Verfahren zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur

Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Zum Betreiben eines Elektromotors beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder BrennstoffZellenfahrzeugen kommen üblicherweise Relais zum Einsatz. Bei einem Relais wird eine Erregerspule bestromt, deren Magnetfeld einen Anker bewegt, welcher einen Stromkontakt schließen oder öffnen kann.

Ein solches Relais kann beschädigt werden, wenn unerwartet ein hoher elektrischer Strom beispielsweise aufgrund eines Fehlers im Betriebssystem des Elektromotors fließt, wenn dieser im Betrieb ist. Der Anker des Relais kann mit dem Stromkontakt verschweißt werden, so dass ein Unterbrechen des Stromkontakts nicht mehr möglich ist.

Aus der DE 101 60 106 B4 ist eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relaisverschweißung bekannt, wobei das Relais zwischen einem Schaltelement und einem System zur Energieversorgung von der Sekundärbatterie zu einer Last angeordnet ist, wobei

aus einem Wiederauflade- und Entladeverhalten der Batterie auf einen Relaisdefekt geschlossen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur

Funktionsfähigkeitserkennung eines Relais anzugeben, aus dem mit hoher Sicherheit auf das Vorliegen eines verschweißten Relais geschlossen werden kann, sowie eine Vorrichtung dazu anzugeben .

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais, welches zum öffnen und/oder Schließen einer elektrischen Kontakteinrichtung mit einem Steuerspulenstrom beschickt wird, wobei sich ein Anker aufgrund eines steuerspulenstrominduzierten magnetischen Feldes bewegt, die Funktionsfähigkeit aus der Bestimmung eines aktuellen Ankerwegs beim Einschalten und/oder Ausschalten des Relais abgeleitet.

Vorteilhaft kann der aktuelle Ankerweg mit dem Ankerweg bei ungestörtem Betrieb verglichen werden.

Ein Relaisdefekt kann erkannt werden, wenn der aktuelle Ankerweg außerhalb vorgegebener Grenzen liegt.

Der Ankerweg kann aus einem zeitlichen Verlauf eines Steuerspulenstroms beim Einschalten und/oder Ausschalten des Relais bestimmt werden.

Ein Abweichen des aktuellen Ankerwegs von einem ungestörten Betrieb kann aus dem zeitlichen Verlauf des Steuerspulenstroms beim Einschalten des Relais über der Einschaltzeitdauer bestimmt werden.

Es wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais vorgeschlagen, wobei zum öffnen und/oder Schließen eines elektrischen Kontakts eine Steuerspule vorgesehen ist, die mit einem Steuerspulenstrom beschickbar ist, wobei ein Anker aufgrund eines steuerspulenstrominduzierten magnetischen Feldes bewegbar ist. Eine Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung des Steuerspulenstroms ist vorgesehen, wobei ein Ankerweg aus einem zeitlichen Verlauf eines Steuerspulenstroms ableitbar ist.

Eine Speichereinheit kann vorgesehen sein, in der relaisspezifische Kenndaten eines Ankerwegs bei ungestörtem Relais verfügbar ist.

Eine Recheneinheit kann vorgesehen sein, mit welcher der aktuelle Ankerweg bewertbar und eine Relaisverschweißung extrahierbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend genauer erklärt. Dazu sind in den Figuren konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 a,b; eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei geöffnetem (a) und geschlossenem

Relais (b) ; und

Fig. 2 ein zeitlicher Verlauf eines Steuerspulenstroms bei ungestörtem Relais mit Ankerbewegung und bei verschweißtem Relais ohne Ankerbewegung.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.

Fig. Ia und Ib zeigen schematisch ein Relais 10 in geöffnetem (Fig. Ia) und geschlossenem Zustand (Fig. Ib) . Das Relais 10 umfasst eine Steuerspule 12 mit Stromanschlüssen 14, 16 und einen beweglich gelagerten Anker 16. Befindet sich dieser in einer ersten Endposition, ist ein Schaltkontakt 20 geschlossen (Fig. Ib) . Befindet der Anker 16 sich in der entgegengesetzten Endposition, ist der Schaltkontakt 20 geöffnet. Der Anker 16 ist mit einer nicht dargestellten Rückholfeder verbunden.

Ferner ist zur Durchführung des Verfahrens eine Recheneinheit 26 vorgesehen sowie eine Stromerfassungseinheit 22 zur Bestimmung des Steuerspulenstroms und eine Speichereinheit 24 zur Bereitstellung eines Ankerwegs So bei ungestörtem Relais 10.

Das Relais 10 speichert und wandelt Energien, genauer elektrische und magnetische Energie, Bewegungsenergie und ie Energie gespannter Federn.

