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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Sicherheitseinrichtung für Kraftfahrzeuge,
bei der an einer Batterieladeleitung zwischen einer Fahrzeugbatterie und
einem Generator eine pyrotechnische Trennvorrichtung angeordnet
ist, über
die die Batterieladeleitung mittels eines durch eine Treibladung
auslösbaren
Trennschalters in einem Notfall von der Fahrzeugbatterie und einem
Bordnetz abtrennbar ist.
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Beim
Betrieb von Kraftfahrzeugen besteht in Notfällen, insbesondere bei Fahrzeug-Crashs
häufig die
Gefahr von Bränden
durch elektrische Kurzschlüsse
im Bordnetz aufgrund der mit dem Crash, bzw. Notfall verbundenen
extremen Einwirkungen auf die Karosserie und/oder die Fahrzeugelektrik. Durch
Karosserieverformungen können
beispielsweise Schäden
an Leitungen, die nicht unmittelbar durch Schmelzsicherungen gesichert
sind, zu unkontrollierten elektrischen Strömen und Entladungen führen. Die
Brand- und Explosionsgefahr ist besonders hoch, wenn derartige elektrische
Leitungen nahe am Kraftstofftank oder an Kraftstoff führenden
Leitungen verbaut sind.
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Um
Kurzschlüsse
mit einer zur Brandgefahr führenden
Wärmeentwicklung
zu vermeiden, ist es bekannt, das Bordnetz bzw. die Fahrzeugelektrik
mit einer Sicherheitseinrichtung zu versehen, die bei einer entsprechenden
Ansteuerung, beispielsweise beim Ansprechen eines Crashsensors (beispielsweise
eines Airbagsensors) eine Fahrzeugbatterie von einer mit einem Generator,
bzw. einem Startermotor verbundenen Batterieladeleitung trennt.
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Aus
der
EP 0 825 068 A1 und
der
DE 44 02 994 A1 sind
derartige Sicherheitseinrichtungen bekannt, die auf einer batterienah
angeordneten pyrotechnischen Trennvorrichtung beruhen. Die pyrotechnische
Trennvorrichtung dient insbesondere dazu, alle nicht durch Schmelzsicherungen
abgesicherten stromführenden
Kabel vom Bordnetz zu trennen. Diese Trennvorrichtung kann, wie
in der
DE 196 06 450
A1 , der
DE
196 06 448 A1 , und der
DE 44 25 307 A1 beschrieben, als eine Batterieklemme,
bzw. Batterie-Kabelklemme ausgebildet sein, der ein Trennschalter
mit einer Treibladung zugeordnet ist. Der Trennschalter ist direkt
an dem der Batterieseite zugewandten Ende in die Ladeleitung eingebaut
und besteht aus zwei Kontaktteilen, die über ihre Kontaktfläche elektrisch
leitend verbunden sind. Bei einer Zündung treibt die Treibladung
wenigstens das leitungsseitige Kontaktteil an und wirft die Ladeleitung dadurch
von der Batterie ab.
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Bei
der aus der
DE 196
06 450 A1 bekannten Batterieklemme wird im Crashfall nicht
nur die Ladeleitung, sondern auch eine von der Batterieklemme ausgehende
spezielle Versorgungsleitung zur elektrischen Versorgung bestimmter
Stromverbraucher, insbesondere einer Kraftstoffpumpe und einer Motorelektronik,
von der Batterie und der Ladeleitung getrennt. Dadurch wird sichergestellt,
dass bei einem Unfall diese Verbraucher nicht unerwünscht weiter versorgt
werden.
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In
der
DE 196 06 448
A1 wird eine Batterieklemme beschrieben, die zwei Klemmteile
aufweist. Die Klemmteile sind über
eine Pressverbindung zusammengefügt
und werden über
eine Sprengkapsel im Crashfall getrennt. Um die nötige Sprengkraft
zu minimieren, ist die Kontaktfläche
der Klemmteile konisch ausgebildet. Die Verwendung eines Konus gewährleistet
eine sichere Kontakttrennung schon bei einer geringen Relativbewegung
der Klemmteile und verringert dadurch den technischen Fertigungsaufwand
der Batterieklemme.
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Bei
der aus der
DE 44 25
307 A1 bekannten Batterieklemme bildet die Treibladung
mit der Batterieklemme eine Baueinheit.
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Die
bekannten Sicherheitseinrichtungen mit pyrotechnischen Trennschaltern
bzw. Batterieklemmen haben sich bereits in der Praxis bewährt. Sie
haben jedoch den gemeinsamen Nachteil, dass an der im Crashfall
abgesprengten Batterieladeleitung, für einen begrenzten Zeitraum
nach dem Crash noch hohe Spannungspotenziale auftreten können, die eine
potenzielle Brandgefahr darstellen.
