CN109641528B - 烟火式开关和中间电路放电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于切断和建立电路的烟火式开关(10、20)，包括：第一电导体(11、21)、第二电导体(12、22)和点火元件(16、26)，在烟火式开关(10、20)的第一状态中，第一电导体(11、21)和第二电导体(12、22)彼此电连接，在第一电导体(11、21)和第二电导体(12、22)之间设置预定分离点(14、24)，一旦点火元件(16、26)被触发，则预定分离点(14、24)分离，所述烟火式开关(10、20)包括第三电导体(13、23)，在烟火式开关(10、20)的第一状态中第三电导体(13、23)与第二电导体(12、22)和第三电导体(13、23)电分离并且在烟火式开关(10、20)的第二状态中第三电导体(13、23)与第二电导体(12、22)电连接。

Description

烟火式开关和中间电路放电系统

技术领域

本发明涉及一种用于切断电路的烟火式开关和一种中间电路放电系统以及一种车辆。

背景技术

电动或混合动力车辆具有高压网络，在其中可存在范围在60伏至几百伏(如400伏)范围内的电压。高压网络通常包括高压电池，其通过具有至少一个中间电路电容器的所谓中间电路与高压网络的其余部分连接。在电动或混合动力车辆发生事故时，高压网络可能对车辆乘客、其它交通参与者或救援人员造成潜在危险。

因此，在发生事故时必须可靠地切断高压网络，即高压电池必须可靠地与高压网络分离。高压电池例如可通过所谓的电池接触器(Batterie-Schütze)与高压网络分离。

为了紧急切断电路，尤其是为了断开电源与连接的网络，使用紧急开关，紧急开关在需要时被触发并且切断电路。这种紧急开关必须可靠地切断电路且不允许意外的重新连接。在发生事故时，必须将电动车辆的高压电池与车载网络的其余部分断开，以防止发生火灾。

在断开高压电池与电动或混合动力车辆的高压网络之后，仍可能有大量能量存储在一个或多个中间电路电容器中。因此，出于安全原因高压中间电路、尤其是设置其中的中间电路电容器应尽可能快地被放电到相对无害的、例如低于60V的电压水平上(在例如小于5秒的时间段内)。

可通过功率电子装置控制高压中间电路的放电。为此可设置放电电路。放电持续时间可由开关结合欧姆电阻来调节。由于根据现有技术高压中间电路的能量仅可缓慢地在秒范围内、如5到40秒中放电，因此这些能量也可能导致安全隐患。

如图1(现有技术)所示，在传统的电动车辆中高压部件在中间电路中设有无源和有源放电支路。无源放电用于中间电路的放电。有源放电在向停车状态过渡时或在故障情况、如碰撞时被接上，以耗散存在于中间电路中的能量。在现有技术中能量在秒范围(如5-40秒)内被耗散。中间电路中的放电过程持续时间越长，安全隐患就越大。

对未来高压系统的要求显著提高，也就是说，放电持续时间必须相对短。到目前为止没有令人满意的方案用来在紧急情况下在短时间(如10到30毫秒)内可靠地耗散存储在中间电路电容器中的电能，且无需大型昂贵且占用空间的部件。

烟火式开关(也称为高温熔断器)用于在出现特定条件时有针对性且可靠地切断电路。烟火式开关具有快速分离特性，这使得在车辆碰撞后高压电池可在极短的时间内可靠地与车辆的高压网络分离。例如参考DE 10209627 A1，其中已知一种用于断路的烟火式开关，其具有主体，在该主体中设有两个导体区域和设置在其间的预定分离点。主体中的空腔包围点火装置。在点火装置触发后，预定分离点分解成小碎片并且因此两个导体区域彼此分离。这种烟火式开关只能用于切断电路。

发明内容

本发明的任务在于提供一种烟火式开关，其适合于可靠地将电动或混合动力车辆的高压电池与高压车载网络断开并且还具有附加功能。本发明的任务还在于提供一种具有这种烟火式开关的中间电路放电系统。

所述任务通过一种用于切断电路的烟火式开关和一种中间电路放电系统以及一种车辆来解决。

根据本发明的烟火式开关包括第一电导体、第二电导体和点火元件。在烟火式开关的第一状态中第一电导体和第二电导体彼此电连接。在第一电导体和第二电导体之间设置预定分离点。一旦点火元件被触发，则预定分离点分离，即第一电导体与第二电导体分离。因此，点火元件的点火或触发引起预定分离点分离并且因此先前存在于第一和第二电导体之间的电连接断开。

