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Die
Erfindung betrifft eine Überstromschutzeinrichtung und
eine Energieversorgungsvorrichtung, insbesondere eine Energieversorgungsvorrichtung für
elektrisch angetriebene Fahrzeuge, in die eine erfindungsgemäße
Stromkreisunterbrechungsvorrichtung integriert ist.
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Überstromschutzeinrichtungen
werden im Stand der Technik in vielen Fällen eingesetzt,
in denen ein Überstrom, der andernfalls aparative Schäden
erzeugen würde, unterbrochen werden soll. Derartige Stromkreisunterbrechungsvorrichtungen
können als Schmelzsicherung ausgeführt sein, so
dass der Stromkreis bei einer zu hohen Stromstärke auf Grund
der thermischen Wirkung, die das als Sicherung eingebaute Element
durch Schmelzen zerstört, unterbrochen wird. Eine Schmelzsicherung
kann nach einmaligem Auslösen nicht mehr verwendet werden
und muss daher ersetzt werden.
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Dies
ist insbesondere deswegen nachteilig, da die Schmelzsicherung an
sich oder zumindest erhebliche Teile davon aus Kupfer gefertigt
werden, das in Zeiten zunehmender Rohstoffverknappung nur im nötigsten
Maße eingesetzt werden soll und das jedoch als ausgezeichneter
Stromleiter ein besonders geeignetes Material für die Fertigung
von Schmelzsicherungen ist.
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Ein Überstromschutzelement
wird auch in der
DE
10 2008 028 933 A1 als Bestandteil einer Stromkreisunterbrechungsvorrichtung
offenbart. Die dort dargelegte und für Elektrofahrzeuge
geeignete Stromkreisunterbrechungsvorrichtung umfasst als eine Stromkreisunterbrechungsvorrichtung
ein erstes Steckverbindergehäuse mit einem Paar Stromkreisanschlussstücken,
die mit einem offenen Stromkreis verbunden sind, und ein zweites
Steckverbindergehäuse, das den Stromkreis durch Verbinden
mit dem ersten Steckverbindergehäuse schließt.
Dabei weist das zweite Steckverbindergehäuse eine Sicherung mit
einem Paar Anschlussstücken auf, die mit einem Paar Stromkreisanschlussstücken
zu verbinden sind. Ein Gehäuse zur Aufnahme der Sicherung
ist offenbart, und die umfasste Sicherung kann mittels eines Verriegelungselements
verriegelt werden. Damit soll eine leicht befestigbare Sicherung
mit einer reduzierten Anzahl von Bauteilen geschaffen werden.
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Weitere
bekannte Sicherungsvorrichtungen für Elektrofahrzeuge werden
von der Firma Pacific Engineering Corporation, siehe www.pecj.co.jp/en/fuse,
vertrieben, die als miniaturisierte Schmelzsicherungen für
elektronische Fahrzeuge im Hochspannungsbereich dienen. Derartige Schmelzsicherungen
umfassen große Anteile an Kupfer, da das Schmelzsicherungselement
zur Anbringung an den entsprechenden Anschlusselementen Anschlussbereiche
aufweist, die stabil und daher materialintensiv ausgelegt sein müssen,
daß sie Verschraubungen aufnehmen können. Dabei
werden hohe Schraubkräfte auf die Abschnitte der Schmelzsicherung
angewendet, wenn diese an die Anschlusselemente geschraubt werden.
Um diesen Schraubkräften Stand zu halten, ist es bis dato
erforderlich, entsprechend dicke Kupferanschlussbereiche mit den
gewünschten Anschlussschraublöchern vorzusehen.
Die benötigte Materialdicke wird dabei durch mehrmaliges
Falten des ansonsten dünnen Bleches per Schmelzsicherung
erzielt. Damit wird ein erheblicher Anteil des Kupferbleches lediglich
zu Aufdickungszwecken am Anschlussbereich eingesetzt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, entsprechende Überstromschutzeinrichtungen
zu schaffen, die einen geringeren Kupferanteil aufweisen und die
trotz der erforderlichen Zuverlässigkeit günstig
und auf einfache Weise zu fertigen sind.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Stromkreisunterbrechungsvorrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterführungen
sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Ferner
ist es wünschenswert, entsprechende Energieversorgungsvorrichtungen
für Elektrofahrzeuge mit Überstromschutzeinrichtungen
auszustatten, die den steigenden Kupferrohstoffpreisen Rechnung
tragen. Diese Aufgabe wird mit einer Energieversorgungsvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Eine
Stromkreisunterbrechungsvorrichtung, die bei Anlegen eines Überstroms
zerstört wird, respektive durchschmilzt, weist einen Schmelzleiter auf,
an dem zwei Anschlussbereiche vorgesehen sind, von denen jeder wenigstens
eine Durchtrittsöffnung aufweist, die das Durchführen
eines Befestigungselements wie einer Schraube zu Verbindungszwecken
mit einem weiteren Element eines Stromkreises ermöglicht.
