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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Sicherung durch ein parallel geschaltetes Schaltelement.
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Stand der Technik
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Die Sicherung einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug erfolgt herkömmlich durch eine Schmelzsicherung, die typischerweise für eine Gleichlast der elektrischen Leitung ausgelegt ist. Kurzeitige Impulslasten, die durch große Stromspitzen gekennzeichnet sind, sind jedoch insbesondere für die Lebensdauer einer Sicherung schlecht, da diese zwar unter Umständen keine Probleme für die elektrische Leitung darstellen, jedoch die Sicherung derart beanspruchen können, da die Impulslasten den eigentlichen Auslösebedingungen nahe kommen, dass öfter wiederkehrende Impulslasten die Lebensdauer der Sicherung verringern. Wenn beispielsweise Sicherungen in einem Bereich von 40–50 A aufschmelzen, führen wiederholte Stromspitzen in den Bereich über 30 A zu einem Verschleiß und einer Alterung der Sicherung. Demzufolge werden elektrische Sicherungen typischerweise für größere Ströme ausgelegt, wodurch auch die Dimensionierung der elektrischen Leitung daran angepasst wird, so dass es zu einem größeren Material- und Ressourcenverbrauch kommt.
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Die Kennlinie der Charakteristik der Paarung Schmelzsicherung und Leitung wird in 6 in einem doppelt logarithmischen Strom-Zeit-Diagramm dargestellt. 6 stellt dabei ein Beispiel einer elektrischen Leitung mit einem Durchmesser von 1 mm2 bei maximaler Temperaturerhöhung um 30°C im Vergleich mit elektrischen Sicherungen von alternativ 15 A, 20 A und 35 A dar. Beispielsweise kann ein Stromimpuls von 1000 sec Länge (annähernd Gleichstrom) mit einer Stromstärke von 14 A getragen werden. Ein Stromimpuls von nur 1 sec Länge kann dagegen bis zu einer Stromstärke von 100 A getragen werden. Das heißt, bei gleichem Stromwert ist die Auslösezeit bei einer schwächeren Sicherung geringer als bei einer stärkeren Sicherung, wohingegen bei gleicher Auslösezeit, die schwächere Sicherung den geringsten elektrischen Strom tragen kann.
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Die Kennlinie der elektrischen Sicherungen in 6 unterscheidet sich von der der elektrischen Leitung. Beispielsweise stimmt die 15 A Schmelzsicherung mit der Charakteristik der 1 mm2 Leitung im Bereich der Gleichstromlast (t > 100 sec) überein. Im Bereich der Impulslasten (t < 1 sec) löst die 15 A Schmelzsicherung bereits bei einer wesentlich kleineren Last aus als die Leitung tragen könnte.
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Ist die Impulslastfähigkeit der elektrischen Leitung durch die angeschlossene Last gefordert, so müsste man eine größere Sicherung einsetzen. In diesem Beispiel würde am besten eine 35 A Schmelzsicherung mit der Charakteristik der Leitung übereinstimmen. Dann allerdings ist die Leitung im Bereich t > 10 sec (Gleichlast) nicht hinreichend abgesichert und Überlastströme (kriechender Kurzschluss, Überlast) können zur Zerstörung der elektrischen Leitung führen.
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Da die Charakteristiken von Schmelzsicherung und Leitung nicht angepasst sind, kommt es bei der Auslegung von Leitungssätzen inhärent zu einer Überdimensionierung der Querschnitte der elektrischen Leitungen und damit zu einer nicht effizienten Ausnutzung der Ressourcen, z. B. von Kupfer.
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Ein Beispiel einer solchen schlechten Anpassung ist die Absicherung eines Motors mit einer Nennleistung von 140 W/12 A. Da der Motor einen Anlaufstrom zieht, der den Nennstrom um das sechsfache übersteigt, kann er mit einer 15 A Sicherung nicht abgesichert werden, obwohl die elektrische Leitung diese Impulslast tragen könnte. Die Konsequenz ist, dass eine größere Sicherung (30 A oder 35 A) und damit eine elektrische Leitung mit einem größeren Querschnitt gewählt werden muss (4 mm2).