根据本发明的烟火式开关包括第三电导体。在烟火式开关的第一状态中第三电导体与第一电导体和第二电导体电分离。在烟火式开关的第二状态中，即在点火元件触发或点燃后，第三电导体与第二电导体电连接。但在第二状态中第三电导体继续与第一电导体电分离。

这种烟火式开关可在其第一状态中用作高压电池和车辆的高压车载网络之间的“电连接”。通过点燃点火元件根据本发明的烟火式开关进入其第二状态，在该第二状态中第二和第三电导体彼此连接，这可用于有针对性地将电容放电，即用于有针对性地降低(例如高压车载网路中间电路中的)电压。

烟火式开关优选包括具有空腔的壳体，点火元件设置在该空腔内。

一旦点火元件被触发，则点火元件可产生用于断开预定分离点的压力升高。

在烟火式开关的第二状态中第二电导体和第三电导体这样彼此电连接，即第二电导体在预定分离点断开后被压到第三电导体上，或者反之亦然，即第三电导体在预定分离点断开后被压到第二电导体上。点火元件的触发因此引起第二或第三电导体相对于彼此的机械运动，使得第二和第三电导体接触并且彼此电连接。

优选在烟火式开关的第二状态中，第一电导体不仅与第二电导体分离，而且也与第三电导体分离。

优选烟火式开关可具有分离销，当在烟火式开关的第二状态中第二和第三电导体电直接彼此电连接时，该分离销可以是电绝缘的。

优选分离销的端面可具有逐渐变尖的部分、如锥形部，该分离销这样分离预定分离点，使得在点火元件触发后锥形部的尖端将第二电导体压离第一电导体并且断开预定分离点。

在本发明的一种变型方案中，点火元件设置在第一电导体中或集成在第一电导体中。在点火元件触发时预定分离点分离并且第二电导体被压离第一电导体，由此第一和第二电导体之间的电连接断开。

在本发明的另一种变型方案中，烟火式开关包括用于断开预定分离点的黏性材料，该黏性材料在点火元件触发后将第二电导体压离第一电导体并且断开预定分离点。

此外，本发明提出一种中间电路放电系统，在其中使用上述烟火式开关。

根据本发明的、尤其是用于电动或混合动力车辆的中间电路放电系统包括上述烟火式开关和车辆高压网络的中间电路，该中间电路具有中间电路电容。烟火式开关的第一电导体与高压电池连接。烟火式开关的第二电导体与中间电路电容的第一端子连接并且烟火式开关的第三电导体与中间电路电容的第二端子连接。

在烟火式开关的第一状态中，烟火式开关通过第一和第二电导体将高压电池与电动或混合动力车辆的高压网络的中间电路连接。在烟火式开关的第二状态中，烟火式开关连接中间电路电容的第一端子与中间电路电容的第二端子，由此闭合放电电路，通过该放电电路使中间电路电容放电。优选中间电路放电系统包括放电电阻器，烟火式开关的第三电导体通过该放电电阻器与中间电路电容的第二端子连接。优选这样设计放电电路，使得中间电路电容上的电压在小于100毫秒的时间段内降低到小于60V的电压。

优选烟火式开关可通过电动车辆的触发信号触发。触发信号例如可以是由碰撞传感器产生的碰撞信号，该信号指示电动或混合动力车辆发生或已发生碰撞，在该碰撞中已经超过预定的变形程度阈值和/或预定的加速度值。

优选中间电路电容具有0.5mF至4mF的值。如果该值小于4mF，则电容相对便宜。如果该值大于0.5mF，则高频纹波较少，这可能会影响电磁兼容性(EMV)。

优选放电电阻器具有0.2欧姆至10欧姆的值。如果该值大于15欧姆，则放电时间将相对较长。如果该值小于0.1欧姆，则流动的电流将相对较大。

此外，本发明还提出一种具有上述中间电路放电系统的电动车辆或混合动力车辆。

根据本发明，在触发后高压电池可在毫秒范围内与车辆车载电网分离。放电电路由此连接，即烟火式开关在触发后建立新的电连接，即第二和第三电导体之间的连接。存储在中间电路中的能量可借助具有本发明烟火式开关的中间电路放电系统在非常短的时间段(例如在烟火式开关触发后1至10毫秒)内完全或至少减少到排除对救援人员造成危险的程度。

借助本发明，中间电路放电所需的时间与现有技术相比可减少1000倍(毫秒取代秒)，且不增加放电电路的成本和安装空间。

本发明的基础是使用烟火式开关作为高压蓄电池中的断路元件。烟火式开关既能够可靠地分离高压电池与高压车载网络的其余部分并且也可在烟火式开关触发后建立新的连接，使得可形成放电电路，该放电电路将存储在高压部件的中间电路电容器中的能量放电。