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Durch
das Auslösen
der Batterieklemme und das damit verbundene schlagartige Abtrennen
der Ladeleitung vom restlichen Fahrzeugbordnetz kommt es zu einem
Ladungsüberschuss,
dem sogenannten „Load-Dump", am Generator. Während im Generator
selbst spannungsbegrenzende Elemente (Dioden) die Spannung begrenzen,
beispielsweise auf Werte unter 32V, kann die Spannung in der Ladeleitung
bis auf Werte ansteigen, bei denen leistungsstarke Lichtbögen mit
einer entsprechenden Brandgefahr zünden.
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Da
der Generator im Crashfall weiter Strom erzeugt, wenn der Verbrennungsmotor
noch läuft, können sogar
Lichtbögen
entstehen, die stabil und mit hoher Leistung brennen. Denkbar ist
beispielsweise der Fall, dass das Fahrzeug nach einem Crash über Kopf
liegt, kein Gang eingelegt ist und/oder die Kupplungselemente im
Antriebsstrang gebrochen sind. Selbst wenn die Kraftstoffpumpe automatisch abgestellt
wird, läuft
dann der Verbrennungsmotor noch so lange unkontrolliert nach, bis
der restliche Kraftstoff im Motor verbraucht ist. Dies kann typischerweise
einen Zeitraum von über
10 Sekunden beanspruchen.
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Eine
Begrenzung der Spannung und der elektrischen Leistung auf der abgesprengten
Ladeleitung wäre
durch eine sofortige komplette Entregung des Generators zu erreichen.
Aufgrund von im Fahrzeugbau vorgegebenen Restriktionen der Generatorregelung
bzgl. der elektromagnetischen Trägheit
des Generators sowie der Möglichkeit,
aufgrund eines Crashs u.U. die Kommunikationsfähigkeit zu einem Generatorregler
zu verlieren, ist die Möglichkeit
einer ausreichenden und schnellen Entregung des Generators mit einer
Generatorregelung nicht gewährleistet.
Eine derartige Entregung des Generators ist somit als zuverlässige Möglichkeit,
die abgesprengte Ladeleitung elektrisch zu sichern, eher ungeeignet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Effizienz der bekannten
Sicherheitseinrichtungen mit pyrotechnischen Trennvorrichtungen
in Fahrzeugen insbesondere in Bezug auf die Vermeidung von Kurzschlüssen und
Brandgefahren im Crashfall zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1
dadurch gelöst,
dass eine Masseanschlussvorrichtung vorgesehen ist, die im Falle
einer Abtrennung der Batterieladeleitung, ein durch die Treibladung
angetriebenes, mit der Batterieladeleitung elektrisch leitend verbundenes
Trennstück
des Trennschalters aufnimmt und die abgetrennte Batterieladeleitung
auf ein Massepotenzial legt.
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Durch
das Auslösen
der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung
wird nicht mehr bloß eine
physikalische Trennung der Ladeleitung von der Batterie und dem
Fahrzeugbordnetz durchgeführt,
was in der Folge zu einem undefinierten elektrischen Potenzial auf der
Ladeleitung führen
könnte
bis der Verbrennungsmotor still steht, sondern es wird zusätzlich eine
Masseschaltung hergestellt. Die vom Fahrzeugbordnetz und der Batterie
durch das Absprengen mittels der Treibladung abgetrennte Ladeleitung
wird erfindungsgemäß gezielt
in Richtung einer Masseanschlussvorrichtung gelenkt, dort kontaktiert
und dadurch in definierter Weise auf ein Massepotenzial gelegt.
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Dies
wird in einfacher Art und Weise dadurch erreicht, dass beim Wegsprengen
der Ladeleitung das von der Batterie abgetrennte Ende der Leitung, an
welchem das elektrisch leitende Trennstück des Trennschalters ausgebildet
ist, in einem Ziel- und Landebereich landet, in dem die erfindungsgemäße Masseanschlussvorrichtung
angeordnet ist. Die Masseanschlussvorrichtung stellt eine sichere
niederohmige Masseverbindung dar. Ein vorhandenes Spannungspotenzial
an der Ladeleitung wird somit sofort abgebaut. Dadurch kann es durch
die Ladeleitung, beispielsweise bei einer Beschädigung an einer Isolation der
Ladeleitung, nicht zu Kurzschlüssen
bzw. Lichtbögen
zu anderen Fahrzeug- und
Karosserieteilen kommen.
