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Die Erfindung betrifft einen Sicherungsschalter einer Fahrzeugbatterie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein solcher Sicherungsschalter ist beispielsweise aus der
DE 198 19 662 A1 bekannt.
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Ein solcher Sicherungsschalter wird dazu eingesetzt, eine Fahrzeugbatterie im Falle eines Crashs elektrisch von einem Bordnetz des Fahrzeugs zu trennen, um somit das Bordnetz spannungsfrei zu schalten. Dadurch wird verhindert, dass beispielsweise über gequetschte Kabel ein Kurzschlussstrom fließt, der zu einem Brand führen kann. Zum Unterbrechen einer durch die Fahrzeugbatterie bereitgestellten Stromversorgung weist der Sicherungsschalter der
DE 198 19 662 A1 eine pyrotechnische Einrichtung auf, also eine Treibladung oder einen Sprengsatz, durch welche zwei Kontaktstücke des Sicherungsschalters durch Zünden der pyrotechnischen Einrichtung getrennt werden können.
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Die beiden Kontaktstücke weisen dabei jeweils die Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders auf und sind derart ineinander gesteckt, dass die Kontaktstücke die pyrotechnische Einrichtung vollständig umschließen. Über die Seitenwände der Hohlzylinder der beiden Kontaktstücke kann ein Strom von einem batterieseitigen Anschluss zu einem bordnetzseitigen Anschluss geführt werden. Durch Zünden der pyrotechnischen Einrichtung entsteht in dem Gasraum, welcher durch die beiden ineinander gesteckten Kontaktstücke umschlossen ist, ein Druck, welcher die beiden Kontaktstücke auseinander schiebt und schließlich voneinander trennt, so dass die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen des Sicherungsschalters unterbrochen wird.
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Fließt während des Öffnens üben den Schutzschalters ein hoher Strom, so kann es vorkommen, dass zwischen den beiden Kontaktstücken ein Lichtbogen entsteht, über welchen ein Strom auch dann weiterfließt, wenn die beiden Kontaktstücke vollständig voneinander getrennt sind. Bei Hochvoltbatterien, wie sie in Fahrzeugen zum Betreiben von Elektromotoren für einen Antrieb eingesetzt werden, können Lichtbögen auch entstehen, wenn kein hoher Strom fließt. Bei einer Hochvoltbatterie werden mehrere 100 Volt elektrische Spannung bereitgestellt. Eine solch hohe Spannung reicht an sich schon aus, um einen Lichtbogen beim Trennen von Kontaktstücken hervorzurufen. Zum Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Hochvoltbatterie und einem Bordnetz eines Fahrzeugs werden daher Schütze eingesetzt. Diese sind allerdings sehr teuer, so dass sich für eine Herstellung eines entsprechenden Fahrzeugs unerwünscht hohe Kosten ergeben.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs im Crashfall zuverlässig spannungsfrei geschaltet werden kann.
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Die Aufgabe wird durch einen Sicherungsschalter für eine Fahrzeugbatterie zum Unterbrechen einer elektrischen Verbindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Der erfindungsgemäße Sicherungsschalter weist zwei Anschlüsse auf, welche in einem verbindenden Zustand des Sicherungsschalters elektrisch miteinander verbunden sind. In einem zweiten, unterbrechenden Zustand des Sicherungsschalters ist zwischen den beiden Anschlüssen eine Trennstrecke ausgebildet. Zum Wechseln von dem verbindenden in den unterbrechenden Zustand ist ein Treibsatz zündbar und hierdurch ein Druck in einem Gasraum erzeugbar. Durch diesen Druck sind zwei Leiterelemente auseinander bewegbar, so dass sich zwischen den beiden Leiterelementen die Trennstrecke ausbildet. Die Trennstrecke und der Gasraum sind bei dem erfindungsgemäßen Sicherungsschalter räumlich voneinander getrennt.
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Unter einem Leiterelement ist hierbei ein elektrisch leitender Festkörper zu verstehen, über welchen bei dem Sicherungsschalter ein Strom im verbindenden Zustand des Sicherungsschalters von dem einen Anschluss zum anderen geführt werden kann. Bei den beiden Leiterelementen kann es sich um zwei separate Körper handeln. Es kann aber auch vorgesehen sein, bei dem Sicherungsschalter einen einstückig ausgebildeten Leiter bereitzustellen, welcher durch den gezündeten Treibsatz in die zwei Leiterelemente zerrissen wird. Eine Trennstrecke eines Schalters ist derjenige Raumbereich, in welchem durch Auseinanderbewegen von zwei Leiterelementen eine Unterbrechung eines Stromes bewirkt werden soll. Entsprechend ist hier unter Trennen von zwei Leiterelementen das Auseinanderbewegen derselben gemeint.
