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Die
Erfindung betrifft eine Sicherungsanordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz.
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Bei
elektrischen Stromkreisen, insbesondere bei elektrischen Kraftfahrzeug-Bordnetzen wird regelmäßig jeder
Strompfad über
ein üblicherweise
als Überstromsicherung
ausgebildetes Sicherungselement abgesichert. In einem Kraftfahrzeug-Bordnetz werden
hierbei oftmals so genannte Schmelzsicherungen eingesetzt. Diese
sind beispielsweise als Schmelzleiterstreifen eines Stanzbleches
ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Stanzblech als
ein Vielfach-Sicherungselement
für mehrere
Strompfade mit mehreren derartigen Schmelzleiterstreifen ausgebildet
ist.
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Neben
der Absicherung der einzelnen Strompfade ist oftmals auch eine Strommessung
des über
den jeweiligen Strompfad fließenden
Stromes gewünscht.
Strommessungen im Kraftfahrzeug-Bordnetz werden beispielsweise mit
Hall-Sensoren oder
auch mit so genannten Shunt-Widerständen durchgeführt. Vor
allem bei der Messung von sehr hohen Strömen, wie sie in den so genannten Vorsicherungsdosen
auftreten, ist die Verwendung von Shunt-Widerständen aufwändig, da zusätzliche Elemente
und zusätzliche
Kontakte verwendet werden müssen.
Unter Vorsicherungsdosen werden allgemein derartige Sicherungsdosen
verstanden, die unmittelbar der Kraftfahrzeugbatterie nachgeschaltet sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach ausgestaltete
Strommessung insbesondere im Kraftfahrzeug-Bordnetz zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine Sicherungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Sicherungsanordnung umfasst hierbei ein Sicherungsblech mit
einer Anzahl von als Schmelzsicherungen ausgebildeten Sicherungselementen
zur Absicherung eines jeweiligen Strompfades. Angrenzend an den
jeweiligen Sicherungselementen sind Spannungs-Messabgänge vorgesehen, die
im Betrieb mit einer Auswerteeinheit zur Ermittlung des über den
jeweiligen Strompfad fließenden elektrischen
Stromes verbunden sind.
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Durch
die Bereitstellung der Messabgänge an
den jeweiligen Sicherungselementen besteht die Möglichkeit, den Spannungsabfall über das
jeweilige Sicherungselement zu erfassen und auszuwerten. Die Sicherungselemente
haben regelmäßig einen definierten
Widerstand, so dass aus dem Spannungsabfall und dem bekannten Widerstand
des jeweiligen Sicherungselements der über den jeweiligen Strompfad
fließende
Strom ermittelt werden kann. Insgesamt sind hierdurch keine zusätzlichen
aufwändigen
Strom-Messshunts erforderlich. Die Strommessung ist vielmehr in
die Sicherungsanordnung mit integriert und kann daher insgesamt
sehr einfach aufgebaut werden. Es sind keine zusätzlichen Elemente, Gehäuse oder
Kontaktierungen zur Strommessung erforderlich. Auch muss kein zusätzlicher Widerstand
für eine
Strommessung in den Strompfad geschaltet werden. Schließlich können auch
vorhandene Gehäuse
für die
Auswerteelektronik genutzt werden. Prinzipiell lässt sich diese Stromauswertung bei
einer Sicherungsanordnung mit nur einer Schmelzsicherung anwenden.
Vorzugsweise weist die Sicherungsanordnung jedoch mehrere Schmelzsicherungen
zur Absicherung von mehreren Strompfaden auf, ist also als eine
Vielfach-Sicherung ausgebildet.
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Zweckdienlicherweise
sind die Messabgänge
mit einer Platine verbunden, wobei diese Platine oder Leiterplatte
zusammen mit dem Sicherungsblech eine Baueinheit bildet. Die Baueinheit
wird auch als Sicherungseinheit bezeichnet. Unter Sicherungs- oder
Baueinheit wird hierbei verstanden, dass das Sicherungsblech und
die Platine unmittelbar aneinander und nach der Montage vorzugsweise
unlösbar
verbunden sind. Zweckdienlicherweise ist hierbei die Platine parallel
zu dem Sicherungsblech angeordnet. Durch die Ausgestaltung als eine
Baueinheit ist eine einfache Montage der Sicherungsanordnung möglich. Zudem
lässt sich
durch die unmittelbare Integration der Platine in die Sicherungsanordnung
bereits eine Auswerteelektronik in die Sicherungsanordnung integrieren.