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In einer herkömmlichen Sicherung zur Verkürzung der Auslösezeit ist parallel zu einer Schmelzsicherung ein Schalter vorgesehen, der den Strom durch die Schmelzsicherung beeinflussen kann. Diese Sicherung ist so ausgelegt, dass im Normalbetrieb der Parallelschaltung, bei dem der Schalter geschlossen ist, der Hauptanteil des Stromes durch die Parallelschaltung von der Schmelzsicherung übernommen wird und der andere Teil des Stroms durch den Pfad mit Schalter fließt. Bei einer Überschreitung einer Temperaturschwelle oder einer Stromschwelle wird der Schalter geöffnet, so dass nun der gesamte Strom von der Schmelzsicherung übernommen wird. Dadurch kann im Normalbetrieb eine kleinere Schmelzsicherung gewählt werden, so dass die Auslösezeit der Sicherung beim Öffnen des Schalters verkürzt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung bereitzustellen, die an die Eigenschaften der zu sichernden elektrischen Leitung angepasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Leitung mit den Merkmalen des Anspruches 10, sowie durch ein Bordnetz zur Stromversorgung eines Fahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug eine elektrische Sicherung, und ein steuerbares Schaltelement, wobei das steuerbare Schaltelement und die elektrische Sicherung als Parallelschaltung ausgebildet sind, und die Parallelschaltung in Reihe mit der elektrischen Leitung verbindbar ist. Die elektrische Sicherung ist in einem ersten Zweig der Parallelschaltung angeordnet, der einen ersten Widerstand aufweist und das steuerbare Schaltelement ist in einem zweiten Zweig der Parallelschaltung angeordnet. Das steuerbare Schaltelement ist ferner dazu ausgebildet mindestens zwei Zustände anzunehmen, einen ersten Zustand mit einem zweiten Widerstand höher als der erste Widerstand und einen zweiten Zustand mit einem dritten Widerstand niedriger als der erste Widerstand, und bei einer Impulslastbedingung in den zweiten Zustand zu schalten.
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Die elektrische Sicherung ist dabei beispielsweise eine Schmelzsicherung und das steuerbare Schaltelement ist dabei beispielsweise ein Leistungs-MOSFET.
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Diese Vorrichtung bietet den Vorteil, dass durch die Kombination aus elektrischer Sicherung und steuerbarem Schaltelement, vorzugsweise einem Leistungshalbleiter, das Schaltelement die Impulslast übernehmen kann und somit die elektrische Sicherung bei Impulslasten geschützt werden kann. Deshalb können von der Leitung akzeptierbare Impulslasten bei der Vorrichtung auftreten ohne die Sicherung auszulösen.
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Die Impulslastbedingung stellt eine Überschreitung eines ersten Schwellenwerts des durch die Parallelschaltung fließenden Stromes dar. Somit kann das Schaltelement abhängig von einem bestimmten Schwellenwert gesteuert werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist das steuerbare Schaltelement ausgebildet, bei einer Überlastbedingung von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zu schalten. Somit kann auch, z. B. bei Überschreitung einer bestimmten Stromhöhe für eine bestimmte Zeit, eine weiterbestehende Überlastbedingung die elektrische Sicherung zum Auslösen bringen.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist das steuerbare Schaltelement ausgebildet, von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zu schalten, wenn ein zweiter Schwellenwert des durch die Parallelschaltung fließenden Stroms unterschritten wird. Somit kann zurückgekehrt werden in einen Normalzustand, in dem der Strom größtenteils oder vollständig von der Sicherung getragen wird.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung ferner einen Strommesser, der mit der elektrischen Sicherung oder der Parallelschaltung in Reihe geschaltet ist, zum Messen eines Stroms durch die Schmelzsicherung bzw. Parallelschaltung. Somit kann eine Schaltbedingung ermittelt werde.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung ferner einen Spannungsmesser, der mit der elektrischen Sicherung oder der Parallelschaltung parallel geschaltet ist, zum Messen einer Spannung. Somit kann auch ein Strom durch die Parallelschaltung abgeleitet werden, d. h. ein Strom durch die elektrische Leitung für eine Schaltbedingung ermittelt werde.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung ferner eine Steuereinheit zum Steuern des steuerbaren Schaltelements in Abhängigkeit von dem durch die Parallelschaltung fließenden Strom oder in Abhängigkeit von dem durch die Parallelschaltung fließenden Strom und einer Zeitdauer des Stroms. Somit kann das steuerbare Schaltelement entsprechend gesteuert werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Bordnetz zur Stromversorgung eines Fahrzeuges, insbesondere ein Automobil, die oben beschriebene Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug, zu der eine aus einem steuerbaren Schaltelement und einer elektrischen Sicherung bestehende Parallelschaltung in Reihe verbunden ist, den Schritt: Schalten, bei einer Impulslastbedingung, des steuerbaren Schaltelements von einem ersten Zustand mit einem zweiten Widerstand höher als ein erster Widerstand der elektrischen Sicherung in einen zweiten Zustand des steuerbaren Schaltelements mit einem dritten Widerstand niedriger als der erste Widerstand. Somit kann ein durch die Parallelschaltung fließender Strom abhängig von der Höhe und der zu sichernden Leitung durch verschiedene Zweige geleitet werden, wobei die Impulslastbedingung eine Überschreitung eines ersten Schwellenwerts des durch die Parallelschaltung fließenden Stroms darstellt.