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Dazu
sind vorliegend die Anschlussbereiche an voneinander weg weisenden
Seiten des Schmelzleiters vorgesehen, und sie werden gebildet, indem an
jedem Ende des Schmelzleiters wenigstens ein Verstärkungselement
auf den Schmelzleiter geschweißt ist, so dass das Verstärkungselement
mit dem Schmelzleiter zusammen den Anschlussbereich bildet. Der
zwischen den beiden Anschlussbereichen vorliegende Schmelzleiterbereich
ist entsprechend nicht verstärkt und erfüllt damit
die gewünschte Aufgabe, bei Anlegen eines Überstroms
durchzuschmelzen.
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Während
der Schmelzleiter aus Kupfer gefertigt ist, kann einerseits aus
Ersparnisgründen und andererseits, um den Anschlussbereich
mit einer gewünschten Festigkeit auszustatten, der beim
Hindurchführen eines Befestigungselements durch die vorgesehenen
Durchtrittsöffnungen den aufgebrachten Schraubkräften
Stand hält, das Verstärkungselement aus einem
Material bestehen, das völlig frei von Kupfer ist. Damit
wird vorteilhaft erreicht, dass der wertvolle Rohstoff in geringst
möglichem Maße für die Sicherungselemente
eingesetzt werden muss, die nach einmaligem Auslösen verworfen
werden müssen.
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Das
Verstärkungselement, das auf den Schmelzleiter aufgeschweißt
ist, kann mittels einer vollflächigen oder auch nur einer
teilflächigen Schweißverbindung auf dem Schmelzleiter
festgelegt sein. Ferner kann das Verstärkungselement eine beliebig
geeignete Geometrie aufweisen.
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Als
geeignete Geometrie für das Verstärkungselement
kann beispielsweise ein Crimpkontakt für eine direkte Kabelverbindung
gewählt werden. In diesem Fall würde ein geeignetes
Material mit entsprechender Federwirkung Verwendung finden.
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Durch
die Aufbringung eines Verstärkungselements wird erreicht,
dass die Dicke des Anschlussbereichs damit um einen Faktor 3 bis
5 größer gestaltet werden kann, als die Dicke
des Schmelzleiters. Damit kann zielgerichtet ein Anschlussbereich
bereitgestellt werden, der es erlaubt, Befestigungselemente auf
die gewünschte Weise mittels der in den Anschlussbereichen
vorliegenden Durchtrittsöffnungen an einem Anschlusselement
zu befestigen. Damit bei der vorgesehenen thermischen Belastung
ein durchschmelzendes Überstromschutzelements gewährleistet
ist, können in dem Schmelzleiterbereich entsprechende Verjüngungsabschnitte
oder Aussparungen vorgesehen sein.
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Die Überstromschutzeinrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung kann in den Stromkreis
einer Energieversorgungsvorrichtung für Elektrofahrzeuge eingebaut
sein.
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Diese
und weitere Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung mit
den begleitenden Figuren verdeutlicht und besser verständlich.
Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im
Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können
mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
Draufsicht auf eine Überstromschutzeinrichtung,
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2 eine
Seitenschnittansicht einer Überstromschutzeinrichtung.
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Der
erfindungsgemäße Gegenstand betrifft eine Überstromschutzeinrichtung,
die bei einem auftretenden Überstrom durchschmilzt. Derartige Überstromschutzeinrichtungen
sind insbesondere bei Anwendungen erforderlich, in denen Hochspannungen angelegt
werden. Ein Anwendungsbereich sind elektronisch betriebene Fahrzeuge,
die als Stromquelle eine Batterie einsetzen und in deren Stromkreis
eine Stromkreisunterbrechungsvorrichtung aufzunehmen ist, um zu
verhindern, dass auftretende Überströme zu größeren
Schäden führen.
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Eine
erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung
weist einen Schmelzleiter auf, an dem an zwei voneinander weg weisenden Seiten
Anschlussbereiche vorgesehen sind. Diese Anschlussbereiche sind
geeigneter Weise mit Befestigungsmöglichkeiten ausgestattet,
wie beispielsweise mit Durchtrittsöffnungen oder Bohrungen,
die ein Befestigungselement wie eine Schraube aufnehmen, so dass
die Überstromschutzeinrichtung an ein entsprechendes Anschlusselement
im Stromkreis, respektive an zwei der gegenüberliegenden
Seite der Überstromschutzeinrichtung angeordneten Anschlusselementen,
angebracht werden kann.
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Weil
die beim Verschrauben der Überstromschutzeinrichtung mit
benachbarten Elemente auftretende Schraubkräfte im Hinblick
auf das Material der Überstromschutzeinrichtung sehr stark
sind, weist die erfindungsgemäße Stromkreisunterbrechungsvorrichtung
an den voneinander weg weisenden Seiten des Schmelzleiters Verstärkungselemente
auf, die mittels einer Schweißverbindung auf den Schmelzleiter
geschweißt sind und somit Anschlussbereiche mit einer gewünschten
Stärke aufweisen.
