DE102017127702B4 - Schmelzsicherung mit integriertem Temperatursensor - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schmelzsicherung (100) zum Absichern einer elektrischen Leitung (880) in einem Bordnetz (872) eines Kraftfahrzeugs (870) beschrieben. Die Schmelzsicherung (100) umfasst ein erstes Kontaktelement (102), ein zweites Kontaktelement (104), einen das erste Kontaktelement (102) und das zweite Kontaktelement (104) elektrisch verbindenden Auslöseabschnitt (106) mit einem Schmelzleiter (114) und einer Messstelle (112), welche mit dem Schmelzleiter (114) elektrisch und thermisch verbunden ist und die ausgebildet ist, dass eine Messstellen-Temperatur der Messstelle (112) einer Schmelzleiter-Temperatur des Schmelzleiters (114) im Wesentlichen entspricht und/oder diese repräsentiert. Weiterhin weist die Schmelzsicherung (100) einen Temperatursensor (108) auf, der ausgelegt ist zur Erfassung eines Temperaturwerts (116) der Messstellen-Temperatur, und eine Auswerteeinrichtung (110), die eingerichtet ist, einen Alterungszustand (118) der Schmelzsicherung (100) unter Verwendung des Temperaturwerts (116) zu ermitteln, wobei die Messstelle (112) im Schmelzleiter (114) angeordnet ist und diesen in einem ersten Schmelzleiterabschnitt (124) und einen zweiten Schmelzleiterabschnitt (126) unterteilt und jeder Temperatursensor (108) in die jeweilige Messstelle (112) integriert ist.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung mit integriertem Temperatursensor zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
• Stand der Technik
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Schmelzsicherungen für Fahrzeugbordnetze beschrieben. Die Erfindung kann aber in jeder Anwendung genutzt werden, in welcher Versorgungspfade abgesichert werden.
• Schmelzsicherungen werden in vielen elektrischen und elektronischen Geräten zum Schutz des Benutzers und von Komponenten oder Leitungen des Geräts eingesetzt. So findet sich in modernen Kraftfahrzeugen eine Vielzahl von Sicherungen, um einzelne Kabelstränge oder Lasten elektrisch abzusichern. Um den Austausch von ausgelösten Schmelzsicherungen zu erleichtern, werden diese häufig als Stecksicherung ausgeführt.
• Für einen zuverlässigen Betrieb des Kraftfahrzeuges oder von Teilsystemen des Kraftfahrzeuges sind Diagnosefunktionen über den Zustand der eingesetzten Sicherungen sinnvoll oder notwendig. Aktuell wird dies aufwändig in Steuergeräte integriert, wobei systembedingt keine sicherungsindividuelle Aussage getroffen werden kann.
• Die Zustandsdiagnose von Schmelzsicherungen wird deshalb aktuell in einem Standardbordnetz in der Regel nicht beachtet. Für die Themen des automatisierten Fahrens wird in Zukunft eine Diagnoseabdeckung immer wichtiger werden. Ein erster Ansatz ist dabei zumindest eine Auslösung einer Schmelzsicherung zu diagnostizieren. So wird in der nachveröffentlichten DE 10 2017 101 293 A1 eine Schmelzsicherung für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Ein erstes Kontaktelement, von dem ein erster Endabschnitt auf einer ersten Gehäuseseite aus einem Gehäuse herausragt, ein zweites Kontaktelement, von dem ein zweiter Endabschnitt auf der ersten Gehäuseseite aus dem Gehäuse herausragt, wobei das erste und zweite Kontaktelement durch einen in dem Gehäuse aufgenommenen Schmelzleiter miteinander elektrisch verbunden sind, und ein Diagnosekontaktelement, von dem ein Diagnoseendabschnitt aus der ersten Gehäuseseite herausragt und das mit einem Koppelpunkt des ersten Kontaktelements mit dem Schmelzleiter elektrisch verbunden ist.
• Zustandsdiagnostizierbare Schmelzsicherungen werden in zukünftigen Systemen wichtig, welche unter der Prämisse automatisiertes Fahren laufen, d.h. hochautomatisiertes Fahren (HAF - englisch: Highly Automated Driving, HAD) mit dem Automatisierungsgrad L3 oder vollautomatisiertem Fahren (VAF) mit dem Automatisierungsgrad L4. Die Wichtigkeit ergibt sich aus der sogenannten Diagnoseabdeckung (englisch: Diagnostic Coverage, DC), welche bei sicherheitsrelevanten Systemen eine Rolle spielt um Fehlerraten in Bauteilen zu senken. Diese Diagnoseabdeckung fordert nicht nur, dass ein Fehler erkannt wird, was beim Ausfall einer Sicherung einfach wäre, sondern auch, dass der Fehler beherrschbar ist. Die Beherrschbarkeit kann z.B. über Redundanz erfolgen oder wie hier beschrieben über eine Zustandserkennung der Sicherung erreicht werden. Falls es also gelingt, eine Zustandsänderung eines Versorgungspfades für alle „langsamen Fehler“ vorhersehbar zu machen und eine Warnung, mit ausreichendem Abstand, vor dem Ausfall des Versorgungspfades zu melden, würde über die Diagnoseabdeckung die Ausfallrate der Sicherung verringert werden können und diese könnte in Systemen mit ASIL-Einstufungen (ASIL = Automotive Safety Integrity Level) entsprechend ISO 26262 eingesetzt werden. Welche Einstufungen möglich sind, muss im jeweiligen Projekt bestimmt werden.
• In funktionskritischen Anwendungen (z.B. für HAF oder VAF) ist es vorteilhaft, die Betriebsbereitschaft einer Schmelzsicherung zu kennen. Dazu zählt auch die Erkennung einer Degradation der Sicherung. Heutige Schmelzsicherungen weisen dazu keine Möglichkeit auf.