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Gemäß einem vorteilhaften Beispiel umfasst das Verfahren ferner den Schritt zum Bestimmen, ob die Impulslastbedingung vorliegt durch Messen eines Stroms durch die Parallelschaltung.
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Gemäß einem vorteilhaften Beispiel umfasst das Verfahren ferner den Schritt zum Bestimmen, ob die Überlastbedingung vorliegt durch Messen eines Stroms durch die Parallelschaltung und einer Zeitdauer des Stroms.
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Gemäß einem vorteilhaften Beispiel umfasst das Verfahren ferner den Schritt zum erneuten Schalten des steuerbaren Schaltelements in Abhängigkeit von dem durch die Parallelschaltung fließenden Strom oder in Abhängigkeit von dem durch die Parallelschaltung fließenden Strom und einer Zeitdauer des Stroms von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen und in den Ansprüchen offenbart.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung ausführlich anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1A und 1B zeigen schematisch Vorrichtungen zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform;
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt;
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3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung, und insbesondere deren Steuerung, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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4 zeigt einzelne Elemente einer Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung, und insbesondere deren Steuerung, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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5 zeigt eine doppelt-logarithmische Strom-Auslösezeit-Kennlinie für eine elektrische Leitung und eine elektrische Sicherung gemäß einer Ausführungsform; und
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6 zeigt eine doppelt-logarithmische Strom-Auslösezeit-Kennlinie für eine elektrische Leitung und elektrische Sicherungen.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Dabei sind in den verschiedenen Zeichnungen gleiche oder entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die im Folgenden detailliert beschrieben werden, werden ausführlich mit Bezug auf eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug beschrieben. Jedoch wird vermerkt, dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als die Erfindung einschränkend angesehen werden sollte.
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1A zeigt schematisch Elemente einer Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung 110 in einem Fahrzeug. Die Vorrichtung umfasst eine elektrische Sicherung 120 sowie ein steuerbares Schaltelement 130, die als Parallelschaltung ausgebildet sind, und wobei die Parallelschaltung in Reihe mit der elektrischen Leitung 110 verbunden ist. Darüber hinaus ist die elektrische Sicherung 120, wie in der 1A gezeigt, in einem ersten Zweig der Parallelschaltung angeordnet und das steuerbare Schaltelement 130 ist in einem zweiten Zweig der Parallelschaltung angeordnet.
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In 1B sind die Elemente von 1A detaillierter gezeigt, nämlich die elektrische Leitung 110', die elektrische Sicherung 120' sowie das steuerbare Schaltelement 130'.
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In den 1A und 1B ist die elektrische Sicherung 120 vorzugsweise durch eine Schmelzsicherung ausgebildet, die einen elektrischen Widerstand R1 aufweist. Das steuerbare Schaltelement 130 kann, wie in 1B gezeigt, mindestens zwei Zustände annehmen, und zwar einen ersten Zustand mit einem Widerstand R2, der größer bzw. höher ist als der Widerstand R1 der elektrischen Sicherung, und einen zweiten Zustand mit einem Widerstand R3, der niedriger ist als der Widerstand R1 der elektrischen Sicherung, was sich durch die Beziehung R3 < R1 < R2 für die Auslegung der einzelnen vorzugsweise elektrischen Widerstände darstellen lassen kann.