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Im
Hinblick auf einen möglichst
einfachen Aufbau sind die Messabgänge zweckdienlicherweise als
einfache Blechlaschen des Sicherungsbleches ausgebildet. Zur Verbindung
mit der Platine sind diese Blechlaschen bevorzugt beispielsweise
um etwa 90° umgebogen
und in entsprechende Aufnahmen der Platine eingesteckt und dort
beispielsweise verlötet.
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Die
bei Schmelzsicherungen verwendeten Sicherungselemente, insbesondere
die Schmelzleiterstreifen, sind in der Regel derart ausgelegt, dass sie
bereits im Bereich erlaubter Ströme
im Inneren sehr heiß werden
können,
beispielsweise bis zu 170°C.
Durch diese starke Temperaturänderung
verändert
sich der elektrische Widerstand bei dem beispielsweise verwendeten
Kupfermaterial um etwa 60% (im Vergleich zu der normalen Umgebungstemperatur
von 20°C).
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Vor
diesem Hintergrund ist daher gemäß einer
zweckdienlichen Ausgestaltung zumindest ein Temperatursensor zur
Erfassung der Temperatur des Sicherungsblechs vorgesehen. Anhand
der gemessenen Temperatur wird dann der aktuelle Widerstand des
Stromelements bestimmt. Allerdings ist die Erfassung der Temperatur
nicht zwingend erforderlich, nämlich
dann, wenn die Messabgänge
an geeigneter Stelle angeordnet sind, die ausreichend weit von den heißen Stellen
des Schmelzsicherungselemnts entfernt sind.
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Durch
die bevorzugte Verwendung von mehreren Temperatursensoren, beispielsweise
Thermoelementen, wird die Genauigkeit der Strommessung erhöht.
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Zweckdienlicherweise
ist dabei der Temperatursensor auf der Platine angeordnet und thermisch
mit dem Sicherungsblech verbunden. Der Temperatursensor ist daher
vorzugsweise einerseits mit elektrischen Kontaktbeinchen mit der
Platine insbesondere durch Löten
verbunden. Andererseits liegt der Temperatursensor mit seiner temperatursensitiven
Fläche
mittelbar oder unmittelbar am Sicherungsblech an, so dass er dessen
Temperatur aufnimmt. Wichtig ist, dass ein guter thermischer Kontakt
zum Sicherungsblech besteht. Bei der Ausgestaltung als Baueinheit
ist der Temperatursensor hierbei zweckdienlicherweise im Zwischen raum
zwischen der Platine und dem Sicherungsblech nach Art einer Sandwich-Bauweise angeordnet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist unmittelbar auf der Platine eine die
Auswerteeinheit bildende Auswerteelektronik angeordnet, die zur
Ermittlung des jeweiligen Stromes des Strompfades ausgebildet ist.
Hierdurch besteht daher die Möglichkeit,
sämtliche
gewünschten
Auswertungen unmittelbar in der Baueinheit vorzunehmen und beispielsweise
die ausgewerteten Signale an eine übergeordnete Einheit, beispielsweise
eine zentrale Steuer- oder Auswerteeinheit weiterzuleiten. In diesem
Fall handelt es sich daher um eine hoch integrierte, vorgefertigte
Baueinheit, die beispielsweise ausgewertete Signale an einen zentralen
Bordcomputer übermittelt. Alternativ
hierzu ist die Platine lediglich als eine einfache Platine ausgebildet,
die zur unmittelbaren Weiterleitung der ermittelten Signale, nämlich der
Spannungssignale und gegebenenfalls auch des Temperatursignals,
an die zentrale Steuer- oder Auswerteeinheit weiterleitet.
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Für die Übermittlung
der Signale an das zentrale Steuergerät weist die Platine vorzugsweise
eine Schnittstelle auf, so dass die einzelnen Signale über einen
jeweiligen Datenbus, beispielsweise den sogenannten LIN-Bus (local
interconnect network) an das zentrale Steuergerät übermittelt werden kann. Zweckdienlicherweise
ist zusätzlich
auf der Platine ein Stecker, beispielsweise eine PIN-Leiste integriert, über die
der Anschluss an den Datenbus erfolgen kann.
