DE102007014339A1

DE102007014339A1 - Thermosicherung für den Einsatz in elektrischen Modulen

Info

Publication number: DE102007014339A1
Application number: DE102007014339A
Authority: DE
Inventors: Georg Schulze-Icking-Konert; Thomas Mohr; Stefan Stampfer; Stefan Kotthaus; Norbert Knab; Nikolas Haberl; Michael Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-02
Also published as: JP2010522418A; CN101647080A; US20100073120A1; EP2126948A1; WO2008116675A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Thermosicherung, insbesondere für einen Einsatz in einem elektrischen Modul im Automotiv-Bereich, umfassend ein Verbindungselement (4, 25), das an mehrere Anschlussstellen elektrisch und mechanisch angeschlossen ist, um über diese eine dauerhafte, elektrisch leitende Verbindung bereitzustellen; sowie einen von dem Verbindungselement (4, 25) getrennt ausgebildeten Aktuator (6), der ohne Aufnahme von elektrischer Energie auslöst, wenn eine Umgebungstemperatur eine Auslösetemperatur erreicht, und dadurch die durch das Verbindungselement (4, 25) gebildete elektrische Verbindung auf mechanische Weise unterbricht.

Description

Die Erfindung betrifft Thermosicherungen für den Einsatz in elektrischen Modulen insbesondere für Hochstromanwendungen.
Um elektrische Module gegen Überhitzung zu schützen, werden irreversible Thermosicherungen benötigt, die bei einer zu hohen Umgebungstemperatur einen Strom führenden Leiter unterbrechen (auslösen). Die Thermosicherungen sind dabei so ausgelegt, dass die Auslösetemperatur nicht aufgrund eines Stromflusses erreicht wird, so dass gewährleistet ist, dass diese nicht durch einen hohen Strom, sondern ausschließlich durch eine zu hohe Umgebungstemperatur ausgelöst werden können. Eine Thermosicherung dient also dazu, einen unabhängigen Abschaltpfad für elektrische Module zur Verfügung zu stellen, die bei unzulässig hohen Temperaturen in dem Modul, z. B. aufgrund von Ausfällen von Bauelementen, Kurzschlüssen, z. B. durch Fremdeinwirkung, Fehlfunktionen von Isolationswerkstoffen und dgl. den Stromfluss sicher unterbricht.
Herkömmliche Thermosicherungen basieren zumeist auf dem Konzept einer fixierten Feder, wie z. B. einer angelöteten Blattfeder. Dabei wird auch im nicht ausgelösten Fall permanent eine mechanische Kraft auf die Verbindungsstelle ausgeübt, was zu Qualitätsproblemen speziell bei langen Einsatzzeiten, wie z. B. den langen Betriebszeiten im Automotiv-Bereich, führen kann. Insbesondere kann nach bestimmter Zeit eine Zerrüttung der Lötstelle auftreten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Thermosicherung zur Verfügung zu stellen, die einen Stromfluss sicher unterbricht und die eine hohe Zuverlässigkeit und Lang zeitstabilität aufweist. Weiterhin soll gewährleistet sein, dass die Thermosicherung nur abhängig von der Umgebungstemperatur und nicht von dem fließenden Strom auslöst, damit auch Störungen, die nur zu Stromflüssen führen, die kleiner sind als die zulässigen Maximalströme, sicher erkannt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Thermosicherung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einem Aspekt ist eine Thermosicherung, insbesondere für einen Einsatz in einem elektrischen Modul im Automotiv-Bereich, vorgesehen. Die Thermosicherung umfasst ein Verbindungselement, das an Anschlussstellen elektrisch und mechanisch angeschlossen ist, um über diese eine dauerhafte, elektrisch leitende Verbindung bereitzustellen, sowie einen von dem Verbindungselement getrennt ausgebildeten Aktuator, der ohne Aufnahme von elektrischer Energie auslöst, wenn eine Umgebungstemperatur eine Auslösetemperatur erreicht, und dadurch die durch. das Verbindungselement gebildete elektrische Verbindung auf mechanische Weise unterbricht.
