DE102024107159A1

DE102024107159A1 - Elektronische Sicherung mit einer Verpolschutzschaltung und zugehöriger Leitungssatz

Info

Publication number: DE102024107159A1
Application number: DE102024107159.1A
Authority: DE
Inventors: René Wunderlich
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2023-11-06
Filing date: 2024-03-13
Publication date: 2025-05-08
Also published as: DE102024108595A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung (101) zur Absicherung einer elektrischen Leitung (102) gegen thermische Überlast und/oder Überspannung und/oder Übertemperatur, umfassend: eine Verpolschutzschaltung (103) mit einer Strom-Zeit Kennlinie (104) und/oder einer Spannungs-Zeit-Kennlinie (104) und/oder einer Temperatur-Zeit-Kennlinie (104), wobei die Verpolschutzschaltung (103) ausgebildet ist, einen Stromfluss (I) durch die elektrische Leitung (102) zu unterbrechen, wenn der durch die elektrische Leitung (102) fließender Strom (I) eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom-Zeit Kennlinie (104) erfüllt, und/oder wen die Spannung zwischen der Leitung (102) und einem Bezugspotenzial eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Spannungs-Zeit Kennlinie (104) erfüllt oder wenn die Temperatur der Leitung (102) eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Temperatur-Zeit Kennlinie (104) erfüllt. Dabei basiert die Kennlinie (104) der Verpolschutzschaltung (103) auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung (102) und/oder der elektrischen Isolation der elektrischen Leitung (102) und/oder der thermischen Isolation der elektrischen Leitung (102). Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Leitungssatz für ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einer Mehrzahl an Leitungen und entsprechenden elektronischen Sicherungen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Sicherung zur Absicherung einer Leitung gegen thermische Überlast und/oder Überspannung und/oder Übertemperatur.