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Dabei
ist darauf hinzuweisen, dass aufgrund der Schmelzleitergeometrie
und der relativ geringen Ströme bei HV-Anwendungen sehr
dünne Leitmaterialien, insbesondere Kupferbleche, für
den Schmelzleiter benötigt werden. Diese dünnen
Kupferbleche, die eine Stärke von ca. 0,2 mm haben können,
halten den aufzuwendenden hohen Schraubkräften an den Anschlussgeometrien
nicht Stand, für die entsprechend stärkere Materialien
benötigt würden.
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Erfindungsgemäß sind
daher die Anschlussbereiche ca. drei bis fünf Mal so dick
wie der Schmelzleiterbereich, der zwischen den Anschlussbereichen
liegt.
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Geeignete
Schmelzleiterbereiche liegen bei 0,15 bis 0,3 mm, insbesondere bei
2 mm, während die Anschlussbereiche eine Stärke
im Bereich von 0,8 bis 1,2 mm, insbesondere von 1 mm aufweisen können.
Die Anschlussbereiche erlangen eine gewünschte Dicke, wenn
das Verstärkungselement, das aus einem kupferfreien Material
bestehen kann, zumindest teilflächig auf den Schmelzleiter
aufgeschweißt ist.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung,
die als Schmelzsicherung wirkt, wenn sie einem Überstrom
ausgesetzt ist. Der Schmelzleiter 2 ist daher, wie insbesondere
aus 2 deutlich wird, an zwei voneinander abgewandten
Enden mit jeweils einem Verstärkungselement 4 versehen.
Es handelt sich dabei um kubische Verstärkungselemente 4,
die kein Kupfer enthalten, und die ebenfalls mit Durchtrittsöffnungen 5 versehen sind,
so dass eine durchgängige Bohrung 5 durch das
Verstärkungselement 4 und den Schmelzleiter 2 reicht,
in die eine Schraube als Befestigungselement eingesetzt werden kann.
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Wie
in 2 verdeutlicht ist, wird der Anschlussbereich 3 somit
aus dem Verstärkungselement 4 und einem Abschnitt
des Schmelzleiters gebildet. Damit ist der Anschlussbereich 3 mehr
als drei Mal so dick wie der nicht verstärkte Schmelzleiterbereich 2',
der zwischen den beiden Anschlussbereichen 3 liegt. Die
strichlierte Linie, die an einem Ende der Überstromschutzeinrichtung 1 eingezeichnet
ist, verdeutlicht, an welchen Abschnitten der Überstromschutzeinrichtung 1 sich
der Anschlussbereich 3 befindet.
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Neben
der Verwendung von Kupfer als Material für den Schmelzleiter 2 kann
dieser auch aus einem anderen Material bestehen. Denkbar wäre
beispielsweise ein Schmelzleiter aus Zink, welches einen niedrigeren
Schmelzpunkt als Kupfer aufweist. Allerdings könnte in
diesem Fall die Verbindung von Verstärkungselement 4 und
Schmelzleiter 2 nicht als Schraubverbindung ausgeführt
werden, da Zink bei Belastung ein Fließverhalten auf weist.
Für den Fall ist beispielsweise eine reine Schweißverbindung denkbar.
Dann müsste dementsprechend der Schmelzleiter 2 nicht,
wie in 2 dargestellt, bündig mit dem Verstärkungselement 4 abschließen,
sondern darüber hinausragen.
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Neben
Zink können auch, abhängig von der verwendeten
Verbindungstechnik, beliebige Materialkombinationen verwendet werden.
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Selbstverständlich
kann das hier kubisch ausgeführte Verstärkungselement
auch andere geeignete Verstärkungsgeometrien aufweisen.
Darüber hinaus können auch mehrere Durchtrittsöffnungen vorgesehen
sein, um Befestigungselemente wie Schrauben oder andere Stifte aufzunehmen.
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Der
Schmelzleiterbereich, der bei einem Überstrom durch Aufschmelzen
zerstört wird und damit den Stromkreis unterbrechen soll,
kann, wie 1 und 2 zeigen,
um das gewünschte Ansprechverhalten aufzuweisen, Einschnürungen
oder Taillierungen wie den Verjüngungsbereich 6 aufweisen.
Außerdem wird das Ansprechverhalten auch durch das Vorliegen
von Aussparungen 6' verbessert, die, wie der Fachmann weiß,
auch weitere geeignete Geometrien außer der gezeigten Kreisform aufweisen
können.
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Die
erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung
ist geeignet, insbesondere in Energieversorgungsvorrichtungen für
Elektrofahrzeuge integriert zu werden, indem sie als Schutzelement
in den dort gebildeten Stromkreis mit Batterie eingebaut werden.
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Damit
ermöglicht die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung,
dass eine hochempfindliche Schmelzsicherung bereitgestellt wird,
die ein Minimum an Kupfermaterial erfordert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008028933
A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.pecj.co.jp/en/fuse [0005]
- - Seiten Anschlussbereiche [0021]