SCHULZE-ICKING-KONERT, Georg (Hindenburgstr. 83, Buehlertal, 77830, DE)
MOHR, Thomas (Wolfinstrasse 22, Buehlertal, 77830, DE)
KOTTHAUS, Stefan (Hofrebenweg 11, Sinzheim, 76547, DE)
HABERL, Nikolas (Im Fuchsberg 12, Sinzheim, 76547, DE)
MUELLER, Michael (Isolde-Kurz-Weg 15, Rutesheim, 71277, DE)
KNAB, Norbert (Hauptstr. 10a, Appenweier, 77767, DE)
SCHULZE-ICKING-KONERT, Georg (Hindenburgstr. 83, Buehlertal, 77830, DE)
MOHR, Thomas (Wolfinstrasse 22, Buehlertal, 77830, DE)
KOTTHAUS, Stefan (Hofrebenweg 11, Sinzheim, 76547, DE)
HABERL, Nikolas (Im Fuchsberg 12, Sinzheim, 76547, DE)
MUELLER, Michael (Isolde-Kurz-Weg 15, Rutesheim, 71277, DE)
Patentansprüche
1. Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe (1) umfassend: einen ersten Detektor (12) und einen zweiten Detektor (13) zum Detektieren einer Angabe über Stromflüsse; eine Auslöseeinheit (10), um abhängig von den Angaben über die detektierten Stromflüsse mit Hilfe eines Schalters (S2) einen Stromfluss durch die elektrische Baugruppe (1) zu unterbrechen.
2. Fehlererkennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auslöseeinheit (10) einen Vergleicher (15) umfasst, um die Angaben über die detektierten Stromflüsse miteinander zu vergleichen und abhängig von einer Differenz der detek- tierten Stromflüsse den Stromfluss durch die elektrische Baugruppe (1) zu unterbrechen, und weiterhin einen Integrator (16) umfasst, um das Ergebnis des Vergleichens zu integrieren, so dass der Schalter (S2) mit einer Tiefpass gefilterten Steuergröße angesteuert wird. 3. Fehlererkennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und/oder zweite Detektor (12, 13) einen Shunt aufweist, durch den der zu messende Stromfluss geleitet wird, um eine von dem Stromfluss abhängige Messspannung bereitzustellen, wobei die Messspannung der Aus- löseeinheit (10) bereitgestellt wird.
4. Fehlererkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste und/oder zweite Detektor (12, 13) in der Auslöseeinheit (10) angeordnet sind.
5. Elektrisches System umfassend: eine elektrische Baugruppe (1) mit einem Verbraucher (2) und einem Steuergerät (3) zum Ansteuern des Verbrauchers (2) ; und eine Fehlererkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Detektor (12) auf einem ersten Strompfad von dem Steuergerät (3) zu dem Verbraucher (2) vor dem Steuergerät (3) angeordnet ist, wobei der zweite Detektor (13) in einem zweiten Strompfad von dem Verbraucher (2) zu dem Steuergerät (3) zwischen dem Verbraucher (2) und dem Steuergerät (3) angeordnet ist.
6. System nach Anspruch 5, wobei mindestens eines der Elemen- te der erste Detektor (12), der zweite Detektor (12) und die Auslöseeinheit (10) in dem Steuergerät (3) vorgesehen sind.
7. System nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei das Steuergerät (3) über eine erste Anschlussleitung (4) mit einem ersten Gleichspannungspotential und über eine zweite Anschlussleitung (5) mit einem zweiten Gleichspannungspotential verbunden ist, und wobei der Verbraucher (2) mit dem Steuergerät (3) über eine erste Verbindungsleitung (7) und über eine zweite Verbindungsleitung (8) verbunden ist, wo- bei ein Steuermodul (6) vorgesehen ist, um elektrische
Leistung an den Verbraucher (2) anzulegen, wobei die erste Anschlussleitung (4) und die erste Verbindungsleitung (7) direkt über das Steuergerät (3) verbunden sind, wobei der erste Detektor (12) in der zweiten Anschlussleitung (5) angeordnet ist und der zweite Detektor (13) in der ersten Verbindungsleitung (7) angeordnet ist
8. Verwendung einer Fehlererkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer elektrischen Baugruppe (1), die einen Verbraucher (2) und ein Steuergerät (3) zum An- steuern des Verbrauchers (2) umfasst, wobei der erste Detektor (12) auf einem ersten Strompfad von dem Steuergerät (3) zu dem Verbraucher (2) vor dem Steuergerät (3) angeordnet wird, wobei der zweite Detektor (13) in einem zweiten Strompfad von dem Verbraucher (2) zu dem Steuergerät (3) zwischen dem Verbraucher (2) und dem Steuergerät (3) angeordnet wird. |
Fehlererkennung in einem Steuergerät
Die Erfindung betrifft eine Fehlererkennung in einer elektrischen Baugruppe mit einem Steuergerät und einem Verbraucher, wobei sowohl Fehler im Steuergerät als auch im Verbraucher erkannt werden können.
