Detektionsspannung

Die Erfindung betrifft eine Stromverteileinheit umfassend eine Lastdetektionseinheit zum Messen einer Detektionsspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , ein Verfahren mit einer Stromverteileinheit zum Messen einer Detektionsspannung nach den Ansprüchen 7 und 8, sowie eine Verwendung einer Stromverteileinheit zum Messen einer Detektionsspannung nach Anspruch 9.

Eine gattungsgemäße Stromverteileinheit ist aus EP 3 022 816 B1 bekannt. Hierbei handelt es sich um ein Gleichstromverteilungssystem, welches eine sogenannte Lastpräsenzdetektionseinheit umfasst, um mittels einer Detektionstestspannung zu detektieren, ob ein Kontakt einer elektrischen Vorrichtung an einen Anschlusskontakt angeschlossen wurde. Dabei ist die sogenannte Lastdetektionseinheit so ausgerichtet, dass eine Detektionstestspannung als Gleichspannung an den Anschlusskontakt angelegt wird und somit durch Messen eines Detektionsstroms am Kontakt gemessen werden kann, ob die elektrische Vorrichtung an den Anschlusskontakt in der richtigen Polarität angeschlossen wurde. Die Messung bezieht sich dabei jedoch auf nur einen einzigen elektrischen Kontakt und auch nur darauf, ob am Kontakt eine elektrische Verbindung hergestellt wurde. Von dem Begriff „Kontakt“ soll in dieser Anmeldung nicht nur eine einpolige Verbindung, sondern sollen auch mehrpolige Verbindungen umfasst sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromverteileinheit mit einer Lastdetektionsein- heit zum Messen einer Detektionsspannung zu schaffen, mittels der unterschiedliche Belegungskombinationen von mehreren elektrischen Kontakten der gemessenen Detektionsspannung eindeutig zuordenbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromverteileinheit mit einer Lastdetektionseinheit zum Messen einer Detektionsspannung mit den Merkmalen gemäß des Anspruchs 1 , einem Verfahren zum Messen einer Detektionsspannung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch eine vorteilhafte Verwendung einer derartigen Stromverteileinheit gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung sind Anwendungen im Automobilbereich, insbesondere Anwendungen in der Elektromobilität. Somit handelt es sich bei der Stromverteileinheit bevorzugt um eine Stromverteileinheit für Hochvoltsysteme. Als Hochvoltsysteme gelten Systeme, die mit Gleichspannung über 60V bis 1 ,5 kV betrieben werden. Insbesondere weist das Hochvoltsystem bei Verwendung in einem Fahrzeug einen entsprechenden Hochvoltspeicher bzw. eine Hochvoltbatterie auf.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch die Messung der Detektionsspannung der Lastdetektionseinheit eine individuelle Belegungskombination der elektrischen Kontakte einer Stromverteileinheit zu detektieren.

Die erfindungsgemäße Stromverteileinheit umfasst eine Lastdetektionseinheit für wenigstens einen an der Lastdetektionseinheit angeordneten Kontakt zum Messen einer Detektionsspannung zur Prüfung einer Belegung des Kontakts. Die Lastdetektionseinheit ist dabei für eine Vielzahl von elektrischen Kontakten eingerichtet. Jeder der Kontakte ist mit wenigstens einem Schalter versehen, der als Kurzschlussbrücke im Steckverbinder ausgebildet ist und eine leitfähige Verbindung herstellt, sobald der jeweilige Stecker gesteckt ist. Die Lastdetektionseinheit weist jeweils einen zu jeweils einem der Schalter paarweise parallel angeordneten Widerstand auf. Ferner weist die Lastdetektionseinheit vorzugsweise eine Konstantstromquelle auf, mittels derer ein Prüfstrom erzeugt wird. Die Parallelschaltungen aus dem jeweiligen Schalter und dem zugehörigen Widerstand sind in Stromrichtung des erzeugten Prüfstroms in Reihe geschaltet. Insbesondere wird somit je nach Stellung der Schalter in einer offenen (0) oder einer geschlossenen (G) - Position ein konstanter Prüfstrom (I) über die den geöffneten Schaltern (0) zugeordneten, unterschiedlich starken Widerstände geführt, während die den geschlossenen Schaltern (G) zugeordneten Widerstände umgangen werden, wodurch in Summe immer eine eindeutige Detektionsspannung (UD) für den jeweiligen Schaltzustand aller Schalter ermittelt werden kann.

