unterschieden werden. Mit anderen Worten kann eine Detektion des Kurzschlusses und damit eine korrespondierende automatische Auslösung der Sicherung dann bereits bei einem Auslösezeitpunkt ts = 45 ps erfolgen und damit deutlich früher als der in Fig. 1 veranschaulichte Auslösezeitpunkt ts = 130 ps für die korrespondierende Überstromabschaltung. As another approach, a trigger time ts that is as early as possible can be aimed for or set. Fig. 2 shows an example schematic diagram to illustrate a current gradient-based shutdown or tripping of the fuse. Here, too, the time t is plotted on the x-axis. On the y-axis, however, the current rise rate IA is plotted. Analogous to Fig. 1, several different normal operating current rises 5, such as can occur with different load capacities in fault-free normal operation, are plotted here as examples. In addition, a short-circuit current rise 6 is plotted here to illustrate a fault case. Monitoring the current rise rate IA of the current I flowing through the fuse enables earlier detection of a fault current or short circuit compared to the classic overcurrent shutdown based on the absolute value of the current I. This means that - depending on the load capacity - a corresponding fault current or short circuit can be detected earlier with a specified confidence. For example, with a load capacitance of 10 mF, the short circuit can be distinguished from normal operation with a practical degree of confidence after just 45 ps. In other words, the short circuit can be detected and the fuse can be automatically triggered at a trigger time of ts = 45 ps, which is significantly earlier than the trigger time of ts = 130 ps for the corresponding overcurrent shutdown shown in Fig. 1.
Bei dem hier ermöglichten früheren Auslösezeitpunkt ts = 45 ps beträgt der Strom I erst etwa 200 A und ist damit deutlich niedriger als die in Fig. 1 zum Zeitpunkt ts = 130 ps gegebenen etwa 600 A - trotz ansonsten gleicher Ausgestaltung der repräsentierten Einrichtung und Sicherung. Damit können sich im entsprechenden Beispiel nach dem Auslösen der Sicherung freilaufende Energiemengen von etwa 360 mJ bei der in Fig. 1 veranschaulichten Überstromabschaltung und von etwa 40 mJ bei der in Fig. 2 veranschaulichten stromgradientenbasierten Abschaltung ergeben. Somit wird durch Berücksichtigung der Stromanstiegsrate IA in einer Bedingung oder einem Kriterium für das automatische Auslösung der Sicherung hier beispielhaft eine Reduzierung von etwa 89 % in der danach freilaufenden Energiemenge ermöglicht. At the earlier triggering time ts = 45 ps made possible here, the current I is only about 200 A and is thus significantly lower than the approximately 600 A given in Fig. 1 at time ts = 130 ps - despite the otherwise identical design of the device and fuse represented. In the corresponding example, this can result in free-running energy quantities of about 360 mJ after the fuse has been triggered in the case of the overcurrent shutdown illustrated in Fig. 1 and of about 40 mJ in the case of the current gradient-based shutdown illustrated in Fig. 2. Thus, by taking the current rise rate IA into account in a condition or criterion for the automatic triggering of the fuse, a reduction of about 89% in the amount of energy that then runs free is made possible here, for example.
Damit kann ein verbesserter Betriebsmittelschutz, ein verbesserter Überstrom-Zeit- Schutz, ein Unterspannungsschutz und ein Schutz vor thermischer Überlastung erreicht bzw. verbessert werden. Damit kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise beispielsweise eine verbesserte funktionale Sicherheit ASIL-klassifizierter Komponenten realisiert werden. This allows improved equipment protection, improved overcurrent-time protection, undervoltage protection and protection against thermal overload to be achieved or improved. This allows for a comparatively simple way of For example, improved functional safety of ASIL-classified components can be realized.