• Die DE 10 2016 103 246 A1 offenbart eine Steuerungsvorrichtung zum Beschränken einer Größe der Eingabe/Ausgabe einer elektrischen Leistung einer Fahrzeugbatterie auf weniger als eine Obergrenze einer elektrischen Leistung. Die Steuerungsvorrichtung berechnet ein Verschlechterungslevel der Sicherung, so dass sich die Verschlechterung fortsetzt, wenn eine Temperatur der Sicherung eine Schwellenwerttemperatur überschreitet, und reduziert die Obergrenze der elektrischen Leistung, wenn das Verschlechterungslevel der Sicherung ein Sollverschlechterungslevel überschreitet.
• Gemäß der englischen Patentanmeldung GB 2527074 A wird in die Sicherungsaufnahme einer Haussicherung ein Temperatursensor integriert. Ein mit dem Temperatursensor verbundener Empfänger gibt ein visuelles oder akustisches Warnsignal aus, wenn der Status der Sicherung als kritisch eingeschätzt wird.
• Die DE 10 2016 106 361 A1 zeigt ein Schmelzsicherungssystem für ein Fahrzeug mit einem Schmelzsicherungselements und einem Controller, der die Restlebensdauer der Schmelzsicherung des Schmelzsicherungselements ermittelt. Der Controller stellt dabei fest, ob die Restlebensdauer der Schmelzsicherung unter einem ersten und einem zweiten Schwellenwert liegt. Wenn die Restlebensdauer der Schmelzsicherung über dem zweiten Schwellenwert liegt, kann eine erste Meldung an einer Anzeige angezeigt werden. Wenn die Restlebensdauer der Schmelzsicherung unter dem zweiten Schwellenwert liegt, kann das Fahrzeug in einen vordefinierten alternativen Betriebsmodus umgeschaltet werden.
• Gemäß der DE 197 44 765 A1 wird eine Schaltungsanordnung zum Auslösen einer Sicherung offenbart, wobei eine Auslöseeinheit von mindestens zwei unabhängigen, auf die Sicherung wirkenden Einflussgrössen beeinflusst wird und nur wenn mindestens zwei der Einflussgrössen vorgegebene Schwellwerte überschreiten, wird die Sicherung ausgelöst.
• So beschreibt die US 2012/0099235 A1 ein Schutzsystem für elektrische Schaltungen mit einem Steuermodul und einem Schaltungssensor. Das Steuermodul ist so konfiguriert, dass es einen sogenannten Verschlechterungsfaktor überwacht, der sich auf einen Energieschwellenwert der Sicherung bezieht, und den Schalter anweist, den Stromkreis zu öffnen, um zu verhindern, dass die Stromquelle Strom durch die Sicherung liefert. Der Schaltungssensor ist konfiguriert, um einen Energieparameter des Stroms zu messen, der von der Stromquelle durch die Schaltung geliefert wird, oder der von einer Last von der Stromquelle angefordert wird.
• Die US 2006/ 0100822 A1 zeigt einen Anschlusskasten für ein Fahrzeug mit einem Sensorsystem zur Erfassung von Parametern und Betriebszuständen, und einem elektronischen System zur Speicherung der Parametern und Betriebszuständen.
• Beschreibung der Erfindung
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Schmelzsicherung zu schaffen, deren Zustandsentwicklung bezüglich Alterung im laufenden Betrieb - unabhängig von Normal- oder Fehlerbetrieb - beurteilbar ist.
• Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
• Eine erfindungsgemäße Schmelzsicherung für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug umfasst zwei Kontaktelemente, die über einen elektrisch leitenden Auslöseabschnitt miteinander verbunden sind. Der Auslöseabschnitt weist zwei Bestandteile auf: einer der Bestandteile ist der sogenannte Schmelzleiter als funktioneller Bestandteil bezüglich Leitungsabsicherung, der andere Bestandteil umfasst eine Messstelle zum Ermitteln von Temperatur-Zeit-Daten. Dabei ist die Messstelle dadurch charakterisiert, dass diese mit dem Schmelzleiter thermisch verbunden ist und damit im Zusammenspiel mit dem Schmelzleiter die Auslösecharakteristik definiert. Weiterhin ist die Messstelle dadurch charakterisiert, dass eine Messstellen-Temperatur, das heißt eine Temperatur der Messstelle, einer Schmelzleiter-Temperatur, das heißt einer Temperatur des Schmelzleiters in einem Toleranzbereich, das heißt im Rahmen einer spezifizierten Genauigkeit, entspricht oder sich aus der Messstellen-Temperatur die Schmelzleiter-Temperatur bestimmen lässt. Im ersten Fall repräsentiert dann die Messstellen-Temperatur die Schmelzleiter-Temperatur. Im letzteren Fall lässt sich die Messstellen-Temperatur auf eine Schmelztemperatur - in entsprechender Genauigkeit - umrechnen. Weiterhin weist die Schmelzsicherung einen Temperatursensor zum Erfassen eines Temperaturwerts der Messstellen-Temperatur und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln eines Alterungszustands der Schmelzsicherung unter Verwendung des Temperaturwerts auf. Durch eine wiederholte Erfassung des Temperaturwerts über einen zeitlichen Verlauf können letztlich ein Temperaturverlauf beziehungsweise Temperatur-Zeit-Daten erfasst und ausgewertet werden.