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Im Normalbetrieb der Absicherung ist das steuerbare Schaltelement 130 so geschalten, dass das steuerbare Schaltelement den ersten Widerstand R2 annimmt. Beispielsweise kann das Schaltelement ein Schalter sein, wobei der Widerstand R2 einem geöffneten Zustand, d. h. einem unendlichen Widerstand, und der Widerstand R3 einem geschlossenen Zustand, d. h. einem sehr kleinen Widerstand, entspricht. Deshalb fließt im Normalbetrieb der elektrische Strom durch die elektrische Leitung 110 durch die elektrische Sicherung 120.
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Insbesondere kann das steuerbare Schaltelement 130 durch einen Leistungs-MOSFET ausgebildet werden, so dass der erste Zustand des steuerbaren Schaltelements 130 einem geöffneten Leistungs-MOSFET entspricht, so dass der elektrische Widerstand R2 in diesem ersten Zustand so groß ist, dass praktisch der gesamte Strom durch die elektrische Leitung 110 durch die elektrische Sicherung 120 fließt.
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Wie oben erwähnt, ist das steuerbare Schaltelement 130 ausgebildet mindestens zwei Zustände anzunehmen. Zusätzlich ist das steuerbare Schaltelement 130 auch ausgebildet bei einer Impulslastbedingung von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten.
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Eine Impulslastbedingung liegt beispielsweise vor, wenn ein durch die Parallelschaltung fließender Strom einen ersten Schwellenwert, z. B. 30 A, überschreitet.
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Bei Vorliegen einer Impulslastbedingung, kann jedoch das steuerbare Schaltelement 130 in den zweiten Zustand schalten, für den der elektrische Widerstand R3 geringer als der elektrische Widerstand R1 der elektrischen Sicherung R1 ist. Dies erfolgt für die Verwendung eines Schalters durch ein Schliessen desselben. In diesem zweiten Zustand des steuerbaren Schaltelements 130 fließt auf Grund von R3 < R1 der Hauptteil des elektrischen Stromes durch die elektrische Leitung 110 durch das steuerbare Schaltelement 130, 130' und nur ein geringer Teil des elektrischen Stromes durch die elektrische Sicherung 120, 120', wodurch diese bei Vorliegen einer Impulslastbedingung entlastet wird. Mit anderen Worten kann das steuerbare Schaltelement 130, vorzugsweise ein Leistungs-MOSFET, bei einem Strompuls diese Stromlast zum Großteil übernehmen.
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In der Parallelschaltung aus elektrischer Sicherung 120 und steuerbarem Schaltelement 130 ergibt sich durch R3 < R1 ein Nebenstromzweig über die elektrische Sicherung 120 und ein Hauptstromzweig über das steuerbare Schaltelement 130. Das heißt der Hauptteil des elektrischen Stromes durch die elektrische Leitung 110 fließt durch das steuerbare Schaltelement 130.
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Natürlich kann die Vorrichtung auch wieder in den Normalbetrieb zurückkehren. Beispielsweise kann das steuerbare Schaltelement ausgebildet sein von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zu schalten, wenn ein zweiter Schwellenwert des durch die Parallelschaltung fließenden Stroms unterschritten wird. Dieser zweite Schwellenwert ist mindestens genauso groß und bevorzugt kleiner als der erste Schwellenwert aufgrund einer möglichen Hysterese in der Vorrichtung.
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Ferner kann das steuerbare Schaltelement ausgebildet sein bei einer Überlastbedingung, die später erklärt wird, von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zu schalten, so dass ein Schmelzen bzw. Durchbrennen der elektrischen Sicherung bewirkt werden kann.
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2 zeigt ein Flussdiagramm mit den Schritten eines Verfahrens zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dabei wird in einem ersten Schritt S210 bestimmt, ob eine Impulslastbedingung vorliegt. Diese Bestimmung kann beispielsweise durch das Bestimmen einer Größe eines durch die Parallelschaltung fließenden elektrischen Stromes erfolgen, weshalb es auch noch andere Alternativen zu Schritt 210 gibt.
