用于监测车辆中的高压接触器的设备和方法与流程

本发明涉及用于监测车辆中的高压接触器的设备以及用于监测车辆中的高压接触器的方法。

背景技术：

混合动力车辆、插电式和纯电动车辆、燃料电池车辆和电池充电系统通常也使用60v以上的电压。法律规定要求，当电池供电车辆上的充电存储系统由于过电流而过热时，所述车辆必须配备在发生过电流的情况下无论其电流方向如何都会可靠地将能量存储与高压电路断开的安全装置，诸如保险丝、断路器或主接触器。相应的接触器是已知的。这种接触器由两个通过可动开关元件闭合和/或连接的电触点组成。例如，可动开关元件借助于线圈和在线圈中被引导的衔铁在空闲位置和开关位置之间移动。接触器的一个问题是不完全开放的触点。这会例如造成单极卡住的接触器。而在这种情况下，两个触点被在电气上断开，但是由于开关元件的一侧卡在触点上，所以可移动的衔铁仍然不能返回到其空闲位置。

由本申请人提交的德国专利102015224658.2描述了具有两个触点对的机电断路器，其中每个触点对的一个触点设置成在接触桥上物理地分离。断路器还具有与接触桥连接并可沿着一个运动范围移动的衔铁。微动开关也设置在衔铁或接触桥附近。该微动开关与衔铁和/或接触桥隔开，使得当衔铁和/或接触桥降低一个运动范围时，微动开关被致动。可以利用另外设置在断路器中的微动开关来识别缺陷。只有当衔铁移动了所设置的运动范围时，微动开关才被致动，从而使断路器无故障地开关。

wo2008/064694a1描述了一种用于检测继电器行使功能的能力的方法以及执行该方法的装置。

从wo2013/189527a1已知一种用于监测电磁继电器的开关装置和方法。

us2014/0002093a1描述了一种用于继电器触点监测和控制的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是至少部分地克服现有技术中已知的缺点并检测卡住的接触器，目的是使该信息可用于控制设备的进一步动作。

该技术问题通过一种用于监测车辆中的高压接触器的设备解决。其中，高压接触器包含具有衔铁的线圈，用线圈电流或线圈电压对线圈进行激励以开关高压接触器，高压接触器由衔铁的运动开关，从而也改变线圈的电感，并且该设备包含以下装置：接口，该接口用于在高压接触器的开关过程期间读入用于所产生的线圈电压和/或产生的线圈电流的测量值曲线；分析装置，该分析装置用于基于所述测量值曲线确定表示所述衔铁的行进距离的运动信息，其中，所述分析装置设置成通过分析测量值曲线的边沿来确定运动信息，其中，分析所述边沿是否存在至少局部最大值和/或局部最小值并且分析装置设置成根据局部最大值和局部最小值之间的信号间隔相对于边沿高度的关系的函数来确定运动信息；和比较装置，该比较装置用于将运动信息与阈值信息进行比较，其中，当所述运动信息低于所述阈值信息时产生故障信号。

该技术问题还通过一种用于监测车辆中的高压接触器的方法加以解决。该方法的步骤如下：在高压接触器的开关过程期间，读取用于所产生的线圈电压和/或所产生的线圈电流的测量值曲线；基于所述测量值曲线，确定表示所述衔铁的行进距离的运动信息，其中，通过分析测量值曲线的边沿确定所述运动信息，其中，分析边沿是否存在至少局部最大值和局部最小值，并且根据局部最大值和局部最小值之间的信号间隔相对于边沿高度的关系的函数确定运动信息；和将运动信息与阈值信息进行比较，其中当运动信息低于阈值信息时产生故障信号。

根据本发明的用于监测车辆中的高压接触器的设备包括用于读取测量值曲线的接口、分析装置和比较装置。受监测的高压接触器具有带衔铁的线圈。衔铁与开关元件耦合，开关元件可以通过衔铁的运动从空闲位置移动到开关位置，反之亦然。在开关位置，高压接触器的两个触头电连接。通过用线圈电流或线圈电压对线圈进行激励来开关高压接触器。因此，通过衔铁的运动来开关高压接触器，从而也改变线圈的电感。

