Überwachung und Auslösung von elektrischen Sicherungen Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung und Auslösung einer Zündpille einer aktiven elektrischen Si cherung. Die Erfindung betrifft außerdem ein zughöriges Ver fahren sowie einen Stromrichter und ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Schaltungsanordnung. Ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium zur Durchführung des Verfahrens werden ebenfalls angegeben.

Hintergrund der Erfindung

Sicherungen haben in der Elektrotechnik die Aufgabe, nachge schaltete elektrische Anlagen, Aktoren, Geräte oder Leitungen vor Überlast oder Kurzschüssen zu schützen.

Sicherungen können in passiv auslösende oder aktiv gesteuerte Sicherungen eingeteilt werden. Passiv auslösende Sicherungen trennen durch den Überstrom oder Kurzschluss in der Sicherung selbst. Entweder schmilzt ein Metallstreifen zwischen zwei Anschlüssen durch zu hohe Überlast oder eine Magnetspule trennt durch eine erreichte Magnetkraft beide Pole über einen Kontakt bzw. Stößel.

Sicherungen werden durch Spannungs- und Stromgrenzen sowie durch die Abschaltgeschwindigkeit, Lastintegrale und das Abschalt verhalten definiert. Die Trenngeschwindigkeit spielt bei Si cherungen eine große Rolle. Schmelzsicherungen oder magnetisch auslösende Sicherungen gelten durch ihren definierten und bewährten Aufbau als vielseitig anzuwendendes Bauelement.

Während bei einer Wechselspannung die zu trennende Spannung immer wieder durch den Nullpunkt geht, liegt bei einer Gleichspannung während des Sicherungsfalls immer eine Spannungsdifferenz an beiden Anschlüssen an. Dies bedeutet, dass bei einem fehlenden Nulldurchgang der Spannung bei einer anstehenden Trennung der Lichtbogen im Inneren der Sicherung bestehen bleiben kann.

Technische Lösungen reduzieren zwar die Lichtbogendauer, können sie jedoch nicht komplett in allen Fällen eliminieren. Je länger und größer Lichtbögen im Inneren der Sicherungen anstehen, desto größer ist die Belastung durch hohe Temperaturen und hohe Gasdrücke. Deshalb kann eine Verkürzung der Auslösezeit eine Reduzierung der Belastung der Sicherungen und der nachge schalteten Bauelemente, Geräte und Leitungen bewirken.

Daher gibt es neben passiv schmelzenden Sicherungen auch aktiv auslösende Sicherungen. Diese trennen durch eine Explosivladung auf der Auslöseseite die beiden lastführenden Anschlüsse (Lastseite) der Sicherung. Die Explosivladung wird entweder bei einem definierten Überstrom selbsttätig oder durch eine aktive Zündaktion von außen gezündet, beispielsweise indem über eine Zusatzelektronik der zu kontrollierende Überstrom/Kurzschluss ermittelt wird und ebenfalls über eine Zusatzelektronik die Zündaktion, d.h. das Zünden, durchgeführt wird.

Aktiv auslösende Sicherungen heißen auch Schnellauslöser oder Schnellauslösevorrichtungen. Nachfolgend wird lediglich „Sicherung" als Begriff verwendet.

Eine Rückmeldung der Auslösung an die übergeordnete Steuerung ist bei einer passiv trennenden Sicherung z.B. durch extern sitzende potentialfreie Schalter oder integrierte Anzeigeelemente in der Sicherung möglich. Bei einer aktiv trennenden Sicherung ist bedingt durch einen hohen Gasdruck zum Trennzeitpunkt und dem auftretenden Lichtbogen im Inneren der Sicherung eine externe Auslöseanzeige oder ein potenzialfreier Schalter nur mit er heblichen Aufwand möglich.

Folgende Überlegungen sind bei Sicherungen zu beachten: Wie erfolgt die Auslösung der Sicherung?

Wie kann eine Rückmeldung über eine ausgelöste oder nicht ausgelöste Sicherung auch auf einer galvanisch getrennten Seite erhalten werden?

Wie wird die Funktionalität der Sicherungsauslösbarkeit vor der Auslösung sichergestellt?

Welche Möglichkeiten der Qualitätsbeurteilung existieren?

Bei einer passiv auslösenden Sicherung wird gemäß technischen Daten (z.B. Schmelzlastintegral) die geeignete Sicherung ausgewählt. Die messende, auslösende und lasttragende Funktion sind in einer einzigen Sicherungskomponente vereint und durch eine hohe Zuverlässigkeit gekennzeichnet.

Die Rückmeldung über eine ausgelöste Sicherung und somit über jede fehlende der oben genannten Funktionen kann über folgende Kriterien erfolgen:

Spannungsabfallmessung an der auslösenden Sicherung,

Messung des unterbrochenen Stroms,

Widerstandsmessung der Sicherung nach Abkopplung vom An wendersystem und

ggf. Verhaltensänderung des nachgeschalteten Verbrauchers nach einer Abtrennung.