Um elektrische Systeme gegen überhitzung zu schützen, werden üblicherweise Schmelzsicherungen verwendet, die den Strom- fluss in einem stromführenden Leiter unterbrechen, wenn ein Kurzschluss auftritt oder ein unzulässig hoher Strom fließt und/oder die Umgebungstemperatur der entsprechenden Baugruppe eine Grenztemperatur übersteigt. Darüber hinaus können Fehlerfälle auftreten, bei denen in einem Steuergerät der elekt- rischen Baugruppe ein Leckstrom oder ein sonstiger Strom fließt, der nicht durch den an dem Steuergerät angeschlossenen Verbraucher fließt. Solche Fehlerströme innerhalb des Steuergeräts führen möglicherweise nicht zu einem Auslösen der Schmelzsicherung, können jedoch das Steuergerät überhit- zen oder auf sonstige Weise Schäden im Steuergerät, in der elektrischen Baugruppe oder in der Endanwendung, die in die elektrische Baugruppe eingebaut ist, hervorrufen.
Daher ist es notwendig, auch Fehler in der elektrischen Bau- gruppe zu erkennen, die nicht zwangsläufig zu einem Strom- fluss in den Zuführungsleitungen führt, der z.B. über dem maximal zulässigen Strom liegt und somit zu einem sofortigen Auslösen der Schmelzsicherung führen würde.
Eine überhitzung der Baugruppe kann bereits weit unterhalb des maximalen Betriebsstroms erfolgen, wenn Heizleistung im Steuergerät frei wird. Dies würde jedoch von einer Schmelzsi- cherung nur verzögert erkannt, insbesondere wenn diese außerhalb des Steuergeräts angeordnet ist. Zum Vermeiden von Schäden ist es daher sinnvoll, einen möglichen Fehler schneller zu detektieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fehlererkennungsvorrichtung zum zuverlässigen Detektieren von Fehlerfällen in einer elektrischen Baugruppe zur Verfügung zu stellen, bei denen eine überhitzung auftreten kann, auch wenn der zugeführte Strom den zulässigen Maximalstrom nicht übersteigt. Weiterhin sollen durch die Vorrichtung Fehlerfälle entdeckt werden, bevor eine überhitzung insbesondere des Steuergeräts auftreten kann. Zudem sollen auch Fehlerfälle erkannt werden, die zu hohen Strömen führen, jedoch keine überhitzung in der Baugruppe zur Folge haben, wie z.B. einen harten Kurzschluss in dem Steuergerät oder dem Verbraucher.
Diese Aufgabe wird durch die Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen von Fehlern in einer elektrischen Baugruppe gemäß Anspruch 1, einem elektrischen System mit einer solchen Feh- lererkennungsvorrichtung, einem Steuergerät und einem
Verbraucher gemäß Anspruch 5 sowie einer Verwendung einer Fehlererkennungsvorrichtung in einer elektrischen Baugruppe gemäß Anspruch 8 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe vorgesehen. Die Fehlererkennungsvorrichtung umfasst einen ersten Detektor und einen zweiten Detektor zum Detek- tieren einer Angabe über Stromflüsse sowie eine Auslöseeinheit, um abhängig von den Angaben über die die detektierten Stromflüsse mit Hilfe eines Schalters einen Stromfluss durch die elektrische Baugruppe zu unterbrechen.
Die Fehlererkennungsvorrichtung eignet sich insbesondere für den Einsatz zur überwachung von Baugruppen mit einem Steuergerät und einem Verbraucher, wobei der Verbraucher von dem Steuergerät angesteuert wird, z.B. über die Leistung oder gemäß einem Einschalt bzw. Ausschaltverhalten und dergleichen Fehlern
Weiterhin kann die Auslöseeinheit einen Vergleicher umfassen, um die Angaben über die detektierten Stromflüsse miteinander zu vergleichen und abhängig von einer Differenz der detek- tierten Stromflüsse den Stromfluss durch die elektrische Baugruppe zu unterbrechen, und kann weiterhin einen Integrator umfassen, um das Ergebnis des Vergleichens zu integrieren, so dass der Schalter mit einer Tiefpass gefilterten Steuergröße angesteuert wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann der erste und/oder zweite Detektor einen Shunt aufweisen, durch den der zu messende Stromfluss geleitet wird, um eine von dem Stromfluss abhängige Messspannung bereitzustellen, wobei die jeweilige Mess- Spannung der Auslöseeinheit bereitgestellt wird.