所述设备适用于监测高压接触器。高压接触器通常具有60v至1000v或高达1500v的工作范围。监测车辆中的这种高压接触器对于安全是至关重要的。在一个实施例中，该设备还可以监测例如也用于低压电源的其他接触器或继电器。

用于读取测量值曲线的接口设置成在高压接触器的开关过程期间读取测量值曲线。在这种情况下，测量值曲线表示产生的线圈电压和/或产生的线圈电流。分析装置设置成分析测量值曲线以获得运动信息。在这种情况下，运动信息表示衔铁的行进距离。因此，在简单的情况下，运动信息可理解为表示可以基于一个值确定的运动值或行进距离。运动信息还可以表示随时间变化的运动信息。从物理的角度，观察并分析线圈的变化的电感，所述变化的电感由衔铁的运动引起。在这种情况下，变化的电感与衔铁的运动成比例。比较装置设置成将运动信息与阈值信息进行比较，其中当运动信息低于阈值信息时产生故障信号。在简单情况下，阈值信息表示阈值，运动信息表示运动值，因此可以直接比较两个值。因此，可以简单地确定衔铁是否已经行进了预定的行进距离。运动信息表示衔铁移动的运动和/或距离。在另一实施例中，运动信息可表示随时间变化的运动。也可以利用根据本发明的设备来检测单侧卡住的接触器。

在一个实施例中，测量值曲线表示高压接触器的线圈电流随时间变化的电流曲线。换句话说，线圈电流可以随时间被记录和读取。可以容易地、有利地监测电流。监测线圈电流具有的优点是测量值曲线可以用于在闭合过程以及开启过程期间检测(单面或双面)卡住的接触器。因此，可以非常快速地检测出现的故障。

在替代实施例中，测量值曲线表示高压接触器的线圈电压随时间变化的电压曲线。也可以容易地实现电压测量。各种控制器都具有电压监测功能作为标准配置。电压测量也可以在测量技术方面轻松实现，并且不会改变所施加的线圈电压。特定实施例则可依赖于对测量值曲线已经可用的信号。因此，可以进行节约成本的实施。

一个特殊的实施例可以监测电流和电压两者。基于冗余实施例，可以更加可靠地进行检测。

分析装置还可以设置成分析测量值曲线的边沿，从而确定运动信息。在这种情况下，有利的是监测边沿是否存在局部最大值和局部最小值。局部最大值和局部最小值的存在表示边沿的信号突降。线圈的变化的电感应使线圈电流或线圈电压的暂时突降可检测。稳定上升或稳定下降的边沿(无突降)可指示故障。

可以有利地形成在第一时间间隔上的差和第二时间间隔上的差，从而允许对两个差进行比较。替代的测试可以例如确定在一定时间间隔上的差是否与其余边沿曲线的差有所不同。

在有利的进一步扩展实施形式中，分析装置可以根据局部最大值和局部最小值之间的信号间隔(信号突降)与全边沿高度的比较的函数来确定运动信息。然后可以在信号转换期间，即在边沿期间确定和分析信号突降。然后可以确定和分析信号突降与最大信号变化、即边沿高度的比率。所监测的高压接触器的阈值信息可有利地参考对应的比率。在一个实施例中，阈值信息可以大于边沿高度的5％，也就是说信号突降是最大信号变化的至少5％；阈值信息特别有利地大于边沿高度的10％；当阈值信息大于边沿高度的20％时，特别特别有利。

在有利的实施例中，可以根据局部最大值和局部最小值之间的时间差与边沿的时间跨度的函数确定运动信息。在这种情况下，阈值信息基于局部最大值和局部最小值之间的时间差，或者基于两个所述时间差的比率。时间差也可以被称为时间间隔。

在一个实施例中，阈值信息也可以被理解为阈值带。然后阈值带可以对应于具有预定公差范围的理想测量值曲线。在这种情况下，可以将运动信息与阈值带进行比较。当测量值曲线离开阈值带时，可以产生故障信号。可通过具有斜率和/或随时间变化的理想测量值曲线来有利地调节公差范围，从而允许具有较大公差的范围与具有较小公差的范围组合。这样的阈值带可以有利地隔离各种故障。然后可以监测更多的信号元素，并且能以更高的可靠性检测故障。

