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Der Gegenstand betrifft eine Schmelzsicherung sowie eine Schaltungsanordnung mit einer Schmelzsicherung. Darüber hinaus betrifft der Gegenstand die Verwendung einer solchen Schmelzsicherung als auch einer Schaltungsanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Schaltungsanordnung.
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Konventionelle Schmelzsicherungen, die als sogenannte Stecksicherung bekannt sind, werden heutzutage auch in sicherheitsrelevanten Applikationen von Kraftfahrzeugen als Leitungsschutz eingesetzt. Insbesondere in automotiven Anwendungen kommen Flachstecksicherungen und Miniflachstecksicherungen zum Einsatz. Bei diesen Sicherungen ist ein Schmelzdraht über zwei flache Anschlusslaschen kontaktiert. Die flachen Anschlusslaschen werden in einem Anschlussgehäuse (Sicherungsbox) klemmend angeordnet und lassen sich mit wenig Aufwand entfernen und austauschen.
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Problematisch bei den Flachstecksicherungen als auch bei sonstigen Schmelzsicherungen ist die fehlende Diagnosefähigkeit. Durch die stetig wachsende Komplexität elektronischer Komponenten in Fahrzeugen steigt jedoch auch die Wahrscheinlichkeit von Fehlfunktionen. Ist eine sicherheitsrelevante Komponente betroffen, kann eine Fehlfunktion verheerende Auswirkungen haben, insbesondere können Menschen zu Schaden kommen. Die ISO-Norm IS026262 stellt Richtlinien für die funktionale Sicherheit von elektrischen und elektronischen Komponenten in Kraftfahrzeugen auf. Um diese zu erfüllen, ist ein Monitoring an den Komponenten notwendig, was bei herkömmlichen Schmelzsicherungen jedoch nicht möglich ist.
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Die Veröffentlichung
EP 1003 194 A1 bezieht sich auf eine Leuchtanzeige für ausgelöste Sicherungen in elektrischen Schaltkreisen von Kraftfahrzeugen.
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Die Veröffentlichung
US 2002/0 008 951 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Auftretens eines Kurzschlusses.
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Die Veröffentlichung
US 5 598 138 A offenbart eine Schmelzsicherung für Automobile, bei der ein Leuchtindikator aktiviert wird, sobald die Sicherung ausgelöst hat.
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Die Veröffentlichung
EP 1 258 838 A2 betrifft eine Einrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag dem Gegenstand lag somit die Aufgabe zugrunde, die Überwachung von Schmelzsicherungen zu optimieren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schmelzsicherung nach Anspruch 1, eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 sowie ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 13 vorgeschlagen.
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Die gegenständliche Schmelzsicherung weist einen Schmelzleiter zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusskontakt auf. Der Aufbau von Schmelzsicherungen an sich ist bekannt. Der Schmelzleiter wird in seinem Leitungsquerschnitt und seiner Leitfähigkeit so eingestellt, dass er bei einer bestimmten Stromstärke aufschmilzt und so einen elektrischen Pfad zwischen den beiden Anschlusskontakten auftrennt. Die Wirkungsweise eines Schmelzleiters in einer Schmelzsicherung ist ebenfalls an sich bekannt, sodass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
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Gegenständlich ist nun erkannt worden, dass die Überwachung des Schmelzleiters bei herkömmlichen Schmelzsicherungen problematisch ist. Um eine Überwachung des Schmelzleiters zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass an dem ersten und zweiten Anschlusskontakt jeweils ein Anschlusspin angeordnet ist. Ein Anschlusspin ist ein elektrischer Leiter, der von den Anschlusskontakten wegweisend hervorsteht. Auf die Anschlusspins wird eine Leiterplatte aufgesetzt. Bevorzugt wird die Leiterplatte mit den Anschlusspins verlötet. Auf der Leiterplatte selbst ist eine integrierte Schaltung angeordnet, mit der eine Auswertung von an dem Schmelzleiter erfassten Messwerten durchgeführt werden kann. Insbesondere weist die integrierte Schaltung einen AD-Wandler auf. Ferner können auf der Leiterplatte Sensoren angeordnet sein, mit denen physikalische Größen an der Schmelzsicherung, insbesondere dem Schmelzleiter, abgegriffen werden können. So können beispielsweise Strom, Spannung als auch Temperatursensoren vorgesehen sein. Analoge Ausgangssignale solcher Sensoren können mittels des AD-Wandlers digitalisiert werden und anschließend auf einem Microcontroller weiter verarbeitet werden. Der Microcontroller kann ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet sein.
