Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsschaltung und ein Verfahren zum Erhöhen der Lösekräfte beim Schalten eines mit einer mechanischen Erregerspule angesteuerten mechanischen Relais sowie ein Relais, ein Ladegerät und eine Steuereinheit.

Stand der Technik

Wechselstromladegeräte für Elektrofahrzeuge, die beispielsweise in einer Wallbox oder einem Cordset bereitgestellt werden, schalten den Leistungspfad zwischen Stromnetz und Elektrofahrzeug mit Hilfe elektromagnetischer Relais. An diese Relais sind besondere Anforderungen bezüglich der Verschweißfestigkeit der Kontakte gestellt. So entstehen beispielsweise beim Laden des Eingangsfilters der Elektrofahrzeuge erhebliche Einschaltströme. Ein Abschalten unter Last kann zu Lichtbogenbildung und zum Verschleiß des Kontakts führen. Teilweise sind diese Effekte durch die relevanten Spezifikationen begrenzt. Es kann aber vorkommen, dass diese Spezifikationen unter Realbedingungen überschritten werden. Somit müssen die Relais bezüglich Verschweißfestigkeit deutlich überdimensioniert werden.

Beim Schließen unter Spannung bildet sich zwischen den Kontakten ein Lichtbogen, der die Kontaktoberfläche lokal aufschmilzt und so zu einer „Verschweißung“ der Kontakte führt. Dies ist ein normaler Vorgang, der bei jedem Schließvorgang eines schaltenden Relais passiert, wobei dieser bei mehr Last ausgeprägter sein kann. Diese Verklebung muss beim Abfallen des Relais durch die Rückstellfeder wieder gelöst werden. Um ein Relais verschweißfester zu machen, wird durch konstruktive Maßnahmen diese Lösekraft erhöht. Dies kann geschehen durch eine stärkere Auslegung der Rückstellfeder oder auch durch Konstruktionen, die eine tangentiale Lösekraft auf den Kontakt ausüben. Weiterhin sind auch andere, exotischere Kontaktmaterialien möglich, die die Festigkeit der Schweißverbindung reduzieren, aber die Kosten für das Relais erhöhen. So ist aus der DE 10 2012 011 251 A1 ein Verfahren zur Reparatur einer „klebenden“ Kontaktbrücke bekannt, wobei die Ansteuerfrequenz einer Impulssequenz an die mechanische Resonanz des Ankers mit der Kontaktbrücke angepasst wird.

In der DE 102012 222 129 A1 wird der Verlauf der Ansteuerspannung so gewählt, dass das Kontaktmittel zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz des Kontaktmittels angeregt wird und so ein mechanisches „Rütteln“ an dem Kontaktmittel erreicht wird.

Aus der DE 102015 016 992 A1 ist ein Verfahren zum Lösen der Kontaktbrücke von einem Kontakt bekannt, bei welchem die elektrischen Kontakte mit ihrer Eigenfrequenz vibriert werden.

Aus der WO 2005/069330 A1 ist eine Methode zur Verwendung einer niedrigeren Spannung für Pull-in der Kontaktplatten bekannt, wobei die Spannung an Elektroden mit einer Resonanzfrequenz der Struktur angewendet wird.

Aus der DE 102015 016 992 A1 ist eine Anregung mechanischer Vibrationen eines elektrischen Kontakts durch Anlegen einer elektrischen Wellenform mit der Eigenfrequenz des elektrischen Kontakts bekannt.

Aus der DE 102011 052 173 B3 ist ein elektromagnetischer Aktuator zum Festhalten und zum Lösen von beweglichen Teilen in Kraftfahrzeugen bekannt.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einer Leistungsschaltung eine Schaltkraft eines Kontaktmittels zum Herstellen oder Trennen einer elektrischen Verbindung in zu erhöhen.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Entsprechend wird eine Leistungsschaltung zum Erhöhen der Lösekräfte eines mit einer Erregerspule angesteuerten mechanischen Relais, bevorzugt in einem AC (Wechselstrom) Ladegerät für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, wobei das Relais einen federvorgespannten Anker umfasst. Die Leistungsschaltung umfasst eine mit der Erregerspule des Relais verbindbare Steuereinheit, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, zu einem vorgegebenen Schaltzeitpunkt der Erregerspule des Relais eine Schaltspannung zum Schalten des Relais aufzuprägen. Mit anderen Worten, der Anker kann mittels einer Rückstellfeder von einem elektrischen Kontakt zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Anker und dem Kontakt gelöst werden. Zum Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen dem Anker und dem Kontakt in einem Primärstromkreis, wird der Anker durch eine magnetische Kraft von der Erregerspule aufgrund der Schaltspannung, welche der Rückstellfeder entgegenwirkt, auf den Kontakt gedrückt. Alternativ kann dies auch umgekehrt sein.

Die Schaltspannung in der Erregerspule zum Erzeugen der Schaltkraft, welche den Anker auf den Kontakt drückt oder löst kann einen konstanten Mittelwert aufweisen. Die Schaltspannung kann von einem Steuergerät zum Schaltzeitpunkt erzeugt werden. Der Schaltzeitpunkt kann hierzu von dem Steuergerät mittels eines Eingangssignals, beispielsweise von einem Timer oder einem Batteriesteuergerät eines Kraftfahrzeugs, umfassend den Schaltzeitpunkt zum Starten oder Beenden des Ladens empfangen und/oder in einem Speicher speichern. Wenn der Schaltzeitpunkt erreicht ist, kann das Steuergerät die Erregerspule mit der Schaltspannung zum Herstellen, also Anker liegt auf dem Kontakt auf, oder Trennen, also Anker wird vom Kontakt gelöst, der elektrischen Verbindung ansteuern.