根据本发明的构思也可通过用于监测高压接触器的方法来实现。在这种情况下，该方法至少包括读取测量值曲线的步骤、通过采用测量值曲线来确定衔铁的运动信息的步骤以及将运动信息与阈值信息进行比较的步骤。在这种情况下，测量值曲线表示高压接触器的开关过程期间的线圈电压或线圈电流。当比较操作产生否定结果时，比较步骤发出故障信号。然后，故障信号特别表示高压接触器出现卡住的接触器。在这种情况下，卡住的接触器可以理解为仅在一侧开口的高压接触器。

在根据该设备的若干特定实施例中，可以增强该方法的步骤。该方法还可以包括附加步骤：记录或通过记录测量线圈电流，同时或替代地记录高压接触器的线圈电压并使其可用作测量值曲线。在这种情况下，测量值曲线包括接触器开关期间的预定测量时间间隔内的多个测量值。在以下对示例性实施例的描述中也重点强调。

上述关于该设备的讨论相应地适用于该方法，反之亦然。该设备可以设置在一个组件中或分布在几个组件中。该设备还可以集成到asic中。

这里呈现的解决方案还包括可以直接加载到数字计算机的存储器中的计算机软件产品，该软件产品包含适于执行本文所述方法的步骤的软件代码元素。

结合以下结合附图详细描述的示例性实施例的示意性描述，本发明的上述性质、特征和优点以及实现这些的方式和方法将更容易和清楚地理解。为了一致性，在这种情况下，等效或具有等效效果的元素将标注相同的附图标记。

附图说明

图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于监测车辆中的高压接触器的设备的示意图；

图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于监测车辆中的高压接触器的方法的示意图；

图3至图4示出了各种高压接触器的开关过程期间产生的线圈电流(i)的测量值曲线；

图5至图6示出了各种高压接触器的开关过程期间所产生的线圈电压(u)的测量值曲线；

图7至图10分别示出了线圈电流的测量值曲线；和

图11至图18示出了在各种高压接触器的开关过程期间所产生的线圈电压(u)和/或对应的线圈电流(i)的测量值曲线；

具体实施方式

下面基于附图和至少一个示例性实施例为本发明详细描述根据本发明的想法。

图1示出了用于监测车辆140中的高压接触器110的设备100的示例性实施例的示意图。车辆140是混合动力车辆140、插电式和/或纯电动车辆140或燃料电池车辆140。在示例性实施例中，车辆140的(高压)车载电源系统124具有大于60伏的直流电压(vdc)、特别是大于480vdc的电压。在另一示例性实施例中，车辆具有附加的(未示出)12vdc、24vdc或48vdc低压的低压车载电源系统。

高压接触器110具有线圈112和衔铁114，其中衔铁114可移动地设置在线圈112中。衔铁114还与开关元件132耦合，开关元件132在开关位置136使第一触点128与第二触点130电连接。触点128和130是车辆140的高压车载电源系统124的一部分。当高压接触器110闭合时，高压车载电源系统124因此是闭合的和欠压的。在这种情况下，衔铁114和/或与其耦合的开关元件132可在开关位置132和空闲位置134之间移动。衔铁在两个位置128、130之间移动行进距离126。可以在线圈112的连接处测量线圈电流i或线圈电压u。

设备100包括用于读取测量值曲线106的接口、分析装置104和比较装置116。测量值曲线106表示高压接触器的线圈电流i或线圈电压u的信号。在所示的示例性实施例中，设备100还具有可选的测量装置122，该测量装置122设置成记录线圈电流i并且设置成同时地或替代地记录线圈电压u，并使其可用作测量值曲线106。测量值曲线表示线圈电流u和/或线圈电压i随时间的变化。通常等距地获取单个测量值。

接口102用于将测量值曲线106读入设备100。分析装置104设置成处理测量值曲线106并确定运动信息108。在这种情况下，运动信息表示由衔铁114随着时间覆盖的行进距离126。根据示例性实施例，分析装置104包含用于此目的的各种函数以定性或定量地确定运动信息。