Weiterhin kann der erste und/oder zweite Detektor in der Auslöseeinheit angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine elektrische Baugruppe mit einem Verbraucher, einem Steuergerät zum Ansteuern des Verbrauchers und die obige Fehlererkennungsvorrichtung vorge- sehen sein. Der erste Detektor ist auf einem ersten Strompfad von dem Steuergerät zu dem Verbraucher vor dem Steuergerät angeordnet und der zweite Detektor ist in einem zweiten Strompfad von dem Verbraucher zu dem Steuergerät zwischen dem Verbraucher und dem Steuergerät angeordnet.
Mindestens eines der Elemente, der erste Detektor, der zweite Detektor und die Auslöseeinheit, können in dem Steuergerät vorgesehen sein, um eine integrierte Aufbauweise zu ermöglichen .
Weiterhin kann das Steuergerät über eine erste Anschlussleitung mit einem ersten Gleichspannungspotential und über eine zweite Anschlussleitung mit einem zweiten Gleichspannungspotential verbunden sein. Der Verbraucher ist mit dem Steuerge- rät über eine erste Verbindungsleitung und über eine zweite Verbindungsleitung verbunden, wobei ein Steuermodul vorgesehen ist, um elektrische Leistung an den Verbraucher anzulegen. Die erste Anschlussleitung und die erste Verbindungsleitung sind direkt über das Steuergerät miteinander verbunden, wobei der erste Detektor in der zweiten Anschlussleitung angeordnet ist und der zweite Detektor in der ersten Verbindungsleitung angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Verwendung der obigen Fehlererkennungsvorrichtung in einer elektrischen Baugruppe vorgesehen. Diese umfasst einen Verbraucher und ein Steuergerät zum Ansteuern des Verbrauchers, wobei der erste Detektor auf einem ersten Strompfad von dem Steuergerät zu dem
Verbraucher vor dem Steuergerät angeordnet wird, wobei der zweite Detektor in einem zweiten Strompfad von dem Verbraucher zu dem Steuergerät zwischen dem Verbraucher und dem Steuergerät angeordnet wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Sys- tems mit einer Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems mit einer Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems mit einer Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Fig. 1 zeigt eine elektrische Baugruppe 1 mit einem Verbraucher 2, z.B. einem Lüftermotor und einem Steuergerät 3, das über eine erste 4 und eine zweite Anschlussleitung 5 mit e- lektrischer Energie, z.B. mit einem elektrischen Gleichstrom, versorgt wird. Das Steuergerät 3 steuert den Verbraucher 2 gemäß einem bereitgestellten Stellwert S an, um dem Verbraucher 2 abhängig vom Stellwert S eine bestimmte elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann das Steuergerät 3 mit Hilfe eines Steuermoduls 6 abhängig von dem
Stellwert S ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugen, mit dem ein erster Schalter Sl angesteuert, d.h. geöffnet oder geschlossen wird. Dabei bestimmt der Stellwert S das Tastverhältnis zwischen einem Ein-Zustand und einem Aus-Zustand des Schalters Sl in dem Steuergerät 3, d.h. abhängig von S wird die Zeitdauer, während der der Schalter Sl geschlossen ist und die Zeitdauer, während der der Schalter Sl geöffnet ist, während einer festgelegten Zykluszeit bestimmt. Der erste Schalter Sl im Steuergerät 3 ist vorzugsweise als Leistungs- transistor ausgebildet. Alternativ kann das Steuergerät den Verbraucher auf sonstige z.B. von dem Stellwert S abhängigen Weise ansteuern, z.B. Ein- bzw. Ausschalten gemäß einer vorgegebenen Funktion.
Das Steuergerät 3 ist mit dem Verbraucher 2 über eine erste Verbindungsleitung 7 und eine zweite Verbindungsleitung 8 verbunden, um die elektrische Energie zuzuführen. Dabei ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die erste Anschlussleitung 4 direkt durch das Steuergerät 3 mit der ersten Verbindungslei- tung 7 verbunden und die zweite Anschlussleitung 5 über den ersten Schalter Sl mit der zweiten Verbindungsleitung 8 verbunden. Selbstverständlich ist es auch möglich den Schalter Sl in der Verbindung zwischen der ersten Anschlussleitung 4 und der ersten Verbindungsleitung 7 anzuordnen.