Diese Anordnung ermöglicht auf einfache und schnelle Weise das Messen der Detektionsspannung, welche jeder möglichen Belegungskombination (0- oder G- Positionen) der elektrischen Kontakte eindeutig zuordenbar ist.

Eine detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer zur Realisierung der Erfindung verwendbaren Stromverteileinheit ist in der DE 10 2018 132 988 der Anmelderin enthalten, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit auch zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird. In der vorliegenden Anmeldung ist diese Stromverteileinheit aufgrund der für die eigentliche Erfindung untergeordneten Bedeutung nicht detailliert beschrieben.

Die Anzahl der in der Lastdetektionseinheit geschalteten Widerstände (Ri bis Rn) entspricht somit der Anzahl der in Reihe geschalteten Schalter (Si bis Sn), wobei jeder der Widerstände (Ri bis Rn) auch aus mehreren in Reihe geschalteten Teilwiderständen bestehen kann. Somit ist jedem Schalter genau ein zu allen anderen Widerständen unterschiedlicher, eindeutiger Widerstand zugeordnet. Durch diese Schaltungsanordnung lässt sich für jeden Widerstand abhängig davon, ob ein Schalter geöffnet (0 = Strom fließt über den parallel geschalteten Widerstand) oder geschlossen ist (G = Strom fließt über den Schalter und nicht über den parallel geschalteten Widerstand), eine eindeutig diesem Schalter bzw. dem dazu parallelen Widerstand zugeordnete Teil-Spannung (Ui bzw. U2 bzw. U3 bzw. Un) in der Lastdetektionseinheit bestimmen. Eine Teil-Gesamtspannung (UGESI) dieses Teils der Schaltung der Lastdetektionseinheit lässt sich wie folgt ermitteln:

UGESI = (Ui + U2 + II3 + Un) mit Ui = Ri * h U2 = R2 * I2 II3 = R3 * I3 Un ⁼ Rn * In

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass ein Widerstandswert eines beispielsweise einem in Stromrichtung des Prüfstroms (I) folgenden Widerstands (R2, R3, Rn) ein ganzzahliges Vielfaches eines Widerstandswerts eines diesem vorausgehenden Widerstands (R1 , R2, R3) entspricht. Die Reihenfolge der Anordnung der unterschiedlich starken, aber jeweils eindeutigen Widerstände bezüglich der Stromrichtung ist dabei nur beispielhaft und keineswegs zwingend, so dass die Widerstandswerte keineswegs nur in Stromrichtung steigend, sondern die unterschiedlich starken Widerstände in jeder beliebigen Abfolge angeordnet sein können. Das gleiche gilt für die in den Ausführungsbeispielen dieser Anmeldung verwendete Anzahl von vier Schaltern bzw. vier diesen zugeordneten Widerständen. Es versteht sich für den Fachmann, dass die im beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendete Zahl von vier Schaltern und vier parallel zu diesen geschalteten Widerständen rein exemplarisch gewählt und in keiner Weise beschränkend für die Erfindung ist. De Erfindung ist ab einer Zahl von zwei Schaltern bzw. diesen zugeordneten Widerständen bis hin zu einer großen Anzahl von Schaltern und Widerständen einsetzbar.

Besonders bevorzugt dieser Widerstandswert des folgenden Widerstands jeweils dem Doppelten des Widerstandswerts eines anderen, beispielsweise des vorausgehenden Widerstands. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Widerstandwert des ersten Widerstands 1 kOhm, der des zweiten Widerstands 2 kOhm, der des dritten Widerstands 4 kOhm und des vierten Widerstands 8 kOhm. In alternativen Ausführungsbeispielen können unter Berücksichtigung der oben genannten Bedingung einer vorzugsweise ganzzahligen Verdopplung auch andere Widerstandswerte Anwendung finden. Die Beschreibung der sich in Stromrichtung ganzzahlig verdoppelnden Widerstände ist keineswegs erforderlich, sondern erleichtert lediglich die Einhaltung einer gewissen Systematik, die wiederum das Verständnis der Erfindung erleichtert.