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Weiterhin
bewirkt der Masseanschluss der Ladeleitung, dass der Generator unmittelbar
zwangsentregt wird. Dies führt
zudem dazu, dass der Verbrennungsmotor des Fahrzeuges durch die
hohe Entregungsleistung zusätzlich
abgebremst wird. Die Absicherung des Fahrzeuges im Falle eines Crashs gegen
Gefahren durch unkontrollierte elektrische Spannungen, Kurzschlüsse und
gegen durch die Fahrzeugelektrik verursachte Fahrzeugbrände wird somit
erheblich erhöht.
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Die
Trennvorrichtung kann, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, als eine direkt an einen Pluspol der Fahrzeugbatterie
anschließbare
Sicherheitsbatterieklemme, kurz SBK, ausgebildet sein. Die SBK beschränkt sich beim
Einbau im Fahrzeug auf den Einbaubereich der Batterie. Dadurch sind
keine signifikanten Änderungen
an der elektrischen Verkabelung des Fahrzeuges notwendig. Dies wirkt
sich besonders kostengünstig
aus. Die SBK kann zudem besonders bauraumsparend an den Einbauraum
der Batterie angepasst werden.
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Die
Masseanschlussvorrichtung kann, wie einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dadurch realisiert werden, dass sie im
Wesentlichen als ein elektrisch leitender Anschlusskörper zur
Aufnahme des Trennstückes
und als ein elektrisch leitendes Verbindungselement zur Verbindung
des Anschlusskörpers
mit dem Massepotenzial ausgebildet ist. Der Anschlusskörper kann als
ein ringförmiger
Zylinder mit einem konisch zulaufenden Ansatz ausgebildet sein,
in dem das Trennstück
durch das Wegsprengen eingeklemmt wird. Dadurch wird eine konstruktiv
einfache und sichere Masseverbindung ermöglicht. Denkbar ist auch eine Verrastung
des Trennstücks
mit dem Anschlusskörper
oder andere sichere Kontaktierungen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Verbindungselement direkt an einen Masse-Pol
der Fahrzeugbatterie anschließbar.
Das Verbindungselement kann als ein mechanisch stabilisierend wirksamer
und/oder tragender Bügel
ausgebildet sein. Dadurch, dass das Verbindungselement einen steifen
Bügel direkt
zum Masse-Pol der Batterie bildet, wird eine besonders kompakte
und sicher sichere Masseverbindung hergestellt. Der Bügel kann
gleichzeitig weitere Funktionen, beispielsweise stabilisierender
oder abstützender
Art erfüllen.
Er kann auch als ein Tragelement ein Schutzkappe tragen. Dadurch
wird eine meist ohnehin vorgesehene Abdeckung bzw. Verkleidung des Masseanschlusses
bzw. der Batterie besonders kostengünstig.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein zweiter Trennschalter vorgesehen ist, der
diametral zu dem ersten Trennschalter wirksam ist.
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Dadurch,
dass zwei diametral wirkende Trennschalter vorgesehen sind, wird
eine Möglichkeit geschaffen,
weitere Leitungen von der Batterie zu trennen. Dadurch werden die
Einsatzmöglichkeiten der
Trennvorrichtung erweitert.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Trennvorrichtung über ein Crash-Sensorsystem
auslösbar.
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Ein
in Kraftfahrzeugen in der Regel vorhandener Crash-Sensor oder ein
Crash-Sensorsystem kann zur Aussendung eines Signals, dass den Auslösevorgang
des Trennschalters bzw. die Zündung
der Treibladung einleitet, herangezogen werden. Der Crash-Sensor
kann beispielsweise ein Airbag-Sensor sein, der einen Aufprall registriert.
Dadurch werden die Kosten für
einen zusätzlichen
Sensor zur Ansteuerung der Trennvorrichtung gespart. Dabei sollte die
Auslösung
des Trennschalters aber nicht an eine Auslösung des Airbags gekoppelt
sein. Denkbar ist es, über
eine entsprechende Steuereinheit den Trennschalter dann auszulösen, wenn
beispielsweise tatsächlich
schlagartig auftretende, massive Karosserieschäden mittels Verformungssensoren
oder extreme Beschleunigungswerte mittels Beschleunigungssensoren
des Crash-Sensorsystems detektiert werden. Grundsätzlich sind
auch spezielle Kurzschlusssensoren als Auslösesensoren geeignet. Bei der
Bestimmung des Auslösezeitpunktes
können auch
ggf. durch und die irreversible Stromabtrennung der Batterieladeleitung
von Generator und Startermotor betroffene sicherheitsrelevante elektrische Einrichtungen
berücksichtigt
werden. Die sich dadurch möglicherweise
ergebende Auslöseverzögerung (Millisekunden)
der Trennvorrichtung ist jedoch in jedem Fall vernachlässigbar
klein gegenüber
der Zeit eines im Crashfall ggf. nachlaufenden Verbrennungsmotors
(Sekunden).