Description

Allgemeine Einleitung
Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung zur Absicherung einer elektrischen Leitung gegen thermische Überlast. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Leitungssatz für ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einer Mehrzahl an Leitungen und entsprechenden elektronischen Sicherungen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Sicherung zur Absicherung einer Leitung gegen thermische Überlast.
Die erhebliche Teilevielfalt des physischen Bordnetzes von Fahrzeugen, z.B. Kraftfahrzeugen, ist einer der Hinderungsgründe für eine effiziente Automatisierung in der Leitungssatzfertigung. Im konventionellen Bordnetz existiert eine feine Abstufung der Leitungsquerschnitte, für Kupfer (Cu)-Leitungen von: 0,13 mm², 0,35 mm², 0,5 mm², 0,75 mm², 1 mm², 1,5 mm², 2 mm², 2,5 mm², 4 mm², 6 mm² usw. Für jeden dieser Leiterquerschnitte existieren jeweils eigene Kontaktsystem-Familien mit eigenen Krimp-Werkzeugen. Insgesamt existieren im heutigen physikalischen Bordnetz bis zu 170 verschiedene Kontaktsysteme, für die (fast immer) jeweils ein eigenes Krimp-Werkzeug notwendig ist. Gründe hierfür ist das Weiterführen von Legacy Kontakten und die große Anzahl an Querschnitten. Diese beschriebene Teilevielfalt mit ihrer großen Anzahl von unterschiedlichen Werkzeugen unterbindet jeden Versuch einer effizienten Automatisierung.
Die feine Abstufung der Leitungsquerschnitte hat ihre Ursache in der Verwendung von Schmelzsicherungen für die Absicherung der Leitungen gegen thermische Überlast. Da die Kennlinie der Sicherung nicht angepasst ist an den sicheren Betriebsbereich („Save Operating Area“) der Leitung kann ein großer Teil der Save Operating Area der Leitung nicht verwendet werden. Die Auslegung der Leitungsquerschnitte erfolgt ausgehend von der Auswahl einer Sicherung, die unter den Impulslasten (Spitzenströme) nicht altert. Faktisch muss wegen der Impulsempfindlichkeit der Sicherung eine Sicherungs/Querschnitts- Kombination ausgewählt werden, die den maximal auftretenden Spitzenstrom auch als konstante Gleichlast tragen könnte. Die große Impulslast-Tragfähigkeit der Leitung bleibt somit ungenutzt.
Stand der Technik
So beschreibt die DE 10 2008 026 737 A1 einen Smart-Kabelkasten, der in Reihe mit einer Energieversorgungsquelle und einem elektrischen Verbraucher geschaltet ist. Der Smart- Kabelkasten weist einen Stromsensor und einen gesteuerten Schalter auf, sowie eine Steuerlogik, die eine Überstromschwelle auf Grundlage der Art eines Verbrauchers festlegt ist und den Stromfluss mittels des Schalters unterbricht, wenn die festgelegte Überstromschwelle überschritten wird.
Gemäß der DE 11 2008 003 096 T5 wird der angelegte Strom an der Last zu jeder vorbestimmten Zeit ermittelt, sowie eine Temperaturänderung in einem stromführenden Kabel pro vorbestimmter Zeit unter Verwendung des erkannten angelegten Stroms bestimmt und auf der Grundlage dieser Parameter die Temperatur des Kabels abgeschätzt wird.
Die US 5 898 557 A offenbart einen Halbleiterschalter, der in Abhängigkeit von einem Steuersignal schaltbar ist, sowie eine Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Umgebungstemperatur eines Kabels, wobei der Halbleiterschalter geschaltet wird, sobald eine vorbestimmte Sehwelltemperatur an der Temperaturmesseinrichtung gemessen wird.
Aufgabe
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Konzept zur Reduktion der Teilevielfalt im physischen Bordnetz von Fahrzeugen, insbesondere zur Reduktion einer Abstufung von Leitungsquerschnitten der Leitungen des Bordnetzes aufzuzeigen.
Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Konzept zum Absichern einer elektrischen Leitung gegen thermische Überlast aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch die technische Lehre der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind ggf. Gegenstand von Unteransprüchen.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung basiert auf der Idee, elektronische Sicherungen mit einer durch Software (SW) definierbaren, der Save Operating Area der Leitung angepassten Kennlinie zu verwenden. Diese Anordnung nutzt die gesamte Save Operating Area der Leitung. Der nutzbare Bereich wird somit wesentlich zu höheren Impulsströmen erweitert. Ein Schritt zu einem höheren Querschnitt muss erst bei höheren Strömen erfolgen. Da die Zuweisung eines Lastprofils nun mehr immer auf einem kleineren Querschnitt erfolgen kann, ergeben sich die beiden Vorteile einer Reduzierung der Anzahl der Querschnitte (d.h. eine geringere Querschnittsabstufung) und einer Gewichtsreduktion.
Der verfügbare Betriebsbereich („Operating Area“) der Anordnung Leitung plus Sicherungselement wird somit erheblich weiter. Lastprofile, die bei der Paarung Schmelzsicherung/Kupferleitung einen Querschnitt der Leitung von 0,5 mm² oder 0,75 mm² benötigt hätten, können nun beispielsweise von einer 0,35 mm² Leitung getragen werden. Die Querschnitte 0,5 mm² und 0,75 mm² können wegfallen. Auf die gleiche Art und Weise können beispielsweise die Querschnitte 1,5 mm² 2 mm² und 4 mm² wegfallen. Es verbleiben beispielsweise die Querschnitte 0,13 mm², 0,35 mm², 1 mm², 2,5 mm² und 4 mm² erhalten.
Mit diesem erfindungsgemäßen Konzept können die beiden strategischen Ansätze der automatisierten Fertigung von Leitungssätzen und des Ersatzes herkömmlicher elektrischer Stromverteiler durch intelligente Strom- und Datenverteiler realisiert werden.
In dieser Offenbarung werden elektronische Sicherungen und Verpolschutzschaltungen beschrieben. Eine elektronische Sicherung ist eine Schutzvorrichtung, die einen Stromkreis bei Kurzschluss oder Überlastung selbsttätig abschaltet und eine Überstromschutzeinrichtung darstellt. Gegenüber klassischen Leitungsschutzschaltern bietet der elektronische Überstromschutz den Vorteil, dass er sehr schnell und auch schon bei geringem Überstrom auslöst. So kann auch bei langen Leitungen und geringen Leitungsquerschnitten ein zuverlässiges Abschalten sichergestellt werden. Elektronische Sicherungen können auch in Verpolschutzschaltungen integriert sein oder umgekehrt. Im Gegensatz dazu ist eine Schmelzsicherung eine Überstromschutzeinrichtung, die durch das Abschmelzen eines Schmelzleiters den Stromkreis unterbricht, wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert während einer ausreichenden Zeit überschreitet.
Eine Verpolschutzschaltung wird vorzugsweise entsprechend der technischen Lehre des hier vorgestellten Dokuments zwischen den ersten Leitungsteil und den zweiten Leitungsteil einer elektrischen Leitung geschaltet. Beispielsweise umfasst die Verpolschutzschaltung einen ersten N-Kanal-Enhancement-Transistor einer Verpolschutz-Transistor-Gruppe und einen zweiten N-Kanal-Enhancement-Transistor der Verpolschutz-Transistor-Gruppe. Dabei umfasst typischerweise die Verpolschutz-Transistor-Gruppe den ersten N-Kanal-Enhancement-Transistor und der zweite N-Kanal-Enhancement-Transistor im Sinne des hier vorgelegten Dokuments. Das Besondere ist nun, dass der erste N-Kanal-Enhancement-Transistor und der zweite N-Kanal-Enhancement-Transistor in der Verpolschutz-Transistor-Gruppe anti-seriell über einen Mittenanschluss der Verpolschutzschaltung elektrisch miteinander verbunden sind. Dadurch ist immer eine der Body-Dioden gesperrt und negative Pulse auf der Leitung können die Verpolschutzschaltung nichtleitend schalten, wenn die Steuerleitungen der Verpolschutzgruppe diese Transistoren sperrend schalten. Vorzugsweise umfasst die Verpolschutzschaltung neben der Verpolschutz-Transistor-Gruppe eine Steuervorrichtung. Vorzugsweise ist dann die Verpolschutzschaltung (103) dazu ausgebildet, einen Stromfluss (I) durch die elektrische Leitung zu unterbrechen, wenn der durch die elektrische Leitung fließende Strom (I) eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom-Zeit Kennlinie erfüllt, wobei die Strom-Zeit Kennlinie der Verpolschutzschaltung auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung basiert.
Statt der N-Kanal-Enhancement Transistoren kann die Verpolschutzschaltung auf zwei andere geeignete Transistoren, beispielsweise p-Kanal-Enhancement-Transistoren aufweisen, die anti-seriell geschaltet sind.
Statt der N-Kanal-Enhancement Transistoren kann die Verpolschutzschaltung auf zwei andere geeignete elektronische Schalter aufweisen, die anti-seriell geschaltet sind. Solche elektronischen Schalter werden auch als Analogschalter oder Halbleiterschalter bezeichnet, und sind Bestandteil einer elektronischen Schaltung, die die Funktion eines elektromechanischen Schalters realisiert. Dabei kommen als Schaltelemente beispielsweise Feldeffekttransistoren (FET) und Bipolartransistoren zum Einsatz.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine elektronische Sicherung zur Absicherung einer elektrischen Leitung gegen thermische Überlast, umfassend: eine Verpolschutzschaltung mit einer Strom-Zeit Kennlinie, wobei die Verpolschutzschaltung ausgebildet ist, einen Stromfluss durch die elektrische Leitung zu unterbrechen, wenn der durch die elektrische Leitung fließender Strom eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom-Zeit Kennlinie erfüllt, wobei die Strom-Zeit Kennlinie der Verpolschutzschaltung auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung basiert.
Die vorgegebene Bedingung kann ein Überschreiten der Strom-Zeit Kennlinie durch einen Messwert des durch die Leitung fließenden Stromes sein. Der Messwert kann ein Dauerstromwert sein oder eine Impulsfolge des Stromes. Der Messwert kann z.B. über einen Stromsensor gemessen werden.
Mit einer solchen elektronischen Sicherung kann eine elektrische Leitung vorteilhaft gegen thermische Überlast abgesichert werden. Ferner kann bei Nutzung solcher elektronischen Sicherungen die Teilevielfalt im physischen Bordnetz von Fahrzeugen reduziert werden. Insbesondere kann die Abstufung von Leitungsquerschnitten der Leitungen des Bordnetzes reduziert werden.
Durch die Verwendung der Strom-Zeit Kennlinie, welche auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung basiert, kann nun die gesamte Save Operating Area der Leitung ausgenutzt werden, so dass sich der nutzbare Bereich zu weitaus höheren Impulsströmen erweitert. Ein höherer Leitungsquerschnitt ist erst bei höheren Strömen erforderlich. Die Zuweisung eines Lastprofils kann nunmehr immer auf einem kleineren Querschnitt erfolgen. Damit reduziert sich die Anzahl der Querschnitte der Leitungen, d.h. es kommt zu einer geringeren Querschnittsabstufung, und es reduziert sich das Gewicht der Leitungen. Durch die geringere Teilevielfalt, d.h. geringere Anzahl von Leitungen unterschiedlicher Querschnitte, werden weniger Krimp-Werkzeuge benötigt und es kommt zu einem höheren Automatisierungsgrad bei der Fertigung des Bordnetzes.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung basiert die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung auf einer Wärmekapazität der elektrischen Leitung. Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Strom-Zeit Kennlinie der Verpolschutzschaltung an die Wärmekapazität der elektrischen Leitung angepasst ist. Der sichere Betriebsbereich („Safe Operating Area“) der elektronischen Sicherung erhöht sich damit gegenüber einer konventionellen Auslegung mit Schmelzsicherung.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung basiert die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung auf einer Isothermen der elektrischen Leitung basiert, insbesondere einer Isothermen der elektrischen Leitung für eine vorgegebene Temperaturschwankung.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Strom-Zeit Kennlinie der Verpolschutzschaltung an eine Isotherme der elektrischen Leitung angepasst ist. Der sichere Betriebsbereich („Safe Operating Area“) der elektronischen Sicherung erhöht sich damit gegenüber einer konventionellen Auslegung mit Schmelzsicherung.
