Leistungsschütz und Verfahren zur Funktionsprüfung eines LeistungsSchützes

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsschütz.

Leistungsschütze sind elektrisch betriebene, fern betätigbare Schalter. Sie verfügen über einen Steuerstromkreis, der einen Laststromkreis ein- und ausschalten kann.

Eine mögliche Anwendung von Leistungsschützen ist das Öffnen und Trennen von Batteriestromkreisen in

Elektrokraftfahrzeugen . Dabei werden in der Regel sowohl der Plus- als auch der Minuskontakt einer Batterie mit Hilfe eines Leistungsschützes getrennt. Die Auftrennung erfolgt im Ruhezustand des Fahrzeuges und im Fall einer Störung, beispielsweise eines Unfalls. Dabei ist es die Hauptaufgabe des Leistungsschützes, das Fahrzeug spannungsfrei zu schalten und den Stromfluss zu unterbrechen.

Der Stromfluss über das Leistungsschütz wird im Fahrzeug mit Hilfe eines Stromsensors überwacht, der als weiteres Bauteil neben dem Leistungsschütz in einer der Batterie

vorgeschalteten Box untergebracht sein kann. Diese Box wird als BDU (battery disconnect unit) bezeichnet. Der Stromsensor muss in der Box zwei Aufgaben erfüllen: Während des normalen Betriebs stellt er den aktuellen Stromfluss als Messwert zur Regelung bereit, das heißt die Leistungsabgabe der Batterie an den Motor beziehungsweise die Leistungsaufnahme des

Generators an die Batterie. Dieser Messwert ist von zentraler Bedeutung für die Steuerung des Fahrzeugmotors. Die zweite Funktion ist die Sicherstellung der funktionalen Sicherheit der Batterieeinheit, das heißt die eindeutige Klärung, ob ein potentiell gefährlicher Strom durch das Leistungsschütz fließt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine hohe Stromstärke außerhalb der normalen Betriebsparameter handeln, die infolge eines Unfalls oder einer anderen Störung

vorliegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Leistungsschütz anzugeben, das beispielsweise einen

geringeren Platzbedarf aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zur Funktionsprüfung eines

Leistungsschützes anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch ein Leistungsgeschütz gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem zweiten unabhängigen

Anspruch gelöst.

Es wird ein Leistungsschütz vorgeschlagen, das einen ersten elektrischen Kontakt, einen zweiten elektrischen Kontakt, ein Schaltelement und einen in das Leistungsschütz integrierten Stromsensor aufweist. Das Schaltelement kann eine geöffnete Stellung und eine geschlossene Stellung einnehmen, wobei das Schaltelement in der geschlossenen Stellung den ersten elektrischen Kontakt und den zweiten elektrischen Kontakt miteinander kontaktiert und wobei der erste elektrische

Kontakt und der zweite elektrische Kontakt voneinander isoliert sind, wenn das Schaltelement sich in der geöffneten Stellung befindet. Der in das Leistungsschütz integrierte Stromsensor ist dazu ausgestaltet, eine Stromstärke eines durch das Leistungsschütz fließenden Stroms zu erfassen.

Der Stromsensor kann insbesondere dazu ausgestaltet sein, eine Stromstärke eines im Laststromkreis fließenden Stroms zu bestimmen. Der Laststromkreis wird durch die elektrischen Kontakte geführt. Das Schaltelement kann in einem

Steuerstromkreis angeordnet sein. Ist das Schaltelement in seinem geschlossenen Zustand, ist der Laststromkreis

geschlossen und ein Strom kann über den Laststromkreis fließen. Wird das Schaltelement in den geöffneten Zustand versetzt, so wird dadurch der Laststromkreis unterbrochen.

Durch die Integration des Stromsensors in das Leistungsschütz bilden Stromsensor und Leistungsschütz eine einzige

funktionale Einheit. Sie können zusammen gefertigt werden und aufeinander abgestimmt werden. So kann etwa der Sensor derart kalibriert werden, dass er von dem Leistungsschütz erzeugte Magnetfelder berücksichtigen kann, sodass diese die Messungen des Stromsensors nicht verfälschen. Ferner wird die Montage des Leistungsschützes und des Stromsensors, beispielsweise in einer Battery Disconnect Unit, wesentlich vereinfacht, da diese Bauteile nun als Einheit gemeinsam montiert werden können .

Der Stromsensor kann als integriert in das Leistungsschütz bezeichnet werden, wenn das Leistungsschütz und der

Stromsensor in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind. Insbesondere können das Leistungsschütz und der Stromsensor von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen sein. In dem gemeinsamen Gehäuse können außer dem

Leistungsschütz und dem Stromsensor weitere Elemente

vorgesehen sein. Alternativ kann das Gehäuse frei von

weiteren Elementen sein.