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beispielhaft veranschaulicht sind.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
Eine Sicherheitseinrichtung mit einer pyrotechnischen Trennvorrichtung
mit einem Trennschalter in einer Draufsicht und
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2:
eine zweite Ausführungsform
der Sicherheitseinrichtung mit zwei Trennschaltern.
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Eine
Sicherheitseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer pyrotechnischen
Trennvorrichtung 1, 1' an einer Batterieladeleitung 2 zwischen
einer (durch einen Pluspol 11 angedeuteten) Fahrzeugbatterie
und einem nicht dargestellten Generator, mit einer Masseanschlussvorrichtung 3, über die die
Batterieladeleitung 2 bei einer Auslösung der Trennvorrichtung 1 auf
ein (nicht dargestelltes) Massepotenzial gelegt wird.
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Die
in 1 dargestellte Trennvorrichtung 1 ist
als eine Sicherheitsbatterieklemme ausgebildet, die über eine
Klemme 12 direkt an den Pluspol 11 der Fahrzeugbatterie
angeklemmt ist. Als ein zentrales Bauteil der Trennvorrichtung ist
ein Trennschalter 7 vorgesehen. Der Trennschalter 7 weist
batterieseitig ein äußeres rohrförmiges Kontaktteil 17 auf,
in das ein Trennstück 5 eingreift,
das als ein Leitungsende elektrisch leitend mit der Ladeleitung 2 verbunden
ist. Das Kontaktteil 17 und das Trennstück 5 sind über eine
Kontaktfläche 21 elektrisch
leitend verbunden. Kontaktteil 17 und Trennstück 5 sind
vorteilhaft über eine
formschlüssige
Pressverbindung, die als ein Kegelsitz, mit konisch verlaufender
Oberfläche
des Trennstücks 5 und
entsprechend als Gegenstück verlaufender
Innenoberfläche
des Kontaktteils 17, ausgebildet ist, gegeneinander fixiert.
Dem Trennstück 5 vorgelagert,
ist eine Treibladung 4 im Inneren des Kontaktteils 17 angeordnet.
Zwischen der Treibladung 4 und dem Trennstück 5 ist
ein freies Volumen 15 (Hohlraum) vorgesehen. Dem schließt sich,
benachbart zu einer Stirnfläche
des Trennstücks 5 eine Übertragungsscheibe 22 an.
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An
einer Außenseite
eines einstückig
mit der Klemme 12 verbundenen elektrisch leitenden Steges 14 zum
Kontaktteil 17 ist eine Signalleitung 13 mit einem
Stecker 23 an den Trennschalter 7 angeschlossen, über die
der Trennschalter 7 ansteuerbar bzw. die Treibladung 4 zündbar ist.
Die Signalleitung 13 führt
zu einer nicht dargestellten Auslöseelektronik, die beispielsweise über einen
Airbag-Sensor ansteuerbar ist. Am Außenumfang des Kontaktteils 17 ist, elektrisch
leitend, seitlich eine Schraubverbindung 24 zum Anschluss
einer zum Bordnetz führenden
Spannungsversorgungsleitung 16 zur Versorgung von (über Schmelzsicherungen
abgesicherten) Verbrauchern befestigt. Damit ist die Versorgungsleitung 16 über den
Trennschalter 7 an die Batterie angeschlossen.
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Auf
der batterieabgewandten Seite des Trennschalters 7 ist
die Masseanschlussvorrichtung 3 angeordnet. Die Masseanschlussvorrichtung 3 besteht
aus einem Anschlusskörper 8,
an dem ein Masse-Verbindungselement 10 befestigt
ist. Das Verbindungselement 10 ist vorteilhaft als ein
steifer Bügel ausgebildet,
der direkt an einen nicht dargestellten Masse-Pol der Fahrzeugbatterie
angeklemmt ist und damit den Masseanschluss herstellt. Der Anschlusskörper 8 ist
ringförmig
ausgebildet. Innerhalb des Ringes 8 verläuft die
darin bewegliche gehalterte Ladeleitung 2. Die Ladeleitung 2 ist
mit einem Isolationsmantel umgeben und beabstandet zu dem Innenumfang
des Ringes 8 angeordnet, so dass ein elektrischer Kontakt
zwischen der Ladeleitung 2 und der Masseanschlussvorrichtung 3 im
Einbauzustand bei intaktem Trennschalter 7 ausgeschlossen
ist. An dem Anschlusskörper 8 ist
ein konisch zulaufender Ansatz 9 ausgebildet. Als ein Gegenstück zu dem Ansatz 9 ist
an dem Trennstück 5 ein
umlaufender Bund 6 mit einer zum Ansatz 9 hin
abgerundeten Kante 19 ausgebildet.