基于烟火式开关相对实体的触点(第一、第二电导体)可传输高电流，这允许中间电路在毫秒范围内放电。基于该过程的不可逆性，高压蓄电池和高压部件之间的连接不能意外恢复。在烟火式开关触发时闭合的触点仅闭合一次。因此也可靠确保了安全性。不需要在机电开关中因多次打开/闭合所需的特殊涂层。

图1(现有技术)中所示的机电开关可由根据本发明的烟火式开关代替。此外，烟火式开关比机电开关更便宜。根据本发明的烟火式开关能够更快地将中间电路放电并且构成一种低成本、可靠且节省空间的解决方案。

附图说明

下面结合附图详细阐述本发明。在附图中：

图1示出现有技术中已知的放电电路；

图2示出处于正常运行中的根据本发明第一种实施例的烟火式开关；

图3示出触发后的图2的烟火式开关；

图4示出处于正常运行中的根据第二种实施例的烟火式开关；

图5示出触发后的图4的烟火式开关；

图6示出处于正常运行中的根据本发明的中间电路放电系统的示意图；

图7示出在烟火式开关触发后的根据本发明的中间电路放电系统的示意图。

具体实施方式

下面说明的实施例构成本发明的优选实施方式，本发明当然不局限于这些实施方式。

在图2中示出根据本发明第一种实施例的用于切断和连接电路的烟火式开关10。烟火式开关10包括第一电导体11、第二电导体12和第三电导体13。电导体11、12和13设置在烟火式开关10的壳体17中。壳体17具有空腔，点火元件16设置在该空腔中。

在烟火式开关10的正常运行状态中(如图1所示)，第一电导体11和第二电导体12彼此电连接。烟火式开关10的预定分离点14将第一电导体11的一个端部与第二电导体12的一个端部连接。在烟火式开关10的正常运行状态中，第三电导体13与第二电导体12和第三电导体13电分离。在正常运行状态中，电流可通过预定分离点14在第一电导体11和第二电导体12之间流动。

此外，烟火式开关10具有分离销15，其可在点火元件16触发之后切断第一电导体11和第二电导体12之间的预定分离点14。优选分离销15是电绝缘的。分离销15的端面具有锥形部。

一旦点火元件16通过控制单元18被触发，则点火元件16产生压力。该压力导致分离销15向上运动并且在预定分离点14处将第一电导体11与第二电导体12分离。

电导体11、12和13由金属、如铜制成，其可在压力或力作用下变形。分离销15的锥形部的尖端将第二电导体12的端部压离第一电导体11的端部，使得预定分离点14在点火元件16触发之后断开。

在图3中示出处于触发状态的图2的烟火式开关10。点火元件16包括具有烟火点火材料的点火器和两个控制触点。当通过控制导线向点火器中馈入电流时，点火器点燃点火材料。在具有点火材料的点火器上方安装可运动的分离销15，该分离销基于壳体17空腔内的压力升高向预定分离点14方向运动。分离销15将第二电导体12的端部压离第一电导体11的端部。由于电导体12的材料通过分离销15变形，即向上弯曲，因此预定分离点14被切断。因此在电导体11和12之间流动的电流中断。

在切断预定分离点14之后，分离销15将第二电导体12进一步压向第三电导体13方向，使得在烟火式开关10触发之后第二电导体12和第三电导体13相互连接。

分离销15将第一电导体的端部11压离预定分离点14。在烟火式开关10的触发状态中，第一电导体11与第二电导体12和第三电导体13电分离。基于烟火式开关10的不可逆性，第一电导体11和第二电导体12之间的连接不能恢复。在第二状态中，即在烟火式开关10触发之后，第二电导体12与第三电导体13连接。在该状态中电流可在第二电导体12和第三电导体13之间流动。

分离销15例如可通过具有推动装置的黏性材料、如凝胶或油代替。黏性材料位于封闭空间中，该封闭空间在一侧通过连接的第一和第二电导体11和12封闭并且在另一侧通过推动装置封闭。在触发或点燃点火元件16之后，推动装置基于压力升高向黏性材料方向滑动。黏性材料因此挤压预定分离点14，使得第二电导体12被压离第一电导体11并且预定分离点14被黏性材料切断。在切断预定分离点14后，黏性材料进一步将第二电导体压向第三电导体13方向，使得在烟火式开关10触发后第二电导体12与第三电导体13彼此连接。