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Bei Vorliegen einer Impulslastbedingung wird in einem zweiten Schritt S220 das steuerbare Schaltelement 130 von einem ersten Zustand mit einem zweiten elektrischen Widerstand R2 höher als ein erster elektrischer Widerstand R1 der elektrischen Sicherung 120 in einen zweiten Zustand des steuerbaren Schaltelements 130 mit einem dritten elektrischen Widerstand R3 niedriger als der erste elektrische Widerstand R1 geschalten. Durch dieses Schalten von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand fließt, wie oben erläutert, der Hauptteil des durch die Parallelschaltung fließenden elektrischen Stromes durch das steuerbare Schaltelement 130, wodurch bei Vorliegen einer Impulslastbedingung die elektrische Sicherung 120 entlastet wird, so dass diese nicht sofort durchbrennt oder schmilzt. Somit wird auch eine schnelle Alterung der Sicherung durch leichtes anschmelzen, etc. vermieden.
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Im Folgenden wird ein Beispiel einer Steuerung des steuerbaren Schaltelements 330 mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung 310, und insbesondere deren Steuerung, gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Das steuerbare Schaltelement 330 in 3 entspricht grundlegend dem steuerbaren Schaltelement 130 der 1 und kann beispielsweise als Leistungs-MOSFET ausgebildet werden. Die elektrische Sicherung 320 entspricht der elektrischen Sicherung 120 in 1 und kann beispielsweise durch eine Schmelzsicherung ausgebildet werden.
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Ferner umfasst die Vorrichtung zum Absichern einen Komparator 340 und eine Steuereinheit. Der Komparator 340 erfasst den Spannungsabfall über die elektrische Sicherung 320, wodurch der elektrische Strom durch die elektrische Sicherung 320 berechnet werden kann. Die Steuereinheit 350, vorzugsweise ein Mikrocomputer, ist in diesem Beispiel so ausgelegt, dass auf Grundlage des durch die elektrische Sicherung 320 fließenden Stromes oder auf Grundlage des durch die elektrische Sicherung 320 fließenden Stroms und dessen Zeitdauer das steuerbare Schaltelement 330 geschalten werden kann.
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Im Zusammenhang mit 3 ist zu erwähnen, dass die Strommessung und damit die Steuerung des steuerbaren Schaltelements 330 nicht nur über die elektrische Sicherung 320, sondern auch über die gesamte Parallelschaltung oder über das steuerbare Schaltelement 330 selbst erfolgen kann.
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Gemäß der Vorrichtung in 3 wird das steuerbare Schaltelement 330 bei Vorliegen einer Impulslastbedingung, d. h. wenn mittels Komparator 340 bestimmt wird, dass der durch die elektrische Sicherung 320 fließende Strom einen ersten Strom-Schwellenwert überschreitet, z. B. 30 A, so geschalten, dass das steuerbare Schaltelement 330 den zweiten Zustand mit einem elektrischen Widerstand R3 annimmt, so dass der Hauptteil des elektrischen Stromes durch die Parallelschaltung durch das steuerbare Schaltelement 330 fließt.
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Das steuerbare Schaltelement 330 in 3 kann darüber hinaus in Abhängigkeit von dem durch die Parallelschaltung fließenden Strom erneut von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand geschalten werden. Zum Beispiel wird bei Unterschreitung eines mittels Komparator 340 bestimmten zweiten Strom-Schwellenwertes von dem zweiten Zustand des steuerbaren Schaltelements 330 mit einem elektrischen Widerstand R3 erneut in den ersten zweiten Zustand mit einem elektrischen Widerstand R1 geschalten, so dass der Hauptteil des elektrischen Stromes durch die Parallelschaltung durch die elektrische Sicherung 330 fließt.
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Durch diese Steuerung des steuerbaren Schaltelements 330 in 3 kann eine kurzzeitige Impulsbelastung der elektrischen Sicherung 320 vermieden werden. Insbesondere wird dabei nach dem Einstellen einer Impulslastbedingung durch überschreiten des ersten Strom-Schwellenwertes das steuerbare Schaltelement 330 so geschalten, dass der Hauptteil des elektrischen Stromes nicht durch die elektrische Sicherung 320 fließt, und wenn nach einer bestimmten Impulsbelastungszeit der zweite Strom-Schwellenwert, z. B. 25 A, wieder unterschritten wird, wird das steuerbare Schaltelement 330 wieder so geschalten, dass der Hauptteil des elektrischen Stromes durch die elektrische Sicherung 320 fließt.