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Durch
ein Zusammenfügen
des Bundes 6 und des Ansatzes 9 ist eine elektrisch
leitende Klemmverbindung zwischen dem Trennstück 5 und dem Anschlusskörper 8 herstellbar,
so dass bei ausgelöstem
Trennschalter 7, zwischen der Ladeleitung 2 und
der Masseanschlussvorrichtung 3 eine elektrische Masseverbindung
hergestellt wird. Schließlich ist
der gesamte Trennschalter in eingebautem Zustand von einem Schutzgehäuse 20 aus
einem nicht leitenden Material (Kunststoff) umgeben.
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Bei
einer in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform 1' der Sicherheitsbatterieklemme,
ist ein zweiter Trennschalter 7' vorgesehen, der diametral zu dem
ersten Trennschalter 7 angeordnet und wirksam ist. Der
Trennschalter 7' ist
in gleicher Bauweise mit einem Trennstück 5', einer Treibladung 4' einem Hohlraum 15' und einem Übertragungselement 22' ausgebildet.
Ebenso kann ein Bund 6' mit einer
abgerundeten Kante 19' vorgesehen
sein, der bei der Trennung, beispielsweise in einer nicht dargestellten
Verrastung fixiert und gegen ein Rücklaufen gesichert wird. Die
Signalleitung 13 ist mit dem Stecker 23 zwischen
den Trennschaltern 7, 7' angeordnet. An der Rückseite
des Trennschalters 7' ist
die Spannungsversorgungsleitung 16 angeschlossen.
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Die
Funktionsweise der Sicherheitsbatterieklemme 1 (1)
wird im Folgenden erläutert:
Ein
Zünden
der Treibladung 4 führt
zu einer Gasentwicklung, durch die sich ein Druck in dem Hohlraum 15 aufbaut.
Der Gasdruck wird über
das Übertragungselement 22 auf
die Stirnfläche
des Trennstückes 5 übertragen.
In der Folge löst
sich der Presssitz zwischen dem Kontaktteil 17 und dem
Trennstück 5 und
die Ladeleitung 2 wird mit dem Trennstück 5 in Richtung 18
vom Batterieanschluss wegkatapultiert bis der Bund 6 des
Trennstückes 5 in
dem konischen Ansatz 9 des Anschlusskörpers 8 eingeklemmt
wird. Dadurch wird die Ladeleitung 2 über die Masseanschlussvorrichtung 3 auf Masse
gelegt. Damit wird die Ladeleitung 2 innerhalb weniger
Millisekunden vom Fahrzeugbordnetz und von der Batterie irreversibel
getrennt.
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Die
Funktionsweise der Sicherheitsbatterieklemme 1' (2)
ist vergleichbar mit der der Sicherheitsbatterieklemme 1.
Bei einer Auslösung
wird zusätzlich
zu dem Trennschalter 7 der zweite Trennschalter 7' ausgelöst. Dies
bewirkt eine diametral gerichtete Lösung der Trennstücke 5, 5' von ihren Kontaktteilen 17, 17', bzw. ihren
Kontaktflächen 21, 21'. Durch den
Trennschalter 7 wird die Ladeleitung 2 wie bei
der ersten Ausführungsform
(1) mit Hilfe der Masseanschlussvorrichtung 3 auf
Masse gelegt. Auf der Seite des zweiten Trennschalters 7' wird gleichzeitig
die Bordnetzleitung 16 von der Batterie getrennt.
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- 1,
1'
- Trennvorrichtung
- 2
- Batterieladeleitung
- 3
- Masseanschlussvorrichtung
- 4,
4'
- Treibladung
- 5,
5'
- Trennstück
- 6,
6'
- Bund
- 7,
7'
- Trennschalter
- 8
- Anschlusskörper
- 9
- Ansatz
- 10
- Verbindungselement
- 11
- Pluspol
- 12
- Klemme
- 13
- Signalleitung
- 14
- Steg
- 15,
15'
- Hohlraum
- 16
- Spannungsversorgungsleitung
- 17,
17'
- Kontaktteil
- 18
- Abwurfrichtung
- 19,
19'
- Kante
- 20
- Gehäuse
- 21,
21'
- Kontaktfläche
- 22,
22'
- Übertragungselement
- 23
- Stecker
- 24
- Schraubverbindung