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Durch die gegenständliche Schmelzsicherung ist es möglich, einen herkömmlichen Aufbau um Überwachungsfunktionen zu ergänzen.
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Die gegenständliche Schmelzsicherung ermöglicht es, Fehler an der Schmelzsicherung zu detektieren. Auch ist es möglich, vor dem Auftreten eines Fehler bereits festzustellen, dass ein Fehler wahrscheinlich wird. Durch einen Vergleich der Messdaten mit Vergleichsdaten ist es möglich, festzustellen, um welchen Betrag ein Messwert von einem Sollwert abweicht. Eine Abweichung kann als Hinweis auf einen zukünftig möglichen Fehler gewertet werden. Eine solche Überwachung von Komponenten ist auch als preemtive Maintenance bekannt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Leiterplatte über Vias auf den Anschlusspins aufgesetzt ist. Die Leiterplatte verfügt über Vias (Bohrungen), die einseitig oder beidseitig der Leiterplatte mit Leiterbahnen verbunden sind. Ein Aufstecken der Leiterplatte auf die Anschlusspins erfolgt über die Vias. Ein Anschlusspin kann unmittelbar an dem Via, an dem ein Lötkontakt der Leiterbahnen vorgesehen sein kann, mit der Leiterplatte verbunden, insbesondere verlötet werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die integrierte Schaltung zumindest einen Microcontroller aufweist. Der Microcontroller dient zur Verarbeitung der bevorzugt digitalen Messdaten. Mit Hilfe des Microcontrollers ist es möglich, unmittelbar an der Schmelzsicherung eine Auswertung der Messdaten vorzunehmen und gegebenenfalls bei einem Fehler ein Fehlersignal auszugeben oder bei einer Abweichung eines oder mehrerer Messwerte von bestimmten Grenzwerten ein Warnsignal ausgegeben wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Schmelzleiter und der Leiterplatte eine Isolationsschicht angeordnet ist. Über diese Isolationsschicht wird ein Kontaktieren der Leiterplatte mit den Anschlusskontakten und/oder dem Schmelzleiter verhindert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Anschlusspins und der Schmelzleiter U-förmig zueinander angeordnet sind. Den Boden des Us kann der Schmelzleiter bilden. Die beiden Schenkel können durch die Anschlusspins gebildet sein. Die Anschlusspins können somit von dem Schmelzleiter abstehend gebildet sein. Die Leiterplatte kann zwischen den beiden Schenkeln angeordnet sein.
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Konventionelle Sicherungsboxen ermöglichen ein Einstecken von Schmelzsicherungen und somit ein besonders einfaches Austauschen der Schmelzsicherung. Wenn nun auf der den Anschlusskontakten abgewandten Seite der Schmelzsicherungen über die Anschlusspins, die von dem Schmelzleiter abstehen, noch zusätzlich eine Leiterplatte an der Schmelzsicherung angeordnet ist, kann diese in herkömmliche Sicherungsboxen eingesetzt werden.
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Die integrierte Schaltung, insbesondere der Microcontroller kann drahtgebunden oder drahtlos Steuersignale oder Fehlersignale ausgeben. Abhängig von einer Auswertung der Messsignale kann die integrierte Schaltung, insbesondere der Microcontroller ein Ausgangssignal erzeugen, welches drahtgebunden oder drahtlos ausgegeben werden kann. Auch ist es möglich, dass die integrierte Schaltung, insbesondere der Microcontroller über die Anschlusspins ein Steuersignal auf die Anschlusskontakte einkoppelt, welches über das Bordnetz zu einer zentralen Steuereinrichtung übertragen werden kann. In einem solchen Fall benötigt die Schmelzsicherung keine weitere Kontaktierung, um die Verarbeitung der Messsignale zu ermöglichen.