Beim Herstellen und Trennen der elektrischen Verbindung kann aufgrund von Überschlagsspannungen eine Schweißverbindung zwischen dem Anker und dem Kontakt entstehen, was dazu führen kann, dass der Anker sich von dem Kontakt von der Rückstellfeder oder von einer Schaltkraft der Erregerspule nicht mehr lösen lässt. Der Anker kann also auf dem Kontakt anhaften oder kleben.

Die Leistungsschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, zusätzlich zu der Schaltspannung der Erregerspule des Relais eine mit dem Schaltzeitpunkt synchronisierte (in einem Zeitintervall vorher und/oder gleichzeitig und/oder in einem Zeitintervall nachher) und periodisch verlaufende Anregungsspannung aufzuprägen, um eine zusätzliche dynamische Schaltkraft bereitzustellen.

Mit anderen Worten, kann synchron bedeuten, dass die Anregungsspannung von dem Steuergerät in einem Zeitintervall vor oder nach dem Schaltzeitpunkt oder gleichzeitig zum Schaltzeitpunkt auf die Schaltspannung aufgeprägt werden kann. Die Anregungsspannung kann mittels ihres periodischen Verlaufs eine schwankende magnetische Kraft der Erregerspule auf den Anker bewirken und somit den Anker zu einem Vibrieren, insbesondere zu einem mechanischen Rütteln, bewegen. Das Vibrieren kann eine zusätzliche dynamische Schaltkraft zusätzlich zur Rückstellkraft der Rückstellfeder oder der Erregerspule durch die Schaltspannung zum Trennen der elektrischen Verbindung erzeugen und ein Lösen des Ankers vom Kontakt, insbesondere der Schweißverbindung, bewirken.

Da der Schaltzeitpunkt zum Trennen der elektrischen Verbindung bereits im Voraus bekannt sein kann, kann das Steuergerät vor dem Schaltzeitpunkt die Anregungsspannung auf die Schaltspannung aufprägen und den Kontakt vor dem Schaltvorgang zu einem Vibrieren anregen, um das Anhaften des Ankers auf dem Kontakt vor dem Schalten zu lösen.

Um die Anregungsspannung bereits vor dem eigentlichen Schaltzeitpunkt anlegen zu können und entsprechend eine zusätzliche dynamische Schaltkraft aufzubringen, kann der Schaltzeitpunkt auch ausgehend von einem externen Schaltbefehl um das vor dem Schaltzeitpunkt gewünschte Anregungszeitintervall verzögert werden.

Ergänzend oder alternativ kann das Steuergerät die Anregungsspannung gleichzeitig zum Schaltvorgang oder nach dem Schaltvorgang auf die Schaltspannung aufprägen und somit die Schaltkraft der Rückstellkraft oder der Erregerspule mittels des Vibrierens erhöhen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass allein auf elektronischer Basis die Schaltkraft zum Lösen des Ankers von dem Kontakt erhöht werden kann und bestehende mechanische und elektrische Komponenten kleiner und damit platz- und energiesparender ausgelegt werden können.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsspannung in einer Anregungsfrequenz bereitzustellen, die im Bereich der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems umfassend den federvorgespannten Anker, insbesondere im Bereich der Eigenfrequenz des Ankers, liegt. Mit anderen Worten kann die dynamische Kraft dadurch optimiert werden, dass die Anregungsfrequenz in der Erregerspule eine magnetische Kraft auf den Anker bewirkt, welche in der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems umfassend den Anker und die Rückstellfeder schwingt und eine Resonanz erzeugt. Ergänzend oder alternativ kann die Anregungsfrequenz auch die Eigenfrequenz des Ankers annehmen, sodass eine Verbindung zwischen dem Anker und dem Kontakt durch die Resonanz gelöst werden kann. Dabei können Anker und Kontakt aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So können beispielsweise der Anker aus Eisen und der Kontakt aus einer Silberlegierung gebildet sein oder diese Materialien umfassen. Alternativ können der Anker und der Kontakt auch aus dem gleichen Material ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die benötigte Energie für das Lösen des Ankers vom Kontakt durch Ausnutzen einer mechanischen Resonanz optimiert wird und die Kraft zum Lösen des Ankers vom Kontakt, welche durch die Resonanz entsteht, eine kleinere Auslegung von Feder und Spule ermöglicht.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsfrequenz über einen vordefinierten Zeitraum zu variieren (wobbeln), insbesondere die Anregungsfrequenz auf eine geänderte Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems oder des Ankers mittels des Variierens einzustellen. Mit anderen Worten, die Eigenfrequenz des Feder-Masse- Systems oder des Ankers kann aufgrund von zumindest einer mechanischen Toleranz und/oder einer Temperaturschwankung sich verändern und muss daher erneut bestimmt werden. Diese kann mittels des Variierens der Anregungsfrequenz heuristisch ermittelt werden. Während des Aufprägens der Anregungsspannung kann das Steuergerät die Anregungsfrequenz in einem Frequenzband, beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur, erhöhen oder senken. Wenn sich der Anker von dem Kontakt bei einer erreichten Anregungsfrequenz löst, kann eine Resonanz vorliegen. Die erreichte Anregungsfrequenz kann als neue Resonanzfrequenz gespeichert werden. Somit kann auf einfach Weise einer sich ändernden Resonanzfrequenz bestimmt werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich ändernde Umweltbedingungen von der Steuereinheit berücksichtigt werden können.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Anregungsspannung mittels einer Pulsweitenmodulation, insbesondere mit einem asymmetrischen Tastverhältnis, also ungleich (0.5) der halben Periodendauer, zu modulieren. Mit anderen Worten, wenn der Anker aus einem nicht-permanentmagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, besteht, kann der Anker von der Erregerspule nur angezogen und nicht abgestoßen werden. Um dennoch ein abwechselndes Andrücken oder Wegziehen des Ankers vom Kontakt, also ein Vibrieren oder ein Rütteln, bereitzustellen, kann der Anker mittels einer Summe von einer Federkraft der Rückstellfeder und der Anzugskraft der Erregerspule abwechselnd vom Kontakt angedrückt oder weggezogen werden. Die Anzugskraft der Erregerspule kann so lange Null sein oder die Anregungsspannung kann mittels der Modulierung mit der Pulsweitenmodulation so lange Null betragen, bis der Anker durch die Rückstellkraft der Rückstellfeder zurückschwingt.