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Durch den erfindungsgemäßen Sicherungsschalter ergibt sich der Vorteil, dass sich zwischen den beiden getrennten Leiterelementen, also im Bereich der Trennstrecke kein Rauch oder heißes Gas befindet, wie es durch den Treibsatz nach dem Zünden erzeugt wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Gas-Rauch-Gemisch des Treibsatzes das Bilden eines Lichtbogens im Bereich der Trennstrecke begünstigt. Durch die räumliche Trennung des Gasraumes, in welchem sich das Gas-Rauch-Luftgemisch des Treibsatzes ausbreitet, von der Trennstrecke wird somit die Wahrscheinlichkeit verringert, dass beim Öffnen des Sicherungsschalters, d. h. beim Wechsel von dem verbindenden in den unterbrechenden Zustand, ein Lichtbogen entsteht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters ist wenigstens ein elektrisch isolierendes Mittel bereitgestellt, welches im unterbrechenden Zustand zwischen den getrennten Leiterelementen angeordnet ist. Das elektrisch isolierende Mittel kann in einer Realisierung der Erfindung durch einen Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas bereitgestellt sein. Für den Fall, dass es sich bei dem Mittel um einen Festkörper oder eine Flüssigkeit handelt, ist bei dieser Weiterbildung im unterbrechenden Zustand des Sicherungsschalters verhindert, dass ein Lichtbogen auf kürzestem Wege zwischen den beiden Leiterelementen verlaufen kann. Indem ein Lichtbogen verlängert wird, ergibt sich der Vorteil, dass ein Spannungsabfall über der Trennstrecke größer ist als bei einem direkt auf kürzestem Wege zwischen den zwei Leiterelementen verlaufenden Lichtbogen. Für den Fall, dass das Mittel ein Gas ist, wird durch dieses eine Konzentration eines heißen, ionisierten Gases verdünnt, welches zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens beiträgt. Durch Bereitstellen des elektrisch isolierenden Mittels ergibt sich der Vorteil, dass eine Stromstärke eines nach dem Öffnen des Sicherungsschalters weiter fließenden Stroms verringert werden kann und eine Wahrscheinlichkeit eines Verlöschens des Lichtbogens vergrößert ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sicherungsschalter kann vorgesehen sein, dass wenigstens eines der beiden Leiterelemente von einem isolierenden Mittel, insbesondere Sand, umgeben ist und dass durch das Trennen der Leiterelemente das isolierende Mittel zwischen die Leiterelemente gelangen kann. Durch Einbetten des Leiterelements in das isolierende Mittel ergibt sich der Vorteil, dass während des Trennens der beiden Leiterelemente Luft, welche ansonsten zwischen die beiden Leiterelemente strömen könnte und in welcher sich ein Lichtbogen ausbilden könnte, von dem isolierenden Mittel verdrängt wird. Dies verringert in vorteilhafter Weise die Wahrscheinlichkeit, dass beim Trennen der Leiterelemente ein Lichtbogen entsteht. Es kann dabei vorgesehen sein, dass sich das isolierende Mittel nach einem Öffnen des Sicherungsschalters verflüchtigt oder aufbraucht, so dass es sich im unterbrechenden Zustand nicht mehr zwischen den getrennten Leiterelementen befindet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sicherungsschalter kann auch ein im verbindenden Zustand des Sicherungsschalters mechanisch vorgespanntes Element vorgesehen sein, welches durch das Trennen der Leiterelemente freigegeben wird und bei dem hierdurch ein elektrisch isolierender Bereich des Elements zwischen die getrennten Leiterelemente bewegt wird. Durch Verwenden eines mechanisch vorgespannten Elements zum Bewegen eines elektrisch isolierenden Bereichs des Elements mit einer durch die mechanische Vorspannung bewirkten Kraft in die Trennstrecke ergibt sich der Vorteil, dass der elektrisch isolierende Bereich auch dann in die Trennstrecke gedrängt werden kann, wenn ihm eine Kraft entgegenwirkt, wie sie beispielsweise durch eine Wechselwirkung mit einem Lichtbogen hervorgerufen werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters ergibt sich, wenn im unterbrechenden Zustand des Sicherungsschalters eine Mehrzahl von Trennstrecken ausgebildet ist. Bei dieser Weiterbildung weist der Sicherungsschalter hierzu eine Mehrzahl von Leiterelementen auf, die voneinander beabstandet angeordnet sind. Des Weiteren weist der Sicherungsschalter bewegbare Leiterelemente auf, welche im verbindenden Zustand des Sicherungsschalters die beabstandet angeordneten Leiterelemente zu einer Reihenschaltung elektrisch verbinden. Beim Wechsel des Zustands des Sicherungsschalters sind dabei die bewegbaren Leiterelemente jeweils von wenigstens einem der beabstandet angeordneten Leiterelemente trennbar. Durch Bereitstellen von einer Mehrzahl von Trennstrecken wird bewirkt, dass ein Strom nach dem Öffnen des Sicherungsschalters nur dann weiter zwischen den zwei Anschlüssen fließen kann, wenn in jeder der Trennstrecken ein Lichtbogen auftritt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise bewirkt werden, dass durch eine geringe mechanische Bewegung der einzelnen bewegbaren Leiterelemente bereits eine insgesamt verhältnismäßig lange Trennstrecke gebildet wird, die sich aus der Mehrzahl der Trennstrecken zusammensetzt.