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Das
Sicherungsblech ist allgemein zweckdienlicherweise als Stanzblech
ausgebildet, welches für
jeden Strompfad eine Abgangslasche aufweist. Jede der Abgangslaschen
weist einen Schmelzleiterstreifen auf, der im Falle eines unzulässigen Überstromes
durchschmilzt. Im einfachsten Fall ist dieser Schmelzleiterstreifen
als eine geeignete Verjüngung der
Abgangslasche in einem definierten Bereich ausgebildet. Der Schmelzleiterstreifen
ist zum Schutz hierbei von einem Gehäuse umgeben, insbesondere gekapselt.
Beidseitig des Schmelzleiterstreifens ist jeweils eine der Blechlaschen
als Messabgang ausgebildet. Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine der
Blechlaschen, nämlich
die batterieseitige Blechlasche, von mehreren Strompfaden gemeinsam
herangezogen wird, da batterieseitig sämtliche Abgangslaschen auf
dem gleichen Potenzial liegen.
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Zur
einfachen Befestigung sind im Sicherungsblech Befestigungslöcher beispielsweise
zur Schraubbefestigung oder auch zum Aufstecken des Sicherungsblechs
vorgesehen. Mit dieser Befestigung wird zugleich die gesamte Baueinheit
an der vorgesehenen Stelle, beispielsweise innerhalb einer Vorsicherungsdose,
befestigt.
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Zweckdienlicherweise
ist vorgesehen, dass bei Erkennen eines Überstroms oder auch eines Fehlerstroms
zugleich entsprechende Maßnahmen,
wie beispielsweise Abschalten des betroffenen Strompfades, vorgenommen
werden. Dies wird von geeigneter Stelle veranlasst, beispielsweise
direkt von der auf der Platine integrierten Auswerteeinheit oder
vom zentralen Steuergerät
aus. Hierzu sind Schaltelemente für den jeweiligen Strompfad,
wie beispielsweise Halbleiter-Schalter, vorgesehen, die von der Auswerteeinheit
bzw. dem zentralen Steuergerät
aus angesteuert werden.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Ausgestaltung sind die Schaltelemente hierbei integraler
Bestandteil der Baueinheit, die auch als Sicherungseinheit bezeichnet
wird. Unter Sicherungseinheit wird hierbei insbesondere die Baueinheit
umfassend die Platine sowie das Sicherungsblech mit den an diesen befestigten
weiteren Komponenten verstanden. Die Sicherungseinheit kann ein
Gehäuse
aufweisen, in dem die einzelnen Komponenten integriert sind.
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In
einer alternativen Ausgestaltung sind die Schaltelemente extern,
also getrennt und beabstandet von der Sicherungseinheit angeordnet.
In diesem Fall sind sie insbesondere als sogenannte Pyrosicherungen
ausgebildet, die mit Hilfe einer pyrotechnischen Ladung ein Trennen
des Strompfades bewirken.
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Durch
die Auswertung des Spannungsabfalls wird in zweckdienlicher Weiterbildung
zudem auch das jeweilige Sicherungselement im Hinblick auf seine
Funktionsfähigkeit überprüft. Vorzugsweise wird
hierzu der anhand des Spannungsabfalls ermittelte Stromwert mit
einem anderweitig gemessenen Stromwert des je weiligen Strompfads
verglichen. Ergibt dieser Vergleich Unterschiede in den Stromwerten,
so wird dies als Indiz für
eine Fehlfunktion des Sicherungselements oder auch eine Alterung
des Sicherungselements mit sich verändernden Widerständen ausgewertet.
Eine derartige Veränderung
kann als Indiz auf einen bevorstehenden Ausfall des Sicherungselements
gewertet werden und beispielsweise als Fehler im zentralen Steuergerät hinterlegt werden,
so dass bei einer darauf folgenden Inspektion die Sicherungsanordnung
ausgetauscht werden kann.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
jeweils in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
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1A eine
Aufsicht auf eine Sicherungsanordnung mit mehreren als Schmelzsicherungen
ausgebildeten Sicherungselementen,
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1B die
Sicherungsanordnung gemäß 1A in
einer Seitenansicht und
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2 eine
Seitenansicht einer Baueinheit einer Sicherungsanordnung mit einem
Sicherungsblech und einer parallel hierzu angeordneten Platine.