• Die Schmelzsicherung ist eingerichtet, eine elektrische Leitung in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz abzusichern. Unter dem Schmelzleiter kann dabei zumindest ein Schmelzabschnitt verstanden werden. Bei den Kontaktelementen kann es sich um Messerkontakte, Kontaktzungen, Kontaktstifte, Steckkontakte oder ähnliches handeln. Letztlich ist die erfindungsgemäße Schmelzsicherung mit einer klassischen Schmelzsicherung vergleichbar, jedoch um eine Diagnosefähigkeit erweitert. Die Messstelle ist je nach verwendeter Sensorik so beschaffen, dass je nach Komplexität der Anforderungen beziehungsweise notwendiger Genauigkeit ein für die Temperaturmessung geeigneter Emissionsfaktor oder eine geeignete Wärmeanbindung erreicht wird. Der von dem Temperatursensor gewonnene Temperaturwert kann als analoges Spannungssignal oder als digitales Signal der Auswerteeinrichtung bereitgestellt werden. Ein analoges Spannungssignal kann einfach von einem Mikrocontroller ausgewertet werden. Wenn es sich um ein digitales Signal handelt, so kann dies konform zu einem standardisierten Feldbus ausgebildet sein. Insbesondere eignet sich hier ein LIN-Bus. Sowohl das Übertragungsprotokoll als auch die physikalischen Eigenschaften sind in diesem Fall an den gewählten Feldbus angepasst. Je nach Anwendungsfall und unter Berücksichtigung numerischer Aspekte kann die Auswahl beschränkt werden.
• Fehlerfälle, die nicht ein harter Kurzschluss sind, können dabei erkannt werden und gemeldet werden. Ein harter Kurzschluss hingegen nicht. Hier ist der Leitungsschutz prioritär und es muss dennoch ein trennen der Versorgung erfolgen. Alle anderen länger andauernden Prozesse, die zu einem Trennen der Versorgung führen, können hierbei erkannt werden und gemeldet werden. Damit ist der baldige Verlust von Redundanz -außer im harten Kurzschlußfall- vorhersagbar. Das Zeitfenster der Verfügbarkeit der Funktion plus Datenaufzeichnungsrate bestimmen damit den Rahmen der Fehlerfälle die -in Rahmen der vorliegenden Erfindung- vorhersagbar werden. Dadurch reduzieren sich die Anzahl der möglichen Fehler d.h./z.B. nicht vorhersagbaren Redundanzverlustes.
• Ein Vorteil der beschriebenen Schmelzsicherung ist, dass eine lokale Temperatur an einer Messstelle im Bereich des Schmelzleiters ermittelt wird und nicht nur ein Gradient über eine Messstrecke. Die Messstelle kann an einem Hotspot der Sicherungsvorrichtung beziehungsweise des Schmelzleiters oder in unmittelbarer Nähe hierzu angeordnet sein, wodurch eine verbesserte, direktere Aussage über eine Alterung der Schmelzsicherung getroffen werden kann.
• Der Auslöseabschnitt kann in einer besonderen Ausführungsform auf einer Leiterplatte (=Platine) integriert sein. In diesem Fall können auch die Kontaktelemente jeweils am Rand der Leiterplatte angeordnet und in diese integriert sein. Vorteilhafterweise ist dann auch die Auslöseeinrichtung mechanisch mit der Leiterplatte verbunden beziehungsweise auf dieser angeordnet.
• Zur kosteneffizienten Produktion können optional die Kontaktelemente und der Auslöseabschnitt einteilig aus Sicherungsblech bestehen. Beispielsweise kann das Sicherungsblech im Bereich der Kontaktelemente und ergänzend oder alternativ im Bereich der Messstelle mehrlagig ausgebildet sein, um die Stromtragfähigkeit und auch die mechanische Belastbarkeit in diesem Bereich zu erhöhen.
• Der Auslöseabschnitt kann in einem elektrisch isolierenden Sicherungsgehäuse angeordnet sein. Die Kontaktelemente sind dann jeweils teilweise innerhalb des Sicherungsgehäuses und teilweise außerhalb des Sicherungsgehäuses angeordnet. So erstreckt sich jeweils ein Endabschnitt der Kontaktelemente von dem Sicherungsgehäuse weg oder mit anderen Worten ragt jeweils der Endabschnitt der Kontaktelemente aus dem Sicherungsgehäuse heraus. In einer Ausführungsform ist das Sicherungsgehäuse im Wesentlichen quaderförmig. So ist eine dichte, d.h. kompakte Anordnung von einer Vielzahl von Stecksicherungen realisierbar.
• Je nach Ausführungsform und des Typen des verwendeten Temperatursensors ist der Temperatursensor innerhalb oder außerhalb des Sicherungsgehäuses angeordnet. Wenn der Temperatursensor innerhalb des Sicherungsgehäuses angeordnet ist, und die Auswerteeinrichtung außerhalb des Sicherungsgehäuses angeordnet ist, so weist in einer ersten Variante die Sicherungsvorrichtung zumindest ein Diagnose-Kontaktelement auf, über die das den Temperaturwert beziehungsweise den Temperaturverlauf repräsentierende Sensorsignal extern zum Sicherungsgehäuse der Auswerteeinrichtung zur Verfügung stellt. In einer zweiten Variante wird das den Temperaturwert repräsentierende Sensorsignal auf die an der Sicherungsvorrichtung anliegende Spannung auf geprägt und von der Auswerteeinrichtung an einem anderen Ort entsprechend eingelesen. Bei einer Anordnung des Temperatursensors und der Auswerteeinrichtung ebenfalls innerhalb des Sicherungsgehäuses, erfolgt eine direkte Verbindung zwischen dem Temperatursensor und der Auswerteeinrichtung, über die das Sensorsignal bereitgestellt wird.
