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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Lichtbögen in einem Stromkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erkennung von Lichtbögen in einem Stromkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Zur Zeit werden bei Kraftfahrzeugen Bordnetz-Nennspannungen von 14V und 28V eingesetzt. Um den steigenden Leistungsbedarf aufgrund von künftigen Anforderungen hinsichtlich Energieverbrauch, Sicherheit und Komfort gewährleisten zu können, wird eine Erhöhung der Bordnetzspannung erforderlich werden. Da die Lichtbogenspannung je nach Material ca. zwischen 13 und 20V liegt, sind bei höheren Bordnetz-Spannungen stabile Lichtbögen zu beobachten, die nicht selbst verlöschen. Die in derartigen Lichtbögen umgesetzte Energie kann zu Schäden an Kontaktierungen und Isolierungen von Kabeln bis hin zum Kabelbrand führen.
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Prinzipiell werden zwei Arten von Lichtbögen unterschieden, nämlich serielle Lichtbögen und parallele Lichtbögen. Serielle Lichtbögen treten in Reihe zum Verbraucher auf und können beispielsweise bei Kabelbruch oder bei Schäden an Steckverbindungen entstehen. Serielle Lichtbögen wirken wie ein zusätzlicher Widerstand im Stromkreis, so dass die Stromaufnahme des betroffenen Lastpfades bei Auftreten serieller Lichtbögen gegenüber dem intakten Zustand des Stromkreises reduziert ist. Herkömmliche Sicherungssysteme wie Schmelzsicherungen sprechen daher bei seriellen Lichtbögen nicht an.
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Parallele Lichtbögen treten parallel zum Verbraucher auf und entstehen beispielsweise an Stellen schadhafter Kabelisolierung, wie sie durch in die Kabelisolierung eindringende Karosserieblechteile, beispielsweise im Crash-Fall, hervorgerufen werden können. Bei parallelen Lichtbögen entsteht im Lichtbogen und in dessen Umgebung eine relativ hohe Leistungsdichte bis zu einigen kW. Herkömmliche Sicherungssysteme wie beispielsweise Schmelzsicherungen sprechen bei parallelen Lichtbögen unter Umständen nicht oder erst zu spät an, da aufgrund der Lichtbogencharakteristik die Größe des Lichtbogenstromes beispielsweise deutlich geringer sein kann als die Größe eines möglichen, vollen Kurzschlussstromes.
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Herkömmliche Sicherungssysteme mit Schmelzsicherungen sind somit nicht in der Lage, Lichtbögen sicher zu erkennen, den Stromkreis zu unterbrechen und vor Folgen eines Lichtbogens zu schützen. Es ist deshalb im Sinne der Fahrzeugsicherheit von großer Bedeutung, neue Schutzsysteme zu entwickeln, die Lichtbögen schnell erkennen und rechtzeitig abschalten können.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art sind aus der
US 2003/0072113 A1 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung detektiert Lichtbögen in einem festinstallierten Wechselstromnetz. Dazu wird mittels eines Sensors die zeitliche Änderung des Stroms erfasst und in einem ASIC ausgewertet. In dem ASIC werden dabei sowohl die Stromstärke als auch hochfrequente Anteile des Stroms ermittelt.
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Die nachveröffentlichte
WO 2004/102760 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung von Lichtbögen in einem Kabel eines Bordnetzes. Dabei erfasst ein erster Sensor die Stromstärke in dem Kabel und ein zweiter Sensor hochfrequente Anteile des Stroms. Die Meßgrößen werden einem ASIC zugeführt und in diesem nach vorgegebenen Kriterien ausgewertet.
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Die
US 6 137 418 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung eines Lichtbogens in einem Wechselstrommotor, der mit Drehstrom betrieben wird. Von einem Sensor wird der Strom in den drei Phasen des Drehstroms überwacht. Das Ausgangssignal des Sensors wird in einem nachgeschalteten Prozessor analysiert.