Isothermen sind Linien gleicher Temperatur. Isothermen werden z.B. in der Zeit-Strom Kennlinie eingezeichnet, um das Verhältnis von Zeitdauer t des Stromes I und Stromstärke in Ampere bei konstanter Temperatur abzubilden. Wenn sich Zeitdauer und Stromstärke ändern und dabei die Temperatur gleichbleibt, handelt es sich um eine isotherme Zustandsänderung.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung basiert die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung auf einer Isothermen der elektrischen Leitung für Einzelimpulse des Stroms.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Strom-Zeit Kennlinie der Verpolschutzschaltung an eine Isotherme der elektrischen Leitung für Einzelimpulse des Stroms angepasst ist. Der sichere Betriebsbereich („Safe Operating Area“) der elektronischen Sicherung kann damit bis zu dieser Isothermen der elektrischen Leitung für Einzelimpulse des Stroms erstreckt werden. Damit können Leitungsquerschnitte eingespart gegenüber einer konventionellen Auslegung mit Schmelzsicherung eingespart werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung basiert die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung auf einer Isothermen der elektrischen Leitung für Impulsfolgen des Stroms.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Strom-Zeit Kennlinie der Verpolschutzschaltung an eine Isotherme der elektrischen Leitung für Impulsfolgen des Stroms angepasst ist. Der sichere Betriebsbereich („Safe Operating Area“) der elektronischen Sicherung kann damit bis zu dieser Isothermen der elektrischen Leitung für Impulsfolgen des Stroms erstreckt werden. Damit können Leitungsquerschnitte eingespart gegenüber einer konventionellen Auslegung mit Schmelzsicherung eingespart werden. Ferner wird mit der Isotherme für Impulsfolgen eine bereits vorher erfolgte Erwärmung der Leitung durch vorhergehende Stromimpulse berücksichtigt, so dass die elektronische Sicherung genauer arbeiten kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung bestimmt die Isotherme der elektrischen Leitung für Impulsfolgen sich aus einer um einen konstanten Faktor, insbesondere den Faktor 0,79, abgesenkten Adiabate einer Isothermen der elektrischen Leitung für Einzelimpulse.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Isotherme für Impulsfolgen des Stroms auf einfache Weise aus der Isothermen für Einzelimpulse des Stroms bestimmt werden kann.
Eine adiabatische oder adiabate Zustandsänderung ist ein thermodynamischer Vorgang, bei dem ein System von einem Zustand in einen anderen überführt wird, ohne Wärme mit seiner Umgebung auszutauschen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung spezifiziert die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung einen Nenn-Leitungsquerschnitt der elektrischen Leitung, welcher gegenüber einer Auslegung basierend auf einer Absicherung der elektrischen Leitung mit einem Schmelzleiter reduziert ist.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die elektronische Sicherung einen größeren Bereich von Leitungsquerschnitten abdeckt und somit für eine größere Anzahl an Leitungsquerschnitten ausgelegt sein kann. Folglich können damit Leitungsquerschnitte eingespart werden, z.B. bei der Auslegung des Bordnetzes eines Fahrzeugs.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung liegt die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung oberhalb einer Alterungs-Grenzkennlinie des Schmelzleiters.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die elektronische Sicherung höhere Ströme absichern kann als eine konventionelle Schmelzsicherung, welche nach der Alterungs-Grenzkennlinie des Schmelzleiters ausgelegt ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung weist die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung bei niedrigen Zeitwerten der Strom-Zeit Kennlinie einen größeren Abstand zur Alterungs-Grenzkennlinie des Schmelzleiters aufweist als bei höheren Zeitwerten der Strom-Zeit Kennlinie.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass insbesondere bei kurzzeitigen Impulsströmen eine höhere Stromtragfähigkeit erzielt werden kann als es die konventionelle Schmelzsicherung bietet.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung ist die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung eine Software-definierte Charakteristik, welche auf einer Datenbasis mit Messwerten verschiedener Lastprofile von elektrischen Leitungen mit unterschiedlichen Leitungsquerschnitten basiert.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die elektronische Sicherung mit der Software-definierten Charakteristik sehr genau an die Eigenschaften der Leitung angepasst werden kann und damit in der Lage ist, höhere Ströme abzusichern als es eine konventionelle Schmelzsicherung kann, welche nicht an die Eigenschaften der Leitung angepasst ist.
Eine Software-definierte Charakteristik oder Sicherungscharakteristik spezifiziert eine Eigenschaft der Leitung, welche mittels Software bestimmt und/oder festgelegt werden kann, beispielsweise anhand von Messwerten der Lastcharakteristik der Leitung oder auch von Messwerten der Lastcharakteristik einer Vielzahl verschiedener Leitungen, beispielsweise im Bordnetz eines Fahrzeugs.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung begrenzt die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung einen sicheren Betriebsbereich der elektrischen Leitung.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die Leitung bis zur Grenze des sicheren Betriebsbereichs durch die elektronische Sicherung abgesichert werden kann, so dass es zu keinen ungenutzten Betriebsbereichen mehr kommt, in welchen die Leitung sicher betrieben werden könnte.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der elektronischen Sicherung basiert die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung auf Stützstellen in einem oktalen Zeit- Raster und einem dezimalen Strom-Raster.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung effizient in einem Speicher gespeichert werden kann, z.B. in einem Computersystem, welches die Zeitwerte des Stromes als Zweierpotenzen darstellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Leitungssatz für ein Bordnetz eines Fahrzeugs, mit: einer Mehrzahl an elektrischen Leitungen mit jeweils unterschiedlichen Leitungsquerschnitten; und einer entsprechenden Mehrzahl von elektronischen Sicherungen gemäß dem ersten Aspekt zur Absicherung der jeweiligen elektrischen Leitungen gegen thermische Überlast.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die Anzahl der Querschnitte der Leitungen reduziert, d.h. es kommt zu einer geringeren Querschnittsabstufung, und es reduziert sich das Gewicht der Leitungen. Durch die geringere Teilevielfalt, d.h. geringere Anzahl von Leitungen unterschiedlicher Querschnitte, werden weniger Krimp-Werkzeuge benötigt und es kommt zu einem höheren Automatisierungsgrad bei der Fertigung des Bordnetzes.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Leitungssatzes sind die Leitungsquerschnitte der elektrischen Leitungen gemäß der vorbestimmten Charakteristik abgestuft und umfassen eine geringere Anzahl von Stufen als eine Abstufung gemäß einer Auslegung basierend auf einer Absicherung der elektrischen Leitungen mit Schmelzleitern. Mit einem solchen Leitungssatz kann die Teilevielfalt im physischen Bordnetz von Fahrzeugen reduziert werden. Insbesondere kann die Abstufung von Leitungsquerschnitten der Leitungen des Bordnetzes reduziert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Sicherung zur Absicherung einer elektrischen Leitung gegen thermische Überlast, umfassend: Unterbrechen eines Stromflusses durch die elektrische Leitung mittels einer Verpolschutzschaltung mit einer Strom-Zeit Kennlinie, wenn der durch die elektrische Leitung fließende Strom eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom- Zeit Kennlinie erfüllt, wobei die Strom-Zeit Kennlinie der Verpolschutzschaltung auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung basiert. Mit einem solchen Verfahren kann die gesamte Save Operating Area der Leitung genutzt werden. Der nutzbare Bereich wird somit wesentlich zu höheren Impulsströmen erweitert. Ein Schritt zu einem höheren Querschnitt muss erst bei höheren Strömen erfolgen. Da die Zuweisung eines Lastprofils nunmehr immer auf einem kleineren Querschnitt erfolgen kann, ergibt sich eine Reduzierung der Anzahl der Querschnitte (d.h. eine geringere Querschnittsabstufung) und eine Gewichtsreduktion.
Liste der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 100 aus einer Leitung 102 und elektronischer Sicherung 101 mit einer Verpolschutzschaltung 103 aus zwei anti-seriell geschalteten steuerbaren elektronischen Schalten zur Absicherung der Leitung 102 gegen thermische Überlast gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Strom-Zeit Kennlinie 200 einer elektronischen Sicherung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Strom-Zeit Kennlinie 300 einer elektronischen Sicherung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Strom-Zeit Kennlinie 400 einer elektronischen Sicherung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Strom-Zeit Kennlinie 500 einer elektronischen Sicherung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 600 zum Betreiben einer elektronischen Sicherung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 100 aus einer Leitung 102 und elektronischer Sicherung 101 mit einer Verpolschutzschaltung 103 aus zwei anti-seriell geschalteten steuerbaren elektronischen Schalten in Form von zwei N-Kanal-Enhancement-Transistoren zur Absicherung der Leitung 102 gegen thermische Überlast gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Figuren
In der folgenden ausführlichen Beschreibung der Figuren wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist. Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Figur 1