根据本发明，在触发后高压蓄电池可在毫秒范围内与车辆断开。此外，烟火式开关10在触发后在第二电导体12和第三电导体13之间建立新的连接。

图4和5示出根据本发明第二种实施方式的烟火式开关20。

在图4中示出处于正常运行状态中的根据本发明第二种实施方式的烟火式开关20。该烟火式开关20包括第一电导体21、第二电导体22和第三电导体23。第一电导体21具有空腔，点火元件26设置在该空腔中。

在烟火式开关20的正常运行状态中，第一电导体21和第二电导体22彼此连接。烟火式开关20的预定分离点24连接第一电导体21的一个端部与第二电导体22的一个端部。第三电导体23在烟火式开关20的正常运行状态中与第二电导体22和第三电导体23电分离。在正常运行状态中，电流可通过预定分离点24在第一电导体21和第二电导体22之间流动。

一旦点火元件26被触发，则点火元件26产生压力升高。第二电导体22基于该压力升高被推离第一电导体21。

在图5中示出处于触发状态中的图4的烟火式开关20。电导体22的部件28、如可折叠套筒可通过施加于其上的力沿第二电导体22的纵向方向移动或被压缩或“折叠”，使得预定分离点24在点火元件26触发后断开。点火元件26包括具有烟火点火材料的点火器和两个控制触点。当通过控制导线向点火器馈入电流时，点火器点燃点火材料。第一电导体21将第二电导体22的端部推离第一电导体21的端部。由于电导体12的部件28移动或被压缩或折叠，因此预定分离点24断开。电导体21和22之间的电连接因此中断。

在预定分离点24断开后，第二电导体22的部件28通过由点火元件26的烟火点火材料的爆炸产生的压力沿第二电导体22的纵向方向远离第一电导体21折叠，使得在烟火式开关20触发后第二电导体22和第三电导体23如图5所示彼此电连接。

在烟火式开关20的触发状态中，第一电导体21与第二电导体22和第三电导体23电分离。基于烟火式开关20的不可逆性，第一电导体21和第二电导体22之间的连接不能重新建立。在烟火式开关20触发后的状态中第二电导体22与第三电导体23连接。在此情况下，电流可在第二电导体22和第三电导体23之间流动。

由于在其中设有点火元件26的空腔设置在第一电导体21内并且不需要用于烟火式开关20的分离销，因此可进一步降低烟火式开关20的成本和结构空间。

图6示出中间电路放电系统100，其包括上述烟火式开关110之一和具有中间电路电容104的中间电路。该中间电路放电系统100连接在高压电池105和高压部件106之间。烟火式开关110用于切断高压电池105与中间电路或高压部件106之间的连接并且——在紧急情况下或在车辆事故中——用于闭合放电电路101。

烟火式开关110的第一电导体与高压电池105连接。烟火式开关110的第二电导体与中间电路电容104的第一端子连接。烟火式开关110的第三电导体与中间电路电容104的第二端子连接。另外，中间电路放电系统100还包括放电电阻器103。烟火式开关110的第三电导体经由该放电电阻器103与中间电路电容104的第二端子连接。

中间电路电容104具有0.5mF至4mF的值。如果该值大于4mF，则中间电路电容将昂贵许多。如果该值小于0.5mF，则将导致更多的高频纹波，这可影响电磁兼容性(EMV)。优选中间电路电容104具有1.5mF至3mF的值。

放电电阻器103具有0.2欧姆至10欧姆的值。如果该值大于10欧姆，则放电将相对较慢。如果该值小于0.2欧姆，则流动的电流将相对较大。优选放电电阻器103具有1欧姆至6欧姆的值。

在高压电池105的正常运行状态中，烟火式开关110连接高压电池105与中间电路或高压部件106。高压电池105和中间电路之间的电路被短路，从而高压电池105为高压部件106供电。

在碰撞时烟火式开关110通过触发信号102被激活。烟火式开关110随后断开高压电池105与高压部件106之间的连接。如上所述，在中间电路电容104中仍可存储大量能量，出于安全原因这些能量必须耗散，即中间电路电容104必须放电。

图7示出具有处于触发状态的烟火式开关110的中间电路放电系统100。根据本发明，在断开高压电池105和高压部件106之间的连接后，烟火式开关110将中间电路电容104与放电电阻器103连接起来，也就是说，在烟火式开关110的触发状态中，中间电路电容104的第一端子与中间电路电容104的第二端子通过放电电阻器103连接。因此放电电路101闭合，从而存储在中间电路电容104中的能量可借助放电电路101通过放电电阻器103放电。