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Eine weitere Vorrichtung und ein weiteres Verfahren zur Erkennung von Lichtbögen in einem Stromkreis sind aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 43 16 239 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen Vorrichtung sind parallel zu den den Laststrom führenden Leitern zwei Messzweige angeordnet, die Aktivfilter umfassen, die hochfrequente Anteile des Laststroms in unterschiedlichen Frequenzbereichen selektiv verstärken, insbesondere in einem Bereich von etwa 5,5 MHz und in einem Bereich von etwa 10,7 MHz. Die Ausgangssignale dieser Aktivfilter werden gleichgerichtet und gegebenenfalls verzögert auf die Steuereingänge von in Reihe geschalteten Triacstufen gegeben. Für den Falls, dass die von den Aktivfiltern übertragenen Anteile der hochfrequenten Signale im Wesentlichen identisch sind, werden die Triacstufen in einen leitenden Zustand versetzt, so dass über einen Strombegrenzungswiderstand ein Fehlerstrom fließt, der einen Fehlerstrom-Schutzschalter auslöst. Auf diese Weise kann die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung einen Lichtbogen erkennen und entsprechend den Laststrom abschalten.
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Die Erkennung bei der vorgenannten aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung findet seine Begründung darin, dass ein Lichtbogenstrom aus zeitgleichen, breitbandigen, hochfrequenten Anteilen besteht. Auf diese Weise kann die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung bei im Wesentlichen identischen hochfrequenten Anteilen unterschiedlicher Frequenz von der Erkennung eines Lichtbogens ausgehen.
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Als nachteilig bei diesem Stand der Technik erweist sich, dass die Erkennung des Lichtbogens nur von der Signalstärke der hochfrequenten Signalanteile abhängig ist. Das hat zur Folge, dass mittels einer Vorrichtung gemäß dem vorgenannten Stand der Technik entweder Lichtbögen mit kleinen hochfrequenten Signalen nicht erkannt werden oder aber andere hochfrequente Anteile eines Laststromes in einem Kfz-Bordnetz, wie beispielsweise das Bürstenfeuer eines Motors, fälschlicherweise als Lichtbogen interpretiert werden und zu einer Fehlabschaltung führen.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 06 259 A1 ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Lichtbögen bekannt, bei der an einem Messwiderstand in dem Stromkreis eine Spannung abgegriffen werden kann. Diese Spannung wird nach Verstärkung durch einen Verstärker an einen Kurzschlussdetektor angelegt, der die verstärkte Spannung an dem Widerstand mit einer Bezugsspannung vergleichen kann, um Kurzschlüsse oder längere übermäßig hohe Laststromzustände festzustellen. Nach Feststellung eines derartigen Zustandes kann durch den Kurzschlussdetektor die Abschaltung des Laststromes veranlasst werden. Weiterhin wird bei der vorgenannten aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung die verstärkte Spannung an eine RC-Differenzierschaltung mit einem Abklingwiderstand angelegt, die mit einer RC-Integrationsschaltung und einem Komparator verbunden ist. Durch diese zusätzlichen Bauteile kann neben der Erkennung eines Kurzschlusses auch ein paralleler Lichtbogen erkannt werden. Als nachteilig bei dieser Vorrichtung erweist sich die Tatsache, dass serielle Lichtbögen, die zu einer Reduzierung des Stroms in dem Stromkreis führen, nicht erkannt werden können.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens der eingangs genannten Art, die effektiv die Erkennung von parallelen und seriellen Lichtbögen ermöglichen.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Dieses Problem wird hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die die Stromsensormittel zusätzliche, von den Rauschsensormitteln verschiedene Stromsensormittel sind, wobei die Stromsensormittel in der Plusleitung oder in der Masseleitung des Stromkreises angeordnet sind, und wobei die Vorrichtung Verknüpfungsmittel umfasst, die die Ausgangssignale der Rauschsensormittel und der Stromsensormittel mittelbar oder unmittelbar UND-verknüpfen können. Durch die Berücksichtigung zweier Kriterien, nämlich zum einen die Feststellung eines Wechselanteils, der einem Rauschen durch einen Lichtbogen entspricht, und durch Feststellung einer Veränderung des Stroms, die für einen Lichtbogen charakteristisch ist, kann sehr sicher und effektiv sowohl auf einen parallelen als auch auf einen seriellen Lichtbogen geschlossen werden. Gleichzeitig können Fehlinterpretationen bei Einschaltvorgängen oder dem Bürstenfeuer eines Motors oder dergleichen zuverlässig ausgeschlossen werden.