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Der Sicherungsschalter mit der Mehrzahl von Trennstrecken wird in vorteilhafter Weise weitergebildet, wenn die beabstandet angeordneten Leiterelemente entlang einer Richtung aufgereiht angeordnet sind und die bewegbaren Leiterelemente mittels des Drucks gemeinsam in die Richtung verschiebbar sind. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders einfache mechanische Anordnung der bewegbaren Leiterelemente, mittels der die Mehrzahl der Trennstrecken gebildet werden kann.
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Bevorzugt ist wenigstens eines der beabstandet angeordneten Leiterelemente ein Hohlzylinder und wenigstens eines der bewegbaren Leiterelemente mittels des Drucks in den Hohlzylinder verschiebbar. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Bewegung des bewegbaren Leiterelements nicht durch isolierende Mittel, wie z. B. Sand, behindert wird, wenn dieser den Hohlzylinder umgibt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
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1A eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines pyrotechnischen Schalters gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters, wobei der Schalter geschlossen ist;
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1B eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Schalters aus 1A, wobei der Schalter geöffnet ist;
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2A eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines zweiten pyrotechnischen Schalters gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters, wobei der Schalter geschlossen ist;
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2B eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Schalters aus 2A, wobei der Schalter geöffnet ist;
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3A eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines dritten pyrotechnischen Schalter gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters, wobei der Schalter geschlossen ist;
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3B eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Schalters aus 3A, wobei der Schalter geöffnet ist;
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4A eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines vierten pyrotechnischen Schalters gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters, wobei der Schalter geschlossen ist;
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4B eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Schalters aus 4A, wobei der Schalter geöffnet ist;
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5A eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines fünften pyrotechnischen Schalters gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters, wobei der Schalter geschlossen ist; und
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5B eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Schalters aus 5A, wobei der Schalter geöffnet ist; Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters dar.
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In 1A ist ein pyrotechnischer Schalter 10 dargestellt, der in einem Personenkraftwagen eingebaut ist. Der Schalter 10 weist einen ersten Anschluss 12 auf, über welchen der Schalter 10 mit einem Kontakt einer in 1A nicht dargestellten Hochvoltbatterie elektrisch verbunden ist. An einem zweiten Anschluss 14 ist ein in 1A nicht dargestelltes Kabel angeschlossen, über welches der Anschluss 14 mit einem Elektromotor für einen Antrieb des Personenkraftwagens gekoppelt ist.
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Im Inneren eines Gehäuses 16 des Schalters 10 befindet sich ein Steckverbinder 18, welcher mit dem Anschluss 12 elektrisch gekoppelt ist. In dem Steckverbinder 18 steckt ein Ende eines elektrisch leitenden Stabes 20. Der Stab 20 ist von dem Steckverbinder 18 durch eine Metallfeder mittels einer Klemmverbindung gehalten. An seinem anderen Ende ist der Stab 20 mit einer Wand 22 fest verbunden, die ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material besteht. An der Wand 22 ist auch der Anschluss 14 befestigt.
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Der Steckverbinder 18 und ein Teil des Stabes 20 befinden sich in einer Kammer 24, die mit Sand 26 gefüllt ist. In der Kammer 24 befindet sich auch eine Kunststoffplatte 28 mit einem Loch, durch welches der Stab 20 gesteckt ist.