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 100 aus einer Leitung 102 und elektronischer Sicherung 101 zur Absicherung der Leitung 102 gegen thermische Überlast gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die elektronische Sicherung 101 umfasst eine Verpolschutzschaltung 103 mit einer Strom- Zeit Kennlinie 104. Die Verpolschutzschaltung umfasst zwei anti-seriell verschaltete elektronisch steuerbare Schalter, die als Serienschaltung zwei anti-seriell verschaltete elektronisch steuerbare Schalter in die Leitung 102 eingefügt sind und jeder für sich einen Stromfluss durch die Leitung 102 unterbinden können. Dies hat den Vorteil, dass bei einer jeweiligen Ausführung dieser elektronisch steuerbaren Schalter als MOS-Transistoren mit einer Body-Diode, diese beiden jeweiligen Body-Dioden der jeweiligen elektronisch steuerbaren Schalter antiparallel in Serie geschaltet sind, sodass auch bei einem negativem Spannungspuls auf einer der beiden Anschlussseiten der Verpolschutzschaltung 103, zwar eine der beiden Body-Dioden öffnet, die andere aufgrund der seriellen Anti-Parallelität jedoch immer noch in Sperrrichtung geschaltet ist und damit nicht öffnet. Damit ist die elektronische Sicherung der 1 einer elektronischen Sicherung aus dem Stand der Technik überlegen, da sie gegen negative Spanungspulse auf der Leitung 102 gehärtet ist. Die Verpolschutzschaltung 103 ist somit ausgebildet, einen Stromfluss I durch die elektrische Leitung 102 zu unterbrechen, wenn der durch die elektrische Leitung 102 fließende Strom I eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom-Zeit Kennlinie 104 erfüllt und diese Unterbrechung auch beim Auftreten negativer Spannungspulse auf der Leitung 102 aufrechtzuerhalten. Die Strom-Zeit Kennlinie 104 der Verpolschutzschaltung 103 basiert typischerweise auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung 102.
Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 kann beispielsweise auf Wärmekapazität und/oder thermischem Wärmeübergangswiderstand und/oder ohmschem Widerstand der elektrischen Leitung 102 basieren.
Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 kann auf einer Isothermen der elektrischen Leitung 102 basieren, z.B. einer Isothermen 201, 301, 401, 501 der elektrischen Leitung wie in den 2 bis 5 dargestellt. Insbesondere kann die Isotherme der elektrischen Leitung 102 für eine vorgegebene Temperaturschwankung spezifiziert sein.
Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 kann beispielsweise auf einer Isothermen der elektrischen Leitung 102 für Einzelimpulse des Stroms basieren.
Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung kann z.B. auf einer Isothermen der elektrischen Leitung 102 für Impulsfolgen des Stroms basieren.
Die Isotherme der elektrischen Leitung 102 für Impulsfolgen kann sich beispielsweise aus einer um einen konstanten Faktor, insbesondere den Faktor 0,79, abgesenkten Adiabate einer Isothermen der elektrischen Leitung 102 für Einzelimpulse bestimmen, z.B. entsprechend der Herleitung, welche zu 5 angegeben ist.
Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 kann einen Nenn- Leitungsquerschnitt der elektrischen Leitung 102 spezifizieren, welcher gegenüber einer Auslegung basierend auf einer Absicherung der elektrischen Leitung 102 mit einem konventionellen Schmelzleiter reduziert ist.
Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 kann oberhalb einer Alterungs-Grenzkennlinie 205 des konventionellen Schmelzleiters liegen, wie z.B. in 2 dargestellt. Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 kann z.B. bei niedrigen Zeitwerten der Strom-Zeit Kennlinie 104 einen größeren Abstand zur Alterungs-Grenzkennlinie 205 des Schmelzleiters aufweisen als bei höheren Zeitwerten der Strom-Zeit Kennlinie 104, wie z.B. in 2 dargestellt.
Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 kann eine Software-definierte Charakteristik sein. Eine solche Software-definierte Charakteristik kann auf einer Datenbasis mit Messwerten der Lasten im Bordnetz basieren. Für jede Last kann somit die maximale Lastcharakteristik berechnet werden. Diese grenzt die für die Last notwendige Operating Area ab. Die Wahl des Leitungsquerschnitts erfolgt dann derart, dass die Operating Area der Last in die Save Operation Area des gewählten Leitungsquerschnittes passt und diese also die Software-definierte Auslösecharakteristik nicht überschreitet. Die Messwerte der Lasten im Bordnetz können z.B. während Testfahrten mit dem Fahrzeug aufgenommen worden sein, welche die typischen Lastzustände des Fahrzeugs aufzeichnen, z.B. während einer Sommerfahrt und einer Winterfahrt. Die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 kann einen sicheren Betriebsbereich 204 der elektrischen Leitung 102 begrenzen, wie z.B. in 2 dargestellt.
Beispielsweise kann die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung 102 auf Stützstellen 202 basieren, wie z.B. in 2 dargestellt. Diese Stützstellen können in einem oktalen Zeit-Raster und einem dezimalen Strom-Raster dargestellt sein oder in einem dezimalen Zeit-Raster und einem dezimalen Strom-Raster, wie in 2 dargestellt.
Mit einer Mehrzahl solcher elektronischen Sicherungen kann ein Leitungssatz für ein Bordnetz eines Fahrzeugs aufgebaut werden. Ein derartiger Leitungssatz umfasst: eine Mehrzahl an elektrischen Leitungen 102 mit jeweils unterschiedlichen Leitungsquerschnitten; und eine entsprechende Mehrzahl von elektronischen Sicherungen 101, wie in 1 dargestellt, zur Absicherung der jeweiligen elektrischen Leitungen 102 gegen thermische Überlast. Die Leitungsquerschnitte der elektrischen Leitungen 102 können gemäß der vorbestimmten Charakteristik abgestuft sein und eine geringere Anzahl von Stufen umfassen als eine Abstufung gemäß einer Auslegung basierend auf einer Absicherung der elektrischen Leitungen 102 mit konventionellen Schmelzleitern.
Figur 2
2 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Strom Zeit-Kennlinie 200 einer elektronischen Sicherung 101 mit einer erfindungsgemäßen Verpolschutzschaltung 103 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Im konventionellen Bordnetz wird die Kombination aus Rundleiter mit Schmelzsicherung verwendet. Die Charakteristik der Schmelzsicherung ist aber nicht an die Leitung angepasst („matched“). Das liegt daran, dass die Sicherung eine definierte Engstelle mit niedriger Wärmekapazität darstellt. Sie reagiert auf Impulsströme deshalb mit einer schnellen Erhöhung der Temperatur im Auslösebereich. Damit es nicht durch Alterung zu Fehlauslösungen kommt, müssen daher die durch die Last (normal) auftretenden Impulsströme unter der Alterungs-Grenzkennlinie 205 der Sicherung bleiben. Die Leitung hingegen hat eine große Wärmekapazität und reagiert auf Impulse mit geringem Temperaturanstieg.
Die in der Grafik in 2 gezeigten Werte sind theoretisch mögliche Werte ohne Alterung. In der Praxis ist ein Sicherheitsabstand einzuhalten damit keine Alterung und keine Überhitzung des Stromverteilers auftritt. Dieser Sicherheitsabstand ist notwendig, weil keine intelligente Diagnose der Lastströme und der Temperatur im passiven Verteiler und keine 5 Systemreaktion (Verringerung Last) erfolgen kann.
Bei der erfindungsgemäßen elektronischen Sicherung 101 gemäß 1 basiert die Strom- Zeit Kennlinie 104 der Verpolschutzschaltung 103 auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung 102, zum Beispiel einer Isothermen 201 der Leitung, welche durch 10 Stützpunkte 202 angegeben werden kann, wie in 2 dargestellt. Damit ergibt sich ein größerer sicherer Betriebsbereich („safe operating area“) 204 als gegenüber Auslegung mit einer konventionellen Schmelzsicherung. Dieser gesamte sichere Betriebsbereich 204 umfasst neben dem sicheren Betriebsbereich, welcher durch die Alterungs-Kennlinie 205 der konventionellen Schmelzsicherung bestimmt ist, nämlich zusätzlich den bisher ungenutzten sicheren Betriebsbereich 203, der aufgrund der Alterungs-Kennlinie 205 bisher ungenutzt bleibt.
Figur 3
3 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Strom-Zeit Kennlinie 300 einer elektronischen Sicherung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung zeigt rechts die Isotherme der Leitung 301 für eine Temperatur von 85°C, der linke Graph 302 zeigt die typische Auslegungsgrenze für eine 7,5A Sicherung, der mittlere Graph 303 zeigt die Charakteristik der 7,5A Sicherung.
Wie zu erkennen ist, vergrößert sich der ungenutzte Bereich der Save Operating Area der Leitung in der typischen konventionellen Auslegung. Die Dauerstromtragfähigkeit der Sicherung (oberer Bereich für 100s bis >1000s) wird deshalb nicht voll ausgenutzt, weil es für den Anwendungsfall der allermeisten Lasten nicht notwendig ist (Erklärung im Weiteren). Zudem würde ein Stromverteiler mit seinen bis zu 50 Sicherungen komplett überlastet, wenn über alle Sicherungen der maximal mögliche Dauerstrom fließen würde. Der Gesamtstrom läge dann bei typischerweise > 600A (was unrealistisch ist) und die Einspeisung aus der Hauptversorgung würde erheblich überlastet. Die Wahl der Sicherungs-Nennwerte ergibt sich im Allgemeinen aus den kurzzeitigen Spitzenströmen, die eine Last zieht.
Bei der erfindungsgemäßen elektronischen Sicherung 101 mit einer Verpolschutzschaltung 103 gemäß 1 basiert die Strom- Zeit-Kennlinie 104 der Verpolschutzschaltung 103 auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung 102, zum Beispiel der Isothermen 301 der Leitung. Damit ergibt sich ein größerer sicherer Betriebsbereich („safe opating area“) als gegenüber der Auslegung für die konventionelle 7,5A Sicherung 302.
Figur 4
4 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Strom-Zeit Kennlinie 400 einer elektronischen Sicherung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung zeigt rechts die Isotherme der Leitung 401 für eine Temperatur von 85°C, der linke Graph 402 zeigt die typische Auslegungsgrenze für eine 15 A Sicherung, der mittlere Graph 403 zeigt die Alterungsgrenze der 15 A Sicherung für eine 0,75 mm² Leitung. In der Zeichnung ist die typische Auslegungsgrenze 402 für eine 15 A Sicherung, die in der konventionellen Auslegung mit einer 0,75 mm² Leitung verwendet wird, aufgezeichnet. Es ist zu sehen, dass der Nutzbereich dieser Auslegung in der Save Operating Area der 0,35 mm² Leitung liegt. Wenn nun die vorbestimmte Charakteristik der Leitung entsprechend der Software-definierten Auslösung auf die Isotherme der Leitung 401 gelegt wird, so kann auf den Querschnitt 0,75 mm² und 0,5 mm² verzichtet werden. Gleichzeitig ergibt sich eine erhebliche Gewichtsersparnis, da die 0,75 mm² Leitung durch eine besser ausgenutzte 0,35 mm² Leitung ersetzt werden kann.
Auch in der konventionellen Auslegung versucht man Querschnitte wegzulassen, um die Variantenvielfalt zu verringern. Hier bleibt allerdings nur die Wahl eines größeren Querschnitts. Mit elektronischer Absicherung besteht also die Möglichkeit, einen kleineren Querschnitt zu verwenden, mit konventioneller Absicherung müsste dann ein höherer Querschnitt verwendet werden. Dadurch wird der Gewichtsnachteil der konventionellen Lösung besonders vakant. Im Folgenden wird ein Beispiel einer konventionellen Auslegung beschrieben. Ein Fensterheber-Motor (hier exemplarisch für fast alle Anwendungen mit Inrush Impuls, d.h. maximaler Einschalt-Impuls) zieht zum Losreißen der Scheibe einen Spitzenstrom von 32 A. für 500 ms. Danach benötigt er 6 s, um das Fernster mit einem Plateaustrom von 8 A zu bewegen. In einem maximalen Anwendungsfall wird das Fenster alle 15 s hoch- oder runtergefahren.
In der konventionellen Auslegung wird der Spitzenstrom von 32 A durch 0,8 geteilt, um den Sicherungs-Nennwert zu erhalten. Als Ergebnis erhält man also eine 40 A Sicherung. Bei einer 40 A Sicherung kann man davon ausgehen, dass sie unter den 32 A Impulsen nicht altert. Mit dem Sicherungs-Nennwert bestimmt man nun den Leitungsquerschnitt anhand einer OEM Spezifikation wie der VW75012 und erhält in Tabellenform die Zugehörigkeit einer 4 mm² Cu-Leitung (B105) zu einer 40 A Sicherung, für eine Umgebungstemperatur T_Ambient <= 70°C (6 mm² für 85°C).

