-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von mindestens einem Schalter, wobei über einen Signalgenerator und über wenigstens einen Kondensator ein Wechselspannungssignal in den Strompfad des zu überwachenden Schalters eingekoppelt wird und wobei das Wechselspannungssignal über wenigstens einen weiteren Kondensator zur Erfassung einer Ausgangsspannung wieder ausgekoppelt wird, und wobei keine Ausgangsspannung anliegt, wenn der wenigstens eine Schalter geschlossen ist.
-
Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von mindestens einem Schalter ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 211 510 A1 bekannt. Dort wird eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit, insbesondere eines Relais beschrieben, welche ermittelt, ob das Relais noch sauber trennt. Aus Sicherheitsgründen muss die Funktionsfähigkeit von wichtigen Relais überprüft werden, um sicherzustellen, dass ein Stromkreis sauber von einem Stromnetz getrennt werden kann. Diese Sicherungsfunktion kommt unter anderem auch in Ladegeräten und Ladekabeln für Elektroautos zum Einsatz. Denn bei Relais besteht die Gefahr, dass bei häufigen Schaltvorgängen, insbesondere bei großen Strömen, beim Schaltvorgang eine hohe Temperatur auftritt, was zur Folge hat, dass die Schaltkontakte zumindest teilweise miteinander verschweißt werden. Dieses Verschweißen führt dazu, dass das Relais nicht mehr sauber öffnet und somit der Stromkreis nicht mehr sauber getrennt werden kann. Mit der Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von mindestens einem Schalter wird dieses Sicherheitsrisiko vermieden, indem das Relais permanent auf seine Funktionsfähigkeit getestet wird. Dazu verwendet die Vorrichtung einen Signalgenerator, welcher über wenigstens einen Kondensator ein Wechselspannungssignal in den Strompfad des zu überwachenden Relais einkoppelt. Weiterhin kann das Wechselspannungssignal über wenigstens einen weiteren Kondensator zur Erfassung einer Ausgangsspannung wieder ausgekoppelt werden. Die Schaltung ist dabei so aufgebaut, dass eine Ausgangsspannung nur dann anliegt, wenn das Relais geöffnet ist, und dass keine Ausgangsspannung anliegt, wenn das Relais geschlossen ist. Dies bedeutet, dass nur dann eine Ausgangsspannung erfasst werden kann, wenn der Schalter geöffnet ist. Wenn z. B. der Signalgenerator ausfällt, so würde auch keine Ausgangsspannung anliegen und somit signalisiert werden, dass der Schalter nicht geöffnet wird und dass ein Sicherheitsproblem vorliegt. Die Schaltung hat somit den Vorteil, dass zum einen die Funktionsfähigkeit des Relais überwacht wird und dass sie in sich inhärent sicher ist, da der dafür benötigte Signalgenerator bei einem Ausfall ebenfalls zu einer fehlenden Ausgangsspannung führt, die somit ebenfalls dem Benutzer signalisiert wird. Bei der fehlenden Ausgangsspannung dürfen der elektrische Schaltkreis und die dazugehörigen Geräte und Vorrichtungen nicht betrieben werden.
-
Die Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von mindestens einem Schalter benötigt dazu einen Signalgenerator. Dieser Signalgenerator stellt jedoch einen zusätzlichen Kostenfaktor dar, was bei relativ günstigen Schaltungen und den dazugehörigen Geräten nicht zu vernachlässigen ist. Es besteht daher die Aufgabe, einen Schalter auf Funktionsfähigkeit zu überwachen, ohne einen zusätzlichen Signalgenerator für den Zweck der Überwachung des Schalters vorsehen zu müssen.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den Zeichnungen zu entnehmen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Wechselspannungssignal zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des mindestens einen Schalters nämlich nicht durch einen eigenen Signalgeneratorerzeugt, sondern aus einer anderen Überwachungsvorrichtung für Stromkreise ausgekoppelt. Häufig gibt es in Stromkreisen schon Überwachungsvorrichtungen, welche ebenfalls ein Wechselspannungssignal zur Überprüfung eines bestimmten Zustandes verwenden. Dazu zählen z. B. sogenannte „Fluxgate“-Sensoren, mit denen ein Magnetfeld gemessen werden kann, welches z. B. durch einen elektrischen Leiter erzeugt wird. Diese Sensoren beruhen darauf, dass auf einem ringförmigen magnetisierbaren Körper zwei Spulen aufgebracht sind. Dabei sind eine sogenannte Treiberwicklung und eine sogenannte Sensorwicklung vorgesehen. Die Treiberwicklung wird dabei von einem Wechselspannungssignal periodisch gespeist und magnetisiert so den Kern ständig um. Die Sensorwicklung gibt eine induzierte Spannung ab. Die Spannung der Treiberwicklung und die Ausgangsspannung des Sensors stehen dabei in einem bestimmten Verhältnis. Wird nun in den Sensor ein magnetischer Gegenstand oder ein stromdurchflossener Leiter mit einem