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In dem Gehäuse 16 befindet sich auch ein Treibsatz 30 aus einem Sprengstoff. Zu dem Treibsatz 30 gehören zwei Zündkontakte 32, 33, an die eine Zündspannung angelegt werden kann, um den Treibsatz 30 zu zünden.
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Die Wand 22 gehört zu einem Verschlussteil 34, welches einen den Treibsatz 30 umgebenden Gasraum 36 von einem in 1A rechts von der Wand 22 gelegenen Raum trennt. Das Verschlussteil 34 weist die Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders auf. Die Wand 22 verschließt den Hohlzylinder dabei in eine Richtung entlang einer Achse des Hohlzylinders. Das Verschlussteil 34 ist beweglich in dem Gehäuse 16 gelagert und kann in eine Richtung 38 verschoben werden. Das Verschlussteil 34 ist allerdings durch die Klemmverbindung zwischen dem Stab 20 und dem Steckverbinder 18 in der in 1A gezeigten Lage gehalten. Zusätzlich kann dies auch durch Kunststoffnasen unterstützt werden (hier nicht dargestellt). Das Gehäuse 16 weist des Weiteren eine Auflassöffnung 40 auf, durch welche Luft aus dem Gehäuse 16 strömen kann, wenn das Verschlussteil 34 entlang der Richtung 38 bewegt wird.
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Die beiden Anschlüsse 12 und 14 sind über den Steckverbinder 18, den Stab 20 und die Wand 22 elektrisch miteinander verbunden. Dadurch kann der Elektromotor mit Strom aus der Hochvoltbatterie versorgt werden. Mittels des Schalters 10 ist es bei dem Personenkraftwagen ermöglicht, die Hochvoltbatterie im Falle eines Unfalls des Personenkraftwagens zuverlässig von dem Elektromotor zu entkoppeln, so dass kein Strom mehr von der Hochvoltbatterie zu dem Elektromotor fließt. Dies wird im Folgenden im Zusammenhang mit den 1A und 1B veranschaulicht.
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Dazu sei angenommen, dass eine Crashsensorik des Personenkraftwagens einen Aufprall des Personenkraftwagens auf ein schweres Hindernis erkennt. Durch die Crashsensorik wird daraufhin bewirkt, dass zwischen den Kontakten 32, 33 des Treibsatzes 30 eine Zündspannung bereitgestellt wird. Dies zündet den Treibsatz 30, woraufhin er explodiert. Ein hierdurch von dem Treibsatz 30 erzeugtes, heißes Gas-Rauch-Gemisch erhöht einen Druck in dem Gasraum 36, der auch auf die Wand 22 wirkt. Die Wand 22 wird dadurch mit einer Kraft in die Richtung 38 beaufschlagt.
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Die auf die Wand 22 wirkende Kraft ist größer als diejenige Kraft, die durch die Klemmverbindung im Steckverbinder 18 auf den Stab 20 in die Richtung 38 höchstens ausgeübt werden kann. Dadurch ist es ermöglicht, dass durch den Druck im Gasraum 36 das Verschlussteil 34 in Bewegung gesetzt wird und der Stab 20 aus dem Steckverbinder 18 gezogen wird.
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Das Verschlussteil 34 wird dann durch den Druck soweit in die Richtung 38 bewegt, bis es an eine Wand des Gehäuses 16 anschlägt. Mit der Bewegung des Verschlussteils 34 ist der Stab 20 von dem Steckverbinder 18 weggezogen worden. In 1B ist veranschaulicht, wie dadurch zwischen dem Stab 20 und dem Steckverbinder 18 eine Trennstrecke 42 ausgebildet worden ist. Der Bereich der Trennstrecke 42 ist vollständig mit Sand 26 gefüllt. Der Sand 26 wurde durch die Schwerkraft und die während des Aufpralls des Personenkraftwagens auf das Hindernis wirkende Beschleunigungskraft zwischen den Steckverbinder 18 und den Stab 20 gedrängt, während sich der Stab 20 von dem Steckverbinder 18 wegbewegt hat. Auch der in dem Gasraum 36 herrschende, von dem Treibsatz 30 verursachte Druck hat die Kammer derart komprimiert, dass der Sand 26 in den Bereich der Trennstrecke 42 gedrückt worden ist. Durch den Sand ist wirkungsvoll verhindert, dass sich beim Herausziehen des Stabes 20 aus dem Steckverbinder 18 ein Lichtbogen zwischen diesen beiden Bauteilen im Bereich der Trennstrecke 42 bildet und dadurch ein Strom zwischen den Anschlüssen 12 und 14 weiter fließen kann.