Die Lastcharakteristik berechnet sich entsprechend der folgenden Tabelle 1:

Filterbreite	RMS in der Fensterbreite
0,1s	32A
1s	√(32² * 500 + 8² * 500)/1000 = 23A
10s	√ (32² * 500 + 8² * 6000+0²*3500)/10000 = 23A=9,5A
100s	√ (32² * 500 + 8² * 6000+0²*8500)/15000 = 23A=7,7A
1000s	7,7A

Tabelle 1: Lastcharakteristik für die konventionelle Auslegung eines Fensterhebers im KFZ Es ist zu erkennen, dass das Verhältnis von Impulsstrom zu RMS Dauerstrom (mit 1000 s „Spielen“ Hoch-Runterfahren) 32 A/7,7 A = 4,2 beträgt. In der konventionellen Auslegung kann die 4 mm² Leitung den Spitzenstrom von 32 A dauerhaft tragen, obwohl der Impulsstrom nur 500 ms anliegt. Mit der Software-definierten Sicherungscharakteristik („Software Defined Fusing Characteristic“) kann nun die Impulstragfähigkeit einer 0,35 mm² Cu-Leitung ausgenutzt werden. Die Software-definierte Sicherungscharakteristik („SW Defined Fusing Characteristic“) leitet sich aus der Impulsfolgen-Isotherme der verwendeten Leitung ab, z.B. gemäß der zu 5 beschriebenen Herleitung. Die Lastcharakteristik (LC) des Scheibenwischers beträgt also: LC 0.1, 1, 10, 100,1000 = [32, 23, 9.5, 7.7, 7.7]. Die Lastcharakteristik ist zusammen mit der Impulsfolgen-Isothermen der 0,35 mm² Cu Leitung für einen Temperaturswing (bzw. Temperaturschwankung) von 70°C auf 105°C im Graph der 5 aufgetragen.
Figur 5
5 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Strom-Zeit Kennlinie 500 einer elektronischen Sicherung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung zeigt rechts die 0,35 mm² Cu-Isotherme 501 bei einem Temperaturswing von 70°C auf 105°C und links die Lastcharakteristik 503 des Fensterhebers. Die Save Operating Area der Leitung ist der Bereich links von der Isotherme 501. Es ist zu erkennen, dass die Lastcharakteristik 503 des Fensterhebers innerhalb der Save Operating Zone der 0,35 mm² Cu Leitung liegt. Die 0,35 mm² Cu Leitung kann also ausgehend von der thermischen Auslegung für den Fensterheber verwendet werden. Die Software-definierte Charakteristik erlaubt also:

1. Die Querschnitte erheblich zu reduzieren,
2. Die Querschnittsabstufungen und damit die Teilevielfalt zu reduzieren.

Die folgende Tabelle 2 stellt eine konventionelle und eine erfindungsgemäße Auslegung von Leitungen dar. Tabelle 2: Auslegung von Leitungen konventionell und erfindungsgemäß