比较装置116将运动信息108与阈值信息118进行比较，并根据比较结果提供故障信号120。换句话说，阈值信息118则表示比较信息。当运动信息108是表示行进距离的单个运动值时，阈值信息118相应地表示单个阈值。如在其他实施例中将示出的，运动信息108可以在替代示例性实施例中也表示随时间变化的运动。在后一种情况下，阈值信息118则也表示随时间变化的信号。

如已经指出的，根据示例性实施例，测量值曲线106表示线圈电流i随时间变化的电流曲线，或替代地表示当高压接触器110接通或断开时线圈电压u随时间变化的曲线。在特定的优选示例性实施例中，在两个开关过程期间有利地监测两个信号，因此增加了分析确定性，并允许在早期阶段检测故障。相应的卡住的接触器在发生时已经有利地检测到，而不仅是在后续开关过程中的一个中被检测到。

在示例性实施例中，分析装置104设置成分析测量值曲线106的边沿。在第一步骤中，这涉及检查边沿的局部最大值和局部最小值。如果没有发现局部最大值也没有发现局部最小值，则代表了故障事件。在第二步中进一步分析所识别的局部最大值和最小值。图3及其后各图中的测量值曲线显示边沿的特征信号突降，其根据所施加的电压和所采用的高压接触器而不同。

在示例性实施例中，根据特征局部最大值与对应的局部最小值之间的信号间隔确定运动信息108。根据示例性实施例，这关于边沿高度或替代地关于边沿的时间间隔的持续时间来设定。阈值信息118在相应的示例性实施例中限定为边沿高度或对应的时间间隔的百分比，例如5％、10％、15％或20％。这可以直接根据所检查的高压接触器110完成。在替代的示例性实施例中，监测局部最大值的预定阈值，以及附加地或替代地监测局部最小值。这可以在asic的简单比较中或通过用于模拟分析的比较器电路容易地且节约成本地实现。

在又一示例性实施例中，阈值信息118表示阈值带。该版本中的比较装置116设置成将运动信息108与阈值带进行比较。由于测量值曲线106的边沿已经表示衔铁114的运动，所以可以将测量值曲线106与阈值带进行比较，并且可以当检查信号106或108离开阈值带时产生故障信号120。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于监测车辆中的高压接触器的方法200。车辆可以是图1所示的车辆140。因此，其中所示的设备100可以配备有用于执行本文所示方法200的步骤的装置。

方法200具有在高压接触器的开关过程期间读取对应的线圈电压(u)和/或所得到的线圈电流(i)的测量值曲线的步骤s1、基于测量值曲线确定表示衔铁的行进距离的运动信息的步骤s2、以及将运动信息与阈值信息进行比较的步骤s3，其中当运动信息低于阈值信息时产生故障信号。

在可选的示例性实施例中，方法200具有附加的未示出的步骤：在分析步骤之前过滤或平滑化测量值曲线，以便隐藏和/或滤除后续分析中的小信号变化。

图3至图6示出了各种高压接触器的开关过程期间所产生的线圈电流(i)的测量值曲线322。在这种情况下，测量值曲线322对应于在图1中标示为标号106的测量值曲线。信号323附加地示出了高压接触器的开关触点的电状态。笛卡尔坐标系的横坐标表示时间，纵坐标表示电压和/或电流。测量值曲线320表示电压信号320或线圈电压随时间变化的曲线，测量值曲线322表示高压接触器的线圈电流的电流信号322或电流曲线322。

在图3所示的示例性实施例中，标号324识别电压信号320的指定为边沿324的信号段。边沿324具有δt1的持续时间。边沿324具有局部最大值326和局部最小值328。边沿高度或信号摆幅用标号330标记。持续时间δt2识别时间间隔或出现局部最大值326与出现局部最小值328之间的持续时间。

由衔铁进入和离开线圈的单向运动引起的线圈电感的变化导致在电压信号320的(上升)边沿324内的信号突降。在该示例性实施例中的持续时间δt2约为边沿324的持续时间δt1的15％至20％。在图3所示的示例性实施例中，局部最大值326与局部最小值328之间的信号间隔相对于边沿高度330为至少60％。

用于检测正确曲线的可能参数是突降的开始、突降的持续时间和突降的电流差。虽然这些参数当然根据所使用的接触器而有所不同，但是它们可以限定为用于任何接触器。可以限定接触器状态，而不需要对接触器进行修改(例如附加的诊断触点)。