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Anstelle des Steckverbinders 18 kann auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Stab 20 und dem Anschluss 12 vorgesehen sein. Durch den Treibsatz 30 kann dann bewirkt werden, dass diese stoffschlüssige Verbindung zerstört wird. Durch eine stoffschlüssige Verbindung ergibt sich als weiterer Vorteil, dass bei dem Schalter im geschlossenen Zustand keine Kontaktfläche zwischen dem Stab 20 und dem Anschluss 12 besteht, an welcher Verlustwärme freigesetzt wird. Dies macht den Schalter besonders verlustarm.
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Anstelle von Sand oder zusätzlich zu diesem kann auch ein anderes, elektrisch isolierendes Mittel verwendet werden. Beispielsweise kann auch eine elektrisch isolierende Flüssigkeit, wie z. B. Transformatorenöl, oder auch ein solches Gas, wie z. B. Schwefelhexafluorid (chemische Formel: SF6), verwendet werden.
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Durch die Kunststoffplatte 28 wird für den Fall, dass durch den Sand 26 eine Bildung eines Lichtbogens nicht verhindert wird, eine selbständige Löschung des Lichtbogens zusätzlich begünstigt.
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In den 2A und 2B ist ein pyrotechnischer Schalter 44 dargestellt, der einen ähnlichen Aufbau aufweist wie der pyrotechnische Schalter 10 der 1A und 1B. Daher werden im Zusammenhang mit den 2A und 2B nur diejenigen Bauteile des Schalters 44 näher erläutert, durch welche sich der Schalter 44 von dem Schalter 10 unterscheidet. Des Weiteren sind in den 2A und 2B für Bauteile des Schalters 44, die in ihrer Funktion Bauteilen des Schalters 10 entsprechen, gestrichene Varianten derjenigen Bezugszeichen vergeben, welche für die entsprechenden Bauteile des Schalters 10 in den 1A und 1B vergeben sind.
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Der Schalter 44 ist in 2A in einem Zustand dargestellt, in welchem er einen batterieseitigen Anschluss 12' mit einem verbraucherseitigen Anschluss 14' elektrisch verbindet. Ähnlich wie bei dem Schalter 10 ist auch bei dem Schalter 44 eine Kammer 24' bereitgestellt, in welcher ein Steckverbinder 18' und ein Stab 20' elektrisch miteinander verbunden sind. In der Kammer 24' sind des Weiteren Kunststoffplatten 46 an einer Wand der Kammer 24' befestigt. Die Kunststoffplatten 46 ragen in die Kammer 24' so weit hinein, dass sie auf dem Stab 20' aufliegen. Sie sind dabei derart umgebogen, dass sie elastisch verformt sind. Mit anderen Worten sind die Kunststoffplatten 46 mechanisch vorgespannt und werden in ihrer Lage durch den Stab 20' gehalten.
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In 2B ist der Zustand des Schalters 44 gezeigt, wie er ihn nach einem Zünden einer in 2A dargestellten Treibladung 30' eingenommen hat. Der Schalter 44 wechselt von dem in 2A dargestellten Zustand in den in 2B dargestellten Zustand in ähnlicher Weise, wie es in Zusammenhang mit dem Schalter 10 bereits beschrieben ist.
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In 2B ist gezeigt, wie durch das Zünden des Treibsatzes 30' der Stab 20' teilweise aus der Kammer 24' herausgezogen worden ist. Dadurch sind die Kunststoffplatten 46 freigegeben worden, so dass sie sich aufgrund ihrer mechanischen Vorspannung selbständig zwischen den Stab 20' und den Steckverbinder 18' bewegt haben. Die Kunststoffplatten 46 können dabei so groß gewählt sein, dass sie, wie in 2B gezeigt, von einer Wand der Kammer 24', an welcher sie befestigt sind, zu einer gegenüberliegenden Wand reichen. Eine Kunststoffplatte 46 bildet dann eine Trennwand zwischen dem Steckverbinder 18' und dem Stab 20'.