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt Fig. 3 ein beispielhaftes Schema 7 für ein Verfahren zum Schützen einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung mittels einer automatisch in Abhängigkeit von der Stromanstiegsrate IA auslösbaren Sicherung. Das Verfahren wird in einem Verfahrensschritt S1 gestartet. Dort kann beispielsweise eine entsprechende Schutzeinrichtung bzw. die damit abgesicherte elektrische oder elektronische Einrichtung in Betrieb genommen bzw. eingerichtet werden, etwa durch Vorgeben oder Laden von Parameterwerten, Modellen, Schwellenwerten und/oder dergleichen mehr. In einem Verfahrensschritt S2 wird ein zeitlicher Verlauf des Stroms l(t) durch die Sicherung gemessen. In einem Verfahrensschritt S3 wird daraus der jeweils aktuelle Anstieg oder Gradient miMess des gemessenen Stroms l(t) bestimmt. For further illustration, Fig. 3 shows an example diagram 7 for a method for protecting an electrical or electronic device by means of a fuse that can be triggered automatically depending on the current rise rate IA. The method is started in a method step S1. There, for example, a corresponding protective device or the electrical or electronic device protected by it can be put into operation or set up, for example by specifying or loading parameter values, models, threshold values and/or the like. In a method step S2, a temporal progression of the current l(t) through the fuse is measured. In a method step S3, the current rise or gradient miMess of the measured current l(t) is determined from this.
Parallel dazu kann in einem Verfahrensschritt S4 der zeitliche Verlauf des Stroms I (t) berechnet werden. Dabei können mittels zweier vorgegebener Modelle zwei entsprechende Stromanstiege oder Gradienten berechnet werden. Zum einen kann dabei in einem Verfahrensschritt S5 der jeweils aktuell in einem fehlerfreien Normalbetrieb zu erwartende Stromanstieg miLoad berechnet werden. Dazu kann in einem Verfahrensschritt S6 ein entsprechendes vorgegebenes Normalbetriebsmodell 8 angewendet oder ausgewertet werden:
Figure imgf000016_0001
In parallel, the temporal progression of the current I (t) can be calculated in a process step S4. Two corresponding current increases or gradients can be calculated using two predefined models. On the one hand, the current increase miLoad currently expected in error-free normal operation can be calculated in a process step S5. For this purpose, a corresponding predefined normal operation model 8 can be applied or evaluated in a process step S6:
Figure imgf000016_0001
Darin sind u(t) der zeitliche Verlauf der Spannung, R ein vorgegebener Ersatzwiderstand, L eine vorgegebene Induktivität und C eine vorgegebene Kapazität in der jeweiligen Einrichtung oder der versorgten Last. Where u(t) is the time course of the voltage, R is a given equivalent resistance, L is a given inductance and C is a given capacitance in the respective device or the supplied load.
Zum anderen kann parallel dazu in einem Verfahrensschritt S7 ein jeweils aktuell bei einem Fehler oder Kurzschluss zu erwartender Stromanstieg misc berechnet werden. Dazu kann in einem Verfahrensschritt S8 ein entsprechendes vorgegebenes Kurzschlussmodell 9 angewendet oder ausgewertet werden. Dieses Kurzschlussmodell kann beispielsweise vorgegeben sein als:
Figure imgf000017_0001
On the other hand, in parallel, in a method step S7, a current increase misc that is currently to be expected in the event of a fault or short circuit can be calculated. For this purpose, a corresponding predefined short-circuit model 9 can be applied or evaluated in a method step S8. This short-circuit model can, for example, be specified as:
Figure imgf000017_0001
In einem Verfahrensschritt S9 kann dann überprüft werden, ob eine vorgegebene Abweichungsbedingung zwischen dem im fehlerfreien Normalbetrieb erwarteten Stromanstieg miLoad und dem im Fehlerfall erwarteten Stromanstieg misc erfüllt ist: l^isc l > (1 + <5) I oad l In a process step S9, it can then be checked whether a specified deviation condition between the current increase miLoad expected in error-free normal operation and the current increase misc expected in the event of a fault is fulfilled: l^isc l > (1 + <5) I oad l
Darin gibt ö eine vorgegebene angestrebte Konfidenz, beispielsweise etwa 10 %, für die Unterscheidung zwischen Kurzschluss- oder Fehlerfall und Normalbetrieb. Ist diese erste Bedingung nicht erfüllt, so kann das Verfahren wie bisher beschrieben im nächsten Durchlauf fortgesetzt werden. Es kann dann also beispielsweise der jeweils nächste erwartete Wert für die Stromanstiege miLoad und misc berechnet werden. In this, ö gives a predetermined desired confidence, for example around 10%, for distinguishing between a short circuit or fault and normal operation. If this first condition is not met, the procedure can be continued in the next run as described above. For example, the next expected value for the current increases miLoad and misc can then be calculated.