Die Dauer, über die hinweg die Anzugskraft der Erregerspule auf den Anker wirkt, und die Dauer, über die hinweg der Anker durch die Rückstellfeder zurückschwingt, können dabei verschieden lang sein. Die für die Anzugskraft der Erregerspule erforderliche Anregungsspannung kann hierzu von der Steuereinheit mittels der Pulsweitenmodulation, insbesondere mit einem asymmetrischen Tastverhältnis, generiert werden. Durch Wahl des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation, insbesondere ungleich der halben Periodendauer (0.5) der Anregungsfrequenz, kann die Anregungsspannung auf eine mechanische Zeitkonstante der Rückstellfeder, insbesondere auf die Dauer des Zurückschwingens des Ankers, eingestellt werden.

Ergänzend oder alternativ kann der Anker aus einem permanentmagnetischen Material bestehen, sodass der Anker durch den periodischen Verlauf der Anregungsspannung abwechselnd von dem Kontakt elektrisch weggezogen oder angedrückt wird. Beispielsweise kann durch ein Filtern der Perioden der Anregungsfrequenz durch die Steuereinheit, welche den Anker, der ja von dem Kontakt gelöst werden soll, auf den Kontakt drücken, das Vibrieren in ein rhythmisches Wegziehen ohne Andrücken umgewandelt werden. Dies kann eine Effizienz des Vibrierens noch weiter verbessern. Wenn beispielsweise die Anregungsspannung in einem Verlauf einer Sinusfunktion mit einer Periodendauer T folgt, wobei die negativen Spannungswerte der Anregungsspannung ein Andrücken des Ankers an den Kontakt und die positiven Spannungswerte der Anregungsspannung ein Lösen des Ankers von dem Kontakt bewirken, können die Periodenhälften mit den negativen Spannungswerten als Anregungsspannung und/oder die ungeradzahligen Vielfachen der Periodenhälfte mit den negativen Spannungswerten verwendet werden. Alternativ kann dies in Abhängigkeit der Bauart des Relais auch umgekehrt sein.

Dem bloßen Vibrieren als eine Hin- und Her-Bewegung kann somit eine Richtung gegeben werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass neben dem Nutzen einer Resonanzfrequenz der Energiebedarf zusätzlich optimiert und eine Dauer des Lösens des Ankers vom Kontakt reduziert werden kann.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Anregungsspannung über den vordefinierten Zeitraum, welcher insbesondere einer Dauer zum Abbau und/oder Aufbau eines Magnetfeldes der Erregerspule umfasst, auf die Schaltspannung aufzuprägen. Mit anderen Worten, der vordefinierte Zeitraum des Aufprägens der Anregungsspannung kann die Dauer zum Auf- oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule, welches die Kraft bewirken kann, die den Anker auf den Kontakt drückt, berücksichtigen. Dabei kann die Dauer des Abbaus des Magnetfelds der Erregerspule beispielsweise aufgrund eines Verwendens von Freilaufdioden in der Leistungsschaltung länger oder kürzer sein als die Dauer des Aufbaus des Magnetfeldes. Die Dauer zum Aufbau und zum Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule sind also asymmetrisch. Beispielsweise kann in einem ersten Fall, wo der Anker mittels der magnetischen Kraft der Erregerspule auf den Kontakt gedrückt wird, zumindest teilweise die Dauer zum Abbau des Magnetfeldes zum Zeitraum des Aufprägens der Anregungsspannung addiert werden, wohingegen zumindest teilweise die Dauer zum Aufbau des Magnetfeldes zum dem Zeitraum addiert wird, wo die Anregungsspannung null ist und die Rückstellfeder auf den Anker wirkt. In einem zweiten Fall kann bei einer alternativen Bauart des Relais, wo der Anker mittels der magnetischen Kraft der Erregerspule von dem Kontakt weggezogen wird, zumindest teilweise die Dauer zum Aufbau des Magnetfeldes zum Zeitraum des Aufprägens der Anregungsspannung addiert werden, wohingegen zumindest teilweise die Dauer zum Abbau des Magnetfeldes zum dem Zeitraum addiert wird, wo die Anregungsspannung null ist. Die Zeiteinteilung des Anliegens der Anregungsspannung kann so dem Schwingverhalten des Feder- Masse-Systems angepasst werden, insbesondere durch Modulierung der Anregungsspannung mittels einer Pulsweitenmodulation mit einem asymmetrischen Tastverhältnis, um die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems zu treffen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Zeiteinteilung des Aufprägens der Anregungsspannung an das Schwingverhalten des Feder- Masse-Systems angepasst werden kann.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Spannung in einem Primärstromkreis, welchen der Anker öffnet oder schließt, mittels einer Messeinrichtung zu messen, insbesondere nach dem Schaltzeitpunkt. Mit anderen Worten, die Spannung im Primärstromkreis kann von der Steuereinheit gemessen werden. So kann die Steuereinheit erkennen, dass das Relais geschlossen ist, wenn die gemessene Spannung einen Schwellenwert erreicht, und dass das Relais geöffnet ist, wenn die gemessene Spannung 0 V beträgt. Der Schwellenwert kann zumindest teilweise den Wert der Betriebsspannung des Primärstromkreises betragen. Alternativ kann die Steuereinheit den Schaltzustand des Relais mittels der Verwendung eines Hilfskontaktes (Monitorkontakt) im Relais bestimmen.

Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, den Strom, insbesondere eine Stromanstiegsgeschwindigkeit, im Sekundärstromkreis für die Bestimmung des Schaltzustands des Relais zu messen. Ein Öffnen oder Schließen des Relais kann eine Induktivität der Erregerspule durch die Positionsveränderung des Ankers bezüglich der Erregerspule verändern. So kann beispielsweise bei einem geschlossenen Relais ein größerer Teil des Ankers sich in der Erregerspule befinden als bei einem geöffneten Relais. Die Veränderung der Induktivität infolge einer Änderung des Schaltzustands des Relais bewirkt eine Veränderung der Stromanstiegsgeschwindigkeit des Stroms im Sekundärstromkreis. So kann die Steuereinheit mittels Messung der Stromanstiegsgeschwindigkeit im Sekundärstromkreis den jeweiligen Schaltzustand des Relais bestimmen. Insbesondere kann durch das Messen des Stroms und/oder der Stromanstiegsgeschwindigkeit im Sekundärstromkreis ein Herstellen oder ein Trennen der elektrischen Verbindung durch die Steuereinheit plausibilisiert werden.

Bevorzugt kann von der Steuereinheit durch die Überwachung, insbesondere mittels zumindest zwei verschiedener Verfahren zur Bestimmung des Schaltzustands, plausibilisiert werden, ob der Anker auf dem Kontakt noch aufliegt oder vom Kontakt gelöst ist. Hierdurch kann ergänzend oder alternativ eine sich ändernde Resonanzfrequenz mittels der Überwachung des Stroms im Primärstromkreis durch die Steuereinheit eine sich aufgrund von Umwelteinflüssen ändernde Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems oder des Ankers bestimmt werden. Während des Aufprägens der Anregungsspannung zum Lösen des Ankers vom Kontakt kann die Anregungsfrequenz von der Steuereinheit variiert, beispielsweise erhöht oder gesenkt, werden. Die Anregungsfrequenz, bei welcher der gemessene Strom im Sekundärstromkreis ein Minimum erreicht und sich der Anker vom Kontakt aufgrund eines Resonanzeffekts gelöst hat, kann als neue Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz von der Steuereinheit gespeichert werden. Bei einem verschweißten Relais kann sich Resonanzfrequenz von der ursprünglichen Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems verschieben. Die Resonanzfrequenz kann sich in diesem Fall erhöhen, wobei dies durch Erreichen des Minimums des gemessenen Stroms von der Steuereinheit erkannt werden kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Überwachung des Stroms im Sekundärstromkreis eine Schaltsicherheit erhöht und ein zusätzliches Mittel zum Bestimmen einer neuen Eigenfrequenz bei sich ändernden Umweltbedingungen bereitgestellt werden kann.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Anregungsspannung auf die Schaltspannung aufzuprägen, wenn nach dem Schaltzeitpunkt die gemessene Spannung einen Schwellenwert erreicht und/oder die Anregungsspannung solange auf die Schaltspannung aufzuprägen, bis die gemessene Spannung im Primärstromkreis im Wesentlichen null ist. Mit anderen Worten kann ergänzend oder alternativ zum pauschalen Aufprägen der Anregungsspannung durch die Steuereinheit beim Trennen der elektrischen Verbindung das Aufprägen der Anregungsspannung von der Bedingung abhängig gemacht werden, ob sich der Anker tatsächlich nach dem Schaltzeitpunkt zum T rennen der elektrischen Verbindung von dem Kontakt gelöst hat. Dies kann von der Steuereinheit mittels einer Messung der Spannung im Primärstromkreis und/oder mittels Messung der Stromanstiegsgeschwindigkeit im Sekundärstromkreis oder alternativ mittels Spannungsmessung bezüglich eines Hilfskontaktes (Monitorkontakt) bestimmt werden. Wenn die gemessene Spannung im Primärstromkreis den Schwellenwert erreicht hat, kann die Steuereinheit ein Anhaften oder ein Lösen des Ankers vom Kontakt erkennen. Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit mittels einer Messung des Stroms im Primärstromkreis erkennen und/oder plausibilisieren, ob das Relais geöffnet oder geschlossen ist. Der Schwellenwert kann von null verschieden sein und zumindest teilweise den Wert der Betriebsspannung des Primärstromkreises betragen.