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Es kann auch vorgesehen sein, kürzere Kunststoffplatten 46 zu verwenden, welche sich im geöffneten Zustand des Schalters 44 von der Wand, an welcher sie befestigt sind, nicht vollständig bis zur gegenüberliegenden Wand erstrecken. Die Kunststoffplatten 46 können dabei in Verlaufsrichtung einer Verbindungslinie zwischen dem Steckverbinder 18' und dem Stab 20' abwechselnd an gegenüberliegenden Wänden befestigt sein, wie es auch bei dem Schalter 44 der Fall ist, was in 2A zu erkennen ist. Dadurch wird von den Kunststoffplatten 46 im geöffneten Zustand des Schalters 44 ein so genanntes Labyrinth ausgebildet. Für den Fall, dass beim Öffnen des Schalters 44 ein Lichtbogen entsteht, muss dieser dann besonders lang sein, um vom Steckverbinder 18' an den Kunststoffplatten vorbei zum Stab 20' zu reichen. Dies begünstigt eine selbständige Löschung des Lichtbogens. Für den Fall, dass die Kunststoffplatten 46 den Steckverbinder 18' vollständig vom Stab 20' trennen, kann durch die Kunststoffplatten 46 eine aktive Löschung des Lichtbogens bewirkt werden.
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Anstelle der Kunststoffplatten 46 können auch andere isolierende Materialien, wie z. B. Keramik, verwendet werden. Um beispielsweise eine Keramikplatte zwischen den Steckverbinder 18' und den Stab 20' zu bewegen, kann eine solche Keramikplatte Teil eines verschwenkbaren Isolators sein, der beispielsweise über einen Federmechanismus in der Kammer 24' verschwenkbar ist. Die Federn des Federmechanismus sind dann ähnlich wir die elastisch verformten Kunststoffplatten 46 im geschlossenen Zustand des Schalters 44 mechanisch vorgespannt.
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In den 3A und 3B ist ein weiterer pyrotechnischer Schalter 48 in zwei unterschiedlichen Zuständen dargestellt. Der Schalter 48 weist elektrische Anschlüsse 50, 52 auf, über welche der Schalter 48 mit anderen elektrischen Komponenten verbunden werden kann. Der Schalter 48 kann insbesondere als Sicherung für eine Hochvoltbatterie verwendet werden.
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Zwischen den beiden Anschlüssen 50, 52 befindet sich eine Kammer 54. Ein Innenraum 55 der Kammer 54 ist mit Sand gefüllt. In der Kammer 54 befinden sich des Weiteren Hülsen 56, die koaxial zueinander angeordnet sind, wobei sie sich einander nicht berühren. Die Hülsen 56 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. Kupfer, Aluminium oder Eisen. Durch die Hülsen 56 ist eine Stange 58 gesteckt, die aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist. Die Stange kann beispielsweise aus Kunststoff oder einer Keramik bestehen. Die Stange 58 erstreckt sich nahezu durch die gesamte Kammer 54 und ist in eine Richtung 60 entlang der Achsen der Hülsen 56 beweglich gelagert.
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Die Stange 58 ist an mehreren Stellen von Ringen 62 umgeben, die aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. In dem in 3A gezeigten Zustand des Schalters 48 berührt jeder Ring 62 jeweils zwei Hülsen 56. Dadurch ergibt sich eine Reihenschaltung der Hülsen 56.
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Der Schalter 48 weist des Weiteren einen Treibsatz 64 mit zwei Zündkontakten 66, 67 auf. An den Treibsatz 64 grenzt ein Gasraum 68 an, in welchen ein Gas-Rauch-Gemisch des Treibsatzes 64 drängt, wenn der Treibsatz 64 gezündet wird. Ein Ende der Stange 58 bildet eine Wandung 70 des Gasraumes 68.
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In dem in 3A veranschaulichten Beispiel ist der Schalter 48 in einem elektrisch leitenden Zustand dargestellt. In dem Beispiel fließe ein Strom von einer Hochvoltbatterie über den Anschluss 50 zu einem Elektromotor, welcher über ein Kabel mit dem Anschluss 52 gekoppelt sei.
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Der Strom fließt dabei innerhalb des Schalters 48 abwechselnd über jeweils eine Hülse und einen damit in Berührung stehenden Ring 62. Ein Crashsensor detektiere in dem Beispiel einen Crash und bewirke daraufhin, dass eine Zündspannung an den Zündkontakten 66, 67 angelegt werde. Dies zündet den Treibsatz 64, so dass sich ein Gas-Rauch-Gemisch in dem Gasraum 68 ausbreitet. Dadurch erhöht sich ein Druck in dem Gasraum 68, welcher auch auf die Wandung 70 eine Kraft ausübt. Dies verschiebt die Stange 58 in die Richtung 60. Ein Volumen des Gasraums 48 wird dabei vergrößert. Das Verschieben der Stange 58 überführt den Schalter 48 in den in 3B dargestellten Zustand.