Ist im Verfahrensschritt S9 hingegen die erste Bedingung jedoch erfüllt, so kann das Verfahren in einem Verfahrensschritt S10 fortgesetzt werden. Dort kann eine zweite vorgegebene Bedingungen überprüft werden: However, if the first condition is met in process step S9, the process can be continued in a process step S10. There, a second specified condition can be checked:
\miMess - miSC| < (1 + ö)|nii5C| \m iMess - m iSC | < (1 + ö)|nii5 C |
Damit kann überprüft werden, ob der zuvor bestimmte gemessene Stromanstieg miMess und der im Fehlerfall aktuell erwartete Stromanstieg misc gemäß einer entsprechenden Vorgabe eng genug beieinanderliegen, um mit der vorgegebenen Konfidenz ö tatsächlich einen Fehlerfall oder Kurzschluss feststellen zu können, ö kann hier beispielsweise denselben Wert aufweisen wie in der im Verfahrensschritt S9 überprüften ersten Bedingung. Ebenso kann hier aber ein anderer vorgegebener Wert für ö verwendet werden. Ist diese zweite Bedingung nicht erfüllt, so kann das Verfahren ebenfalls im nächsten Durchlauf wie bisher beschrieben fortgesetzt werden. This makes it possible to check whether the previously determined measured current increase miMess and the current increase misc currently expected in the event of a fault are close enough to each other in accordance with a corresponding specification to actually be able to detect a fault or short circuit with the specified confidence ö. Here, ö can, for example, have the same value as in the first condition checked in process step S9. However, a different specified value for ö can also be used here. If this second condition is not met, the process can also be continued in the next run as described above.
Wird hingegen im Verfahrensschritt S10 festgestellt, dass auch die zweite Bedingung erfüllt ist, so kann dies als Detektion eines Fehlerfalls oder Fehlerstroms bzw. If, however, it is determined in method step S10 that the second condition is also fulfilled, this can be interpreted as the detection of a fault or fault current.
Kurzschlusses gewertet werden. Dementsprechend kann dann in einem Verfahrensschritt S11 automatisch die Sicherung ausgelöst, also geöffnet werden. Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine stromgradientenbasierte Auslösung oder Abschaltung von elektronischen Sicherungen zum besonders zuverlässigen, sicheren und frühzeitigen Schützen elektrischer und/oder elektronischer Einrichtungen realisiert werden kann. short circuit. Accordingly, the fuse can then be automatically triggered, i.e. opened, in a process step S11. Overall, the examples described show how a current gradient-based triggering or switching off of electronic fuses can be implemented for particularly reliable, safe and early protection of electrical and/or electronic equipment.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Normalbetriebsstrom 2 Kurzschlussstrom 1 Normal operating current 2 Short circuit current
3 Maximalbetriebsstrom 3 Maximum operating current
4 Schwellenwert 4 Threshold
5 Normalbetriebsstromanstieg 5 Normal operating current increase
6 Kurzschlussstromanstieg 7 Schema 6 Short-circuit current rise 7 Scheme
8 Normalbetriebsmodell 8 Normal operating model
9 Kurzschlussmodell 9 Short circuit model
S1 - S11 Verfahrensschritte S1 - S11 Process steps
I Strom IA Stromanstiegsrate t Zeit ts Auslösezeitpunkt I current IA current rise rate t time ts trigger time

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren (7) zum Schützen einer elektrischen und/oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom mittels einer Sicherung, wobei im Betrieb der Einrichtung 1. Method (7) for protecting an electrical and/or electronic device against a fault current by means of a fuse, wherein during operation of the device
- ein jeweils aktuell bei Fehlerfreiheit an einer vorgegebenen Stelle der Einrichtung erwarteter Normalbetriebsstrom (1) und ein korrespondierender aktueller Normalbetriebsstromanstieg (5) bestimmt werden, - a normal operating current (1) currently expected at a given point of the device in the absence of faults and a corresponding current normal operating current increase (5) are determined,
- ein jeweils aktuell bei einem Fehler an der vorgegebenen Stelle erwarteter Fehlerstrom (2) und ein korrespondierender Fehlerstromanstieg (6) bestimmt werden, - a fault current (2) and a corresponding fault current increase (6) currently expected in the event of a fault at the specified location are determined,
- ein tatsächlich durch die vorgegebene Stelle fließender Strom (I) über die Zeit (t) gemessen und ein korrespondierender jeweils aktueller Messstromanstieg bestimmt wird, - a current (I) actually flowing through the specified point is measured over time (t) and a corresponding current measuring current increase is determined,
- der Messstrom als Fehlerstrom (2) erkannt und automatisch die Sicherung ausgelöst wird, wenn - the measuring current is recognized as a fault current (2) and the fuse is automatically triggered if
- der aktuell erwartete Fehlerstromanstieg (6) um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert größer ist als der aktuell erwartete Normalbetriebsstromanstieg (5) und gleichzeitig - the currently expected fault current increase (6) is greater than the currently expected normal operating current increase (5) by more than a predetermined threshold value and at the same time
- eine Differenz zwischen dem aktuell erwarteten Fehlerstromanstieg (6) und dem aktuellen Messstromanstieg kleiner als ein vorgegebener Differenzschwellenwert ist. - a difference between the currently expected fault current increase (6) and the current measuring current increase is smaller than a specified difference threshold value.