Weiterhin weist die erfindungsgemäße Lastdetektionseinheit bevorzugt eine Ausgleichsleitung gegen Masse auf, wobei dieser Ausgleichsleitung ein weiterer Widerstand (Rs) zugeordnet ist. Die Masse gilt hier als Bezugspotential für die Betriebsspannung (UGES) der Lastdetektionseinheit und hat einen Wert von Null. Dies entspricht einer Spannung Us von 0 Volt.

Zur Ermittlung der Betriebsspannung (= Gesamtspannung) der Lastdetektionseinheit ist somit die Spannung der am weiteren Widerstand (Us) der Ausgleichsleitung abfallenden zur Teil-Gesamtspannung der oben beschriebenen Schaltungsanordnung zu addieren. Daher gilt:

UGES = UGESI + Us, mit Us = Rs * Is

Von besonderem Vorteil ist eine Weiterbildung der Lastdetektionseinheit, welche einen als Differenzverstärker, welcher auch als Subtrahierer bezeichnet wird, ausgebildeten Operationsverstärker aufweist, wobei an einem ersten Eingang (+) des Operationsverstärkers die jeweilige Betriebsspannung der Lastdetektionseinheit und an einem zweiten Eingang (-) die am Widerstand (Rs) abfallende Spannung anliegt. Eine so am Ausgang des Operationsverstärkers generierte Ausgangsspannung entspricht der Detektionsspannung der Lastdetektionseinheit. Erfindungsgemäß wird ein Differenzverstärker mit einer Transitfrequenz von 1 MHz verwendet, welcher somit eine Verstärkung von 1 generiert. Die Ausgangsspannung lässt sich mit der Formel

UD = UA = UGES - Us mit

UD = Detektionsspannung UA = Ausgangsspannung am Operationsverstärker UGES = Gesamtspannung Us = Spannung an Rs berechnen.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Stromverteileinheit, welche eine Lastdetektionseinheit für wenigstens einen an der Lastdetektionseinheit angeordneten elektrischen Kontakt umfasst, dient zum Messen einer Detektionsspannung der Lastdetektionseinheit zur Prüfung einer aktuellen Belegung aller vorhandenen Kontakte mit entsprechenden, nicht dargestellten Steckern.

Die Lastdetektionseinheit ist für eine Vielzahl von elektrischen Kontakten eingerichtet und die elektrischen Kontakte sind dabei jeweils mit einem Schalter verbunden, wobei die Anzahl der Kontakte somit der Anzahl der Schalter entspricht. Die Kontakte sind dabei derart mit den ihnen zugeordneten Schaltern verbunden, dass beim Einführen eines Steckers in den jeweiligen Kontakt der diesem Kontakt zugeordnete Schalter mechanisch oder durch eine am Stecker angeordnete Schaltbrücke in Schließstellung betätigt wird. Beim Entfernen des Steckers aus dem Kontakt wird der Schalter umgekehrt dann wieder geöffnet.

Zudem weist die Lastdetektionseinheit eine Mehrzahl von jeweils zu einem der Schalter parallel angeordnete Widerstände auf. Die Detektionsspannung ist dabei mittels einer Spannungs- oder Stromdetektionseinheit messbar. Die Spannungsoder Stromdetektionseinheit ist beispielsweise von einem als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärkers gebildet, an dessen Ausgang die dem jeweiligen Schaltzustand aller Schalter in Summe gesehen eindeutig zuordenbaren Detektions-Spannungswert messbar ist. Die Höhe der Detektionsspannung ist somit einer beliebigen Belegung der geöffneten bzw. geschlossenen Schalter (= Belegungskombination) und somit auch der den Schaltern zugeordneten elektrischen Kontakte eindeutig zuordenbar.