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In dem in 3B dargestellten Zustand ist der Stab 58 so weit in die Richtung 60 verschoben, dass die elektrisch leitenden Ringe 62 jeweils in eine der Hülsen 56 hineingeschoben sind. Zwischen den Hülsen 56 befindet sich somit jeweils ein isolierender Abschnitt der Stange 58, an welchem die Stange 58 nicht von einem Ring 62 umgeben ist. Dadurch ist jeweils zwischen zwei Hülsen 56 eine Trennstrecke 72 ausgebildet.
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Während des Unterbrechens der elektrischen Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen 50 und 52 hat sich kein Lichtbogen zwischen den Hülsen 56 gebildet. Der in dem Innenraum 55 befindliche Sand hat dies verhindert. Indem die Stange 58 im Inneren der Hülsen 56 verschoben worden ist, ist die Bewegung der Stange 58 in die Richtung 60 nicht von dem Sand behindert worden. Die Bewegung wurde auch nicht von dem Sand behindert, da dieser zum Verschieben der Stange 58 nicht bewegt werden musste.
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In 4A und 4B ist ein pyrotechnischer Schalter ähnlich demjenigen von den 1A und 1B dargestellt.
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In 4A ist der Schalter in einem Zustand gezeigt, in welchem Anschlüsse 12'' und 14'' des Schalters über einen elektrischen Leiter 74 elektrisch miteinander verbunden sind. Der Leiter 74 ist einteilig, z. B. als ein Stab, ausgebildet. Der Leiter 74 ist fest mit einer Wand 22' verbunden. Die Wand 22', welche ähnlich wie die Wand 22 des Schalters 10 einen Gasraum 36 begrenzt, ist hier nicht Bestandteil der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlüssen 12'' und 14''.
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Der Leiter 74 ist teilweise von Sand 26 umgeben, wie es bereits schon im Zusammenhang mit der 1A beschrieben worden ist. In dem Abschnitt, der von dem Sand 26 umgeben ist, weist der Leiter 74 eine mechanische Sollbruchstelle 76 auf. Sie kann beispielsweise durch Prägung des Leiters 74 oder durch einen Laserschnitt gebildet sein. Der elektrische Leiter 74 kann auch eine Geometrie einer Schmelzsicherung aufweisen, also z. B. eine Verjüngung eines Querschnitts des elektrischen Leiters 74. So kann zusätzlich auch bei Überstrom durch den Schalter abgeschaltet werden. Dieser Abschnitt des Leiters 74 ist bevorzugt ebenfalls von Sand umgeben. Eine Geometrie einer Schmelzsicherung ist natürlich auch bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sicherungsschalters möglich.
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In 4B ist der Schalter aus 4A in einem Zustand nach einem Zünden eines Treibsatzes 30 des Schalters gezeigt, welcher in seiner Funktionsweise dem Treibsatz 30 des Schalters 10 entspricht. Der elektrische Leiter 74 ist an der Sollbruchstelle 76 zertrennt. Aus dem Leiter 74 sind dadurch zwei Leiterabschnitte 78 entstanden. Zwischen diesen befindet sich eine Trennstrecke 42' ähnlich der Trennstrecke 42 des Schalters 10 im geöffneten Zustand.
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In den 5A und 5B ist ein weiterer pyrotechnischer Schalter gezeigt, dessen Aufbau mit dem Schalter 10 aus 1A und 1B bzw. dem Schalter von 4A und 4B vergleichbar ist.
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Bei dem Schalter der 5A und 5B besteht ein wesentlicher Unterschied darin, dass zwei Anschlüsse 12''' und 14''' im geschlossenen Zustand des Schalters, wie er in 5A gezeigt ist, und im geöffneten Zustand, wie er in 5B gezeigt ist, jeweils dieselbe relative Lage zueinander aufweisen. Mit anderen Worten ist eine Außenwirkung durch das Öffnen des Schalters, also z. B. ein Ausschieben eines der Anschlüsse 12''' oder 14''', verhindert.