Bedarf Last		Konventionelle Auslegung		SW-definierte Charakteristik
Spitze n-Strom (A) bis 1 s RMS	Dauerstrombe darf 90% Konfidenz, 50% vom SpitzenStrom	Sicherun gs-Nennwe rt nach 80% Regel wegen Alterung	Quersch nitt nach VW 75212 bei bis zu 85°C (mm²)	Quersch nitt (mm²)	Grenze der Stromtragfähi gkeit Software-definierte SicherungsCharakteristik 1s RMS Impulse	Grenze der Stromtragfähi gkeit Software-definierte SicherungsCharakteristik 100s RMS
6	3	7,5	0,35	0,35	31	6
8	4	10	0,5		44		fäll t we g
12	6	15	0,75		62	44
13	7	15	1	1	78	13
16	8	20	1,5			47
24	12	30	2,5	2,5	217	28
32	16	40	4	4		44
63	31,5	50	6	6	469	56

Die Tabelle 2 zeigt in den ersten zwei Spalten exemplarische Lastanforderungen von Lasten. Die erste Spalte zeigt den Peak (Spitzen-) Strom. Empirische Untersuchungen haben gezeigt, dass für über 90% der Lasten der Dauerstrombedarf unter 50% des Spitzenstroms liegt. (Beim Beispiel der motorischen Last Fensterheber lag das Verhältnis bei 1/4,5 also nur 22%). Bei der konventionellen Auslegung ergibt sich der Sicherungs-Nennwert nach der 80% Regel, der Spitzenstrom bis 1s RMS („root mean square“, quadratisches Mittel) soll also nur 80% des Sicherungs-Nennwertes ausmachen, damit keine Alterung der Sicherung auftritt. Ausgehend vom Sicherungs-Nennwert ergibt sich z.B. nach der Norm VW 75212 der notwendige Leitungsquerschnitt in Spalte 4.
Der nächste Block zeigt die SW-definierte Charakteristik, die sich aus der 85°C -> 105°C Isotherme der Cu-Leitung ergibt. Die 0,35 mm² Leitung kann demnach einen Dauerstrom von 7 A tragen. Damit deckt sie den Dauerstrombedarf der Querschnitte 0,35 mm², 0,5 mm² und 0,75 mm² der konventionellen Auslegung ab. Die Querschnitte 0,5 mm² und 0,75 mm² können also wegen der vollständigen Ausnutzung der Save Operating Area der 0,35 mm² Leitung bei Anwendung der Software-definierten Charakteristik wegfallen. Die gleiche Ratio gilt für die Querschnitte 1,5 mm² und 4 mm².
Die 50% Regel in Spalte zwei gilt offensichtlich nicht für Konstant-Lasten. Von diesen gibt es allerdings nicht viele im Fahrzeug. Zu nennen sind Heckscheibenheizung, Kraftstoffpumpe, Abblendlicht. Für all diese Quasi-Konstant-Lasten ist allerdings der Querschnitt 2,5 mm² Cu eine gute Auslegung. Aus diesem Grund ist die Abstufung so gewählt, dass der Querschnitt 2,5 mm² erhalten bleibt.
Der Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass 50% der Querschnittsstufen bis 6 mm² wegfallen können. Demnach kann die Anzahl der notwendigen Krimp-Werkzeuge auch um diesen Faktor reduziert werden. Die SW-definierte Charakteristik kann aus der Impulsfolgen Isotherme des Rundleiters berechnet werden. Die Isotherme für Einzelimpulse kann entsprechend der folgenden Formel (1) berechnet werden: $I (Δ t) = \sqrt{(Δ T / (R_{th} \times R_{ohm} \times (1 - exp (- Δ t / (R_{th} \times C_{th})))}$
Dabei gelten die folgenden Bezeichnungen:

Δt: Impulslänge;
I(Δt): zulässiger Strom für die Impulslänge Δt;

Tmax: maximal zulässige Temperatur;
Tambient: Umgebungstemperatur;
ΔT = Tmax - Tambient: Erlaubter Temperaturswing, z.B. 105°C - 85°C;
Rth: Belag des thermischen Übergangs für 1m Leitung bei T_max;
Cth: Belag der thermischen Kapazität der Leitung für 1m Leitung bei T_max;
Rohm: Belag des ohmschen Widerstands der Leitung in Ohm pro Meter.

Diese Isotherme entsprechend Formel (1) gilt für Einzelimpulse. Für Impulsfolgen muss beachtet werden, dass zeitlich vorhergehende Impulse zu einer Basiserwärmung der Leitung beitragen.
Die Isotherme für Einzelimpulse gemäß Formel (1) kann in eine Isotherme für Impulsfolgen umgerechnet werden, indem die Adiabate der Einzelimpuls-Isotherme um den Faktor 0,79 abgesenkt wird. Die Herleitung des Faktors kann über eine Reihenentwicklung wie folgt dargestellt werden:
Der maximale „Basiserwärmungseffekt“ für eine n T Folge (d.h. unendlich viele kurze Maximalimpulse, die in einem Abstand von T aufeinanderfolgen), bestimmt sich wie folgt: $Δ T = 1 / C_{TH} I^{2} R_{Ω} Δ t (1 + e^{- 1 τ / τ} + e^{- 2 τ / τ} + e^{- 3 τ / τ} \dots);$
$(1 + e^{- 1 τ / τ} + e^{- 2 τ / τ} + e^{- 3 τ / τ} \dots) = 1,528;$
$Δ T = 1 / C_{TH} I^{2} R_{Ω} Δ t (1.582) .$
Es wird ein Stromimpuls I_a definiert, für den gilt: I_a ²=I²*1,582. ${Also I}_{a} = I \sqrt{1,582} = 1,26.$
Der Impuls-Strom muss wegen der Basiserwärmung für nachfolgende Impulse in seiner Wirkung um den Faktor 1,26 angehoben werden oder andersherum die Adiabate (Werte für t< r) der Isotherme der erlaubten (reellen) Ströme müssen um den Faktor 0,79 abgesenkt werden.
Das Ergebnis der Isotherme für Impulsfolgen, wie hier dargestellt, ist damit eine Näherung (wie eine Taylorreihenentwicklung, die nach dem zweiten Glied abgebrochen wird), die sich empirisch und in der Simulation als absolut praxistauglich erwiesen hat. Diese Näherung ist übrigens auch auf die Kennlinie konventioneller Schmelz-Sicherungen anzuwenden, denn die Angaben der Hersteller beziehen sich nur auf Einzelimpulse, nicht auf Impulsfolgen (genau wie die I²t Angaben). Dieser Zusammenhang wird im Systemzusammenhang bisher meistens übersehen.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 600 zum Betreiben einer elektronischen Sicherung zur Absicherung einer elektrischen Leitung gegen thermische Überlast gemäß einem Ausführungsbeispiel, z.B. einer elektronischen Sicherung 101 zur Absicherung einer elektrischen Leitung 102 wie in 1 beschrieben.
Das Verfahren 600 umfasst ein Unterbrechen 601 eines Stromflusses (1) durch die elektrische Leitung 102 mittels einer Verpolschutzschaltung 103 mit einer Strom-Zeit Kennlinie 104, wenn der durch die elektrische Leitung 102 fließende Strom (1) eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom-Zeit Kennlinie 104 erfüllt, wobei die Strom-Zeit Kennlinie 104 der Verpolschutzschaltung 103 auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung 102 basiert, z.B. wie oben zu den 1 bis 5 beschrieben.
Vorteil
Eine elektronische Sicherung, wie das hier vorgelegte Dokument sie vorstellt, weist den Vorteil auf, dass sie robust gegen negative Bulse auf der Leitung 102 ist. Sie ist damit besonders für den Einsatz in Kfz geeignet. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
Sonstiges
Die obige Beschreibung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und beschränkt diese Offenbarung nicht auf die gezeigten Beispiele. Andere Variationen zu den offengelegten Beispielen können von denjenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse auf dem Gebiet verfügen, anhand der Zeichnungen, der Offenbarung und der Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. Die unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ und dessen Flexionen schließen eine Vielzahl nicht aus, während die Erwähnung einer bestimmten Anzahl von Elementen nicht die Möglichkeit ausschließt, dass mehr oder weniger Elemente vorhanden sind. Eine einzige Einheit kann die Funktionen mehrerer in der Offenbarung genannter Elemente erfüllen, und umgekehrt können mehrere Elemente die Funktion einer Einheit erfüllen. Zahlreiche Alternativen, Äquivalente, Variationen und Kombinationen sind möglich, ohne dass der Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung verlassen wird.
Soweit nichts anders angegeben ist, können sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung frei miteinander kombiniert werden. Dies betrifft die gesamte hier vorgelegte Schrift. Auch die in der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmale können, soweit nichts anderes angegeben ist, als Merkmale der Erfindung frei mit den übrigen Merkmalen kombiniert werden. Eine Beschränkung einzelner Merkmale der Ausführungsbeispiele auf die Kombination mit anderen Merkmalen der Ausführungsbeispiele ist dabei ausdrücklich nicht vorgesehen. Außerdem können gegenständliche Merkmale der Vorrichtung umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale umformuliert als gegenständliche Merkmale der Vorrichtung. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.
In der vorausgehenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen. Die Beispiele in der Beschreibung und den Zeichnungen sollten als illustrativ betrachtet werden und sind nicht als einschränkend für das beschriebene spezifische Beispiel oder Element zu betrachten. Aus der vorausgehenden Beschreibung und/oder den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen können durch Abänderung, Kombination oder Variation bestimmter Elemente mehrere Beispiele abgeleitet werden. Darüber hinaus können Beispiele oder Elemente, die nicht wörtlich beschrieben sind, von einer fachkundigen Person aus der Beschreibung und/oder den Zeichnungen abgeleitet werden.
Bezugszeichenliste