Die Detektionsspannung lässt sich mit den bereits beschriebenen Formeln für jede Belegungskombination individuell ermitteln. Bei der im Folgenden beispielhaft beschrieben Anordnung mit vier Schaltern sind somit 4 ² =16 unterschiedliche Belegungskombinationen und damit eindeutig unterschiedliche Detektionsspannungen für die vier elektrischen Kontakte gegeben (siehe Figur 5).

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Stromverteileinheit mit vier elektrischen Kontakten;

Fig. 2 ein Schaltbild einer ersten Belegungskombination der Lastdetektionseinheit mit unterbrochener Stromzufuhr zur Selbstdiagnose;

Fig. 3 ein Schaltbild der ersten Belegungskombination der Lastdetektionseinheit mit zwei geöffneten Schaltern --jedoch ohne Unterbrechung der Stromzufuhr;

Fig. 4 ein Schaltbild einer zweiten Belegungskombination der Lastdetektionseinheit mit drei geöffneten Schaltern und

Fig. 5 eine Tabelle mit 4 ² = 16 Belegungskombinationen der elektrischen Kontakte mit den dazugehörigen Detektionsspannungen.

Die Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Stromverteileinheit 10 mit an einer Seite 12 eines Gehäuses 11 angeordneten elektrischen Kontakten 21 , 22, 23 und 24. Im Inneren des Gehäuses 11 ist eine Lastdetektionseinheit 20 (siehe Figuren 2 bis 4) angeordnet. Eine detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines grundsätzlichen Aufbaus einer Stromverteileinheit 10 ist in der DE 102018 132 988 derselben Anmelderin erklärt und in der vorliegenden Anmeldung aufgrund der für die vorliegende Erfindung untergeordneten Bedeutung nicht enthalten.

Im in der Figur 2 dargestellten ersten Schaltbild einer Schalteranordnung der Lastdetektionseinheit 20 sind den elektrischen Kontakten 21 , 22, 23 und 24 (siehe Figur 1 ) Schalter S1 , S2, S3 und Sn zugeordnet. Die Schalter S1 , S2, S3 und Sn sind in einer Reihe als sogenannte Reihenschaltung angeordnet. Den Schaltern S1 , S2, S3 und Sn ist jeweils ein Widerstand R1 , R2, R3 und Rn in Parallelschaltung zugeordnet.

Der dem ersten Schalter S1 zugeordnete Widerstand R1 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Widerstandswert von 1 kOhm, der dem zweiten Schalter S2 zugeordnete Widerstand R2 einen Widerstandswert von 2 kOhm, der dem dritten Schalter S3 zugeordnete Widerstand R3 einen Widerstandswert von 4 kOhm und der dem vierten Schalter Sn zugeordnete Widerstand Rn einen Widerstandswert von 8 kOhm. Somit entspricht der Widerstandswert eines in einer Stromrichtung I folgenden Widerstands R2, R3 und Rn einem ganzzahligen Vielfachen des Widerstandswertes eines diesem vorausgehenden Widerstands R1 , R2 und R3. Im gezeigten Beispiel der erfindungsgemäßen Lastdetektionseinheit handelt es sich bei dem ganzzahligen Vielfachen um den jeweils doppelten Wert des vorausgehenden Widerstands. Wie schon in der Beschreibungseinleitung erwähnt, ist weder die Zahl 4 für Schalter und Widerstände als beschränkend, sondern lediglich als beispielhaft anzusehen, noch die Größe der Widerstände R1 , R2, R3 und Rn, deren Anordnung in Stromrichtung oder deren ganzzahliges Vielfaches zueinander. Wesentlich ist, dass einer Vielzahl (>2 .... n) von Schaltern, die in beliebiger Reihenfolge angeordnet sein können, jeweils eindeutige und unterschiedliche Widerstände zugeordnet sind.