Das Leistungsschütz und der Stromsensor können zusammen gefertigt werden. Das Leistungsschütz und der Stromsensor können als gemeinsame Einheit an einen Anwender geliefert werden. Durch den hohen Grad der Integration wird kaum zusätzlicher Bauraum für den Stromsensor benötigt. Dadurch kann das Leistungsschütz mit dem integrierten Stromsensor insbesondere bei Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen nur ein sehr begrenzter Platz zur Verfügung steht.

Der erste und der zweite elektrische Kontakt können in einem Laststromkreis angeordnet sein, wobei das Leistungsschütz dazu ausgestaltet ist, eine Stromstärke eines durch den Laststromkreis fließenden Stroms zu erfassen. Bei dem

Laststromkreis kann es sich beispielsweise um den

Batteriestromkreis eines Elektrofahrzeugs handeln. Wie oben bereits erläutert ist die Bestimmung der Stromstärke in dem Batteriestromkreis sowohl als Regelgröße zur Steuerung eines Fahrzeugmotors als auch für die Überwachung der Funktionalen Sicherheit des Elektrofahrzeugs von erheblicher Bedeutung.

Der Stromsensor kann einen Hall-Sensor aufweisen. Der Hall- Sensor kann den Hall-Effekt zur Messung der Stromstärke nutzen, indem er ein Magnetfeld bestimmt, das einen

stromdurchflossenen Leiter umgibt.

Der Stromsensor kann einen der elektrischen Kontakte

umschließen. Die elektrischen Kontakte können beispielsweise einen Anschlusspol aufweisen, der von dem Stromsensor umschlossen wird. In diesem Fall kann der Hall-Sensor unmittelbar auf eine Stromstärke des durch den elektrischen Kontakt fließenden Stroms schließen. Alternativ oder ergänzend kann der Stromsensor einen Shunt- Widerstand aufweisen. Bei einem Shunt-Widerstand kann eine durch den Widerstand fließende Stromstärke ermittelt werden, indem die an den Widerstand abfallende Spannung bestimmt wird. Der Stromsensor kann seriell mit einem der elektrischen Kontakte verschaltet sein.

Weist der in das Leistungsschütz integrierte Stromsensor sowohl einen Hall-Sensor als auch einen Shunt-Widerstand auf, können die Stromstärke über zwei voneinander unabhängige Messmethoden bestimmt werden. Insbesondere bei

sicherheitsrelevanten Anwendungen, etwa in einem

Elektrokraftfahrzeug, ist dieses erhöhte Maß an Sicherheit von wesentlicher Bedeutung. So kann sichergestellt werden, dass der Strom auch bei einem teilweisen Ausfall des Sensors noch gemessen und gegebenenfalls abgeschaltet werden kann.

Der Leistungsschütz kann eine Schnittstelle aufweisen, über die von dem Stromsensor erfasste Daten auslesbar sind. Auf diese Weise können die von dem Stromsensor erfassten

Messdaten beispielsweise an eine externe Steuereinheit übertagen werden. Die externe Steuereinheit kann dann anhand der von dem Stromsensor erfassten Messdaten hinsichtlich der Stromstärke entscheiden, ob das Leistungsschütz getrennt werden soll. Die externe Steuereinheit kann das

Leistungsschütz ansteuern.

Der Stromsensor kann derart kalibriert sein, dass von dem Leistungsschütz erzeugte Magnetfelder bei der Messung der

Stromstärke berücksichtigt werden können. Das Leistungsschütz kann beispielsweise eine Spule und/oder einen Ablenkmagneten aufweisen, die jeweils ein Magnetfeld erzeugen können.

Dadurch, dass diese Magnetfelder bei der Kalibrierung des Stromsensors berücksichtigt werden können, kann die

Messgenauigkeit des Sensors erheblich verbessert werden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Leistungsschützes. Dabei kann es sich insbesondere um das oben beschriebene

Leistungsschütz handeln. Dementsprechend können alle

funktionalen und strukturellen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Leistungsschütz offenbart wurden, auch auf das

Verfahren zutreffen. Gemäß dem Verfahren werden zeitgleich ein Kalibrierungsschritt des Stromsensors und ein