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Die integrierte Schaltung kann über die Anschlusspins elektrisch gespeist sein. Ein Spannungsabfall über den Schmelzleiter, der auch nur wenige mV betragen kann, kann ausreichend sein, die integrierte Schaltung elektrisch zu betreiben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass sich der erste und der zweite Anschlusskontakt in einer Längsachse erstrecken. Die Längsachsen der Anschlusskontakte verlaufen bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander. Der Schmelzleiter verläuft bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu den Längsachsen der Anschlusskontakte. Der Schmelzleiter und die Anschlusskontakte spannen eine Ebene auf und in dieser Ebene oder im Wesentlichen senkrecht zu dieser Ebene können die Anschlusspins verlaufen. Die Anschlusspins sind vor allem parallel zu den jeweiligen Längsachsen der jeweiligen Anschlusskontakte.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Anschlusskontakte als flache Laschen gebildet sind und/oder dass die Anschlusspins drahtförmig gebildet sind. Die Anschlusspins sind insbesondere drahtförmig rund gebildet. Dies vereinfacht die Konfektionierung mit Leiterplatten, da diese für runde, drahtförmige Anschlusspins vorbereitet sind.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die jeweiligen Anschlusskontakte und Anschlusspins einstückig gebildet sind. In einem Stanz-Press-Prozess ist es möglich, Anschlusspins zusammen mit Anschlusskontakten zu stanzen. Auch ist es möglich, aus einem Draht die Anschlusskontakte zu pressen. Auch ist es möglich, dass die Anschlusspins an den Anschlusskontakten angelötet oder angeschweißt sind.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Anschlusskontakte und der Schmelzleiter auf einem Trägersubstrat angeordnet sind, dass die Anschlusspins aus dem Trägersubstrat heraus ragen und dass die Leiterplatte ein von dem Trägersubstrat getrenntes Bauteil ist, jedoch auch an dem Trägersubstrat anliegen kann. Bevorzugt sind die Anschlusskontakte und der Schmelzleiter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Insbesondere sind diese dort vergossen. Die Anschlusspins sind aus dem Gehäuse heraus geführt. Bodenseitig des Gehäuses können, beanstandet voneinander, die Anschlusskontakte aus dem Gehäuse heraus ragen. Insbesondere können die Anschlusskontakte als Flachstecker gebildet sein, wie dies bei herkömmlichen Flachstecksicherungen der Fall ist. Deckelseitig des Gehäuses, also dem Boden gegenüberliegend, kann unmittelbar auf dem Gehäuse die Leiterplatte aufgesetzt sein. Aus dem Deckel des Gehäuses können die Anschlusspins heraus ragen und die Leiterplatte kann auf den Deckel aufgesetzt werden. Insbesondere ist die Leiterplatte so dimensioniert, dass deren Fläche kongruent zur Querschnittsfläche des Gehäuses parallel zu der Deckelfläche des Gehäuses ist. Insbesondere ist die Leiterplatte kongruent zu der Deckelfläche des Gehäuses. Dies ermöglicht es, in herkömmliche Sicherungshalter gegenständliche Schmelzsicherungen einzusetzen, ohne dass deren Formfaktor verändert werden müsste. Boden und/oder Deckel des Gehäuses können auch beliebige andere Seitenwände des Gehäuses sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass auf der Leiterplatte über die Anschlusspins eine Spannung und/oder ein Strom über den Schmelzleiter und/oder eine Temperatur an dem Schmelzleiter abgreifbar ist. Eine Spannung kann unmittelbar zwischen den Anschlusspins gemessen werden. Ein Strom kann entweder über einen Messwiderstand gemessen werden oder beispielsweise kontaktlos über einen Hallsensor oder dergleichen. Auch kann aus dem bekannten Widerstandswert des Schmelzleiters und der über diesen abgegriffenen Spannung der Strom über den Schmelzleiter bestimmt werden. Eine Temperatur lässt sich über einen Temperatursensor erfassen. Insbesondere ist der Temperatursensor auf der Oberfläche der Leiterplatte, die der Schmelzleiterseite zugewandt ist. Auch kann der Temperatursensor auf der Leiterplatte angeordnet sein und die Temperatur an einem Anschlusspins bestimmen. In Kenntnis der Leitfähigkeit des Anschlusspins und dem Abstand zu dem Schmelzleiter kann hieraus eine Temperatur des Schmelzleiters hergeleitet werden. Der Stromsensor und/oder der Spannungssensor kann auf der dem Schmelzleiter abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet sein. Messsignale der Sensoren sind bevorzugt analoge Signale, welche zunächst mittels eines AD-Wandlers in digitale Signale gewandelt werden können, um anschließend in einem integrierten Schaltkreis, insbesondere einem Microcontroller, welcher insbesondere auch auf der Leiterplatte angeordnet ist, verarbeitet zu werden.