• Der Temperatursensor kann ausgebildet sein, die Messstellen-Temperatur kontaktlos zu erfassen. Dabei kann es sich bei dem Temperatursensor um einen optischen Temperatursensor handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem optischen Temperatursensor um einen Infrarot-Temperatursensor handeln. Ein solcher optischer Temperatursensor kann sowohl innerhalb als auch außerhalb eines Sicherungsgehäuses angeordnet sein. Bei einer Anordnung außerhalb des Sicherungsgehäuses kann der optische Temperatursensor beispielsweise auf einer im Wesentlichen parallel zu dem Sicherungsgehäuse angeordneten Leiterplatte angeordnet sein und die Messstellen-Temperatur durch eine Aussparung in dem Sicherungsgehäuse erfassen. Dabei kann die Aussparung auch eine Abdeckung aufweisen, sofern diese für die thermische Strahlung beziehungsweise das Frequenzspektrum des optischen Temperatursensors durchlässig ist. In diesem Fall handelt es sich bei der Aussparung um ein durchlässiges Medium im Frequenzspektrum des optischen Sensors.
• In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Temperatursensor um einen kontaktbasierten thermischen Sensor handeln, wie beispielsweise Heißleiter oder bevorzugt Kaltleiter. In diesem Fall kann der Temperatursensor Teil der Messstelle sein oder sogar diese im Wesentlichen bilden. Unter einem Heißleiter kann ein NTC-Thermistor und unter einem Kaltleiter kann ein PTC-Thermistor verstanden werden. Auch ein als Heißleiter oder Kaltleiter ausgebildeter Temperatursensor könnte außerhalb von dem Sicherungsgehäuse angeordnet sein, wobei dieser dann durch eine Aussparung in dem Sicherungsgehäuse bei einer Montage der Sicherungsvorrichtung durch diese Aussparung in einen Innenraum des Sicherungsgehäuses hinein geführt wird und dann in der Regel im direkten Kontakt (thermisch, wobei dies in der Regel auch einen mechanischen Kontakt bedingt) zur Messstelle steht. Die Sensorik kann dabei zum Versorgungspfad elektrisch isoliert sein.
• In einer Ausführungsform kann es sich um einen Temperatursensor handeln, der über Wärmefluss und Wärmekapazität die Temperatur der Messstelle bestimmt. Durch den notwendigen Temperaturbereich und der notwendigen Genauigkeit des Anwendungsfalles kann die Auswahl der zur Verfügung stehenden Messsensoriken beschränkt sein. Auch ein auf Kontakt basierter Temperatursensor könnte bei der Montage von außerhalb durch eine vorliegende Aussparung in das Sicherungsgehäuse eingeführt werden. Die Gewährleistung des thermischen Kontaktes zwischen Sensor und Messstelle ist bei diesem Verfahren sicherzustellen.
• Die Messstelle kann in einer Ausführungsform zwischen einem der beiden Kontaktelemente und dem Schmelzleiter angeordnet sein. In einer alternativen Ausführungsform ist die Messstelle innerhalb der Erstreckung des Schmelzleiters angeordnet und unterteilt diesen somit in einen ersten Schmelzleiterabschnitt und einen zweiten Schmelzleiterabschnitt. In einer besonderen Ausführungsform ist die Messstelle mittig in dem Schmelzleiter angeordnet, sodass die beiden sich ergebenden Schmelzleiterabschnitte in etwa gleich lang sind. Dabei kann ein direkter Zusammenhang zwischen der Symmetrie und der Genauigkeit der Zustandsbestimmung bestehen. Je näher der Hotspot in der Messstelle abgebildet wird, desto einfacher gestaltet sich die Überwachung des Sicherungszustands bezüglich Alterungsfortschritt.
• In dem Auslöseabschnitt können verteilt über den Schmelzleiter eine Mehrzahl von Messstellen vorgesehen und entsprechend angeordnet sein. Der Schmelzleiter wird dann entsprechend in mehr als zwei Schmelzleiterabschnitte unterteilt. In diesem Fall weist die Schmelzsicherung eine der Anzahl der Messstellen entsprechende Anzahl von Temperatursensoren auf die jeweils eine Messstellen-Temperatur der zugeordneten Messstelle erfassen und als Temperaturwert der Auswerteeinrichtung zur Verfügung stellen. In diesem Fall ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, den Alterungszustand der Schmelzsicherung unter Verwendung der Mehrzahl von Temperaturwerten zu bestimmen. Hierdurch kann auch eine ungleichmäßige Erwärmung einzelner Schmelzleiterabschnitte erkannt werden. Dabei kann ein Integral über die erfassten Temperaturwerte Tdt beziehungsweise den Temperaturverlauf bestimmt werden und mit einem Schwellwert verglichen oder auf ein Überschreiten eines Schwellwerts überwacht werden. Dabei kann eine Korrelation zwischen dem Ergebniswert des Integrals über die erfassten Temperaturwerte und der Alterung der Sicherungsvorrichtung bestehen. Dabei kann weiterhin eine Varianz der erfassten Temperaturwerte in der Auswerteeinrichtung bestimmt werden und der Zustand der Sicherungsvorrichtung durch einen Vergleich mit einem oder mehreren Varianz-Schwellwerten ermittelt werden. Eine Alternative Auswertung bestimmt den maximalen Temperaturwert der erfassten Messstellen-Temperaturen der Mehrzahl von Messstellen und ermittelt den Zustand der Sicherungsvorrichtung unter Verwendung des maximalen Temperaturwerts. Selbstverständlich können die verschiedenen Methoden miteinander verknüpft werden oder auch zur Validierung einer alternativen Methode genutzt werden.
• Die Messstelle kann einen Schmelzpunkt aufweisen der sich in der Entwicklung der Schmelztemperatur von der des Schmelzleiters unterscheidet.
• Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, den Temperaturwert mit zumindest einem Schwellwert zu vergleichen und bei Überschreiten dieses Schwellwerts eine Warnung über einen Zustand der Schmelzsicherung bereitstellen. Dabei können eine Mehrzahl von Schwellwerten bestimmt werden, welche jeweils einen unterschiedlichen Zustand der Schmelzsicherung repräsentieren. In diesem Fall wird bei einem Überschreiten eines ersten Schwellwerts eine erste Warnung, welche eine erste Warnstufe oder einen ersten Zustand repräsentiert und bei Überschreiten eines zweiten Schwellwerts eine zweite Warnung, welche eine zweite Warnstufe oder einen zweiten Zustand repräsentiert ausgegeben. Dies lässt sich beliebig fortsetzen mit weiteren Schwellwerten bzw. Warnstufen oder Zuständen der Schmelzsicherung. Die jeweilige Anwendung bestimmt die Komplexität der nachfolgenden Systematik. Ab einem ersten Schwellwert wird das Integral Tdt erstellt und die Lebensdauer der Schmelzsicherung entsprechend reduziert. Ab dem ersten Schwellwert oder eventuell einem kleineren Schwellwert kann beispielsweise ein erster Warnhinweis ergehen. Das Integral Tdt bestimmt letztendlich in Zusammenhang mit der Definition der Anwendung wie die weitere Verfahrensvorgehensweise bestimmt wird (beispielsweise kann ab einer Reduktion der Lebensdauer auf einen bestimmten Restwert der Prozess ‚sicheres Abstellen‘ eingeleitet werden bzw die HAF-Funktion neutralisiert werden. Dies kann auch in Zusammenspiel mit der Restlebensdauer der zweiten redundanten Versorgung erfolgen. Durch die beschriebene Schmelzsicherung werden lediglich die Informationen bereitgestellt, die Vorgehensweise wird in der jeweiligen Anwendung bestimmt. Für das Integral ist es sinnvoll ab einem weiteren Schwellwert die Aufzeichnungsrate 1/dt entsprechend zu erhöhen für eine exaktere Überwachung. Dies obliegt allerdings ebenfalls dem Anwendungsfall.
• In einer Ausführungsform kann der zweite Schwellwert in Abhängigkeit eines ermittelten Alterungszustands bestimmt werden. So kann der zweite Schwellwert langsam in Korrelation zum Alterungszustand der Schmelzsicherung abgesenkt werden. So kann einer mit einer zunehmenden Alterung der Schmelzsicherung g einhergehenden Änderung der Auslösecharakteristik Rechnung getragen werden.
• Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, eine Zeitdauer zu bestimmen, in der der Temperaturwert über einem bestimmten Schwellwert liegt, und dann den Zustand der Sicherungsvorrichtung unter Verwendung dieser Zeitdauer zu bestimmen. So kann eine erste Zeitdauer bestimmt werden, in der der Temperaturwert über dem ersten Schwellwert liegt und eine zweite Zeitdauer bestimmt werden, in der der Temperaturwert über dem zweiten Schwellwert liegt, usw. Eine derart ermittelte Zeitdauer kann in einem internen Speicher abgelegt werden, sodass eine Gesamtzeit ermittelt werden kann in der der Temperaturwert über dem betreffenden Schwellwert lag. So können also verschiedene Zeitintervalle, die mit einem bestimmten Schwellwert verbunden sind, entsprechend einer mathematischen Verknüpfung aufgerechnet werden und das Ergebnis zur Bestimmung des Zustands beziehungsweise der Alterung der Schmelzsicherung verwendet werden. In einer vereinfachten Version können verschiedene Zeitintervalle, die mit einem bestimmten Schwellwert verbunden sind, addiert werden.
• Figurenliste
• Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
• 1 bis 6 vereinfachte Darstellungen von Schmelzsicherungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
• 7 einen Temperaturverlauf einer Messstelle einer Variante einer beispielsweise in 1 bis 6 gezeigten Schmelzsicherung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 8 ein Kraftfahrzeug mit einem Stromverteiler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
• Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Detaillierte Beschreibung
• 1 zeigt in einer Aufsicht eine Schmelzsicherung 100 zum Absichern einer elektrischen Leitung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Die Schmelzsicherung 100 umfasst ein erstes Kontaktelement 102, ein zweites Kontaktelement 104, einen das erste Kontaktelement 102 und das zweite Kontaktelement 104 verbindenden Auslöseabschnitt 106, einen Temperatursensor 108 sowie eine Auswerteeinrichtung 110. Der Auslöseabschnitt 106 weist eine Messstelle 112 sowie einen Schmelzleiter 114 auf. Die Messstelle 112 ist mit dem Schmelzleiter 114 elektrisch und thermisch verbunden. Eine Messstellen-Temperatur der Messstelle 112 entspricht im Wesentlichen einer Schmelzleiter-Temperatur des Schmelzleiters 114 oder bietet die Möglichkeit eine Aussage über die Temperatur im Schmelzleiter 114 zu treffen. Der Temperatursensor 108 ist ausgebildet, die Messstellen-Temperatur zu erfassen und als Temperaturwert 116 bereitzustellen. Die Auswerteeinrichtung 110 ist ausgebildet, einen Zustand 118 (d.h. Alterungszustand) der Schmelzsicherung 100 unter Verwendung des Temperaturwerts 116 und damit verknüpften Zeitintervallen zu ermitteln.