Die Thermosicherung hat den Vorteil, das aufgrund der getrennten Ausbildung von Verbindungselement und Aktuator das Auslösen der Thermosicherung im wesentlichen unabhängig von dem durch den Stromfluss durch das Verbindungselement fließenden Stromes ist sondern nur von der Umgebungstemperatur der Thermosicherung abhängt. Weiterhin ist es mit dem obigen Aufbau möglich, das Verbindungselement ohne Vorspannung zwischen den Anschlussstellen anzuordnen, so dass eine Gefahr der Degradation der Kontaktierung des Verbindungselementes an den Anschlussstellen vermindert werden kann.
Weiterhin kann der Aktuator mit einem Stempel versehen sein, der bei einem Auslösefall in Richtung des Verbindungselementes bewegbar ist, um dadurch die elektrische Verbindung zu lösen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Aktuator mit einem Schneidmechanismus ausgebildet sein, um beim Auslösen das Verbindungselement durchzutrennen. Dazu kann das Verbindungselement als Strom leitender Flachleiter, insbesondere als Folie oder Blech, ausgebildet sein. Insbesondere kann der Flachleiter mit einer Solltrennstelle versehen sein.
Weiterhin können die Anschlussstellen auf Leitungsbereichen eines Stanzgitters angeordnet sein. Der Aktuator ist dabei vorzugsweise auf einem Trägerelement angeordnet, dass mit dem Stangitter mechanisch verbunden ist, um eine Ausrichtung des Aktuators bezüglich des Verbindungselementes festzulegen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Aktuator ein oder mehrere miteinander reagierende Materialien, die durch eine schmelzbare Trennwand voneinander getrennt sind, wobei die Schmelztemperatur der Trennwand der Auslösetemperatur entspricht, wobei der Aktuator so an dem Verbindungselement angeordnet ist, dass im Auslösefall eine Volumenänderung aufgrund der miteinander reagierenden Materialien die durch das Verbindungselement gebildete elektrische Verbindung unterbricht. Insbesondere kann das Verbindungselement an den Anschlussstellen durch ein bei einer Schmelztemperatur schmelzbares Material angeschlossen sein, wobei die Schmelztemperatur des schmelzbaren Materials gleich oder geringer ist als die Auslösetemperatur.
Weiterhin kann das Verbindungselement mit jeder der Anschlussstellen entweder fest verbunden ist oder mit Hilfe eines bei einer Schmelztemperatur schmelzbaren Materials verbunden sein, wobei die Schmelztemperatur des schmelzbaren Materials gleich oder geringer ist als die Auslösetemperatur.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Stempel des Aktuators vorgespannt und wird durch einen Schmelzkörper gehalten, wobei der Schmelzkörper so angeordnet ist, dass er, wenn die Umgebungstemperatur die Auslösetemperatur erreicht, schmilzt und den vorgespannten Stempel freigibt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Thermosicherung;
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer zweiten Ausführungsform einer Thermosicherung;
3 eine Querschnittsdarstellung eines Aktuators für eine Thermosicherung gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform;
4a bis 4c schematische Darstellungen eines Querschnitts einer Thermosicherung gemäß einer dritten Ausführungsform vor. dem Auslösen, während des Auslösens bzw. nach dem Auslösen.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Thermosicherung schematisch dargestellt. Die Thermosicherung befindet sich in einem Stanzgitter 1 zwischen zwei Leitungsbereichen 2. Die Leitungsbereiche 2 weisen jeweils eine Anschlussstelle 3 auf. Die Anschlussstellen 3 sind über einen Flachleiter, wie z. B. eine Strom leitende Folie 4 bzw. ein Blech, z. B. aus Cu oder einem sonstigen leitfähigen Material, als Verbin dungselement miteinander verbunden, so dass eine Strom leitende Verbindung zwischen den Leitungsbereichen 2 besteht. Bei dieser Ausführungsform ist die Strom leitende Folie 4 an den Anschlussstellen 3 angeschweißt (punktiert) und somit mit den Leitungsbereichen 2 zuverlässig mechanisch sowie elektrisch verbunden. Die Strom leitende Folie 4 kann alternativ auch auf andere Weise permanent an den Anschlussstellen 3 befestigt sein.