Ein im gezeigten Ausführungsbeispiel die Spannungs- oder Stromdetektionseinheit bildender Operationsverstärker 30 hat einen ersten Eingang 31 und einen zweiten Eingang 32, sowie einen Ausgang 33. Am ersten Eingang 31 liegt als Potential eine zum Strom I einer Konstantstromquelle 40 korrespondierende Betriebs- bzw. Gesamtspannung LIGES der Lastdetektionseinheit und am zweiten Eingang 32 als Potential eine Teilspannung Us an, welche am Widerstand R5 abfällt.

Bei dem in der erfindungsgemäßen Lastdetektionseinheit 20 beispielhaft verwendeten Operationsverstärker 30 handelt es sich um einen Differenzverstärker - auch Subtrahierer genannt. Dies bedeutet, dass die am zweiten Eingang 32 anliegende Spannung Us von der am ersten Eingang 31 anliegenden Spannung UGES subtrahiert wird. Eine daraus resultierende Ausgangsspannung UA ist am Ausgang 33 messbar. Diese Ausgangsspannung UA entspricht einer Detektionsspannung UD, welche einer Belegungskombination der Schalter S1 , S2, S3 und Sn eindeutig zuordenbar ist. Die den möglichen Belegungskombinationen der erfindungsgemäßen Lastdetektionseinheit 20 zugehörigen Detektionsspannungen UD können der Figur 5 entnommen werden. Ein Rechenbeispiel hierzu kann der Beschreibung von Figur 5 zu entnommen werden.

Von einer Konstantstromquelle 40 ausgehend wird ein Prüfstrom I über einen Knoten 60 und einen Trennschalter S6 zu den Schaltern S1 bis Sn geschickt. Am Knoten 60 ist ein Abzweig zum ersten Eingang 31 des Operationsverstärkers 30 vorgesehen.

Der in Figur 2 oberhalb der Konstantstromquelle 40 angeordnete Schalter S6 ist hier geöffnet dargestellt. Dies bedeutet, dass der Messkreis unterbrochen ist und somit kein Strom in der Lastdetektionseinheit 20 fließt, was bedeutet, dass auch keine Ausgangsspannung UA bzw. Detektionsspannung UD messbar ist. Die Messkreis-Unterbrechung durch den geöffneten Schalter S6 dient beispielsweise zur Selbstdiagnose der Lastdetektionseinheit 20 bzw. zur Simulierung eines Kabelbruchs.

An einem Knoten 10 schließen in einem oberen Ast des Netzwerks die Schalter S1 , S2, S3 und Sn und in einem unteren Ast des Netzwerks die Widerstände R1 , R2, R3 und Rn an. Die Schalter S1 , S2, S3 und Sn und die Widerstände R2, R2, R3 und Rn sind jeweils paarweise parallel zueinander geschaltet (S1 mit R1 , S2 mit R2, , Sn mit Rn).

An diese Reihenschaltung mehrerer paralleler Anordnungen (S1 mit R1 , S2 mit R2, , Sn mit Rn) knüpft ein Knoten K50 mit einem darauf folgenden Schalter S5 an. Von einem im weiteren Verlauf in Stromrichtung des Messstroms I folgenden Knoten K70 zweigt eine Ausgleichsleitung mit einem Knoten K80 gegen Masse 50 ab, der ein weiterer Widerstand R5 zugeordnet ist. Die Masse 50 gilt hier als Bezugspotential für die Betriebsspannung der Lastdetektionseinheit 20. Bei der in der Figur 3 gezeigten Schalteranordnung mit den geschlossenen Schaltern S1 und Sn (entsprechend mit Steckern versehenen Kontakten 21 und 24) und geöffneten Schaltern S2 und S3 fließt der Prüfstrom I von der Spannungsquelle 40 in Stromrichtung I über den Knoten K60 und den geschlossenen Schalter S6, über den Knoten K10 und den geschlossenen Schalter S1 , weiter über den Widerstand R2, den Widerstand R3 und den Schalter Sn zum Knoten K50. Von dort fließt der Prüfstrom I weiter über einen geschlossenen Schalter S5 sowie über den Knoten K70 und von dort aus weiter zum zweiten Eingang 32 des Operationsverstärkers 30. Die zu messende Detektionsspannung UD beträgt somit in diesem Beispiel (bei R2= 2 kOhm und R3 = 4 kOhm) 6 Volt und die erforderliche Betriebsspannung (Gesamtspannung) UGES 7 Volt. Beide Werte können der Tabelle in Figur 5 in der siebten Zeile von unten entnommen werden.