Um das Relais 10 zu schließen, wird elektrische Energie zugeführt. Grundsätzlich könnte ein Relais 10 auch umgekehrt betrieben werden und bei Zufuhr elektrischer Energie geöffnet werden. Die folgenden überlegungen, die für ein Relais der Art „stromlos geöffnet" angestellt werden, können daher im sinngemäß auch auf ein Relais übertragen werden, das stromlos geschlossen ist.

Bei Zufuhr von elektrischer Energie öffnet sich das Relais 10, indem die Steuerspule 12 diese Energie in magnetische Energie umwandelt. Es entsteht eine Kraftwirkung auf den Anker 16, der sich allerdings erst bewegt, wenn die Kraft eine bestimmte Barriere überschreitet. Ab diesem Zeitpunkt wandelt das Relais 10 magnetische Energie in Bewegungsenergie und Federspannenergie um, bis der Anker 16 seine Endposition erreicht hat und den Stromkontakt 20 dabei schließt.

Die in diesem Zeitraum umgesetzte magnetische Energie setzt sich aus der in diesem Zeitbereich zugeführten Energie und der bis dahin zugeführten, also in der Steuerspule 12 gespeicherten Energie zusammen. Die magnetische Energie der Steuerspule 12 kann als Funktion des Spulenstroms I errechnet werden Aus der Kurvenform des Steuerspulenstroms kann während des Einschaltvorgangs auf die Ankerbewegung des Relais 10, d.h. den aktuellen Ankerweg s, geschlossen werden.

Ist der Ankerweg s außerhalb vorgegebener Grenzen, wird ein Relaisdefekt, etwa ein verschweißen, erkannt.

Fig. 2 veranschaulicht den zeitabhängigen Stromverlauf des Steuerspulenstroms I über der Zeit t beim Einschalten des Relais 10. Die Kennlinie 30 stellt den Verlauf bei ungestörtem Relais 10 dar, bei dem sich der Anker 16 ungestört bewegen kann, während die Kennlinie 40 dem Zustand eines durch elektrische überbelastung verschweißten Relais 10 entspricht, bei dem der Anker 16 unbeweglich ist.

Beim Einschalten der Steuerspannung an der Steuerspule 12 steigt der Steuerspulenstrom I zunächst an und hat bei ti den Wert Ii . Zum Zeitpunkt t ₂ erreicht die Kennlinie 30 ein erstes relatives Maximum bei einem Steuerspulenstrom I ₂ . Bei

weiterem Ansteigen der Steuerspannung fällt die Kennlinie 30 ab und hat beim Zeitpunkt t ₃ den Steuerstrom I ₃ . Zum Zeitpunkt t ₄ stellt sich ein minimaler Steuerstrom I ₄ ein. Bei weiterem Erhöhen der Steuerspannung steigt der Steuerspulenstrom nunmehr monoton an bis der Betriebswert der Steuerspannung erreicht ist.

Der Abfall der Steuerstromkennlinie zwischen t ₂ und t ₄ rührt von der Ankerbewegung her. Ist der Anker 16 fixiert, steigt dagegen der Steuerspulenstrommonoton mit steigender Steuerspannung an, wie Kennlinie 40 zeigt.

Der zeitliche Verlauf der Energie der Steuerspule lässt sich anhand der Kennlinie 30 in vier Phasen zerlegen.

Phase 1: 0<t<t2

Die Energie W _mag der Steuerspule 12 errechnet sich nach

(D w _ma =-W und nimmt nach Einschalten der Steuerspannung U stetig zu. L ist die Induktivität der Steuerspule und / der Steuerspulenstrom. Aus dem Maß der Zunahme im aktuellen Zeitintervall lässt sich nach

(2)

At

die Induktivität L zum Zeitpunkt ti bestimmen.

Phase 2: t ₂ ≤t≤t ₃

In der Phase 2 hat die Bewegung des Ankers 16 und damit des Schaltkontakts 20 begonnen und entzieht zum Zeitpunkt t ₂ der Steuerspule 12 genau die Energie, die durch die Ansteuerung zugeführt wird. Im weiteren Verlauf steigt der Energiebedarf

weiter und wird zusätzlich aus der bisher in der Steuerspule 12 gespeicherten Energie gespeist. Die Energie der Steuerspule 12 sinkt also, was sich nach der Gleichung (1) und auch aus dem Steuerstromverlauf in Fig. 2 ergibt .

Phase 3: t ₃ <t<t ₄

In der Phase 3 nimmt die Bewegung des Ankers 16 und damit des Schaltkontakts 20 ab und entzieht zum Zeitpunkt t ₄ der Steuerspule 12 genau die Energie, analog zu Phase 2, die durch Ansteuerung zugeführt.