Das Stanzgitter 1 umfasst eine Reihe von Leiterbahnen und -bereiche, die elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Positionen in einem Modul oder zu einem Modul bereitstellen. Die Leiterbahnen des Stanzgitters können in einem Isolationsmaterial eingebettet sein. An Stellen, an denen die Leiterbahnen kontaktiert werden sollen, ist das Isolationsmaterial entfernt und Bauelemente oder Anschlüsse können elektrisch mit der Leiterbahn des Stanzgitters 1 verbunden werden.
Weiterhin ist ein Aktuator 6 vorgesehen, der, wenn eine Umgebungstemperatur eine Auslösetemperatur überschreitet, einen Stempel 7 in Richtung der Strom leitenden Folie 4 bewegt. Der Stempel 7 weist an einem freien Ende eine Schneide 8 auf, die an einer Schneidkante 9 eines Schneidelements entlang gleitet und dadurch ein Schneiden durchführt. Zwischen der Schneidkante 9 und der Schneide 8 befindet sich im nicht ausgelösten Zustand der Thermosicherung die Strom leitende Folie 4.
Wird der Stempel 7 bei Auslösen der Thermosicherung durch Aktivieren des Aktuators 6 nach oben gedrückt, so wird die Strom leitende Folie 4 zwischen der Schneide 8 und der Schneidkante 9 vollständig durchschnitten, um den Stromfluss durch die Folie 4 zu unterbrechen. Das der Strom leitenden Folie 4 zugewandte Ende des Stempels 7 weist eine Schräge 11 auf, die bei einem weiteren Bewegen des Stempels 7 entlang der Schneidkante 9 einen Abschnitt der Strom leitenden Folie von einem weiteren Abschnitt an der Schneidposition wegdrückt. Der Stempel 7 ist vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material gebildet, so dass nach Durchschneiden der Strom leitenden Folie 4 zuverlässig gewährleistet werden kann, dass keine elektrische Verbindung zwischen den Leitungsbereichen 2 der Stanzplatte 1 besteht. Weiterhin sollte das Material des Stempels 7 so ausgewählt sein, dass die Schneide 8 ihre Schärfe über die gesamte Lebensdauer der Thermosicherung behält, wie z. B. Keramik.
Der Aktuator 6 ist vorzugsweise ausgebildet, um den Stempel 7 ohne Verwenden von elektrischer Energie zu bewegen. Somit ist das Auslösen der Thermosicherung nicht von dem Bereitstehen einer Stromversorgung abhängig.
Um die Position des Aktuators 6 bezüglich des Verbindungselementes auf dem Stanzgitter 1 zu definieren, ist der Aktuator 6 ist auf einem Trägerelement 12 angeordnet, das mit der Stanzplatte 1 in definierter Weise verbunden ist. Dadurch kann die Ausrichtung des Stempels 7 des Aktuators 6 in Richtung der Strom leitenden Folie 4 gewährleistet werden. Das Trägerelement 12 ist vorzugsweise gut wärmeleitend, z. B. aus einem Metall ausgebildet, um die Umgebungswärme dem Aktuator 6 zuzuführen.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Thermosicherung schematisch dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente oder Elemente ähnlicher Funktion.