Um Fehlerfälle aufgrund von fehlerhaften Stromflüssen in der Baugruppe 1 zu detektieren, ist weiterhin eine Auslöseschaltung 10 vorgesehen, die abhängig von dem Erkennen eines Fehlerfalls einen Stromfluss durch die Baugruppe durch einen zweiten Schalter S2 unterbricht. Der zweite Schalter S2 ist in einer der Anschlussleitungen, z.B. in der zweiten Anschlussleitung, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, angeschlossen. Der zweite Schalter S2 wird durch eine Steuerleitung 11 mit
einem Steuersignal von der Auslöseeinheit 10 angesteuert, um den zweiten Schalter S2 in einem Auslösefall zu öffnen. Dadurch wird bei einem Fehlerfall die Zufuhr von elektrischer Energie in das Steuergerät 3 und zu dem Verbraucher 2 unter- brochen. Im Normalfall, d.h. wenn kein Fehler aufgetreten ist, ist der zweite Schalter S2 geschlossen.
Mithilfe eines ersten Detektors 12, der in der zweiten Zuführungsleitung 5 angeordnet ist und eines zweiten Detektors 13, der in der ersten Verbindungsleitung 7 zwischen dem Steuergerät 3 und dem Verbraucher 2 angeordnet ist, werden die Ströme auf der jeweiligen Leitung erfasst und in dem Auslösegerät 10 ausgewertet. Der erste Detektor 12 und der zweite Detektor 13 sind so angeordnet, dass zwischen ihnen die Strompfade des Verbrauchers 2, d.h. z.B. des Motors, und des Steuergeräts 3 angeordnet sind, sodass im Normalfall ein Stromabfluss auf dem Strompfad zwischen den beiden Detektoren 12, 13 zu einem Erkennen einer Stromdifferenz in dem Auslösegerät 10 führt. Das Erkennen der Stromdifferenz wird durch einen Vergleicher 15 in der Auslöseeinheit 10 durchgeführt, an dessen Ausgang das Steuersignal für den zweiten Schalter S2 anliegt. Das Auslösegerät 10 steuert dann in einem Fehlerfall, der durch das Erkennen einer Stromdifferenz definiert ist, den zweiten Schalter S2 an, um diesen zu öffnen.
So kann erkannt werden, wenn ein Abfluss des Stroms von dem Strompfad zwischen dem ersten Detektor 12 und bis zum zweiten Detektor 13, d.h. ein Abfließen eines Stroms in dem Verbraucher 2 bzw. aus dem Steuergerät 3 zu einem weiteren Potenzi- al, z.B. ein Massepotential, nicht über die entsprechende Anschlussleitung bzw. Verbindungsleitung erfolgt. Z.B. könnte in einem Kraftfahrzeug über die Anschlussleitungen eine Gleichspannung angelegt sein und in dem Verbraucher 2 neben
der Verbindungsleitung mit dem negativen (negativeren) Potential auch sonstige leitende Bereiche (Gehäuse und dergleichen) vorgesehen sein, die auf das negative Potential gelegt sind. Dies ist durch die gestrichelt gezeichnete Masseleitung 15 zwischen der ersten Anschlussleitung 4 und dem Verbraucher 2 verdeutlicht. Fließt ein Strom über die zweite Verbindungsleitung (positives (positiveres) Potential) über die Masseleitung 14 ab (was einem Masse-Nebenschluß im Verbraucher entspricht), so sind die Stromflüsse durch die Detektoren 12, 13 ungleich und ein Fehlerfall wird erkannt.
Da das Steuergerät 3 je nach Anwendung in einem nicht leitenden Gehäuse integriert ist, sind darin befindliche elektrische bzw. elektronische Elemente in der Regel floatend, d.h. interne Leiter können in der Regel nicht mit einem sonstigen Potenzial (wie z.B. dem negativen Potential) in Kontakt kommen, wenn es nicht über die Anschlussleitungen 4, 5 zugeführt wird. Jedoch ist es möglich, dass für das Steuergerät 2 auch ein weiterer Fehlerfall erkannt wird, bei dem ein Kurzschluss bzw. eine Strombrücke einen Fehlerstrom zwischen den beiden Potenzialen der Anschlussleitungen 4, 5 bewirkt. Dies kann durch die besondere Anordnung der Detektoren 12, 13 in einfacher Weise festgestellt werden, wobei der erste Detektor 12 vor dem Steuergerät 3 und der zweite Detektor 13 hinter dem Steuergerät 3 bezüglich der Anordnung des Steuergeräts 3 und des Verbrauchers 2 detektiert werden.