Wenn die von der Steuereinheit nach dem Schaltzeitpunkt zum Trennen der elektrischen Verbindung gemessene Spannung den Schwellenwert erreicht, kann die Steuereinheit ein Anhaften des Ankers an dem Kontakt feststellen und die Anregungsspannung auf die Schaltspannung zum Trennen der elektrischen Verbindung aufprägen, sodass der Anker durch die Erregerspule zum Vibrieren gebracht wird und sich vom Kontakt löst. Die Steuereinheit kann die Dauer des Aufprägens der Anregungsspannung nach dem vorgegebenen Zeitraum, insbesondere der Dauer zum Aufbau oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule ausrichten oder ergänzend oder alternativ die Anregungsspannung solange auf die Schaltspannung aufprägen, bis die gemessene Spannung nach dem Schaltzeitpunkt zum Trennen der elektrischen Verbindung im Wesentlichen null ist, also das Relais geöffnet ist, und/oder der gemessene Strom im Primärstromkreis im Wesentlichen null ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Sicherheit des Relais verbessert wird.

Weiterhin wird auch ein Relais vorgeschlagen, welches zumindest eine der hierin beschriebenen Leistungsschaltungen umfasst.

Weiterhin wird ein Ladegerät oder Ladekabel vorgeschlagen, welche zumindest eine der hierin beschriebenen Leistungsschaltungen und/oder das hierein beschriebene Relais umfassen.

Des Weiteren wird ein Verfahren zum Erhöhen der Lösekräfte eines mit einer Erregerspule angesteuerten mechanischen Relais mit einem federvorgespannten Anker, bevorzugt in einem AC Ladegerät für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Empfangen und/oder Speichern eines Eingangssignals umfassend einen vorgegebenen Schaltzeitpunkt, wann das Relais geöffnet werden soll,

Aufprägen einer Schaltspannung auf die Erregerspule zum Schaltzeitpunkt mittels einer Steuereinheit, welche mit der Erregerspule verbunden ist, - Aufprägen einer Anregungsspannung mit einer Anregungsfrequenz auf die Schaltspannung synchron (vorher, nachher, gleichzeitig) zum Schaltzeitpunkt mittels der Steuereinheit über einen vordefinierten Zeitraum, insbesondere über eine Dauer zum Abbau oder Aufbau eines Magnetfeldes der Erregerspule,

Beenden des Aufprägens der Anregungsspannung nach Ablauf des vordefinierten Zeitraums.

Mit anderen Worten, kann die Steuereinheit mittels einer Anregungsspannung eine Erregerspule in der Leistungsschaltung ansteuern, welche eine elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei Kontakten eines Primärstromkreises mittels eines Kontaktmittels zu einem Schaltzeitpunkt herstellt oder trennt. Ein mit dem Schaltzeitpunkt synchroner (in einem Zeitintervall vorher und/oder gleichzeitig und/oder in einem Zeitintervall nachher) periodischer Verlauf der Anregungsspannung kann ein Vibrieren des Kontaktmittels bewirken, wobei mittels des Vibrierens eine Schaltkraft des Kontaktmittels zum Trennen oder Herstellen der elektrischen Verbindung erhöht wird.

Weiterhin werden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der hierin beschriebenen Leistungsschaltung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.

Ferner wird eine Steuereinheit zum Betreiben der Leistungsschaltung, insbesondere eines Relais, vorgeschlagen, wobei die Steuereinheit zumindest einen Prozessor und/oder zumindest einen Speicher umfasst, wobei in dem Speicher Programmanweisungen gespeichert sind, die den zumindest einen Prozessor dazu veranlassen, das Verfahren auszuführen. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder zumindest eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.

Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher oder Prozessoreinrichtung gespeichert sein.

Kurze Beschreibung der Figuren Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung, die in einer Ladestation oder in einem Ladekabel für ein Elektrofahrzeug eingebaut ist;

Figur 2 zeigt einen exemplarischen Verlauf der Ansteuerspannung unter Berücksichtigung des Tastverhältnisses einer Pulsweitenmodulation, und

Figur 3 zeigt einen schematischen Verlauf des Verfahrens zur Erhöhung der Lösekraft in der elektrischen Schaltung.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale ergänzbar. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.

In Figur 1 ist schematisch ein Ladegerät 1 , wie beispielsweise Ladesäule oder eine Wallbox, zum Laden eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 5 dargestellt. Das Ladegerät 1 ist an einem elektrischen Netz, das den Primärstromkreis 2 ausbildet, angeschlossen und lädt über ein Relais 3 das Kraftfahrzeug 5. Ergänzend oder alternativ kann das Relais 3 auch in einem Steuergerät des Ladekabels 4 integriert sein. Das Relais 3 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Primärstromkreis 2 und dem Kraftfahrzeug 5 über die Ladedauer her, indem das Relais 3 zum Laden geschlossen und zum Beenden des Ladens geöffnet wird. Weiterhin wird eine detaillierte schematische Darstellung des Relais 3 gezeigt, welche beispielhaft an einer Phase L1 des Primärstromkreises 2 angeschlossen ist und mittels des Ankers 10 eine elektrische Verbindung 11 zwischen den Kontakten 9 und 9‘ durch Öffnen oder Schließen des Ankers 10 herstellt oder trennt. Das Relais 3 kann alternativ ein Schütz sein.