• Der Auslöseabschnitt 106 ist innerhalb eines elektrisch isolierenden Sicherungsgehäuses 120 angeordnet. Das erste Kontaktelement 102 sowie das zweite Kontaktelement 104 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Messerkontakte ausgeformt, wobei das erste Kontaktelement 102 eine Aussparung 122 aufweist, durch welche das erste Kontaktelement beispielsweise mit einer nicht dargestellten Stromschiene verschraubbar ist. Das zweite Kontaktelement 104 ist beispielsweise in einen nicht dargestellten Federkontakt einschieben bar, oder beispielsweise alternativ mit einer Stromschiene mittels Durchsetzfügen (auch als Toxen bekannt) verbindbar.
• Die Messstelle 112 ist mittig im Schmelzleiter 114 angeordnet und teilt diesen in einen ersten Schmelzleiterabschnitt 124 und einen zweiten Schmelzleiterabschnitt 126. Durch die mittige Anordnung der Messstelle 112 im Schmelzleiter 114 sind die beiden Schmelzleiterabschnitte 124, 126 gleich lang, womit sich die Aussagemöglichkeit über die Temperatur im Schmelzleiter 114 vereinfacht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 108 als ein PTC-Thermistor 128 ausgebildet. Der Temperatursensor 108 ist in die Messstelle 112 integriert. Dabei weist die Messstelle 112 bei SnCu einen höheren Schmelzpunkt auf als der Schmelzleiter 114.
  Die Funktionsweise der in diesem Ausführungsbeispiel extern zum Sicherungsgehäuse 120 angeordneten Auswerteeinrichtung 110 wird anhand des Diagramms in 7 näher erläutert.
• 2 zeigt eine Alternative Anordnung der Messstelle 112. Wie bereits dargestellt umfasst der Auslöseabschnitt 106 die Messstelle 112 sowie den Schmelzleiter 114. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Messstelle 112 zwischen dem zweiten Kontaktelement 104 und dem Schmelzleiter 114 angeordnet.
• 3 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Schmelzsicherung 100, bei der ein kontaktlos messender Temperatursensor 108 extern zu dem Sicherungsgehäuse 120 angeordnet ist. Der Temperatursensor 108 ist als optischer Temperatursensor 330 wie beispielsweise einem Infrarot-Temperatursensor ausgebildet. Das Sicherungsgehäuse 120 weist eine Aussparung 332 auf, durch welche der optische Temperatursensor 330 die Messstellen-Temperatur der Messstelle 112 bestimmt. Die Aussparung 332 kann auch als Messschacht bezeichnet werden. Der optische Temperatursensor 330 ist auf einer Leiterplatte 334 positioniert, die beispielsweise Teil eines Stromverteilers ist, in den die Schmelzsicherung 100 integriert wird. Anstelle der Leiterplatte 334 ist in einem alternativen Ausführungsbeispiel der Temperatursensor 108, 330 auf einem anderen Trägermaterial positioniert. Bei der Montage der Schmelzsicherung 100 auf der Leiterplatte 334 wird die Schmelzsicherung 100 derart positioniert, dass die Aussparung 332 derart platziert ist, dass der optische Temperatursensor 330 die Messstellentemperatur erfassen kann. Der Schacht könnte auch seitlich erfolgen . Der optische Temperatursensor 330 muss nicht zwangsweise mit einer Leiterplatte verbunden sein. Er könnte auch seitlich im Wesentlichen parallel zu einem der Kontaktelemente 102, 104 angeordnet sein. Dabei kann der Schmelzleiter 114 einen gestuften Abschnitt aufweisen, sodass der optische Temperatursensor 330 in einem Messwinkel zwischen 50° und 130° zu dem Schmelzleiter 114 angeordnet ist.
• 4 und 5 zeigen als Stecksicherungen ausgeformte Schmelzsicherungen 100. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Schmelzsicherung 100 einen zusätzlichen Diagnosekontakt 440 auf. Wenn die Auswertevorrichtung 110 innerhalb des Sicherungsgehäuses 120 angeordnet ist, so wird über den Diagnosekontakt 440 ein den Zustand wie beispielsweise den Alterungszustand der Schmelzsicherung 100 repräsentierendes Signal bereitgestellt. Wenn die auswählte Vorrichtung 110 außerhalb des Sicherungsgehäuses 120 angeordnet ist, so wird über den Diagnosekontakt 440 ein den Temperaturwert 116 repräsentierendes Signal bereitgestellt. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 108 als NTC-Thermistor 442 ausgebildet und in die Messstelle 112 integriert. Das den Temperaturwert 116 repräsentierendes Signal wird an die Auswerteeinrichtung 110 geleitet, welche das den Zustand der Schmelzsicherung 100 repräsentierende Signal über den Diagnosekontakt 440 bereitstellt. In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Sicherungsgehäuse 120 eine als Meßschacht ausgeformte Aussparung 332 auf, durch welche ein extern zu dem Sicherungsgehäuse 120 angeordneter Temperatursensor 108 den Temperaturwert 116 erfasst. Dabei handelt es sich um einen PTC-Thermistor 128 oder einen NTC-Thermistor 442. Der Temperatursensor 108 ist auf einer Leiterplatte 334 angeordnet. Sobald die als Stecksicherung ausgebildete Schmelzsicherung in die jeweiligen Federkontakte eingesteckt wird, entsteht ein thermischer sowie mechanischer Kontakt zwischen dem Temperatursensor 108 und der Messstelle 112.