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Der zweite Strom-Schwellenwert liegt dabei vorzugsweise unterhalb des ersten Strom-Schwellenwerts, um Hysterese-Effekte der Vorrichtung in 3 zu kompensieren.
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Durch diese vorteilhafte Steuerung des Schaltelements 330 und der Unterstützung der elektrischen Sicherung 320 bei Impulslasten kann diese kleiner dimensioniert werden und die elektrische Leitung 310 muss nicht mehr an die elektrische Sicherung 320 angepasst werden, was zu einem geringeren Material- und Energieverbrauch führt. Die obige Vorrichtung kann folglich zu einer Querschnittsreduzierung der elektrischen Leitung 310 um eine Größenordnung führen.
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Es wird bemerkt, dass durch die Vorrichtung fließender Strom entweder indirekt durch einen Spannungsmesser gemessenen werden kann oder direkt durch einen Strommesser, der mit der elektrischen Sicherung oder der Parallelschaltung in Reihe geschaltet ist, zum Messen eines Stroms durch die Schmelzsicherung bzw. Parallelschaltung.
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4 zeigt einzelne Elemente einer Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung, und insbesondere ein Steuern der Absicherung einer elektrischen Leitung 410 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die elektrische Sicherung 420, das steuerbare Schaltelement 430, der Komparator 440 und die Steuereinheit 450 entsprechen grundlegend den jeweiligen Elementen in 3. Darüber hinaus liegt an der elektrischen Leitung 410 ein Verbraucher 460 des Fahrzeug-Bordnetzes an und auf der anderen Seite der Parallelschaltung ist diese mit Klemme 470 Verbrauchern verbunden.
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Wie aus 4 gesehen werden kann ist das steuerbare Schaltelement 430 als Leistungs-MOSFET T1 ausgebildet, der durch den Mikrocomputer 450 gesteuert wird, d. h. durch Anlegen einer geeigneten Gate-Spannung ein- und ausgeschalten bzw. geschlossen und geöffnet werden kann. Seim Schließen des Leistungs-MOSFETs T1 weist dieser Stromzweig einen elektrischen Widerstand R3 von beispielsweise 2 mΩ auf, der kleiner ist als der elektrische Widerstand R1 der 15 A ATO Schmelzsicherung 420, die in 4 beispielsweise einen Wert von 4,8 mΩ aufweist.
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Wenn beispielsweise der Strom über die Schmelzsicherung 420 über 15 A (Spannungsschwelle 15 A × 4,8 mΩ = 20 mV) steigt, so wird der Halbleiterschalter T1 zugeschaltet. Sinkt der Strom über die Parallelschaltung von Schmelzsicherung 420 und Leistungshalbleiter T1 (Widerstand = 1,4 mΩ), so wird der Leistungshalbleiter T1 wieder abgeschaltet. Der Mikrocomputer 450 sorgt dafür, dass der Leistungshalbleiter T1 nur für eine maximale Zeit zugeschaltet wird, wie im Folgenden erläutert wird, sonst kann ein Überlastfall der elektrischen Leitung 410 vorliegen. Wenn der Leistungshalbleiter T1 zugeschaltet ist, übernimmt er 4,8/(2 + 4,8) = 70% der Impulslast. Die Schmelzsicherung 420 sieht bei einer sechsfachen Stromüberhöhung eines Anlassstromes somit 12 A × 6 × 30% = 21,6 A anstatt 72 A ohne den parallelen Leistungshalbleiter T1, was in Punkt P in 5 gezeigt ist.
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Folglich fließt beim Schließen des Leistungs-MOSFETs T1 der Hauptteil des elektrischen Stromes der elektrischen Leitung 410 durch den Leistungs-MOSFET und die Schmelzsicherung wird entlastet. Auf der anderen Seite weist der Leistungs-MOSFET T1 bei Öffnen dessen Gates einen solchen hohen elektrischen Widerstand R2 auf, das praktisch der gesamte Teil des elektrischen Stromes der elektrischen Leitung 410 durch die Schmelzsicherung 420 fließt.