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In
den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Die
in den Figuren dargestellte Sicherungsanordnung ist als eine Mehrfach-Sicherung ausgebildet
und dient insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz.
Sie wird üblicherweise
unmittelbar im Bereich der Batterie und zwar vorzugsweise einer
so genannten Vorsicherungsdose eingesetzt.
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Als
zentrales Element weist sie ein Sicherungsblech 2 auf,
welches üblicherweise
als ein Stanzblech ausgebildet ist. Als Material für das Sicherungsblech 2 wird üblicherweise
Kupfer verwendet. Das Sicherungsblech 2 weist einen gemeinsamen
Basisbereich 4 auf, von dem mehrere Abgangslaschen 6 abgehen.
Jede dieser Abgangslaschen 6 definiert einen zu sichernden
Strompfad. In den Abgangslaschen 6 sowie im Basisbereich 4 sind
Befestigungslöcher 8 vorgesehen, über die
das Sicherungsblech 2 in der Vorsicherungsdose befestigbar ist.
Die Befestigung erfolgt beispielsweise durch Schraubverbindungen
oder auch durch einfaches Aufstecken.
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Jede
der Abgangslaschen 6 weist eine Schmelzsicherung 10 auf,
die nur bei der linken Abgangslasche 6 schematisch dargestellt
ist. Der Bereich um die Schmelzsicherung 10 ist von einem
Gehäuse 12 jeweils
eingekapselt. Beidseitig des Gehäuses 12 sind
im Ausführungsbeispiel
Messabgänge 14A,
B vorgesehen, die zur Erfassung des Spannungsabfalls über die
Schmelzsicherung 10 dienen. Der Messabgang 14A bildet
hierbei den batterieseitigen Messabgang und der Messabgang 14B den strompfadseitigen
Messabgang. Im Ausführungsbeispiel
sind lediglich an den beiden äußeren Abgangslaschen 6 die
Messabgänge 14A,
B dargestellt. Auch an den weiteren Abgangslaschen 6 sind
vorzugsweise derartige Messabgänge
vorgesehen, um den Spannungsabfall über jede der einzelnen Schmelzsicherungen 10 erfassen
zu können.
Anstelle der mehreren batterieseitigen Messabgänge 14A besteht auch
die Möglichkeit,
lediglich einen batterieseitigen Messabgang 14A vorzusehen.
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Wie
aus der 1A zu entnehmen ist, sind die
Messabgänge 14A,
B in einfacher Art und Weise ebenfalls durch ausgestanzte Laschen
des Sicherungsblechs 2 gebildet.
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Anhand
der 2 ist die Verbindung des Sicherungsblechs 2 mit
einer Platine 16, also einer gedruckten Leiterplatte, zu
erkennen. Zur Verbindung mit der Platine 16 sind die die
Messabgänge 14A,
B bildenden Blechlaschen in einfacher Art und Weise um 90° umgebogen
und durch entsprechende Stecköffnungen
in der Platine 16 durchgesteckt und mit dieser vorzugsweise
verlötet.
Die Platine 16 ist daher planparallel zu dem Sicherungsblech 2 angeordnet und
verläuft
unterhalb von diesem.
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Neben
den aufgedruckten Leiterbahnen beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung
der Messabgänge 14A,
B weist die Platine 16 im Ausführungsbeispiel zusätzlich noch
einen Temperatursensor 18, insbesondere ein Thermoelement,
auf.
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Dieser
ist im Ausführungsbeispiel
beabstandet von dem Gehäuse 12 der
Einzelsicherung angeordnet, vorzugsweise im Basisbereich 4.
Der Temperatursensor 18 ist wiederum mit seinen elektrischen Kontaktfüßchen in
die Platine 16 eingesteckt und mit dieser vorzugsweise über eine
Lötverbindung
elektrisch kontaktiert. Sein temperatursensitiver Bereich liegt
an der Unterseite des Sicherungsblechs 2 an, so dass die
Temperatur unmittelbar vom Temperatursensor 18 erfasst
wird.