Beim Trennen der elektrischen Verbindung 11 kann sich aufgrund des Stromflusses im Primärstromkreis 2 eine Überschlagsspannung zwischen dem Kontakt 9 und dem Anker 10 beim Ablösen des Ankers 10 vom Kontakt 9 bilden, was zu einem Anhaften oder Ankleben des Ankers 10 an dem Kontakt 9 führen kann. In der Regel wird dem durch eine entsprechend starke Auslegung einer Rückstellfeder 15 entgegengewirkt, welche den Anker 10 vom Kontakt 9 löst. Der Anker 10 wird zum Herstellen oder Trennen der elektrischen Verbindung 11 von der Erregerspule 8 über die Leistungsschaltung 6 von der Steuereinheit 7 mittels einer Anregungsspannung UA angesteuert. Die Erregerspule 8 bewegt und/oder vibriert somit den Anker 10 zum Herstellen oder Trennen der elektrischen Verbindung 11. Zum Unterstützen des Lösens des Ankers 10 vom Kontakt 9 kann auf die Schaltspannung die Anregungsspannung UA synchron zum Schaltzeitpunkt tout zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 aufgeprägt werden. Die Anregungsspannung UA kann einen periodischen Verlauf umfassend zumindest eine Anregungsfrequenz aufweisen. Die Anregungsspannung UA wird von der Steuereinheit 7 erzeugt und bewirkt ein Vibrieren, insbesondere ein Rütteln, des Ankers 10, was die Schaltkraft zum Lösen des Ankers 10 vom Kontakt 9 vergrößert, sodass die Schaltkraft das Anhaften des Ankers 10 am Kontakt 9 überwinden kann. Die Anregungsspannung UA kann vom Steuergerät 7 vor oder gleichzeitig oder nach dem Schaltzeitpunkt tout zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 von Steuereinheit 7 aktiviert werden. Der Zeitraum, solange die Steuereinheit 7 die Anregungsspannung UA aktiviert oder auf die Schaltspannung aufprägt, kann eine vorgegebene Dauer sein, wie beispielsweise 0.5, 1 oder 1.5 s Sekunden oder auf die Dauer zum Aufbau oder Abbau eines Magnetfeldes der Erregerspule 8 in Abhängigkeit von einer Bauart des Relais eingestellt sein, also ob zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 ein Mittelwert der Schaltspannung ungleich 0 V oder gleich 0 V ist.

Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit 7 synchron zum Schaltzeitpunkt tout mittels einer Messeinrichtung 12 eine Spannung im Primärstromkreis 2 messen, welche nach dem Trennen der elektrischen Verbindung 11 nach dem Schaltzeitpunkt tout im Wesentlichen 0 V beträgt. Falls die von der Steuereinheit 7 gemessene Spannung nach dem Schaltzeitpunkt tout einen Schwellenwert überschreitet, kann die Steuereinheit 7 die Erregerspule 8 mit der Anregungsspannung UA ansteuern, sodass die Erregerspule 8 ein Vibrieren des Kontaktmittels 10 bewirkt, welches den Anker 10 vom Kontakt 9 losrüttelt. Der Schwellenwert kann beispielsweise zumindest teilweise die Betriebsspannung des Primärstromkreises sein, beispielsweise 20 V. Ergänzend kann die Steuereinheit 7 die Dauer des Aktivierens der Anregungsspannung UA solange bewirken, bis die gemessene Spannung im Primärstromkreis nach dem Schaltzeitpunkt tout 0 V beträgt.

Insbesondere kann die Anregungsspannung asymmetrisch von der Steuereinheit moduliert sein, sodass die unterschiedliche Dauer zum Auf- oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule 8 und der Dauer, solange die Rückstellfeder 15 den Anker 10 zurückstellt, berücksichtigt werden kann. Ergänzend kann das Vibrieren des Ankers 10 in zwei Richtungen oder nur in einer Richtung von der Erregerspule 8 durch einen von der Steuereinheit 7 vorgegebenen Verlauf der Anregungsspannung UA bewirkt werden. Wenn der Anker 10 nur in einer Richtung vibriert, entspricht dies einem rhythmischen Ziehen am Anker 10 vom Kontakt 9 weg. Dies kann von der Steuereinheit 7 dadurch bewirkt werden, dass die Steuereinheit 7 die Anregungsspannung UA mittels einer Pulsweitenmodulation mit einem asymmetrischen Tastverhältnis moduliert und die so modulierte Anregungsspannung UAan der Erregerspule 8 bereitstellt.

Hierzu zeigt Figur 2 beispielhaft, wie auf Basis eines Informationssignals 14 mit der Periodendauer T in I die Anregungsspannung UA in III mittels einer Pulsweitenmodulation 13 nach II erzeugt werden kann. Das Informationssignal 14 kann ein Sinussignal sein und ergänzend oder alternativ auch ein periodisches Rechteck- oder ein Dreieck- oder ein Sägezahnsignal oder eine Kombination aus den vorher genannten Signalformen. Die Anregungsspannung UA kann durch die Steuereinheit 7 aus dem Informationssignal 14 mittels einer Pulsweitenmodulation 13 mit einem Tastverhältnis von beispielsweise 0.5 der Periodendauer T nach II generiert werden. Dabei entsteht der Verlauf Anregungsspannung UA nach III, welcher an der Erregerspule 8 anliegt. Die Anregungsspannung UA umfasst die ungeradzahligen Vielfache 17 zumindest einer Periode T der Sinuskurve des Informationssignals 14, hier also nur die Wellenbäuche mit negativen Spannungswerten. Je nach Bauart des Relais können dies auch die positiven Spannungswerte sein.