Die Thermosicherung der 2 umfasst eine Stanzplatte 1 mit zwei Leitungsbereichen 2, die über eine Strom leitende Folie 4 als Verbindungselement miteinander verbunden sind. Die Strom leitende Folie 4 ist über eine erste Anschlussstelle 3 an einem ersten der Leitungsbereiche 2 angeschweißt oder auf sonstige Weise dauerhaft und zuverlässig elektrisch mit dem Leitungsbereich 2 verbunden. An einer zweiten Anschlussstelle 3 eines zweiten der Leitungsbereiche 2 ist ein weiteres Ende der Strom leitenden Folie 4 ebenfalls elektrisch angeschlossen. Die elektrische Kontaktierung zwischen dem der Strom leitenden Folie 4 und der zweiten Anschlussstelle 3 ist jedoch so ausgebildet, dass die Verbindung zwischen der Strom leitenden Folie 4 und dem zweiten Leitungsbereich 2 bereits aufgrund einer Umgebungstemperatur gelöst ist, wenn der Aktuator 6 auslöst.
Der Aktuator 6 weist bei dieser Ausführungsform keine Schneide auf. Das freie Ende des Stempels 7 des Aktuators 6 kann beliebig geformt sein. Der Stempel 7, der sich im Auslösefall in Richtung der Strom leitenden Folie 4 bewegt, kann dann die Strom leitende Folie 4 in einfacher Weise mit nur geringem Kraftaufwand so anheben, dass sich das weitere Ende der Strom leitenden Folie 4 von der zweiten Anschlussstelle 3 des zweiten Leitungsbereichs 2 löst und somit den Stromfluss unterbricht. Vorzugsweise ist auch bei der zweiten Ausführungsform der Stempel nicht leitend ausgebildet; er kann jedoch auch leitend ausgebildet sein, da die Unterbrechung des Stromflusses im Bereich der zweiten Anschlussstelle 3 erfolgt.
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Anschlussstelle und der Strom leitenden Folie 4 kann durch ein Lot gebildet sein oder mit einem anderen leitenden Material. Überschreitet die Umgebungstemperatur die Schmelztemperatur des Lots bzw. des anderen leitenden Materials, so bleibt die elektrisch leitende Verbindung zunächst erhalten, bis bei einem weiteren Ansteigen der Umgebungstemperatur der Aktuator 6 auslöst und aufgrund des geschmolzenen Zustands des Lots die Strom leitende Folie ohne großen Kraftaufwand von der zweiten Anschlussstelle 3 abheben kann.
Alternativ können beide Anschlussstellen 3 auch durch Schweißen oder eine sonstige dauerhafte Verbindung mit der Stromleitfolie 4 verbunden sein. In diesem Fall muss die durch den Stempel 7 im Auslösefall aufgebrachte Kraft so groß sein, um die Strom leitende Folie 4 auseinander zu reißen, um den Stromfluss zu unterbrechen. Um das Durchtrennen der Strom leitenden Folie 4 zu erleichtern, kann die Strom leitende Fo lie zumindest im Bereich der Auftreffstelle des Stempels 7 eine Verengung, eine Perforation oder einen Bereich verminderter Dicke aufweisen, um eine Sollbruchstelle zu schaffen, wenn der Aktuator 6 auslöst. Weiterhin kann die Strom leitende Folie 4 zwischen den Anschlussstellen 3 vorgespannt sein, so dass ein Auftrennen erleichtert wird, wenn das freie Ende des Stempels 7 die Strom leitende Folie 4 trifft.
In 3 ist ein Beispiel für einen Aktuator 6 in einer Querschnittsansicht dargestellt, wie er in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform verwendet werden kann. Der Aktuator 6 umfasst einen zylindrischen Stempel 7, der mit einem Anschlagselement 15 versehen ist, das sich im Inneren eines Aktuatorgehäuses 16 des Aktuators 6 befindet. Das Anschlagselement 15 weist eine vorzugsweise umlaufende Anschlagsfläche 17 auf, die durch ein schmelzbares Material 18 in Form eines Schmelzkörpers von einer Abdeckplatte 19, die als eine weitere Anschlagsfläche 19 dient und durch die der Stempel 7 ragt, beabstandet gehalten wird. Das Anschlagselement 15 ist über eine Feder 19 vorgespannt, die zwischen dem Aktuatorgehäuse 16 und einer Innenfläche einer Ausnehmung in dem Anschlagselement 15 angeordnet ist. Das Federelement 19 bewirkt dadurch eine Federkraft der Anschlagsfläche 17 in Richtung der weiteren Abdeckplatte 19, zwischen denen das schmelzbare Element 18 angeordnet ist.