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Durch die UND-Verknüpfung wird gewährleistet, dass nur bei Erfassen für einen Lichtbogen typischer Wechselanteile bzw. Stromveränderungen durch die Rauschsensormittel und die Stromsensormittel auf Vorliegen eines Lichtbogens erkannt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Anpassungs- und/oder Filtermittel umfasst, die mit dem Ausgang der Rauschsensormittel verbunden sind und eine Voreinstellung von Grenzwerten zur Erkennung von Lichtbögen ermöglichen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Anpassungs- und/oder Filtermittel umfasst, die mit dem Ausgang der Sensormittel verbunden sind und eine Voreinstellung von Grenzwerten zur Erkennung von Lichtbögen ermöglichen. Durch die jeweils mit den Sensormitteln verbundenen Anpassungs- und/oder Filtermittel kann entsprechend den Gegebenheiten in dem zu überwachenden Stromkreis eine Schwelle definiert werden, ab deren Überschreiten auf Vorliegen eines Lichtbogens erkannt wird.
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Dabei können beispielsweise die Stromsensormittel und/oder die Anpassungs- und/oder Filtermittel derart ausgebildet sein, dass eine Flanke eines Stromanstieges oder eines Stromabfalles in dem Stromkreis erkannt werden kann. Die Erkennung einer Flanke eines Stromanstieges oder eines Stromabfalles erweist sich in der Regel einfacher als der Vergleich unterschiedlicher Stromstärken miteinander zur Erkennung einer Änderung der Sromstärke.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Ausgänge der Anpassungs- und/oder Filtermittel mit einem Schmitt-Trigger verbunden sind. Auch ein Schmitt-Trigger kann als Schwellwertschalter funktionieren, so dass auch durch den Schmitt-Trigger erst bei Vorliegen eines bestimmten Rauschpegels oder bei einer bestimmten Stromveränderung pro Zeiteinheit das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers geändert wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Ausgang der mit den Rauschsensormitteln verbundenen Anpassungs- und/oder Filtermittel oder der Ausgang des mit diesen Anpassungs- und/oder Filtermitteln verbundenen Schmitt-Triggers mit einem Monoflop verbunden ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Stromsensormittel als Shuntsensorik, Magnetfeldsensorik oder als intelligente Halbleiterschalter ausgeführt sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Ausgang der Verknüpfungsmittel mittelbar oder unmittelbar mit einem Aktor zur Unterbrechung des Stromkreises und/oder mit einem Anzeigemittel zur Signalisierung eines Fehlers in dem Stromkreis verbunden ist. Als Anzeigemittel kommt hier beispielsweise bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug eine Signalleuchte in der Schalttafel oder beispielsweise ein Symbol innerhalb eines Anzeigefeldes beziehungsweise eines Displays in der Schalttafel zur optischen Signalisierung eines Fehlers in Betracht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 9 sieht vor, dass von den Rauschsensormitteln verschiedene Stromsensormittel verwendet werden, die in der Plusleitung oder in der Masseleitung des Stromkreises angeordnet sind, und dass die Ausgangssignale der Rauschsensormittel und der Stromsensormittel mittelbar oder unmittelbar von Verknüpfungsmitteln UND-verknüpft werden.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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Figurenliste
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- 1 eine schematische Schaltungsanordnung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2 eine schematische Schaltungsanordnung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die in den Figuren abgebildete Vorrichtung kann zur Überwachung einzelner Lastausgänge aber auch zur zentralen Überwachung mehrerer angeschlossener Lasten in Vorsicherungsboxen oder dergleichen verwendet werden.
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Ein Lichtbogenstrom besteht in der Regel aus einem hochfrequenten Anteil, der als weißes Rauschen bezeichnet werden kann, und aus einem Gleichanteil. Die Größe des sich einstellenden Lichtbogenstromes ist abhängig vom Kreiswiderstand, und somit von der Stromquelle, den Leitungen, den Kontaktierungen und den Lasten, sowie vom Abstand der Stromleiter zueinander, zwischen denen sich der Lichtbogen aufbaut. Bei den auftretenden Bordnetzspannungen in Kraftfahrzeugen mit höheren Bordnetzspannungen ist vor dem Zünden eines Lichtbogens eine niederohmige, leitende Verbindung erforderlich. Sowohl bei seriellen als auch bei parallelen Lichtbögen ist diese Bedingung erfüllt, weil nämlich bei seriellen Lichtbögen eine leitende Verbindung unterbrochen wurde, beispielsweise in Form eines Leitungsbruches, und weil bei parallelen Lichtbögen ein Kurzschluss einer Plusleitung gegen Masse, wie z. B. gegen das Karosserieblech vorausgeht.