100: Anordnung aus elektrischer Leitung und elektronischer Sicherung;
101: elektronische Sicherung;
102: elektrische Leitung;
103: Verpolschutzschaltung;
104: Strom-Zeit Kennlinie;
105: erster Leitungsteil der elektrischen Leitung 102;
106: zweiter Leitungsteil der elektrischen Leitung 102;
107: erster N-Kanal-Enhancement-Transistor 107 der Verpolschutz-Transistor-Gruppe 117;
108: zweiter N-Kanal-Enhancement-Transistor 108 der Verpolschutz-Transistor-Gruppe 117;
109: Mittenanschluss 109 der Verpolschutzschaltung 103;
114: eine Steuervorrichtung 114 der Verpolschutzschaltung 103;
117: Verpolschutz-Transistor-Gruppe 117;
200: Strom-Zeit Kennlinie für 85°C gemäß einer Ausführungsform
201: Isotherme der Leitung für 85°C 105°C
202: Stützpunkte der Software-definierten Sicherungscharakteristik
203: sicherer Betriebsbereich der Leitung, der ungenutzt bleibt wegen Alterungscharakteristik der Sicherung
204: sicherer Betriebsbereich der Leitung
205: Alterungsgrenze der konventionellen Schmelzsicherung
300: Strom-Zeit Kennlinie für 85°C gemäß einer Ausführungsform
301: elektrische Leitung mit 0,35 mm2 Querschnitt
302: typische Auslegungsgrenze für 7,5A Sicherung
303: Sicherung 7,5A
400: Strom-Zeit Kennlinie für 85°C gemäß einer Ausführungsform
401: elektrische Leitung mit 0,35 mm2 Querschnitt
402: typische Auslegungsgrenze für 15A Sicherung
403: Alterungsgrenze 15A Sicherung für 0,75 mm2 Leitung
500: Strom-Zeit Kennlinie gemäß einer Ausführungsform
501: 0,35 mm2 CU Isotherme für 70°C 105°C
503: Lastcharakteristik Fensterheber
600: Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Sicherung
601: Verfahrensschritt;
602: zeitlich im Wesentlichen paralleler Verfahrensschritt zum Verfahrensschritt 601;

Liste der zitierten Schriften
DE 10 2019 131 533 A1
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10 2008 026 737 A1 [0004]
DE 11 2008 003 096 T5 [0005]
US 5 898 557 A [0006]
DE 10 2019 131 533 A1 [0093]