• 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schmelzsicherung 100, wobei der Auslöseabschnitt 106 eine Mehrzahl von Messstellen 112 aufweist. Jeweils eine Messstelle 112 ist zwischen den Kontaktelementen 102, 104 und dem Schmelzleiter 114 angeordnet. Eine weitere Messstelle 112 ist mittig im Schmelzleiter 114 angeordnet. Die beiden verbleibenden Schmelzleiterabschnitte werden nochmals durch jeweils eine Messstelle 112 unterteilt. Die in den Messstellen 112 angeordneten Temperatursensoren 108 sind mit einer in dem Sicherungsgehäuse 120 angeordneten Auswerteeinrichtung 110 verbunden. Zum Bereitstellen der Zustandsinformation 650 zeigt das Ausführungsbeispiel eine Auswerteeinrichtung 110, die in das Sicherungsgehäuse integriert ist. Da sowohl die Auswerteeinrichtung 110 als auch der Temperatursensor 108 bzw. die fünf Temperatursensoren 108 in das Sicherungsgehäuse 120 integriert sind, so kann man dies auch als eine Schmelzsicherung 100 mit integriertem Messdatenmodul bezeichnen. Die Verarbeitung der Messwerte erfolgt in der Schmelzsicherung und wird unter anderem zur Lastreduzierung oder Signalisierungen verwendet. Zusätzlich zum Temperatursensor 108 enthält die Schmelzsicherung 100 einen Baustein zum Vergleich der Messdaten mit den festgelegten und dort abgelegten Temperaturwerten der Schmelzsicherung 100 und eine Möglichkeit die Messdaten in einen Zeitbezug (siehe auch 7) zu setzen, zu speichern und Signale nach außen abzugeben. Die Signale können über eine Steckerschnittstelle, drahtlos oder als aufgeprägtes Signal über die Lastanschlüsse der Schmelzsicherung 100 ausgegeben werden.
• Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1-6 als Referenz beibehalten.
• 7 zeigt einen Temperaturverlauf 760 über die Zeit t. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur T dargestellt. Dabei sind ein erster Schwellwert T₁ und ein zweiter Schwellwert T₂ eingezeichnet. Der Temperaturverlauf 760 überschreitet zum Zeitpunkt t₁ den ersten Schwellwert T₁ , um dann zum Zeitpunkt t₂ wieder unterhalb des ersten Schwellwerts T₁ zu sinken. Zum Zeitpunkt t₃ übersteigt der Temperaturverlauf 760 den ersten Schwellwert T₁ , zum Zeitpunkt t4 übersteigt der Temperaturverlauf 760 den zweiten Schwellwert T₂ . Zum Zeitpunkt t₅ sinkt der Temperaturverlauf 760 unter den zweiten Schwellwert T₂ , zum Zeitpunkt t₆ sinkt der Temperaturverlauf 760 unter den ersten Schwellwert T₁ . Im Folgenden wird das Zeitintervall zwischen t₁ und t₂ als Δt₁ , das Zeitintervall zwischen t₃ und t₆ als Δt₂ sowie das Zeitintervall zwischen t₄ und t₅ als Δt₃ bezeichnet.
• Die Auswerteeinrichtung 110 ist ausgebildet, den Zustand der Schmelzsicherung 100 unter Verwendung des Temperaturverlauf 760 und insbesondere der Information über das über- und unterschreiten der verschiedenen Schwellwerte T₁ , T₂ zu bestimmen. So kann der Zustand der Schmelzsicherung 100 unter Verwendung der Anzahl des Überschreitens der einzelnen Schwellwerte T₁ , T₂ , der Dauer des Überschreitens der einzelnen Schwellwerte T₁ , T₂ , oder einem Integral über den Temperaturverlauf 760, solange der Temperaturverlauf 760 über einem entsprechenden Schwellwert T₁ , T₂ ist, bestimmt werden. Für die so bestimmte Anzahl des Überschreitens, Dauer des Überschreitens oder ein entsprechend gebildetes Integral können bestimmte Grenzen definiert werden, die bei erreichen oder überschreiten ein Indiz für einen Zustand wie beispielsweise einen Alterungszustand der Schmelzsicherung 100 sind. Dabei kann eine Mehrzahl von Grenzen (Schwellwerten) definiert werden, die jeweils einen unterschiedlichen Zustand definieren. Schwellwerte T2 oder weitere Schwellwerte, ab denen die Anwendung eine Reaktion hervorrufen soll, sind Funktionen in Abhängigkeit der Integrale des Temperaturverlaufes.
• Mit anderen Worten wird die Temperatur im Bereich des Schmelzleiters 114 mit den für die Schmelzsicherung 100 festgelegten Temperaturwerten T₁ , T₂ verglichen und dadurch die Funktionsfähigkeit/Funktionsbereitschaft der Schmelzsicherung 100 bewertet. Wobei die Funktionsfähigkeit/Funktionsbereitschaft durch die Festlegung mehrerer Temperaturen qualitativ abgestuft bewertet werden kann. Zusätzlich kann ein zeitlicher Faktor den Temperaturwerten 116 zugeordnet werden. Die Verweilzeit über den als Schwellwert T₁ , T₂ definierten Temperaturwerten kann entlang der Betriebszeit der Schmelzsicherungen 100 für eine zusätzliche Bewertung der Funktionsfähigkeit/Funktionsbereitschaft der Schmelzsicherung 100 erfasst und bewertet werden. Außer der Temperatur im Bereich des Schmelzleiters 114 und gegebenenfalls der Zeit Δt₁ , Δt₂ wird keine weitere Messgröße erfasst. Die Verarbeitung der Messwerte t₁ , t₂ , t₃ , t₄ , t₅ , t₆ , Δt₁ , Δt₂ erfolgt außerhalb der Schmelzsicherung 100 und wird beispielsweise zur Lastreduzierung oder Signalisierungen verwendet.
• 8 zeigt ein Fahrzeug 870 mit einem Bordnetz 872, in dem zumindest ein Stromverteiler 874 und eine Anzahl Lasten 876 angeordnet sind. Der Stromverteiler 874 weist zu mindestens eine Schmelzsicherung 100 gemäß einem der Ausführungsbeispiele, wie dieses beispielhaft in den Figuren 1 bis 6 dargestellt ist, auf, über die zumindest eine 876 mit Energie versorgt war ist.. Der Stromverteiler 874 ist mit einem Energieversorgungssystem 878 verbunden und verteilt die von dort bezogene Energie auf die über Leitungen 880 angeschlossenen Lasten 876.
• Bezugszeichenliste