Die Detektoren 12, 13 können in den entsprechenden Leitungen angeordnet sein und über Signalleitungen mit dem Auslösegerät 10 verbunden sein. Alternativ können die entsprechenden stromführenden Leitungen durch das Steuergerät 10, wie in Fig. 2 gezeigt ist, geführt werden und dort gemessen und verglichen werden, um den Fehlerfall festzustellen. Weiterhin
kann auch der zweite Schalter S2 in dem Steuergerät 2 angeordnet und entsprechend mit einem Vergleicher 15 verbunden sein .
Die Detektoren 12, 13 sind beispielsweise als Shunts, d.h. geeichte Messwiderstände, ausgebildet, an denen eine zum Strom proportionale Spannung gemessen werden kann, die über den Vergleicher 15 miteinander verglichen wird, um bei einer Abweichung der Spannungen voneinander einen Fehlerfall fest- zustellen. Eine für einen Fehlerfall relevante Abweichung kann dabei erst nach überschreiten eines Differenz- Schwellwerts durch die detektierte Differenz erkannt werden. Mit anderen Worten kann beim Vergleichen der Ströme somit eine Toleranz berücksichtigt werden, sodass ein Auslösen nur erfolgt, wenn die Stromdifferenz einen bestimmten Betrag ü- berschreitet . Dies kann bei dem Verwenden von Shunts als Messwiderstände ein entsprechender Schwellwert für die Spannungsdifferenz sein. Das Vorsehen eines Differenz- Schwellwerts kann sinnvoll sein, wenn eine bestimmte Strom- aufnähme durch das Steuermodul berücksichtigt werden soll, die Ursache einer durch die Auslöseeinheit 10 festgestellte Stromdifferenz sein kann.
Die im Vergleicher 15 detektierte (relevante) Spannungsdiffe- renz kann sofort zu einem Auslösen führen, bei dem der zweite Schalter S2 geöffnet wird. Alternativ kann die Spannungsdifferenz auch über einen Tiefpassfilter 16 gefiltert werden, der z.B. als ein Integrator ausgeführt sein kann, so dass das Auslösen erst erfolgt, wenn ein Integrationswert der Span- nungsdifferenz über einen bestimmten Zeitraum einen bestimmten Schwellwert übersteigt.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der die Auslöseschaltung 10 im Steuergerät 3 integriert ist. Dazu werden die Detektoren 12, 13, der zweite Schalter S2 sowie das Auslösegerät 10 ebenfalls im Steuergerät 3 vorgesehen. Der erste Detektor 12 ist im Steuergerät 3 dann unmittelbar an dem Anschluss, an die zweite Anschlussleitung 5 angeschlossen ist, angeordnet, an dem die zweite Anschlussleitung 5 (bzw. die erste Anschlussleitung 4) angeschlossen wird. Der zweite Detektor 13 ist dann unmittelbar an dem Anschluss des Steuergeräts 3 angeordnet, an dem die erste Verbindungsleitung 7 (bzw. die zweite Verbindungsleitung 8) angeschlossen wird.
Das Steuergerät 3 kann mit einer Schlaf-Schaltung (nicht ge- zeigt) versehen sein, die bei abgeschaltetem Gesamtsystem das Steuergerät in einen Stromsparmodus versetzt. Ein Aufwecken des Steuergeräts 3 kann durch Detektieren einer Spannung an dem ersten Detektor 12 erfolgen.
Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, dass sowohl
Stromabflüsse im Verbraucher 2 zu weiteren Potenzialen zu einem Auslösefall führen, als auch ein interner Kurzschluss im Steuergerät 3, bei dem ein Teil des Stromes nicht durch den Verbraucher 2, sondern zwischen den internen Zuführungslei- tungen fließt.
Als Detektoren sind in den obigen Ausführungsformen Messwiderstände (Shunts) vorgesehen und zur Ermittlung der Stromdifferenz wird der Vergleicher 15 verwendet, was insbesondere bei der Bereitstellung eines Gleichstroms als Versorgungsstrom sinnvoll ist. Die Detektion des fließenden Stroms und das Vergleichen kann auch durch andere Messverfahren vorgenommen werden. Z.B. kann bei Verwendung eines Wechselstrom
als Versorgungsstrom eine Ringkernwicklung vorgesehen werden, wobei durch den Ringkern die beiden stromführenden Leitungen, an denen die Strommessung vorgenommen werden soll, geführt wird. In der Ringkernwicklung wird ein Differenzstrom induziert, aus dem das Steuersignal bestimmt wird. Auch können als Strom-Sensoren Hall-Sensoren, GMR-Sensoren (GMR: Giant Magneto Resistance) und dergleichen verwendet werden.
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