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Neben der oben erläuterten Impulslastbedingung für die elektrische Sicherung 420, insbesondere für kurzzeitige starke Stromspitzen, wird weiterhin eine Überlastbedingung für die elektrische Leitung 410 unterschieden. Bei dieser Überlastbedingung handelt es sich um eine Impulslastbedingung für eine bestimmte Zeitdauer, d. h. diese Überlastbedingung der elektrischen Leitung 410 liegt vor, wenn im Allgemeinen ein bestimmter elektrischer Strom für eine zu lange Zeitdauer durch die elektrische Leitung 410 fließt.
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Gemäß der Vorrichtung in 4 wird der Überlastbedingungsfall der elektrischen Leitung 410 durch ein Erfassen eines Stromes durch die Parallelschaltung und einer Zeitdauer dieses Stromes bestimmt. Insbesondere kann dieser Überlastbedingungsfall derart bestimmt werden, dass nach Einstellen der Impulslastbedingung, d. h. des ersten Schwellenwerts, die Steuereinheit 450 ausgelegt ist, den Strom über die Zeit zu mitteln, das Quadrat des durch die elektrische Sicherung 420 fließenden elektrischen Stromes über die Zeit aufzuintegrieren oder das Produkt aus dem Quadrat der Stromstärke und der Zeit zu mitteln und den resultierenden Wert dieser Berechnung kontinuierlich mit einem Überlast-Schwellenwert zu vergleichen. Beim Einstellen einer Überlastbedingung, d. h. wenn der resultierende Wert einen Überlast-Schwellenwert überschreitet, wird der Leistungs-MOSFET 430 gesteuert, um von dem zweiten Zustand erneut in den ersten Zustand zu schalten. Dies führt dazu, dass der elektrische Strom im Wesentlichen durch die elektrische Sicherung 420 fließt, die für diese Überlastbedingung ausgelegt ist auszulösen.
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Die Anpassung des Überlast-Schwellenwerts an Hand des Produkts aus dem Quadrat der Stromstärke und der Zeit an Hand I2t = a mit einer leitungsspezifischen Konstante a entspricht dem thermischen Eintrag auf die elektrische Sicherung 420. Dies bedeutet insbesondere, dass es keinen festen Überlast-Schwellenwert geben muss, dieser jedoch durch einen Strom I > √a/t mit einer Strom-Impulslänge gegeben werden kann. Der thermische Eintrag ist proportional einer Wärmekapazität und entspricht somit einer Temperaturerhöhung aufgrund des Stromflusses, so dass die elektrische Sicherung 420 auf deren thermische Eigenschaften angepasst werden kann und der Überlast-Schwellenwert einer thermischen Grenzlast entspricht.
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Die in der 4 gezeigten Vorrichtung erzielte vorteilhafte Wirkung besteht nun darin, dass ein kurzzeitiges Anwachsen des Stromes durch die elektrische Leitung auf z. B. 50–60 A erlaubt werden kann, da der Großteil dieses Stromes durch den Halbleiter T1 übernommen wird. Bleibt der Strom jedoch bei diesen Werten stehen, dann wird der Halbleiterschalter T1 wieder geöffnet, und die elektrische Sicherung 420 kann auslösen.
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Wenn beispielsweise der Strom über die Nennlast der Sicherung von 15 A ansteigt, zum Beispiel im Moment des Losreißens eines Gleichstrommotors als Last 460, so wird der Leistungshalbleiter T1 zugeschaltet und übernimmt einen Großteil der Impulslast. Verbleibt der Strom länger als 10 sec über 40 A, so wird der Leistungshalbleiter T1 zum Schutz der elektrischen Leitung 410 wieder abschalten und die Schmelzsicherung 420 wird auslösen, wenn der Strom in dieser Stärke anhält. Impulse bis 100 A können beispielsweise bis zu einer Sekunde durch den Leistungshalbleiter übernommen werden.
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Nach dem Auslösen der elektrischen Sicherung 420 kann die Steuereinheit 450 den Leistungs-MOSFET T1 wiederum schließen, so dass ein Notbetrieb für die elektrische Leitung 410 und die Verbraucher 460 im Bordnetz des Fahrzeuges aufrecht erhalten werden kann. Anderseits kann ein Notbetrieb ebenfalls erfolgen, falls der Leistungshalbleiter T1 oder die Steuereinheit 450 ausfällt, so dass die Last 460 nicht getrennt wird, sondern über die Schmelzsicherung 420 versorgt werden kann. Für Klemme 470 Verbraucher erfolgt die Ruhestromversorgung über die Schmelzsicherung 420. Der Leistungshalbleiter T1 muss nicht angesteuert werden, was den Ruhestrombedarf nur erhöhen würde.