2. Verfahren (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erwartete Normalbetriebsstromanstieg (5) und der erwartete Fehlerstromanstieg (6) mittels zweier unterschiedlicher vorgegebener Modelle berechnet werden. 2. Method (7) according to claim 1, characterized in that the expected normal operating current increase (5) and the expected fault current increase (6) are calculated by means of two different predetermined models.
3. Verfahren (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf einer elektrischen Spannung der Einrichtung gemessen und als Input für die Modelle verwendet wird. Verfahren (7) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter der Modelle ein Ersatzwiderstand, eine Induktivität und eine Komponentenkapazität der Einrichtung mit individuell für die jeweilige Einrichtung vorgegebenen Parameterwerten verwendet werden. Verfahren (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Sicherung eine elektronische Sicherung verwendet wird, die zum Auslösen zum Unterbrechen einer Stromdurchleitung angesteuert wird und nach einem solchen Auslösen automatisch wieder leitend geschaltet wird, sobald ein vorgegebenes Resetkriterium erfüllt ist. Verfahren (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Schwellenwerte so ausgelegt sind, dass im Fehlerfall, insbesondere bei einem Kurzschluss, die Sicherung bereits bei einem betragsmäßig kleineren Fehlerstrom (2) wird als dies bei einer rein überstrombasierten Auslösung der Sicherung in der ansonsten gleichen Einrichtung der Fall wäre. Schutzeinrichtung zum Schützen einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung vor einem Fehlerstrom (2), aufweisend eine elektronisch ansteuerbare Sicherung, eine Messeinrichtung zum Messen eines im Betrieb durch die Sicherung fließenden Stromes (I) und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Sicherung unter Berücksichtigung des gemessenen Stroms (I), wobei die Schutzeinrichtung zum Ausführen eines Verfahrens (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist. Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung als reversibel schaltbare elektronische Sicherung ausgestaltet ist, die zumindest einen ansteuerbaren Transistor, insbesondere einen MOSFET, umfasst. 3. Method (7) according to claim 2, characterized in that a temporal progression of an electrical voltage of the device is measured and used as input for the models. Method (7) according to claim 2 or 3, characterized in that an equivalent resistance, an inductance and a component capacitance of the device with parameter values individually predetermined for the respective device are used as parameters of the models. Method (7) according to one of the preceding claims, characterized in that an electronic fuse is used as the fuse, which is controlled to trigger in order to interrupt the flow of current and is automatically switched back on after such a triggering as soon as a predetermined reset criterion is met. Method (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined threshold values are designed such that in the event of a fault, in particular in the event of a short circuit, the fuse is already blown at a smaller fault current (2) than would be the case with a purely overcurrent-based triggering of the fuse in the otherwise identical device. Protective device for protecting an electrical or electronic device against a fault current (2), having an electronically controllable fuse, a measuring device for measuring a current (I) flowing through the fuse during operation and a control device for controlling the fuse taking into account the measured current (I), wherein the protective device is set up to carry out a method (7) according to one of the preceding claims. Protective device according to claim 7, characterized in that the fuse is designed as a reversibly switchable electronic fuse which comprises at least one controllable transistor, in particular a MOSFET.
9. Schutzeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung eine Freilaufdiode umfasst. 10. Kraftfahrzeug, aufweisend ein elektrisches Bordnetz und eine darin integrierte9. Protection device according to claim 7 or 8, characterized in that the protection device comprises a freewheeling diode. 10. Motor vehicle, comprising an electrical system and an integrated
Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9. Protective device according to one of claims 7 to 9.
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