100

Schmelzsicherung

102

erstes Kontaktelement

104

zweites Kontaktelement

106

Auslöseabschnitt

108

Temperatursensor

110

Auswerteeinrichtung

112

Messstelle

114

Schmelzleiter

116

Temperaturwert

118

Zustand

120

Sicherungsgehäuse

122

Aussparung

124

erster Schmelzleiterabschnitt

126

zweiter Schmelzleiterabschnitt

128

PTC-Thermistor

330

optischer Temperatursensor

332

Aussparung, Meßschacht

334

Leiterplatte

440

Diagnosekontakt

442

NTC-Thermistor

650

Zustandsinformation

760

Temperaturverlauf

T₁, T₂

Schwellwert

t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆

Zeitpunkt

Δt₁, Δt₂

Zeitintervall, Zeitdauer

870

Fahrzeug, Kraftfahrzeug

872

Bordnetz

874

Stromverteiler

876

Last

878

Energieversorgungssystem

880

Leitungen

Claims (3)

1. Schmelzsicherung (100) zum Absichern einer elektrischen Leitung (880) in einem Bordnetz (872) eines Kraftfahrzeugs (870), umfassend: a. ein erstes Kontaktelement (102), b. ein zweites Kontaktelement (104), c. einen das erste Kontaktelement (102) und das zweite Kontaktelement (104) elektrisch verbindenden Auslöseabschnitt (106) mit - einem Schmelzleiter (114) und - mindestens einer Messstelle (112), welche mit dem Schmelzleiter (114) elektrisch und thermisch verbunden ist, d. mindestens ein Temperatursensor (108), der ausgelegt ist zur Erfassung eines Temperaturwerts (116) der Messstellen-Temperatur und der den Temperaturwert (116) zur Bestimmung des Alterungszustandes der Schmelzsicherung (100) bereitstellt; e. die Messstelle (112) im Schmelzleiter (114) angeordnet ist und diesen in einem ersten Schmelzleiterabschnitt (124) und einen zweiten Schmelzleiterabschnitt (126) unterteilt; und f. jeder Temperatursensor (108) in die jeweilige Messstelle (112) integriert ist.
2. Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 1, bei der der Auslöseabschnitt (106) in einem elektrisch isolierenden Sicherungsgehäuse (120) aufgenommen ist.
3. Schmelzsicherung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der der Temperatursensor (108) als Kaltleiter respektive PTC-Thermistor (128) und/oder Heißleiter respektive NTC-Thermistor (442) ausgebildet ist.

Images