图3示出了在接通过程期间线圈电流i的测量值曲线322，图4示出了在高压接触器的断开过程期间线圈电流i的测量值曲线322。图4示出了打开阶段期间的衔铁运动能量在断开过程期间导致电流上升。

在图4中，测量值曲线322保持在阈值带432内。在该示例性实施例中，阈值信息被表示为阈值带432。运动信息由测量值曲线322表示。那么容易检查测量值曲线322是否保持在阈值带432内。当测量值曲线322离开阈值带时，产生故障信号。

在一个版本中，阈值带432对应于具有预定公差范围的理想测量值曲线322。

图5示出了在接通过程期间的有缺陷的高电压evc500接触器，图6示出了在断开过程期间的同一个有缺陷的evc500接触器。不发生如图3和图4所示的电流曲线322在边沿324期间的清晰明显的突降。

图7至图10分别示出了各种高压接触器的线圈电流i的测量值曲线322。图7示出了hfe18v-40高压接触器在接通过程期间的线圈电流i的测量值曲线322，图8示出了evc175高压接触器在接通过程期间的线圈电流i的测量值曲线322，图9示出了evc250高压接触器在接通过程期间的线圈电流i的测量值曲线322，图10示出了evc500高压接触器在接通过程期间的线圈电流i的测量值曲线322。

本文所示的解决方案允许在闭合过程期间以相对较小的努力来监测线圈电流i。随着衔铁移动，线圈电感变化，因为线圈的电磁场的区域中有不同的衔铁长度。线圈中的衔铁的运动导致电流信号的信号突降。所描述的效应在线圈通电之后不久引起线圈电流i的明显突降。这可以通过软件解决方案或相应的装置(例如以asic的形式)以很小的努力容易地检测。在卡住接触器(即使是单面卡住接触器)的情况下，衔铁将显示无运动或只有少许运动。这在接通过程期间造成不同的线圈电流曲线322。可以在每个闭合过程进行诊断。

图11至图18示出了在各种高压接触器的开关过程期间对应的线圈电压(u)和/或对应的线圈电流(i)的测量值曲线106。

以下附图是基于测试台设置，其中被检查的接触器通过电源直接通电。因此，以下测量不涉及电子设备的使用。用电流探头记录线圈电流。

图11示出了有缺陷的evc250高压接触器在接通过程期间的电流曲线322，图12示出了相同的有缺陷的高压接触器在断开过程期间的电流曲线322。

图13示出了在接通过程期间完好的evc250高压接触器的电流曲线322。在接通过程期间，电流在大约9.5ms之后突降5ms的时间段，然后上升到最大值。这是预期的行为，可以通过诊断函数进行验证。图14示出了在断开过程期间相同的完好高压接触器的电流曲线322。随着衔铁落回，线圈电流也在断开过程期间再次上升。如果电子设备是以在断开过程期间也可以测量线圈电流的方式设计的，则可以在断开过程期间直接检测到卡住的接触器。

根据电路，线圈两端的电压也可用于断开过程期间的诊断函数。在图15及其后各图所示的极端情况下，连接到接触器的电线受到硬中断，从而使线圈电流立即变为0a。然而，在这种情况下产生也依赖于衔铁运动的感应电压。

图15和图16显示了无缺陷的evc250高压接触器。图15示出了在接通过程期间的线圈电压320的测量值曲线106，以及图16示出了在断开过程期间的线圈电压320的测量值曲线106。

以同样的方式，图17、18显示了无缺陷的evc500型高压接触器。

附图标记列表

100设备

102用于读取的接口

104分析装置

106测量值曲线

108行进距离

110高压接触器

112线圈

114衔铁

i线圈电流

u线圈电压

116比较装置

118阈值

120故障信号

122测量装置

124高压车载电源系统

126行进距离

128第一触点

130第二触点

132开关元件

134空闲位置

136开关位置

140车辆

200方法

s1读取步骤

s2确定步骤

s3比较步骤

320测量值曲线，电压信号

322测量值曲线，电流信号，线圈电流的电流曲线

323开关触点的电状态

324边沿

326局部最大值

328局部最小值

330信号摆幅，边沿高度

δt1边沿的持续时间

δt2持续时间

432阈值带