Claims

elektronische Sicherung (101) zur Absicherung einer elektrischen Leitung (102) gegen thermische Überlast und/oder Überstrom und/oder Überspannung gegenüber einem Referenzpotenzial, wobei die elektrische Leitung (102) einen ersten Leitungsteil (105) und einen zweiten Leitungsteil (106) umfasst und wobei die elektronische Sicherung (101) eine Verpolschutzschaltung (103) mit einer Strom-Zeit Kennlinie (104) umfasst und wobei die Verpolschutzschaltung (103) zwischen den ersten Leitungsteil (105) und den zweiten Leitungsteil (106) geschaltet ist, und dass die Verpolschutzschaltung (103) einen ersten elektronisch steuerbaren Schalter (107), insbesondere einen ersten N-Kanal-Enhancement-Transistor (107), einer Verpolschutz-Transistor-Gruppe (117) umfasst und dass die Verpolschutzschaltung einen zweiten elektronisch steuerbaren Schalter (108), insbesondere einen zweiten N-Kanal-Enhancement-Transistor (108), der Verpolschutz-Transistor-Gruppe (117) umfasst und wobei die Verpolschutz-Transistor-Gruppe (117) den ersten elektronisch steuerbaren Schalter (107) und den zweiten elektronisch steuerbaren Schalter (108), insbesondere in Form des ersten N-Kanal-Enhancement-Transistors (107) und des zweiten N-Kanal-Enhancement-Transistors (108), umfasst und wobei der erste elektronisch steuerbare Schalter (107) und der zweite elektronisch steuerbare Schalter (108),, also insbesondere der erste N-Kanal-Enhancement-Transistor (107) und der zweite N-Kanal-Enhancement-Transistor (108), in der Verpolschutz-Transistor-Gruppe (117) anti-seriell über einen Mittenanschluss (109) der Verpolschutzschaltung (103) elektrisch verbunden sind und wobei die Verpolschutzschaltung (103) neben der Verpolschutz-Transistor-Gruppe (117) eine Steuervorrichtung (114) umfasst und wobei die Steuervorrichtung (114) der Verpolschutzschaltung (103) ausgebildet ist, einen Stromfluss (I) durch die elektrische Leitung (102) mittels des ersten elektronisch steuerbaren Schalter (107) und des zweiten elektronisch steuerbaren Schalters (108), also insbesondere mittels des ersten N-Kanal-Enhancement-Transistors (107) und des zweiten N-Kanal-Enhancement-Transistors (108), zu unterbrechen, - wenn der durch die elektrische Leitung (102, 105, 106) fließende Strom (I) eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom-Zeit Kennlinie (104) erfüllt, wobei die Strom-Zeit Kennlinie (104) der Verpolschutzschaltung (103) auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung (102) basiert, und/oder - wenn die Spannung des ersten Leitungsteils (105) und/oder des zweiten Leitungsteils (106) gegenüber einem Bezugspotenzialknoten eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Spannungs-Zeit-Kennlinie (104) erfüllt, wobei die Spannungs-Zeit-Kennlinie (104) der Verpolschutzschaltung (103) auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung (102) und/oder deren Isolation basiert, und/oder - wenn die Temperatur des ersten Leitungsteils (105) und/oder des zweiten Leitungsteils (106) gegenüber einem Bezugspotenzialknoten eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Temperatur-Zeit-Kennlinie (104) erfüllt, wobei die Temperatur-Zeit-Kennlinie (104) der Verpolschutzschaltung (103) auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung (102) und/oder deren Isolation und/oder deren Montagemittel basiert.
elektronische Sicherung (101) nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) - auf einer Wärmekapazität und/oder - einem thermischen Widerstand und/oder - einem thermischen Wärmeübergangswiderstand und/oder - einem ohmschen Widerstand der elektrischen Leitung (102) und/oder - einem ohmschen Isolationswiderstand der elektrischen Leitung (102) gegenüber einem Bezugspotenzialknoten basiert.
elektronische Sicherung (101) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) auf einer Isothermen (201, 301, 401, 501) der elektrischen Leitung (102) basiert, insbesondere einer Isothermen der elektrischen Leitung (102) für eine vorgegebene Temperaturschwankung.
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) auf einer Isothermen (201, 301, 401, 501) der elektrischen Leitung (102) für Einzelimpulse des Stroms basiert.
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) auf einer Isothermen (201, 301, 401, 501) der elektrischen Leitung (102) für Einzelimpulse der Spannung zwischen der Leitung (102, 105, 106) und einem Bezugspotenzialknoten basiert.
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung auf einer Isothermen (201, 301, 401, 501) der elektrischen Leitung (102) für Impulsfolgen des Stroms basiert.
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung auf einer Isothermen (201, 301, 401, 501) der elektrischen Leitung (102) für Impulsfolgen der der Spannung zwischen der Leitung (102, 105, 106) und einem Bezugspotenzialknoten basiert.
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Isotherme (201, 301, 401, 501) der elektrischen Leitung (102) für Impulsfolgen sich aus einer um einen konstanten Faktor, insbesondere den Faktor 0,79, abgesenkten Adiabate einer Isothermen (201, 301, 401, 501) der elektrischen Leitung (102) für Einzelimpulse bestimmt.
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) einen Nenn-Leitungsquerschnitt der elektrischen Leitung (102) spezifiziert, - welcher gegenüber einer Auslegung basierend auf einer Absicherung der elektrischen Leitung (102) mit einem Schmelzleiter reduziert ist.
elektronische Sicherung (101) nach Anspruch 9, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) oberhalb einer Alterungs-Grenzkennlinie (205) des Schmelzleiters liegt.
elektronische Sicherung (101) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) bei niedrigen Zeitwerten der Strom-Zeit Kennlinie (104) einen größeren Abstand zur Alterungs-Grenzkennlinie (205) des Schmelzleiters aufweist als bei höheren Zeitwerten der Strom-Zeit Kennlinie (104).
elektronische Sicherung (101) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) bei niedrigen Zeitwerten der Spannungs-Zeit Kennlinie (104) einen größeren Abstand zur Alterungs-Grenzkennlinie (205) des Schmelzleiters aufweist als bei höheren Zeitwerten der Spannungs-Zeit Kennlinie (104).
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) eine Software-definierte Charakteristik ist, welche auf einer Datenbasis mit Messwerten verschiedener Lastprofile von elektrischen Leitungen mit unterschiedlichen Leitungsquerschnitten und/oder unterschiedlichen elektrischen Isolationen basiert.
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) einen sicheren Betriebsbereich (204) der elektrischen Leitung (102) begrenzt.
elektronische Sicherung (101) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Charakteristik der elektrischen Leitung (102) - auf Stützstellen (202) in einem oktalen Zeit-Raster und einem dezimalen Strom-Raster und/oder - auf Stützstellen (202) in einem oktalen Zeit-Raster und einem dezimalen Spannungs-Raster basiert.
Leitungssatz für ein Bordnetz eines Fahrzeugs, mit: einer Mehrzahl an elektrischen Leitungen (102) mit jeweils unterschiedlichen Leitungsquerschnitten und/oder unterschiedlichen Isolationen und einer entsprechenden Mehrzahl von elektronischen Sicherungen (101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, zur Absicherung der jeweiligen elektrischen Leitungen (102) gegen thermische Überlast und/oder Überstrom und/oder Überspannung.
Leitungssatz gemäß Anspruch 16, wobei die Leitungsquerschnitte der elektrischen Leitungen (102) gemäß der vorbestimmten Charakteristik abgestuft sind und eine geringere Anzahl von Stufen umfassen als eine Abstufung gemäß einer Auslegung basierend auf einer Absicherung der elektrischen Leitungen (102) mit Schmelzleitern.
Leitungssatz gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die Isolationsdicken der Isolationen der elektrischen Leitungen (102) gemäß der vorbestimmten Charakteristik abgestuft sind und eine geringere Anzahl von Stufen umfassen als eine Abstufung gemäß einer Auslegung basierend auf einer Absicherung der elektrischen Leitungen (102) mit Schmelzleitern oder gemäß einer Auslegung ohne Überspannungsabsicherung.
Verfahren (600) zum Betreiben einer elektronischen Sicherung (101) zur Absicherung einer elektrischen Leitung (102) gegen thermische Überlast und/oder Überspannung und/oder Überstrom, umfassend: Unterbrechen (601) eines Stromflusses (I) durch die elektrische Leitung (102) - mittels einer Verpolschutzschaltung (103) mit einer Strom-Zeit Kennlinie (104), wenn der durch die elektrische Leitung (102) fließende Strom (I) eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom-Zeit Kennlinie (104) erfüllt, und/oder - mittels einer Verpolschutzschaltung (103) mit einer Spannungs-Zeit Kennlinie (104), wenn die Spannung zwischen der Leitung (102, 105, 106) und einem Bezugspotenzial eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Spannungs-Zeit Kennlinie (104) erfüllt, und/oder - mittels einer Verpolschutzschaltung (103) mit einer Temperatur-Zeit Kennlinie (104), wenn die Temperatur der Leitung (102, 105, 106) oder eines Teils derselben eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Temperaur-Zeit Kennlinie (104) erfüllt, mittels eines ersten elektronischen Schalters, insbesondere eines ersten N-Kanal-Enhancement-Transistors (107), und zeitgleiches Unterbrechen (602) eines Stromflusses (I) durch die elektrische Leitung (102) - mittels einer Verpolschutzschaltung (103) mit einer Strom-Zeit Kennlinie (104), wenn der durch die elektrische Leitung (102) fließende Strom (I) eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Strom-Zeit Kennlinie (104) erfüllt, und/oder - mittels einer Verpolschutzschaltung (103) mit einer Spannungs-Zeit Kennlinie (104), wenn die Spannung zwischen der Leitung (102, 105, 106) und einem Bezugspotenzial eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Spannungs-Zeit Kennlinie (104) erfüllt, und/oder - mittels einer Verpolschutzschaltung (103) mit einer Temperatur-Zeit Kennlinie (104), wenn die Temperatur der Leitung (102, 105, 106) oder eines Teils derselben eine vorgegebene Bedingung bezüglich der Temperaur-Zeit Kennlinie (104) erfüllt, mittels eines zweiten elektronischen Schalters, insbesondere eines zweiten N-Kanal-Enhancement-Transistors (108), und wobei die Strom-Zeit Kennlinie (104) der Verpolschutzschaltung (103) auf einer vorbestimmten Charakteristik der elektrischen Leitung (102) basiert und/oder wobei die Spannungs-Zeit Kennlinie (104) der Verpolschutzschaltung (103) auf einer vorbestimmten Charakteristik der Isolation der elektrischen Leitung (102) basiert und/oder wobei die Temperatur-Zeit Kennlinie (104) der Verpolschutzschaltung (103) auf einer vorbestimmten Charakteristik der thermischen Isolation der elektrischen Leitung (102) und/oder der Leitung (102) basiert und wobei der erste elektronische Schalter, insbesondere der erste N-Kanal-Enhancement-Transistor (107), anti-seriell zum der zweiten elektronischen Schalter, insbesondere dem zweiten N-Kanal-Enhancement-Transistor (108), geschaltet ist.