Bei aktiv auslösenden Sicherungen kann eine Detektion auf der Lastseite erfolgen. Wie bei passiven Sicherungen können auch bei aktiv trennenden Sicherungen die o.g. Kriterien angewendet werden .

Bei einer Detektion auf der Auslöseseite gilt folgendes. Auf der Auslöseseite kann über den Zustand der aktiv trennenden

Sprengpille ein Rückschluss auf einen möglichen Sicherungsfall getroffen werden. Dies wird beispielsweise mit speziellen Zündzeitprüfgeräten durchgeführt. Sie messen den Widerstand des auslösenden Initialsprengzünders, wozu die Sicherung jedoch vom Anwendungssystem abgekoppelt werden muss. Der Widerstand ist genau gemäß dem Datenblatt definiert, bei einem unterschied- liehen Widerstand gegenüber dem Datenblatt liegt eine mögliche Sicherungsauslösung oder eine Störung in dem Ansteuerkreis vor.

In der Offenlegungsschrift WO 1997/006979 A2 wird eine Anordnung zum Überprüfen des Widerstands einer an einem Übertrager an geschlossenen Last offenbart, wobei ein Messwiderstand zuge schaltet wird, um Unterschiede zum realen Widerstand einer Zündpille festzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, die bei aktiv auslösenden elektrischen Sicherungen eine Aufteilung in Aus- löseseite und Lastseite zulässt und ermitteln kann, ob beide Seiten noch eine sichere Trennung funktional gewährleisten.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der

Schaltungsanordnung, dem Stromrichter, dem Luftfahrzeug, dem Verfahren, dem Computerprogrammprodukt und dem computerlesbaren Medium der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Idee der Erfindung besteht darin, eine Beurteilung der Auslöseseite einer aktiven Sicherung vorzunehmen. Mit einer Schaltungsanordnung, aufweisend einen Übertrager, einen ent koppelnden Kondensator, eine Taktansteuerung mittels Ansteu ersignale in unterschiedlichen Betriebsweisen kann eine Vielzahl von Analysemöglichkeiten bereitgestellt werden.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass mittels der Kombination der einzelnen Bauelemente eine Ansteuerung einer Sprengpille einer aktiven elektrischen Sicherung erfolgen kann. Außerdem kann eine Überprüfung der einzelnen Bauelemente im Ansteuerkreis erfolgen, die Qualität des gesamten elektrischen Kreises be urteilt wie auch ein Rückschluss auf den Lastkreis gewonnen werden . Der Rückschluss auf den Lastkreis kann beispielsweise durch eine geänderte Kapazität des Lastkreises gegenüber Erde bzw. PE (= protective earth) oder Bonding (= Hülle eines Flugzeuges in der Luftfahrt) nach Auslösung bedeuten.

Die Erfindung beansprucht eine Schaltungsanordnung zur Über wachung und Auslösung einer Zündpille einer aktiven elektrischen Sicherung. Die Anordnung weist auf:

eine Steuer- und Auswerteeinheit,

eine durch die Steuer- und Auswerteeinheit angesteuerte Wechselstromerzeugungseinheit und

eine zwischen der Zündspille und der Wechselstromerzeu gungseinheit angeordnete Wechselstromübertragungseinheit, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet und pro grammiert ist,

in einem ersten Betriebszustand aus einem primärseitig erfassten Strom und einer primärseitig erfassten Spannung den elektrischen Widerstand der Zündpille zu ermitteln, wobei der Wert des (komplexen) Widerstands (= Impedanz) ein Maß für eine Auslösung der Zündpille ist, und

in einem zweiten Betriebszustand mittels der Wechsel stromerzeugungseinheit die Zündpille auszulösen.

Dadurch lässt sich die Zündfähigkeit der Zündpille robust und sicher bestimmen aber auch sicher und schnell auslösen

In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuer- und Aus werteeinheit ausgebildet und programmiert sein,

die Pulsweite der Wechselstromerzeugungseinheit zu verän dern,

in dem ersten Betriebszustand bei einer Pulsweite der Wechselstromerzeugungseinheit unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts aus dem primärseitig erfassten Strom und der primärseitig erfassten Spannung den elektrischen Widerstand der Zündpille zu ermitteln (no fire current oder Puls) , und in dem zweiten Betriebszustand eine Pulsweite der Wech selstromerzeugungseinheit oberhalb des vorgebaren

Schwellwerts (all fire current oder Puls) einzustellen.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuer- und Auswer teeinheit die Impedanz der durch die Steuer- und Auswerteeinheit gesteuerten Ansteuerkette ermitteln.