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Ein weiterer Aspekt ist eine Schaltungsanordnung mit einer zuvor beschriebenen Schmelzsicherung. Eine solche Schaltungsanordnung ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet und dient zur Verbindung einer Batterie mit einem Verbraucher. In dem Strompfad zwischen der Batterie und dem Verbraucher kann die Schmelzsicherung, insbesondere in einer Sicherungsbox angeordnet sein. Im Betriebsfall fließt der Betriebsstrom über die Schmelzsicherung. Tritt seitens des Verbrauchers ein Fehler auf, so überschreitet der Strom einen Grenzwert und der Schmelzleiter schmilzt auf, so dass die Verbindung zwischen der Batterie und dem Verbraucher getrennt wird. Ein Aufheizen des Schmelzleiters sowie ein Unterbrechen des Schmelzleiters lässt sich über die Schaltungsanordnung, insbesondere die Sensoren auf der Leiterplatte, erfassen. Auch können bereits vor einem Aufschmelzen ein Ansteigen eines Stroms und/oder einer Temperatur erkannt werden und ggf. vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden.
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Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Schaltungsanordnung einer Schmelzsicherung;
- 2 einen Aufbau einer Schmelzsicherung in einem Querschnitt;
- 3 den Einbau einer Schmelzsicherung in einen Sicherungshalter.
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1 zeigt eine Schmelzsicherung 2 in einem Bordnetz 4 eines Kraftfahrzeugs. Die Schmelzsicherung 2 ist zwischen einer Batterie 6 und einem Verbraucher 8 angeordnet. Die Batterie 6 kann entweder eine Batterie für herkömmliche Verbraucher oder eine Traktionsbatterie sein. Die Verbraucher 8 können sicherheitskritische Verbraucher sein, wie beispielsweise Lenkkraftunterstützung, Bremskraftunterstützung, ESP, Airbag-Steuerung und dergleichen. Auch kann der Verbraucher 8 ein Antriebsstrang sein. Die Schaltungsanordnung 2 ist zwischen der Batterie 6 und dem Verbraucher 8 angeordnet.
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Eine Schmelzsicherung 2 ist in der 2 näher beschrieben. Die Schmelzsicherung 2 verfügt über zwei Anschlusskontakte 12, welche bevorzugt als Flachstecker gebildet sind und welche in einer Ebene zueinander liegen. Die Anschlusskontakte 12 sind über einen Schmelzleiter 14 elektrisch miteinander verbunden. Die Leitfähigkeit des Schmelzleiters 14 ist gegenüber der Leitfähigkeit der Anschlusskontakte 12 reduziert. Dies kann durch eine geeignete Materialwahl und/oder eine geeignete Querschnittsverkleinerung erzielt werden. Durch die Reduzierung der Leitfähigkeit schmilzt der Schmelzleiter 14 bei einem Überstrom auf, was an sich hinlänglich bekannt ist.
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Ausgehend von den Anschlusskontakten 12 erstreckt sich parallel zu der jeweiligen Längsachse 12a der Anschlusskontakte 12 jeweils ein Anschlusspin 16. Die Anschlusspins 16 können einstückig an den Anschlusskontakten 12 angeordnet sein oder an diesen befestigt, insbesondere verschweißt oder verlötet sein.
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Die Anschlusspins 16 sind beabstandet voneinander. In einem selben Abstand hat eine Leiterplatte 18 Durchgangsbohrungen, sogenannte Vias 20. Die Leiterplatte 18 kann auf die Anschlusspins 16 über die Vias 20 aufgesteckt werden. Auf der Leiterplatte 18 sind (nicht dargestellt) in herkömmlicher Weise angeordnete Leiterbahnen, über die diskrete Bauteile 22, Microcontroller 24, AD-Wandler 26 als auch Messsensoren 28a, b miteinander verbunden werden können.