存储在中间电路中的能量可借助具有根据本发明的烟火式开关的中间电路放电系统100在烟火式开关触发之后例如1-10毫秒之内放电。因此，所述电动车辆可以在烟火式开关触发之后几毫秒之内无危险地被接触。

附图标记列表

10 烟火式开关

11 第一电导体

12 第二电导体

13 第三电导体

14 预定分离点

15 分离销

16 点火元件

17 壳体

20 烟火式开关

21 第一电导体

22 第二电导体

23 第三电导体

24 预定分离点

26 点火元件

28 第二电导体的部件

100 中间电路放电系统

101 放电电路

102 触发信号

103 放电电阻器

104 中间电路电容

105 高压电池

106 高压部件

110 烟火式开关

Claims (14)

1.用于切断和建立电路的烟火式开关(10、20)，包括：第一电导体(11、21)、第二电导体(12、22)和点火元件(16、26)，在烟火式开关(10、20)的第一状态中，第一电导体(11、21)和第二电导体(12、22)彼此电连接，在第一电导体(11、21)和第二电导体(12、22)之间设置预定分离点(14、24)，一旦点火元件(16、26)被触发，则预定分离点(14、24)分离，其特征在于，所述烟火式开关(10、20)包括第三电导体(13、23)，在烟火式开关(10、20)的第一状态中第三电导体(13、23)与第一电导体(12、22)和第二电导体(11、21)电分离，并且在烟火式开关(10、20)的第二状态中第三电导体(13、23)与第二电导体(12、22)彼此电连接，所述点火元件设置在第一电导体中或集成在第一电导体中，在点火元件触发时预定分离点分离并且第二电导体被压离第一电导体。

2.根据权利要求1所述的烟火式开关(10、20)，其特征在于，所述烟火式开关(10、20)包括具有空腔的壳体(17)，点火元件(16、26)设置在该空腔内。

3.根据权利要求2所述的烟火式开关(10、20)，其特征在于，一旦点火元件(16、26)被触发，则点火元件(16、26)产生用于断开预定分离点(14、24)的压力升高。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的烟火式开关(10、20)，其特征在于，在烟火式开关(10、20)的第二状态中第三电导体(13、23)与第二电导体(12、22)彼此电连接，其方式为：第二电导体(12、22)在预定分离点(14、24)断开之后被压到第三电导体(13、23)上，或第三电导体(13、23)在预定分离点(14、24)断开之后被压到第二电导体(12、22)上。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的烟火式开关(10、20)，其特征在于，在烟火式开关(10、20)的第二状态中，第一电导体(11、21)与第二电导体(12、22)和第三电导体(13、23)电分离。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的烟火式开关，其特征在于，所述烟火式开关包括用于断开预定分离点(14、24)的黏性材料，该黏性材料在点火元件触发之后将第二电导体压离第一电导体并且断开预定分离点。

7.中间电路放电系统(100)，其特征在于，所述中间电路放电系统(100)包括根据权利要求1至6中任一项所述的烟火式开关和电动或混合动力车辆的高压网络的中间电路，该中间电路具有中间电路电容(104)，所述烟火式开关的第一电导体(11、21)与高压电池(105)连接，烟火式开关的第二电导体(12、22)与中间电路电容(104)的第一端子连接，并且烟火式开关的第三电导体(13、23)与中间电路电容(104)的第二端子连接。

8.根据权利要求7所述的中间电路放电系统(100)，其特征在于，所述中间电路放电系统用于电动或混合动力车辆。

9.根据权利要求7所述的中间电路放电系统(100)，其特征在于，在烟火式开关的第一状态中高压电池(105)通过烟火式开关的第一电导体(11、21)和第二电导体(12、22)与中间电路连接；并且在烟火式开关的第二状态中所述烟火式开关将中间电路电容(104)的第一端子与中间电路电容(104)的第二端子连接，以便闭合放电电路(101)。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的中间电路放电系统(100)，其特征在于，所述中间电路放电系统(100)包括放电电阻器(103)，烟火式开关的第三电导体通过放电电阻器(103)与中间电路电容(104)的第二端子连接。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的中间电路放电系统(100)，其特征在于，所述烟火式开关能通过电动或混合动力车辆的触发信号(102)被触发。

12.根据权利要求7至9中任一项所述的中间电路放电系统(100)，其特征在于，所述中间电路电容(104)具有0.5mF至4mF的值。

13.根据权利要求10所述的中间电路放电系统(100)，其特征在于，所述放电电阻器(103)具有0.2欧姆至10欧姆的值。

14.电动车辆或混合动力车辆，其包括根据权利要求7至13中任一项所述的中间电路放电系统(100)。

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