Wenn der Anker 10 aus einem nicht-permanentmagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, besteht, kann der Anker 10 von der Erregerspule 8 nur angezogen und nicht abgestoßen werden. Ein Vibrieren oder Rütteln kann daher mittels einem abwechselnden Anziehen des Ankers 10 an den Kontakt 9 durch die Erregerspule 8 und einem Wegziehen des Ankers 10 vom Kontakt 9 durch die Rückstellfeder 15 erzeugt werden. Durch den Verlauf der Anregungsspannung UA nach III an der Erregerspule 8 kann das Andrücken des Ankers 10 in einer Richtung hin zum Kontakt 9 durch die negativen Spannungswerte der Anregungsspannung UA bewirkt werden, während die Rückstellfeder 15 den Anker 10 vom Kontakt 9 wegzieht, wenn die Anregungsspannung UA nach III 0 V beträgt. Zwischen den Vielfachen 17 der negativen Spannungswerte in III beträgt die Anregungsspannung UA im Wesentlichen 0 V, sodass die Rückstellfeder 15 den Anker 10 vom Kontakt 9 wegziehen kann. Die Anregungsspannung UA nach III wird also abwechselnd mittels der Pulsweitenmodulation 13 nach II ein- und ausgeschaltet, sodass ein Vibrieren oder ein Rütteln des Ankers 10 entsteht, um den Anker 10 vom Kontakt 9 bei einem Verschweißen zu lösen.

Die Zeitspanne, solange die Anregungsspannung UA von 0 V verschieden ist, kann mittels des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation 13 nach II eingestellt werden. In II ist ein asymmetrisches Tastverhältnis, eingestellt. Die Dauer, solange die Anzugskraft der Erregerspule 8 auf den Anker 10 wirkt, und die Dauer, solange der Anker 10 durch die Rückstellfeder 15 zurückschwingt, können dabei verschieden sein. Die für die Anzugskraft der Erregerspule 8 erforderliche Anregungsspannung UA kann hierzu von der Steuereinheit 7 mittels der Pulsweitenmodulation 13 mit dem asymmetrischen Tastverhältnis nach II generiert werden, um ein Vibrieren oder Rütteln des Ankers 10 zu erzeugen. Durch Wahl des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation 13, , kann die Anregungsspannung UA auf eine mechanische Zeitkonstante der Rückstellfeder 15, insbesondere auf die Dauer des Zurückschwingens des Ankers, eingestellt werden.

Ergänzend kann durch das Generieren der Anregungsspannung UA aus dem Informationssignal 14 mittels der Pulsweitenmodulation 13 aus II die Dauer zum Auf- und/oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule 8 berücksichtigt werden. Die Anregungsspannung UA in III kann so lange 0 V betragen, bis das Magnetfeld der Erregerspule abgeklungen ist und die Rückstellfeder 15 den Anker 10 vom Kontakt 9 wegzieht. Dagegen kann die Anregungsspannung UA in III so lange die negativen Spannungswerte aufweisen, bis sich das Magnetfeld der Erregerspule 8 aufgebaut hat und den Anker 10 in Richtung des Kontakts 9 drückt. Dabei können die Dauer des Aufbaus und des Abbaus des Magnetfelds unterschiedlich sein, sodass die Anregungsspannung UA während der Periodendauer T unterschiedlich lang einerseits 0 V beträgt und andererseits die von null verschiedenen Spannungswerte, hier die negativen Spannungswerte der Vielfachen 17 in III, aufweist. Die Anregungsspannung UA nach III kann die Steuereinheit 7 mittels eines Einstellens des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation 13 nach II, ein asymmetrisches Tastverhältnis, aus dem Informationssignal 14 generieren. Das Steuergerät 7 kann ergänzend das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation 13 einstellen oder verändern, sodass die Anregungsspannung UA und damit ein Vibrationsmuster des Ankers 10 über einen Zeitraum variiert oder an veränderte Umweltbedingungen des Feder-Masse-Systems angepasst wird.

Ergänzend oder alternativ können die positiven und negativen Spannungswerte bei einem permanentmagnetischen Anker 10 abwechselnd ein Abziehen (positiv) und ein Herandrücken (negativ) des Ankers 10 von oder an den Kontakt 9 bewirken. Dies kann unerwünscht sein, da der Anker 10, welcher nach dem Schaltzeitpunkt tout zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 wieder an den Kontakt 9 herangedrückt wird. Das abwechselnde Wegziehen kann mittels der ungeradzahligen Vielfachen 17 der Perioden mit den negativen Spannungswerten in der Anregungsspannung UA bewirkt werden. Alternativ können auch je nach Konstruktion die positiven und negativen Spannungswerte vertauscht sein.

Figur 3 zeigt einen Verlauf des Verfahrens zum Erhöhen der Lösekräfte eines mit der Erregerspule 8 angesteuerten mechanischen Relais 3. In einem ersten Schritt S1 wird von der der Steuereinheit 7 auf ein Eingangssignal 16 empfangen, welches beispielsweise ein Signal von einem Timer oder einem Batteriesteuergerät stammt und einen Schaltzeitpunkt tout zum Beenden des Ladevorgangs umfasst. Die Steuereinheit 7 speichert den Schaltzeitpunkt tout in einem Speicher. In einem zweiten Schritt S2 legt die Steuereinheit 7 eine Schaltspannung an die Erregerspule 8 an, sodass der Anker 10 vom Kontakt 9 zum Trennen der elektrischen Verbindung 11 gelöst wird. Beispielsweise kann eine Rückstellfeder den Anker 10 vom Kontakt 9 lösen. Zum Vorbeugen eines Anhaftens oder Klebens des Ankers 10 am Kontakt 9 aufgrund von einer Durchschlagsspannung beim Trennen der elektrischen Verbindung 11 , prägt die Steuereinheit 7 in einem dritten Schritt S3 synchron zum Schaltzeitpunkt tout eine Anregungsspannung UA auf die Schaltspannung auf. Dabei kann das Aufprägen der Anregungsspannung UA innerhalb eines Zeitintervalls vor oder nach dem Schaltzeitpunkt tout oder gleichzeitig zum Schaltzeitpunkt tout erfolgen.

Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit 7 nach dem Schaltzeitpunkt tout eine Spannung im Primärstromkreis 2 mittels einer Messeinrichtung 12 messen und wenn die gemessene Spannung nach dem Schaltzeitpunkt tout im Wesentlichen einen Schwellenwert erreicht, kann die Steuereinheit 7 ein Anhaften des Ankers 10 am Kontakt 9 erkennen und die Anregungsspannung UA auf die Schaltspannung aufprägen. Der Schwellenwert kann zumindest teilweise die Betriebsspannung des Primärstromkreises sein. Durch die Anregungsspannung UAwird die Erregerspule 8 derart angesteuert, dass die ein Vibrieren des Ankers 10 bewirkt und der Anker 10 aufgrund der dynamischen Kraft des Vibrierens vom Kontakt 9 gelöst wird. In einem fünften Schritt S5 deaktiviert die Steuereinheit 7 die Anregungsspannung UA nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums. Der Zeitraum kann beispielsweise 0.5, 1 bis 10 Sekunden betragen. Alternativ kann der Zeitraum einem Vielfachen der Zeit bis zum Aufbau oder Abbau des Magnetfeldes der Erregerspule 8 entsprechen. Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinheit die Anregungsspannung UA deaktivieren, wenn die im Primärstromkreis 2 mittels der Messeinrichtung 12 gemessene Spannung im Wesentlichen 0 V beträgt. Alternativ kann die Spannung mittels eines Hilfskontaktes (Monitorkontakt) gemessen werden.

Ziel ist eine Erhöhung der Lösekräfte ohne die Konstruktion des Relais zu verändern. Die Rückholfeder bildet zusammen mit dem Anker ein Feder-Masse-System. Durch geeignete Anregung dieses mechanisch schwingfähigen Systems lässt sich eine zusätzlich zur Federkraft wirkende dynamische Kraft erzeugen. Die Anregung erfolgt durch periodische Bestromung der Erregerspule mit der mechanischen Eigenfrequenz. Die Steuerung übernimmt ein Controller, der in der Regel auf dem System sowieso bereits vorhanden ist. Die Regelung des Stromes kann zur genauen Kontrolle auch über zum Beispiel PWM (Pulsweitenmodulation) erfolgen. Im einfachsten Fall sind die erforderlichen Ein- und Ausschaltzeiten der Spule experimentell ermittelt. In diesem Fall ist es erforderlich, die Anregungsfrequenz über Zeit zu variieren (wobbeln), um auch bei abweichender Resonanzfrequenz (Toleranzen, Temperatur) den Resonanzpunkt zu treffen.

Beim Abschalten wirkt auf das System die Federkraft, beim Einschalten der Elektromagnet abzüglich der Federkraft. Zusätzlich wird beim Abschalten der Abbau des Magnetfeldes in der Spule durch deren eventuelle Schutzbeschaltung verzögert. Die Ein- und Abschaltkräfte sind also regelmäßig unterschiedlich. Daher ist eine asymmetrische Ansteuerung (Tastverhältnis != 0.5) erforderlich.

Weiterhin kann der Resonanzpunkt auch durch eine Überwachung des Spulenstroms eingestellt und/oder kontrolliert werden. Die Aktivierung der Anregungsfrequenz kann entweder pauschal bei jedem Abschaltvorgang erfolgen oder nur bei Bedarf, also das Relais hat sich trotz Abschaltung der Spulenspannung noch nicht gelöst. Der Anregungsfrequenz wird entweder eine vordefinierte Zeit angelegt oder so lange, bis sich der Kontakt gelöst hat. Diese Kontrolle kann entweder erfolgen durch Überwachung der geschalteten Spannungen oder durch Nutzung eines Hilfskontaktsatzes oder wiederum durch die Überwachung des Erregerspulenstroms.

Es wird dadurch ermöglicht, durch rein elektrische Maßnahmen die Lösekraft auf einen

Relaiskontakt zu erhöhen. Somit kann auf besondere mechanische Maßnahmen zur

Lösekrafterhöhung verzichtet werden oder sie geringer gehalten werden. Dies ermöglicht in Summe eine kleinere, billigere und energiesparendere Ausführung des Relais im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik. Besondere Kontaktmaterialien sind nämlich teuer und haben andere Nachteile, insbesondere einen höheren Kontaktwiderstand, was zu Verlusten und erhöhter Temperaturbelastung führt. Stärkere Rückhohlfedern erfordern wiederum eine stärkere Auslegung der Erregerspule, was neben Mehrkosten zu erhöhtem Stromverbrauch und Erwärmung führt. Spezielle Konstruktionen zur Erzeugung anders gerichteter Lösekräfte erfordern mehr Bauraum. Auch größere Erregerspulen erfordern mehr Bauraum.

Entsprechend wird auf diese Weise eine aktive Lösekrafterhöhung für Relaiskontakte bereitgestellt.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Bezuqszeichenliste

1 Ladegerät

2 Primärstromkreis

3 Relais

4 Ladekabel

5 Kraftfahrzeug

6 Leistungsschaltung

7 Steuereinheit

8 Erregerspule

9, 9' Kontakt

10 Anker

11 elektrische Verbindung

12 Messeinrichtung

UA Anregungsspannung

13 Pulsweitenmodulation

14 Informationssignal

T Periodendauer tout Schaltzeitpunkt

15 Rückstellfeder

16 Eingangssignal

17 Vielfaches

51 Schritt 1

52 Schritt 2

53 Schritt 3

54 Schritt 4