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Der Anschluss 14''' ist dazu über einen Steckkontakt 80 elektrisch mit einem elektrischen Leiter 82 gekoppelt, welcher fest mit einem Verschlussteil 34 für einen Gasraum 36 verbunden ist. Das Verschlussteil 34 und der Gasraum 36 entsprechen denjenigen des Schalters 10. Durch Zünden eines Treibsatzes 30 des Schalters wird das Verschlussteil 34 von seiner in 5A gezeigten Lage in die in 5B gezeigte Lage verschoben. Dies ist bereits im Zusammenhang mit 1A und 1B genauer erläutert worden. Bei dem Schalter der 5A und 5B gleitet der Steckkontakt 80 beim Verschieben über den Anschluss 14''' hinweg, der fest mit einem Gehäuse 16 des Schalters verbunden ist. Der Anschluss 14''' ändert deshalb beim Öffnen des Schalters seine Position nicht.
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Anstatt über den Steckkontakt 80 kann der Anschluss 14''' auch über eine formschlüssige Verbindung mit dem Leiter 82 gekoppelt sein. Es kann auch eine stoffschlüssige Verbindung oder eine Sollbruchstelle vorgesehen sein, die beim Öffnen des Schalters bricht, so dass der elektrische Leiter 82 sich bezüglich Anschluss 14''' frei bewegen kann. Optional kann auch ein außenliegender Steckkontakt (im Anschlussbereich) die Bewegung des elektrischen Leiters 82 aufnehmen.
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Die in den Beispielen gezeigten Schalter weisen keine Mechanik auf, über welche die Schalter von ihrem jeweiligen unterbrechenden Zustand wieder zurück in den geschlossenen Zustand überführbar sind. Dadurch sind die Schalter leichter als beispielsweise ein Schutz. Sie sind auch in der Herstellung billiger als ein solches.
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Indem bei den Schaltern der Gasraum von der Trennstrecke räumlich getrennt ist, ist es ermöglicht, dass Löschelemente (Sand/Kunststofflippen, etc.) unmittelbar während des Trennvorgangs auf einen möglichen Lichtbogen einwirken können und somit der Lichtbogen schnell gelöscht werden kann. Indem sich der Treibsatz nicht zwischen zwei trennbaren Kontakten befindet, können diese Kontakte dahingehend optimal ausgestaltet werden, dass zwischen ihnen ein möglichst geringer Übergangswiderstand besteht. Dies ermöglicht eine Verringerung einer in dem Schalter auftretenden Verlustleistung. Indem wie bei dem in den 3A und 3B gezeigten Schalter mehrere Trennstrecken ausgebildet werden, müssen entsprechend auch mehrere Lichtbögen entstehen, damit es zu einem Stromfluss im geöffneten Zustand des Schalters 48 kommt. Da bei jedem einzelnen Lichtbogen jeweils ein Spannungsabfall hervorgerufen wird, kann durch Erzwingen von mehreren Lichtbögen ein Verlöschen derselben durch eine ausreichende Anzahl von Trennstrecken bewirkt werden.
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Da es bei den erfindungsgemäßen Schaltern möglich ist, dass Sand unmittelbar an der Trennstrecke vorhanden ist, wird bei der Trennung ein entstehender Lichtbogen sofort gelöscht.
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Durch die Beispiele ist gezeigt, wie durch räumlich getrenntes Anordnen von Gasraum und Trennstrecke in einem pyrotechnischen Schalter ein Lichtbogen wirkungsvoll unterdrückt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schalter
- 12, 12', 12'', 12'''
- Anschluss
- 14, 14', 14'', 14'''
- Anschluss
- 16
- Gehäuse
- 18, 18'
- Steckverbinder
- 20, 20'
- Stab
- 22, 22'
- Wand
- 24, 24'
- Kammer
- 26
- Sand
- 28
- Kunststoffplatte
- 30, 30'
- Treibsatz
- 32
- Zündkontakt
- 33
- Zündkontakt
- 34
- Verschlussteil
- 36
- Gasraum
- 38
- Richtung
- 40
- Auslassöffnung
- 42, 42'
- Trennstrecke
- 44
- Schalter
- 46
- Kunststoffplatte
- 48
- Schalter
- 50
- Anschluss
- 52
- Anschluss
- 54
- Kammer
- 56
- Hülse
- 58
- Stange
- 60
- Richtung
- 62
- Ring
- 64
- Treibsatz
- 66
- Zündkontakt
- 67
- Zündkontakt
- 68
- Gasraum
- 70
- Wandung
- 72
- Trennstrecke
- 74
- elektrischer Leiter
- 76
- Sollbruchstelle
- 78
- Leiterabschnitt
- 80
- Steckkontakt
- 82
- elektrischer Leiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19819662 A1 [0001, 0002]