Ein Auslösen dieses Aktuators erfolgt, wenn die Temperatur eine Schmelztemperatur erreicht bzw. überschritten hat, bei der das schmelzbare Material 18 schmilzt und durch eine Öffnungen 21 zwischen der Abdeckplatte 19 und dem Stempel 7 aus. dem Aktuator austritt. Dann bewegt sich das Anschlagselement 15 mit dem Stempel 7 in Richtung der Kraft des Federelementes 19 und der Stempel 7 wird aus dem Aktuator herausbewegt. Anstelle eines solchen Aktuators können auch andere Aktuatoren vorgesehen sein, die bei Überschreiten einer bestimmten Umgebungstemperatur auslösen und dabei eine Bewegung eines Elementes durchführen, die für eine Durchtrennung einer Strom leitenden Verbindung verwendet wird, wie z. B. eine translatorische Bewegung des Stempels 7, wie er in den Ausführungsformen der 1 und 2 dargestellt ist.
In 4a ist eine Thermosicherung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Zwischen den Anschlussstellen 3 auf den Leitungsbereichen 2 der Stanzplatte 1 ist ein steifes Verbindungselement 25 aufgebracht, das stromleitend ist und über ein leitendes, bei einer bestimmten Temperatur schmelzendes Material 26, wie z. B. ein Lot, an den Anschlussstellen 3 elektrisch angeschlossen ist. Der Schmelzpunkt des Materials 26 liegt vorzugsweise unter der Auslöse temperatur des Aktuators 6. Der Aktuator 6 ist beispielsweise als Zündkapsel ausgebildet, in der z. B. zwei miteinander reagierenden Materialien 27, 28 durch eine schmelzbare Trennwand 29 voneinander getrennt sein können. Alternativ können auch Kügelchen vorgesehen sein, die eines der Materialien enthalten und eine Umhüllung aus dem schmelzbaren Material der Trennwand aufweisen. Bei Überschreiten der Auslösetemperatur schmilzt die Umhüllung und die beiden mit einander reagierenden Materialien kommen in Kontakt.
Gemäß einer weiteren Alternative kann ein zündfähiges Material darin vorgesehen sein, das bei einer entsprechenden Auslösetemperatur zündet, wobei eine exotherme Reaktion erfolgt, die eine entsprechende Volumenänderung bewirkt. Vorzugsweise ist das Zündmaterial so gewählt, dass es in einer exothermen Reaktion reagiert, die sich selbst beschleunigt.
Wie in 4b dargestellt ist, schmilzt die Trennwand 29, sobald die Auslösetemperatur erreicht bzw. überschritten ist, und bewirkt, dass die beiden miteinander reagierenden Materialien 27, 28 miteinander in Kontakt kommen und reagieren. Die Reaktion bewirkt eine Volumenausdehnung in Richtung des Verbindungselementes 25, dass dann von den Anschlussstellen 3, auf denen sich das bereits geschmolzene Material 26 befindet, abgehoben bzw. verdrängt wird und dadurch die leitende Ver bindung zwischen den Leitungsbereichen 2 unterbricht, wie es in 4c, die den Auslösefall zeigt, dargestellt ist.
Weitere Ausführungsformen sind möglich, die als Aktuator ein Bimetall-Aktuator oder einen Memory-Metall-Aktuator als Auslöseelement verwenden.