Magnetfeld eingebracht, so ändert sich die Ausgangsspannung, und aus der Differenz zwischen der ursprünglichen Ausgangsspannung und der sich verändernden Ausgangsspannung lässt sich das Magnetfeld bestimmen. Dieses Prinzip kommt z. B. bei sogenannten FI-Schutzschaltern zum Einsatz, welche zuverlässig AC und DC Fehlerströme erkennen können und dann sicherheitshalber die Spannung abschalten. Bei der vorliegenden Erfindung ist nun vorgesehen, dass die Ausgangsspannung des FI-Schutzschalters oder eine durch eine weitere Wicklung abgegriffene Ausgangsspannung dazu genutzt wird, ein Wechselspannungssignal zu erzeugen, welches in den mit einem zu überwachenden Schalter vorgesehenen Stromkreis eingespeist wird. Auf diese Art und Weise kann das Wechselspannungssignal des Signalgenerators im Stand der Technik durch das Ausgangssignal der anderen Überwachungsvorrichtung, insbesondere des FI-Schutzschalters, ersetzt werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass das Wechselspannungssignal aus dem Signalgenerator der anderen Überwachungsvorrichtung für Stromkreise ausgekoppelt wird. Anstelle das Ausgangssignal eines FI-Schutzschalters als das Ausgangssignal einer zweiten oder zusätzlichen dritten Wicklung zu nutzen, kann auch direkt das eingekoppelte Signal des FI-Schutzschalters verwendet werden, und so der Signalgenerator des FI-Schutzschalters auch als Signalgenerator für die Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des mindestens einen Schalters verwendet werden.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die andere Überwachungseinrichtung und die Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von mindestens einem Schalter gemeinsam in einem Ladegerät oder Ladekabel angeordnet sind. In diesem Fall kann in einem Ladekabel oder Ladegerät, insbesondere zur Ladung von Batterien von Elektroautos, mindestens ein Signalgenerator eingespart werden, indem z. B. das Ausgangssignal des ohnehin aus Sicherheitsgründen erforderlichen FI-Schutzschalters dazu verwendet wird, mindestens einen anderen Schalter, wie z. B. ein Relais, auf Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Dies senkt die Baukosten eines entsprechenden sicherheitstechnisch vorgeschriebenen Schaltkreises zur Ladung von Elektroautos deutlich.
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 den Schaltplan einer Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von drei parallel angeordneten Schaltern im Leiter, Nullleiter und Schutzleiter einer Spannungsversorgung nach dem Stand der Technik und
- 2 den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von drei parallel angeordneten Schaltern im Leiter, Nullleiter und Schutzleiter einer Spannungsversorgung mit einem kombinierten Signalgenerator.
-
Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Spannungsversorgung, welche z. B. Teil eines Ladegeräts für die Akkumulatoren von Elektroautos ist nach dem Stand der Technik. Im Falle eines Defekts im Ladegerät muss dieses von der Spannungsversorgung des Stromnetzes zuverlässig getrennt werden. Diese geschieht in der 1 mittels der drei Relais Rel-L1 in Leiter L1, Rel-N im Nullleiter N und Rel-PE im Schutzleiter PE. Auf diese Art und Weise können sowohl Leiter L1 als auch Nullleiter N als auch der Schutzleiter PE von der Spannungsversorgung des Ladegeräts abgekoppelt werden und so der Stromfluss zwischen Stromnetzladegerät zuverlässig unterbunden werden. Dies ist allerdings nur dann sichergestellt, wenn die Relais zuverlässig funktionieren. Insbesondere muss gewährleistet sein, dass die Relais zuverlässig trennen, um die Spannungsversorgung zu unterbinden. In der 1 ist ein Transformator T zu erkennen, über dessen Primärwicklung Tr ein Wechselspannungssignal eingekoppelt werden kann. Dieses Wechselspannungssignal wird vom Signalgenerator S erzeugt, welcher wiederum Teil der Ladevorrichtung sein kann und dessen Wechselspannungssignal z.B. zum Ansteuern von Halbleiterbauelementen in einem Schaltnetzteil von der Steuerelektronik der Ladevorrichtung stammt.
-
Die Leiter L1, Nullleiter N und Schutzleiter PE sind jeweils durch die Kondensatoren C2, C3, C4 mit der Sekundärwicklung Tr1 verbunden, so dass die Wechselspannung des Signalgenerators S über die Kondensatoren C2, C3, C4 in die Schalter eingekoppelt werden kann, ohne dass eine galvanische Verbindung zwischen den Leitern L1, N, PE existieren muss. Diese Wechselspannung wird über den weiteren Kondensator C1 wieder ausgekoppelt und an einen Optokoppler 1 weitergegeben, welcher mit einer parallel in Sperrrichtung geschalteten Diode D1 verbunden ist. Durch den Optokoppler 1 wird der Schaltkreis auf der linken Seite ebenfalls komplett galvanisch vom Niederspannungsbereich auf der rechten Seite getrennt.