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Bevorzugt kann die Vorrichtung in einem Bordnetz eines Fahrzeuges, insbesondere einem Automobil, zur Absicherung einer elektrischen Leitung verwendet werden. Die Vorrichtung kann insbesondere für eine weitere Aufintegration von Elektronik im Bordnetz dienen, z. B. durch einen Stromsensor. Die Absicherung der elektrischen Leitung im Bordnetz eines Fahrzeuges kann auf der Lastebene (SRB-Ebene) oder der Hauptverteiler-Ebene (Vosido-Ebene) erfolgen.
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Darüber hinaus weist die Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Leitung 410 gegenüber einer Absicherung nur über einen Leistungshableiter ohne parallele Schmelzsicherung weitere Vorteile auf. Zum Beispiel wird, wenn bei einem harten Kurzschluss der Leistungshalbleiter die Verbindung trennt (Strom abschnürt) eine hohe Spannung induziert, die den Leistungshalbleiter zerstört. Diese Energie müsste in einer zusätzlichen Freilaufdiode abgebaut werden. In der obigen Vorrichtung übernimmt die Schmelzsicherung 420 die Energie, z. B. durch Aufschmelzen des Sicherungsmaterials. Der Leistungs-MOSFET T1 wird somit beim Auslösen durch die Schmelzsicherung 420 vor induzierten Spannungen geschützt.
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Darüber hinaus übernimmt der Leistungs-MOSFET T1 nur die Impuls-Ströme und muss daher thermisch nicht auf die Grundlast ausgelegt werden. Bei einem ruhenden Fahrzeug erfolgt die Versorgung des Ruhestroms der Verbraucher im Stromzweig über die Schmelzsicherung. Der Leistungs-MOSFET muss nicht dauernd durchgeschaltet werden. Diesbezüglich kommt es also zu keiner Erhöhung des Ruhestromes im Fahrzeug.
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5 zeigt eine resultierende Stromstärken-Auslösezeit-Kennlinie (I/t) bei Verwendung der obigen Vorrichtung zum Absichern der elektrischen Leitung in einem Fahrzeug. Gezeigt sind wie bei Kennlinien in einer herkömmlichen Vorrichtung in 5 eine Auslösekennlinie für eine elektrische Leitung mit einem Leitungsquerschnitt von 1 mm2 und eine Auslösekennlinie einer 15 A Schmelzsicherung, die beide bei Impulslasten unter 10 sec nicht aufeinander abgestimmt sind.
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Durch die kombinierte Auslösekennlinie aus Sicherung und Leistungshalbleiter nach der obigen Vorrichtung zur Absicherung der elektrischen Leitung wird nun eine effektive Kennlinie bereitgestellt, die sowohl bei Dauerlasten als auch bei Impulslasten an die Auslösekennlinie der elektrischen Leitung angepasst ist.
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Wie in dem obigen Beispiel beschrieben, sieht man in 5 beispielsweise, dass, wenn der Strom über die Nennlast der Sicherung von 15 A ansteigt, zum Beispiel im Moment des Losreißens eines Gleichstrommotors als Last 460, der Leistungshalbleiter T1 zugeschaltet wird und einen Großteil der Impulslast übernimmt. Verbleibt der Strom länger als 10 s über 40 A, so wird der Leistungshalbleiter T1 zum Schutz der elektrischen Leitung 410 wieder abgeschaltet und die Schmelzsicherung 420 wird auslösen, wenn der Strom in dieser Stärke anhält. Impulse bis 100 A werden bis zu einer Sekunde durch den Leistungshalbleiter übernommen.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Variationen der Vorrichtung und des Verfahrens der Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Ferner wurde die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben, die jedoch nur zum verbesserten Verständnis der Erfindung dienen sollen, und diese nicht einschränken sollen. Der Fachmann erkennt auch sofort, dass viele verschiedene Kombinationen der Elemente zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Deshalb wird der wahre Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gekennzeichnet.