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Die aus 1 und 2 ersichtlichen Vorrichtungen umfassen jeweils eine beispielsweise als Batterie ausgeführte Spannungsquelle 1, einen Verbraucher 2 und eine Sicherung 3. Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein paralleler Lichtbogen bezeichnet, der parallel zu dem Verbraucher 2 zwischen dem Pluspol und der Masse auftritt. Die Vorrichtungen sind jedoch ebenso auf die Erkennung von seriellen Lichtbögen (nicht dargestellt) anwendbar.
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Weiterhin umfassen beide der abgebildeten Vorrichtungen jeweils Rauschsensormittel 5 und Stromsensormittel 6, 15. Die Vorrichtungen unterscheiden sich lediglich dadurch, dass bei der Vorrichtung gemäß 1 die Stromsensormittel 6 in der Masseleitung angeordnet sind, wohingegen bei der Vorrichtung gemäß 2 die Stromsensormittel 15 in der Plusleitung angeordnet sind.
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Die Stromsensormittel 6, 15 überwachen den Strom des zu schützenden Stromkreises und erkennen bei einem seriellen Lichtbogen eine Stromreduzierung bzw. bei einem parallelen Lichtbogen eine Stromerhöhung. Die Stromsensormittel können beispielsweise durch eine Shuntsensorik, eine Magnetfeldsensorik oder als Strommessung über intelligente Halbleiterschalter ausgebildet sein. Die Stromsensormittel 6, 15 sind seriell in die Masseleitung (1) oder in die Plusleitung (2) eingebracht.
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Die Rauschsensormittel 5 sind in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel zwischen Masseleitung und Plusleitung angeordnet, so dass sie den Wechselanteil der Bordnetzspannung erfassen können. Die Rauschsensormittel 5 können den Wechselanteil der Bordnetzspannung insbesondere durch kapazitive oder induktive Auskopplung abgreifen. Alternativ dazu können die Rauschsensormittel 5 auch seriell in der Masseleitung oder der Plusleitung angeordnet sein bzw. über einen in der Masse oder Plusleitung angeordneten Widerstand den Wechselanteil des Stroms erfassen.
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Die Ausgänge sowohl der Rauschsensormittel 5 als auch der Stromsensormittel 6, 15 sind jeweils mit Anpassungs- und/oder Filtermitteln 7, 8 verbunden, die eine Voreinstellung von Grenzwerten zur Erkennung von Lichtbögen ermöglichen. Beispielsweise können die den Stromsensormitteln 6, 15 zugeordneten Anpassungs- und/oder Filtermittel 7 durch ihre Voreinstellung zwischen deutlichen, einem Lichtbogen zuzuordnenden Stromänderungen und weniger deutlichen Stromänderungen, die auf andere Ursachen zurückzuführen sind, unterscheiden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass hierbei durch die Stromsensormittel 6, 15 und die Anpassungs- und/oder Filtermittel 8 die Flanke eines Stromanstieges oder eines Stromabfalles erkannt wird.
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Im Anschluss an die Anpassungs- und/oder Filtermittel 7 und im Anschluss an die Anpassungs- und/oder Filtermittel 8 ist jeweils ein Schmitt-Trigger 9, 10 vorgesehen. Weiterhin ist im Anschluss an den Schmitt-Trigger 9, der letztlich das Signal der Rauschsensormittel 5 weitergibt, ein Monoflop vorgesehen, das getriggert wird, sobald eine wählbare Schwelle des Schmitt-Triggers 9 überschritten wird.
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Der Ausgang dieses Monoflops 11 und das aufbereitete Stromsignal aus dem mit den Stromsensormitteln 6, 15 verbundenen Schmitt-Triggers 10 werden in Verknüpfungsmitteln 12 UND-verknüpft. Wenn beide Voraussetzungen für das Vorhandensein eines Lichtbogens erfüllt sind, d. h. wenn sowohl der Rauschpegel als auch der Strompegel den voreinstellbaren Grenzwert für eine Mindestzeitdauer überschritten haben, wird von den Verknüpfungsmitteln 12 ein weiteres Monoflop 13 angetriggert. Der Ausgang 14 dieses weiteren Monoflops 13 kann z. B. einen Aktor ansteuern, der zur Unterbrechung desjenigen Stromkreises, in dem der Lichtbogen auftritt, dient. Alternativ oder zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, dem Fahrer des Kraftfahrzeuges optisch einen Fehler im Bordnetz zu signalisieren.