-
Wenn alle Schalter Rel-L1, Rel-N, Rel-PE geöffnet sind, fällt über dem Widerstand R1 nur eine geringe Spannung ab und es fließt ein Strom durch den Optokoppler. Dadurch kann am Ausgang des Optokopplers eine Ausgangsspannung U-out festgestellt werden. Dies bedeutet, dass immer dann, wenn rechts am Ausgang eine Ausgangsspannung U-out festgestellt werden kann, sämtliche Schalter Rel-L1, Rel-N und Rel-PE geöffnet sind und somit zuverlässig trennen. Wenn auch nur einer der drei Schalter Rel-L1, Rel-N, Rel-PE geschlossen ist, fällt die volle Spannung am Widerstand R1 ab und über den Optokoppler 1 fließt kein Strom. Dies führt dazu, dass am Ausgang auch keine Ausgangsspannung U-out anliegt.
-
Derselbe Effekt tritt ein, wenn der Signalgenerator S defekt ist und überhaupt keine Wechselspannung über die Transformatorwicklung Tr einkoppelt wird. Dann fließt ebenfalls kein Strom durch den Optokoppler 1, und es liegt keine Ausgangsspannung U-out an. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass nur dann eine Ausgangsspannung U-out anliegt, wenn zum einen alle Schalter Rel-L1, Rel-N und Rel-PE trennen und zum anderen der Signalgenerator S funktioniert und eine Wechselspannung einspeist. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die Relais in Ordnung sind und die Wechselspannung vom Signalgenerator S korrekt anliegt. Somit deutet ein Ausbleiben der Ausgangsspannung U-out auf jeden Fall auf einen Fehler hin, entweder ist der Signalgenerator S defekt oder die Schalter Rel-L1, Rel-N und Rel-PE trennen nicht. In jedem Fall liegt ein Fehler vor und im Ladegerät wird eine entsprechende Warnung ausgegeben. Für die Überwachung der drei Relais Rel-L1, Rel-N und Rel-PE ist somit nur ein einziger Signalgenerator S notwendig, es könnten auch noch beliebig viele weitere Relais parallel überwacht werden. Weiterhin sind durch die Kondensatoren C3, C4 die Leiter L1 und der Nullleiter N galvanisch getrennt.
-
Für den Fall, dass durch die Wechselspannung des Signalgenerators S elektromagnetische Störungen auftreten, kann die Wechselspannung durch einem Schalter Ts die Wechselspannung des Signalgenerators S an- und abgeschaltet werden. So ist es möglich, nur in bestimmten zeitlichen Abständen die Wechselspannung durch den Schalter Ts kurz einzuschalten, um den Test der Schalter Rel-L1, Rel-N und Rel-PE durchzuführen und so elektromagnetische Unverträglichkeiten auf ein Minimum zu begrenzen.
-
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche auf der Vorrichtung aus 1 basiert. Dabei entfällt der in 1 vorhandene Signalgenerator S und die Spannung der Sekundärwicklung UTr1 wird an der Sekundärwicklung Tr1 eines FI-Schutzschalters FI abgegriffen. Der FI-Schutzschalter FI selbst weist einen eigenen Signalgenerator SFI auf, welcher für die Funktionsweise des FI-Schutzschalters FI benötigt wird. Der FI-Schutzschalter FI dient dazu, Ströme in Leitern, wie dem Leiter L1, dem Nullleiter N oder dem Schutzleiter PE zu vergleichen und bei Überschreiten einer zulässigen Stromdifferenz den Schaltkreis vom Stromnetz abzuschalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun aus dem FI-Schutzschalter FI eine Wechselspannung UTr1 ausgekoppelt, welche dazu verwendet wird, die Funktionsfähigkeit der Relais Rel-L1 bis Rel-N sowie des Relais Rel-PE zu prüfen. Da insbesondere bei Ladegeräten und Ladekabeln für Elektroautos aus Sicherheitsgründen ein FI-Schutzschalter FI ohnehin vorhanden sein muss, kann so der im Stand der Technik in 1 benötigte Signalgenerator S entfallen und das Signal wird stattdessen aus dem FI-Schutzschalter FI ausgekoppelt. Auf diese Art und Weise können die Kosten für die Sicherheitstechnik von Ladekabeln und Ladegeräten bei Elektroautos in anderen Geräten erheblich gesenkt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Optokoppler
- L1
- Leiter
- N
- Nullleiter
- FI
- FI-Schutzschalter
- PE
- Schutzleiter
- Rel-L1
- Relais im Leiter
- Rel-N
- Relais im Nullleiter
- Rel-PE
- Relais im Schutzleiter
- Tr
- Primärwicklung
- Tr1
- Sekundärwicklung
- T
- Transformator
- C1, C2, C3, C4, C10
- Kondensatoren
- D1
- Diode
- R1, R2, R5
- Widerstände
- U-out
- Ausgangsspannung
- UTr1
- Spannung der Sekundärwicklung
- S
- Signalgenerator
- SFI
- Signalgenerator des FI-Schutzschalters
- Ts
- Schalter
- Vcc
- Versorgungsspannung des Optokopplers
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015211510 A1 [0002]