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Darüber hinaus
können
in hier nicht näher dargestellter
Weise auf der Platine 16 weitere elektrische und elektronische
Bauelemente angeordnet und kontaktiert sein, insbesondere eine Auswerteelektronik
zur Ausbildung einer Auswerteeinheit. Über diese Auswerteeinheit werden
die von den Messabgängen 14A,
B erfassten Spannungssignale gegebenenfalls unter Hinzuziehung der
vom Temperatursensor 18 erfassten Signale ausgewertet. Über eine
hier ebenfalls nicht näher
dargestellte Schnittstelle werden die Daten entweder der Auswerteeinheit und/oder
auch die Signale des Temperatursensors 18 oder der Messabgänge 14A,
B gemäß einem
vorgegebenen Bus-Standard aufbereitet und an ein zentrales Steuergerät weitergeleitet.
Die Übermittlung der
Signale erfolgt vorzugsweise drahtgebunden, kann jedoch auch drahtlos
erfolgen. Für
einen drahtgebundenen Anschluss ist auf der Platine 16 bevorzugt
ein Stecker, beispielsweise eine PIN-Leiste, integriert.
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Die
Summe der auf der Platine 16 angeordneten Kompenenten sowie
das Sicherungsblech 2 mit seinen Kompenenten bilden eine
vorgefertigte Sicherungs- oder Baueinheit.
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Im
Betrieb wird vorzugsweise laufend oder alternativ bei Bedarf über die
Messabgänge 14A,
B der Spannungsabfall an jedem der einzelnen Strompfade gemessen.
Aus dem gemessenen Spannungsabfall unter Kenntnis des jeweiligen
definierten Widerstandswert der jeweiligen Schmelzsicherung 10 wird
dann der aktuelle Stromwert des über
den jeweiligen Strompfad fließenden
Stromes errechnet. Bei der Berechnung wird hierbei die aktuell herrschende Temperatur
berücksichtigt.
Die üblicherweise
nicht lineare Widerstands-Kennlinie der Schmelzsicherung 10 in
Abhängigkeit
der Temperatur ist beispielsweise in einem Speicherbaus tein der
Auswerteeinheit hinterlegt, so dass über die gemessene Temperatur
der aktuelle Widerstand der jeweiligen Schmelzsicherung 10 ermittelt
werden kann, um letztendlich eine möglichst genaue Ermittlung des
aktuellen Stromwerts zu ermöglichen.
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Die
erfassten Signale werden vorzugsweise zur zusätzlichen Absicherung herangezogen.
So besteht beispielsweise die Möglichkeit,
beim Erkennen von Überströmen oder
Fehlströmen
einzelne Strompfade im Kraftfahrzeug abzuschalten. Hierzu ist ein hier
nicht näher
dargestelltes Schaltelement vorgesehen, das in der Sicherungseinheit
der Sicherungsanordnung selbst angeordnet ist, insbesondere auf der
Platine 16. Alternativ ist das Schaltelement extern, also
außerhalb
von und beabstandet zur Sicherungseinheit angeordnet und beispielsweise
als sogenannte Pyrosicherung ausgebildet. Das Schaltelement wird
im Bedarfsfall beispielsweise von der Auswerteeinheit angesteuert.
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Alternativ
oder ergänzend
dienen die erfassten Signale darüber
hinaus aber auch zur Überprüfung der
Sicherungsfunktion bzw. der einzelnen Schmelzsicherungen 10 an
sich. Falls nämlich
der gemessene Stromwert auch aus anderen Quellen zur Verfügung steht,
so kann durch Vergleich des ermittelten Stromwerts mit dem aus der
weiteren Quelle zur Verfügung
stehenden Stromwert beispielsweise auf den Zustand der Sicherung
geschlossen werden beispielsweise, ob diese evtl. bereits gealtert
ist, oder ob es sich überhaupt
um eine Sicherung mit korrektem Sicherungswert handelt, etc.
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- 2
- Sicherungsblech
- 4
- Basisbereich
- 6
- Abgangslaschen
- 8
- Befestigungslöcher
- 10
- Schmelzsicherung
- 12
- Gehäuse
- 14A,
B
- Messabgang
- 16
- Platine
- 18
- Temperatursensor