Auch kann ein Aktuator ein vorgespanntes Federelement aufweisen, dass durch ein Schmelzelement unter Vorspannung gehalten wird. Bei Erreichen der Auslösetemperatur schmilzt das Schmelzelement und das Federelement gibt nach und unterbricht die Foie 4 bzw. allgemein den Flachleiter.
Bei allen Ausführungsformen ist darauf zu achten, dass der entsprechende Aktuator keine brennbaren Materialien enthält.
Bei allen Ausführungsformen ist das Verbindungselement 4, 25 so ausgelegt, dass bei dem Maximalstrom, für den die Thermosicherung ausgelegt ist, keine nennenswerte Temperaturerhöhung des Verbindungselementes auftritt, d. h. der elektrische Widerstand bzw. der Querschnitt ist so gewählt, dass die der Maximalstrom gut durch das Verbindungselement getragen werden kann. Ein Auslösen der Thermosicherung soll nur mechanisch durch die Aktivierung des Aktuators erfolgen und irreversibel sein, d. h. die geöffnete Sicherung darf unter keinen Umständen wieder leitend werden.

Claims

Thermosicherung, insbesondere für einen Einsatz in einem elektrischen Modul im Automotiv-Bereich, umfassend: – ein Verbindungselement (4, 25), das an mehrere Anschlussstellen elektrisch und mechanisch angeschlossen ist, um über diese eine dauerhafte, elektrisch leitende Verbindung bereitzustellen; – einen von dem Verbindungselement (4, 25) getrennt ausgebildeten Aktuator (6), der ohne Aufnahme von elektrischer Energie auslöst, wenn eine Umgebungstemperatur eine Auslösetemperatur erreicht, und dadurch die durch das Verbindungselement (4, 25) gebildete elektrische Verbindung auf mechanische Weise unterbricht.
Thermosicherung nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (6) mit einem Stempel (7) versehen ist, der bei einem Auslösefall in Richtung des Verbindungselementes (4, 25) bewegbar ist, um dadurch die elektrische Verbindung zu lösen.
Thermosicherung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aktuator (6) mit einem Schneidmechanismus (8, 9) ausgebildet ist, um beim Auslösen das Verbindungselement (4) durchzutrennen.
Thermosicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verbindungselement (4) als Strom leitender Flachleiter, insbesondere als Folie oder Blech, ausgebildet ist.
Thermosicherung nach Anspruch 4, wobei der Flachleiter (4) mit einer Sollauftrennstelle versehen ist.
Thermosicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anschlussstellen auf Leitungsbereichen eines Stanzgitters (1) angeordnet sind.
Thermosicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Aktuator (6) auf einem Trägerelement (12) angeordnet ist, dass mit dem Stanzgitter (1) verbunden ist, um eine Ausrichtung des Aktuators (6) bezüglich des Verbindungselementes (4, 25) festzulegen.
Thermosicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Aktuator (6) ein oder mehrere miteinander reagierende Materialien (27, 28) umfasst, die durch eine schmelzbare Trennwand (29) voneinander getrennt sind, wobei die Schmelztemperatur der Trennwand (29) der Auslösetemperatur entspricht, wobei der Aktuator (6) so an dem Verbindungselement (25) angeordnet ist, dass im Auslösefall eine Volumenänderung aufgrund der miteinander reagierenden Materialien die durch das Verbindungselement (25) gebildete elektrische Verbindung unterbricht.
Thermosicherung nach Anspruch 8, wobei das Verbindungselement (25) an den Anschlussstellen (3) durch ein bei einer Schmelztemperatur schmelzbares Material (26) angeschlossen ist, wobei die Schmelztemperatur des schmelzbaren Materials gleich oder geringer ist als die Auslösetemperatur.
Thermosicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verbindungselement (4, 25) mit jeder der Anschlussstellen (3) entweder fest verbunden ist oder mit Hilfe eines bei einer Schmelztemperatur schmelzbaren Materials verbunden ist, wobei die Schmelztemperatur des schmelzbaren Materials gleich oder geringer ist als die Auslösetemperatur.