Phase 4 : t ₄ <t<∞

In der Phase 4 ist der Schaltvorgang beendet. Die Energie der Spule nimmt wieder nach Gleichung (1) zu, bis der Innenwiderstand der Anordnung und dessen Shuntwiderstand ins Gewicht fallen. Dieser Bereich ist für die Betrachtungen nicht weiter relevant.

Die Ankerbewegung - und damit der Ankerweg s - ergibt sich aus folgender Betrachtung.

Die Ankerbewegung bzw. der Ankerweg s kann mit den Formeln

^{a π} mag — ^{ük YV} mech

und

AW _mech

bestimmt werden, wobei

L die Induktivität, I ₂ der Steuerstrom bei t=t ₂ , dem Start der

Ankerbewegung ist, I ₄ der Steuerstrom bei t=t ₄ , dem Ende der

Ankerbewegung ist und I ₂ der während der Ankerbewegung zugeführte Steuerstrom ist.

Der zugeführte Steuerstrom berechnet sich nach der Beziehung

L _M =-(t ₄ -t ₂ )

Die Induktivität L ergibt sich in Phase 1 nach der Beziehung

δ/

L = U At

und damit

L = U-S ₁

Wobei Si die Steigung der Steuerstromkurve Zeitpunkt ti in Fig. 2 ist. Daraus ergibt sich

I ₂ = S ₁ (I ₄ -t ₂ )

Wird I ₂ ersetzt, ergibt sich nach Einführung eines Koeffizienten ki der Zusammenhang

1 L(Il - [I ₄ - k _x ^■ S ₁ (I ₄ - t ₂ )) ² ) = AW _mech

Die mechanische Arbeit AW _mech setzt sich zusammen aus

Beschleunigungsarbeit und Federspannarbeit zusammen. Da die Ankerbewegung durch das Spannen einer Feder beendet wird (Rückholfeder) , ist davon auszugehen, dass die gesamte mechanische Energie in der gespannten Feder gespeichert ist

Der vereinfachte Ansatz beruht auf der Annahme, dass der Federspannweg gleich dem Ankerweg s ist:

jl(/ ₂ ² -(Z ₄ -*, -5,(Z ₄ -t ₂ )) ² )= [F(x)dx

Im Fall einer idealen Feder gilt:

^L(I ₂ ² -(I ₄ -k _r S _ι (t ₄ -t ₂ )) ² ) =±D-s ²

Versuche zeigen, dass das Modell einer idealen Feder nur bedingt geeignet ist. Die folgende Formel gibt die gemessenen Abhängigkeiten mit guter Genauigkeit wieder:

Die Induktivität L und die Konstante k werden zu der Konstanten k2 zusammengefasst . Für den Ankerweg s ergibt sich dann

(3) s = k

I ₂ ² -(I ₄ -k _r S^t ₄ -I ₂ )) ²

Die Bestimmung der Koeffizienten k, ki, k ₂ wird zweckmäßigerweise einmalig für den jeweiligen eingesetzten Relaistyp vorgenommen. Dazu werden bei mindestens drei Einschaltvorgängen mit unterschiedlicher Klemmenspannung U die Größen I2, I4, Si, t ₂ , ti aufgezeichnet werden. Anschließend wird ki so bestimmt, dass bei k ₂ ⁼ l die Streuung der aus der Gleichung (2) berechneten Wege minimal wird. Der tatsächliche Ankerweg s bei funktionsfähigem Relais 10 kann aus den technischen Unterlagen oder durch Demontage des

Relais bestimmt werden. Die Konstante k ₂ ergibt sich nach Umstellung der Gleichung (3) und der Mittelung der gemessenen Werte. Damit ist ein Ankerweg so für das funktionsfähige Relais 10 bekannt.

Bei der Ermittlung der Abweichung des aktuellen Ankerwegs s im Betrieb des Relais kann dieser Ankerweg aus der aktuellen Steuerstrom-Zeit-Kennlinie ermittelt und mit dem Wert So für das funktionsfähige Relais 10 verglichen werden.

Dazu ist zweckmäßigerweise eine Stromerfassungseinrichtung 22 zur Erfassung des Steuerspulenstroms vorgesehen, sowie eine Speichereinheit 24, in der relaisspezifische Kenndaten eines Ankerwegs So bei ungestörtem Relais 10 verfügbar sind. Weiterhin ist eine Recheneinheit 26 vorgesehen, mit welcher der aktuelle Ankerweg s bewertet und eine etwaige Relaisverschweißung erkannt wird.