Funktionstest des Schaltelements vorgenommen. Bei dem

Kalibrierungsschritt können Störeffekte erfasst werden, die die Messgenauigkeit des Stromsensors beeinträchtigen würden. Hierzu zählen insbesondere von dem Leistungsschütz erzeugte Magnetfelder. Da Kalibrierung des Sensors und Funktionstests des Leistungsschützes zusammen vorgenommen werden und

insbesondere vor der Auslieferung des Bauteils erfolgen können, müssen diese Schritte nicht mehr vorgenommen werden, wenn das Leistungsschütz verbaut wird. Dadurch wird der

Montageaufwand für einen Anwender erheblich reduziert. Während des Kalibrierungsschrittes des Stromsensors können von dem Schaltelement und/oder von den elektrischen Kontakten erzeugte Magnetfelder erkannt werden und bei der Kalibrierung des Stromsensors berücksichtigt werden. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der

Figuren näher beschrieben.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leistungsschützes 1, in das ein Stromsensor 2

integriert ist. Figur 1 zeigt das Leistungsschütz 1 in einer perspektivischen Ansicht. Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch das Leistungsschütz 1 in einer Frontalansicht. Figur 3 zeigt den in Figur 2 gezeigten Querschnitt in

perspektivischer Ansicht.

Bei dem Leistungsschütz 1 handelt es sich um einen elektrisch betriebenen, fern betätigbaren Schalter. Das Leistungsschütz 1 weist einen ersten elektrischen Kontakt 3 und einen zweiten elektrischen Kontakt 4 auf. Ferner weist das Leistungsschütz 1 ein Schaltelement 5 auf. Das Schaltelement 5 kann eine geöffnete Stellung und eine geschlossene Stellung einnehmen. In den Figuren 2 und 3 ist das Schaltelement 5 jeweils in seiner geöffneten Stellung gezeigt. In der geöffneten

Stellung verbindet das Schaltelement 5 die beiden

elektrischen Kontakte 3, 4 nicht miteinander, sodass die elektrischen Kontakte 3, 4 voneinander isoliert sind.

Dementsprechend kann kein Strom über das Leistungsschütz 1 fließen, wenn sich das Schaltelement 5 in seiner geöffneten Stellung befindet.

Das Schaltelement 5 kann ferner eine geschlossene Stellung einnehmen. In der geschlossenen Stellung verbindet das

Schaltelement 5 die beiden elektrischen Kontakte 3, 4 leitend miteinander, sodass ein Strom über das Leistungsschütz 1 fließen kann. In dem Leistungsschütz 1 sind zwei Stromkreise ausgebildet. Es handelt sich dabei um einen Laststromkreis und einen

Steuerstromkreis. Der Laststromkreis wird geschlossen, wenn das Schaltelement 5 in die geschlossene Stellung bewegt wird. In den Figuren 1 bis 3 ist ein Pfad durch Pfeile angedeutet, entlang dem der Strom im Laststromkreis fließt, wenn das

Schaltelement 5 sich in der geschlossenen Stellung befindet. Über den Laststromkreis ist das Leistungsschütz 1 typischerweise mit weiteren Bauteilen verschaltet. Das

Leistungsschütz 1 kann insbesondere dazu ausgestaltet sein, den Laststromkreis zu unterbrechen, wenn die weiteren

Bauteile ausgeschaltet werden sollen.

Ferner kann das Leistungsschütz 1 den Steuerstromkreis aufweisen. Der Steuerstromkreis ist dazu ausgestaltet, das Schaltelement 5 zu betätigen. Über den Steuerstromkreis wird somit der Leitungsschütz 1 sozusagen „gesteuert". Der

Steuerstromkreis ermöglicht es, durch eine Bewegung des Schaltelements 5 den Laststromkreis zu schließen oder zu unterbrechen . In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist das

Schaltelement 5 eine Spule 6, einen Eisenkern 7 und eine Brücke 8 auf. Die Brücke 8 kann eine obere Position und eine untere Position einnehmen. Die obere Position der Brücke 8 entspricht der geschlossenen Stellung des Schaltelements 5. Die untere Position der Brücke 8 entspricht der geöffneten Stellung des Schaltelements 5.

Fließt ein Strom durch die Spule 6, so wird die Brücke 8 infolgedessen aus dem Eisenkern 7 und der Spule 6

herausbewegt. Die Brücke 8 befindet sich dann in ihrer oberen Position. In dieser Position verbindet die Brücke 8 die beiden elektrischen Kontakte 3, 4 leitend miteinander. Fließt kein Strom durch die Spule 6, so fällt die Brücke 8 in ihre untere Position, in der die beiden Kontaktelemente 3, 4 nicht leitend miteinander verbunden sind.