In einer weiteren Ausgestaltung kann in Serie zur Wechsel stromübertragungseinheit primärseitig ein Kondensator ange ordnet sein, der den Gleichstromanteil blockiert.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Wechselstromer zeugungseinheit als Transformator mit voneinander getrennten Spulenwicklungen ausgebildet sein, wodurch die Primärseite von der Sekundärseite galvanische getrennt ist und eine Potenti alfreiheit auf der Sekundärseite garantiert.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Wechselstromerzeu gungseinheit über zwei getrennte Signale eine Gegen- takt-Ausgangstreiberschaltung ansteuern und so zwei zueinander inverse Wechselstromsignale erzeugen.

Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Überwachung und Auslösung einer Zündpille einer aktiven elektrischen Sicherung, wobei aus einer Wechselstromerzeugungseinheit primärseitig ein Wechselstrom in eine Wechselstromübertragungseinheit eingespeist wird

und in einem ersten Betriebszustand aus einem primärseitig erfassten Strom und einer primärseitig erfassten Spannung der elektrische Widerstand der sekundärseitig an die Wechsel stromübertragungseinheit angeschlossene Zündpille ermittelt wird, wobei der Wert des Widerstands ein Maß für eine Auslösung der Zündpille ist, und

wobei in einem zweiten Betriebszustand durch die Wechsel stromerzeugungseinheit die Zündpille ausgelöst wird. In einer Weiterbildung wird

in dem ersten Betriebszustand, aus der Wechselstromerzeu gungseinheit primärseitig ein Wechselstrom mit einer

Pulsweite unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts in die Wechselstromübertragungseinheit eingespeist wird

und aus dem primärseitig erfassten Strom und der primärseitig erfassten Spannung der elektrische Widerstand der Zündpille ermittelt wird und

in dem zweiten Betriebszustand die Pulsweite des Wechsel stroms der Wechselstromerzeugungseinheit über den

Schwellwert erhöht wird.

In einer Weiterbildung kann das Verfahren mit einer erfin dungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgeführt werden.

Die Erfindung beansprucht auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Steuer- und Auswerteeinheit ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Steuer- und Auswerteeinheit ausgeführt wird .

Die Erfindung beansprucht des Weiteren ein computerlesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Steuer- und Auswerteeinheit ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Steuer- und Aus werteeinheit ausgeführt wird.

Die Erfindung beansprucht auch einen Stromrichter, insbesondere einen Umrichter, mit einer eingangsseitig angeschlossenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung .

Die Erfindung kann auch eine Energiequelle, insbesondere einer Batterie (z.B. in einem Flugzeug), mit einer ausgangsseitig angeschlossenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bean spruchen .

Die Erfindung beansprucht des Weiteren ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit einem erfindungsgemäßen

Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb .

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Flugzeug einen durch den Umrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller aufweisen .

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1: ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung,

Fig . 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einem Um richter,

Fig. 3: ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einer

Batterie und

Fig. 4: eine Darstellung eines Flugzeugs mit einer Schal tungsanordnung .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig . 1 zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung 12. Eine beispielsweise als Microcontroller ausgeführte Steuer- und Auswerteeinheit 1 steuert über zwei getrennte Signale eine beispielsweise als Gegentakt Ausgangstreiberschaltung ausge bildete Wechselstromerzeugungseinheit 2 an. Ein „enable" Signal dient zum „Aktiv" Schalten der Wechselstromerzeugungseinheit 2. Ein Takteingang „clk" am Eingang der Wechselstromerzeugungs einheit 2 steuert die Ausgangsstufen im Gegentakt an und bestimmt somit die Frequenz und die Pulsbreite der Wechselspannung. Die beiden Ausgänge der Wechselstromerzeugungseinheit 2 arbeiten somit invers - ein komplementäres Wechselstromsignal wird auf diese Weise erzeugt.

Die Wechselstromerzeugungseinheit 2 steuert über einen Kon densator 3 auf der Primärseite eine Wechselstromüber

tragungseinheit 4 an. Die Wechselstromübertragungseinheit 4 steuert auf der Sekundärseite eine Zündpille 5 (auch als Sprengpille bezecihnet) im Inneren der aktiv trennenden Si cherung 6 an. Die Wechselstromübertragungseinheit 4 besitzt durch seine getrennten Spulenwicklungen 4.1 eine garantierte Potentialfreiheit und die Primarseite ist somit von der Se kundärseite galvanisch getrennt.

Die Zündpille 5 hat einen Widerstand mit einem definierten Widerstandswert. Der Widerstandswert kann durch geeignete Steuerpulssignale (Spannung/Strom) auf die Primärseite transformiert werden. Mittels des ersten Messwiderstand 7 kann über den ersten Verstärker 10 an die Steuer- und Auswerteeinheit 1 der Istwert des Widerstandswerts der Zündpille % detektiert werden. Dabei bleibt die Pulsweite unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts, der so gewählt ist, dass die Zündpille noch nicht auslöst (= erster Betriebszustand) .