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Auf einer dem Schmelzleiter 14 zugewandten Seite der Leiterplatte 18 ist erfindungsgemäß ein Temperatursensor 28a angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite kann ein Spannungs- und/oder Stromsensor 28b angeordnet sein. Im Betrieb ist die Leiterplatte 18 mit ihren Bauelementen 22-28 elektrisch mit den Anschlusskontakten 12 über die Anschlusspins 16 kontaktiert. Eine Spannung als auch ein Strom über den Schmelzleiter 14 kann mit entsprechenden Strom/Spannungsensoren 28b gemessen werden. Eine Temperatur an dem Schmelzleiter 14 wird mit dem Sensor 28a gemessen.
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Messwerte können in analoger Form vorliegen, welche durch den AD-Wandler 26 gewandelt werden und anschließend mit dem Microcontroller 24 weiterverarbeitet werden können.
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Die Schmelzsicherung 2 ist bevorzugt so aufgebaut, dass Teile der Anschlusskontakte 12, der Schmelzeiter 14 sowie bevorzugt auch Teile der Anschlusspins 16 auf einem Trägersubstrat 30 aufgebracht sind. Das Trägersubstrat 30 kann beispielsweise eine nicht-leitende Schicht sein, beispielsweise ein sogenanntes Prepreg.
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Die Schmelzsicherung 2 weist ein Gehäuse 32 auf, welches Teile der Anschlusskontakte 12, Teile der Anschlusspins 16, den Schmelzleiter 14 sowie das Trägersubstrat 30 einhaust. Das Gehäuse 32 hat einen Gehäusedeckel 32a sowie einen Gehäuseboden 32b. Das Gehäuse kann verschlossen sein und Deckel 32a und Boden 32b können integraler Bestandteil des Gehäuses 32 sein und nicht von dem Gehäuse 32 entfernt werden. Das Gehäuse 32 kann insbesondere nicht geöffnet werden.
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Auf der Seite des Gehäusebodens 32 ragen die Anschlusskontakte 12 aus dem Gehäuse 32 heraus. Auf der gegenüberliegenden Seite, an dem Gehäusedeckel 32a ragen die Anschlusspins 16 aus dem Gehäuse 32 heraus.
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Die Schmelzsicherung 2 ist insbesondere als Flachstecksicherung gebildet, sodass sie sich wie in der 3 gezeigt in einer herkömmlichen Anwendung einsetzen lässt.
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3 zeigt eine Explosionszeichnung, in der eine Sicherungsbox 34 gezeigt ist. In die Sicherungsbox 34 kann eine Schmelzsicherung 2 mit ihren Anschlusspins 12 elektrisch eingesteckt werden. Auf der Seite des Gehäusedeckels 32a ragen die Anschlusspins 16 aus dem Gehäuse 32 heraus. Auf die Anschlusspins 16 lässt sich die Leiterplatte 18 aufstecken und elektrisch mit den Anschlusspins 16 kontaktieren. Die Leiterplatte 18 kann einen derartigen Formfaktor aufweisen, dass deren Grundfläche im Wesentlichen kongruent zu der Fläche des Gehäusedeckels 32a ist. Somit stört die Leiterplatte 18 auch nicht, wenn die Schmelzsicherung 32 in eine herkömmliche Sicherungsbox 34 eingesteckt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Schmelzsicherung
- 4
- Bordnetz
- 6
- Batterie
- 8
- Verbraucher
- 12
- Anschlusskontakte
- 12a
- Längsachse
- 14
- Schmelzleiter
- 16
- Anschlusspins
- 18
- Leiterplatte
- 20
- Vias
- 22
- diskrete Bauteile
- 24
- Microcontroller
- 26
- AD-Wandler
- 28
- Messsensoren
- 28a
- Temperatursensor
- 28b
- Strom/Spannungssensor
- 30
- Trägersubstrat
- 32
- Gehäuse
- 32a
- Gehäusedeckel
- 32b
- Gehäuseboden
- 34
- Sicherungsbox