Elektrische Leistungsschütze 1, die nach einem vergleichbaren Prinzip funktionieren, können in beliebiger Weise hier verwendet werden. Möglich sind ferner auch pneumatische

Leistungsschütze .

Das Leistungsschütz 1 weist ferner den Stromsensor 2 auf, der in das Leistungsschütz 1 integriert ist. Dementsprechend bilden Leistungsschütz 1 und Stromsensor 2 eine einzige funktionale Einheit. Der Stromsensor 2 ist dazu ausgestaltet, die Stromstärke eines durch den Laststromkreis fließenden Stroms zu erfassen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Stromsensor 2 einen Hall-Sensor auf. Der Hall-Sensor weist einen Kern auf, der eine geschlitzte Ringform aufweist und der den ersten elektrischen Kontakt 3 umschließt. In dem Schlitz des Kerns befindet sich ein Hall-Element. Fließt nunmehr ein Strom durch den ersten elektrischen Kontakt 3, so registriert das Hall-Element eine Veränderung der vorliegenden Magnetfelder, da der durch den ersten elektrischen Kontakt fließende Strom ein Magnetfeld induziert. Auf Basis dieser

Magnetfeldänderungen kann der Hall-Sensor auf die Stromstärke rückschließen .

Der Leistungsschütz 1 kann mit weiteren Bauteilen verschaltet werden. Dazu kann der Leistungsschütz 1 mit elektrischen Leitungen verbunden werden, die an den ersten und den zweiten Kontakt 3, 4 angeschlossen werden. Diese nachfolgende

Kontaktierung des ersten und des zweiten Kontakts 3, 4 kann vollkommen unabhängig von dem Stromsensor 2 vorgenommen werden .

Der Stromsensor 2 ist derart ausgelegt, dass neben den in dem Leistungsschütz 1 üblicherweise zu erwartenden Nominalströmen auch Stromspitzen, die das Dreifache des Nominalstroms betragen können, in ausreichender Genauigkeit gemessen werden können. Mit diesem Messbereich des integrierten Stromsensors 2 kann der Leistungsschütz 1 ohne weiteren Zusatz in

Anwendungen mit Anforderungen zur funktionalen Sicherheit eingesetzt werden.

Ferner weist das Leistungsschütz 1 eine Schnittstelle auf, über die von dem Stromsensor 2 gemessene Messwerte ausgelesen werden können. Beispielsweise können über diese Schnittstelle die Messwerte an ein übergeordnetes System gemeldet werden.

Der Stromsensor 2 ist geometrisch und elektrisch derart angepasst, dass er einen nur minimalen Platz benötigt. Der Stromsensor 2 muss insbesondere nicht separat von dem

Leistungsschütz 1 in einer Schaltungsanordnung montiert und kalibriert werden. Er bildet vielmehr zusammen mit dem

Leistungsschütz 1 eine funktionale Einheit.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der

Stromsensor 1 einen Shunt-Widerstand aufweisen, der in das

Leistungsschütz 1 integriert ist. Der Stromsensor 1 kann eine an dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung erfassen und aus dieser Größe die Stromstärke ermitteln. Der Shunt-Widerstand ermöglicht eine Messung der Stromstärke auf Basis eines anderen Funktionsprinzips als der Hall- Sensor. Denkbar wäre auch, dass sowohl ein Hall-Sensor als auch ein Shunt-Widerstand in das Leistungsschütz 1 integriert werden, sodass der Stromsensor 2 es ermöglicht, die

Stromstärke auf Basis von zwei voneinander unabhängigen

Messprinzipien zu erfassen. Auf diese Weise könnte die

Zuverlässigkeit der Messung erhöht werden. Bei einer Funktionsprüfung des Leistungsschützes 1 kann gleichzeitig der Stromsensor 2 kalibriert werden und ein Funktionstest des Schaltelementes 5 vorgenommen werden.

Insbesondere kann die Kalibration des Stromsensors 2 derart erfolgen, dass Magnetfelder, die von anderen Elementen des

Leistungsschützes 1 erzeugt werden, wie etwa der Spule 6, bei der Kalibrierung mit berücksichtigt werden. Die Genauigkeit des Stromsensors 2 kann auf diese Weise durch seine

Integration in das Leistungsschütz 1 erhöht werden. Durch das Leistungsschütz 1 verursachte Störungen und Fehlerquellen können die Messung der Stromstärke dann nicht mehr

verfälschen .

Bezugs zeichenliste

1 Leistungsschütz

2 Stromsensor

3 erster elektrischer Kontakt

4 zweiter elektrischer Kontakt

5 Schaltelernent

6 Spule

7 Eisenkern

8 Brücke