Wenn die Steuer- und Auswerteeinheit 1 aktiv eine Zündung der Sicherung 6 auslösen soll (= zweiter Betriebszustand) , steuert diese die Pulsweite über den vorgebbaren Schwellwert, so dass über die Wechselstromübertragungseinheit 4, die Wechsel stromerzeugungseinheit 2 und über den Kondensator 3 die Zündpille ausgelöst wird, da der Strom durch die Zündpille 5 über dem Zündstrom liegt. Mittels des ersten Messwiderstand 7 kann über den ersten Verstärker 10 an die Steuer- und Auswerteeinheit 1 eine Änderung des Widerstandswerts der Zündpille detektiert werden.

Diese Veränderung kann auf der Primärseite detektiert werden, ebenso Veränderungen oder Störungen bevor eine Auslösung erfolgt ist. Der Strom, der im Massezweig der Wechselstromerzeu gungseinheit 2 gemessen wird und über den ersten Verstärker 10 an die Steuer- und Auswerteeinheit 1 gegeben wird, ist zusammen mit dem Taktsignal ein Bewertungskriterium für den realen Widerstand der Zündpille 5, transformiert über die Wechsel stromübertragungseinheit 4.

Eine Spannungsrückmeldung über den zweiten und dritten Wi derstand 8, 9 und dem zweiten Verstärker 11 meldet die Pri märspannung der Wechselstromübertragungseinheit 4 zurück.

Die Sicherung 6 kann bevorzugt in einem Spannungsbereich be trieben werden, der oberhalb ungefährlicher Schutzkleinspan nungspegel liegt. Deshalb ist eine garantierte Potentialtrennung erforderlich .

Bei der Ansteuerung der Wechselstromerzeugungseinheit 2 und der gleichzeitigen Messung von Spannung und Strom kann man genau ermitteln, wann die Zündpille 5 ausgelöst hat.

Fehler in der gesamten Verschaltung können detektiert werden. (Kapazitätsmessung und Induktivitätsmessung und Widerstands messung im Zündpillenkreis) .

Durch Variation der Frequenz am „clk" Eingang kann der Kon densator 3 und die Wechselstromübertragungseinheit 4 einzeln getestet werden (Überprüfung der einzelnen Komponenten se lektiv) .

Ein Vergleich von Kurvenformen mit gespeicherten Werten in einer Datentabelle in der Steuer- und Auswerteeinheit 1 ist möglich. Durch das Kurzschließen beider Ausgänge in der Wechselstrom erzeugungseinheit 2 können die nachfolgenden Elemente kurz geschlossen werden. Dies steigert die EMV Immunität.

Anstatt einer Vollbrücke kann auch eine Halbbrücke verwendet werden .

Die Systemsicherheit kann erhöht werden, wenn in der Sicherung 6 zwei getrennte Zündpillen 5 verwendet werden und zwei getrennte Ansteuerkreise eingesetzt werden. So kann beispielsweise bei einer Auslösung der getrennte „andere" Zündkreis überprüft werden, da eine Sprengpille automatisch die andere mitzündet. Diese Verdoppelung der Zündpillen 5 beispielhaft in der Of fenlegungsschrift DE 10 2015 203 646 Al offenbart.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einem Umrichter 13 als Last und einer Schaltungsanordnung 12 nach Fig. 1. Der Umrichter 13 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Stromrichters. Die Sicherung 6 liegt an einem oder beiden Eingängen des Umrichters 13. Die Schaltungsanordnung 12 und die Sicherung 6 können auch in dem Umrichter 13 integriert sein.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einer aufladbaren Batterie 16 als Last und einer Schaltungsanordnung 12 nach Fig. 1. An einer oder beiden Batteriepolen ist die Sicherung 6 angeschlossen. So kann beim Laden oder Entladen der Stromkreis unterbrochen werden.

Fig. 4 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luft fahrzeug, hier ein Flugzeug 13, mit einem Umrichter 13 und einer Schaltungsanordnung 12 mit Sicherung 6 gemäß Fig. 2. Der Um richter 13 speist einen Elektromotor 14 mit elektrischer Energie. Der Elektromotor 14 treibt einen Propeller 15 an.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Va riationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Steuer- und Auswerteeinheit

2 Wechselstromerzeugungseinheit

3 Kondensator

4 Wechselstromübertragungseinheit

4.1 Spulenwicklung

5 Zündpille

6 Sicherung

7 Erster Messwiderstand

8 Zweiter Meswiderstand

9 Dritter Messwiderstand

10 Erster Verstärker

11 Zweiter Verstärker

12 Schaltungsanordnung

12 Umrichter

13 Flugzeug

14 Elektromotor

15 Propeller

16 Batterie