In der Figur 4 ist eine zweite mögliche Belegungskombination der Schalter S1 , S2, S3 und Sn gezeigt, bei der nur der Schalter S3 geschlossen ist (entsprechend ist der Kontakt 23 mit einem Stecker verbunden) und die drei anderen Schalter S1 , S2 und Sn geöffnet sind. Hierbei fließt der Strom wie bereits oben beschrieben über den Knoten 60, den geschlossenen Schalter S6 sowie den Knoten K10. Da der Schalter S1 geöffnet ist, fließt der Strom nun über den Widerstand R1. Da auch der Schalter S2 geöffnet ist, fließt Stroms auch über den Widerstand R2 und anschließend unter Umgehung des Widerstands R3 über den geschlossenen Schalter S3. Da der Schalter Sn geöffnet ist, fließt der Strom anschließend weiter über den Widerstand Rn zum Knoten K50. Der weitere Verlauf erfolgt analog der Beschreibung der Figur 3. Die zu messende Detektionsspannung UD für diese Belegungskombination beträgt somit (bei R1 = 1 kOhm, R2 = 2 kOhm und Rn = 8 kOhm) 11 Volt und die erforderliche Betriebsspannung UGES 12 Volt. Auch diese Werte können der Tabelle in Figur 5 in der dritten Datenzeile von oben entnommen werden.

Die in der Figur 5 gezeigte Tabelle gibt einen Überblick über die unterschiedlichen Belegungskombinationen der elektrischen Kontakte 21 , 22, 23, 24 und somit zu den jeweiligen Stellungen der Schalter S1 , S2, S3, Sn. Der Schalter Sn ist in Fig. 5 als S4 bezeichnet, ebenso der Widerstand Rn als R4. Während der Index „n“ eine beliebig große Zahl von Schaltern und Widerständen andeutet, bezieht sich der Index „4“ auf die im gezeigten Ausführungsbeispiel endliche Anzahl von beispielhaft jeweils vier dieser Elemente.

Dabei gilt in Fig. 5 für den Zustand „geöffnet“ das Zeichen „0“ und für den Zustand „geschlossen“ das Zeichen „G“. Bei den im gezeigten Ausführungsbeispiel vier zu überprüfenden elektrischen Kontakten 21 , 22, 23, 24 ergeben sich somit 4 ² = 16 unterschiedliche Belegungskombinationen für die elektrischen Kontakte 21 , 22, 23 und 24 der Lastdetektionseinheit 20.

Jeder einzelnen Belegungskombination ist die Detektionsspannung UD eindeutig zuordenbar. Beispielsweise ergibt sich bei einer Belegungskombination bei der die Schalter S1 und S2 geschlossen (= G) sind und die Schalter S3 sowie S4 geöffnet sind (= 0), eine Ausgangspannung UA am Operationsverstärker 30 von 12 Volt. Da die Detektionsspannung UD der Ausgangsspannung UA entspricht, beträgt diese ebenfalls 12 Volt. Dies ergibt sich aus den bereits weiter oben verwendeten Formeln von:

UD = UA = UGES — Us, wobei

UGES = UGESI + Us mit

UGESI = Ui + U2 + U3 + U4 und

U3 = R3 * I3 = 4kOhm * 1 mA = 4V,

U4 = R4 * I4 = 8kOhm * 1 mA = 8V und

U ₅ = R ₅ *l ₅ = 1 KOhm * 1 mA =1 V.

Die abfallende Spannung an Ui und U2 beträgt 0 Volt, da die beiden Schalter S1 , S2 - wie oben erwähnt - geschlossen sind und der Strom daher ungehindert fließen kann.

Bei den in den Figuren 2 bis 4 verwendeten Bezugszeichen wurde auf die Tiefstellung der Indizes der besseren Lesbarkeit halber verzichtet.