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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Relais zum Schalten eines elektrischen Stromes mit einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt, wobei der erste Kontakt mit dem zweiten Kontakt in einem Einschaltzustand in elektrischer Verbindung steht und in einem Ausschaltzustand von dem zweiten Kontakt elektrisch getrennt ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Ladekabel für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einem derartigen Relais sowie eine Ladestation zum Laden eines Energiespeichers in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit einem solchen Relais. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, vor den ein derartiges Relais geschaltet ist.
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Ein Relais ist ein ferngesteuerter Schalter, der in der Regel elektromagnetisch wirkt. Es wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und deaktiviert, wobei es einen Einschaltzustand und einen Ausschaltzustand einnimmt. Die relative Bewegung der Kontakte des Relais ist meist sehr gering und es werden in der Regel verhältnismäßig geringe Spannungen und Ströme geschaltet.
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Darüber hinaus sind Fehlerstromschutzschalter (RCD) zum Schutz gegen Fehlerströme bekannt. Solche Fehlerstromschutzschalter sind beispielsweise in Ladestationen integriert, wie sie zum Laden von Batterien elektrisch betriebener Fahrzeuge eingesetzt werden. Dabei ist ein Fehlerstromschutzschalter in der Regel in eine Steuerung, einen Wandler oder ein Messgerät der jeweiligen Ladestation integriert. Er kann aber auch in das Ladekabel eines elektrischen Fahrzeugs integriert sein.
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Die Fehlerstromschutzschalter sind üblicherweise Teil einer funktionellen Gesamtanwendung. Dies bedeutet, dass die Fehlerstromschutz-Funktion als zusätzliche Funktion zu einer einfachen Schaltfunktion vorgesehen ist.
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Bei den meisten fahrzeugbezogenen Anwendungen werden elektrische Relais dazu verwendet, den elektrischen Energiefluss in einem Fahrzeug anzuschalten oder abzuschalten. Die gleichen Relais werden benutzt, um die Last im Falle eines Erdungsfehlers zu trennen. Dies bedeutet, dass die Relais auch die Fehlerstromschutz-Anforderungen erfüllen müssen. Eine dieser Anforderungen ist der Test unter Kurzschlussbedingungen bei mehreren Tausend Ampere. Das Kontaktsystem und der Kontaktmechanismus kommerziell üblicher Relais sind für diese Bedingungen nicht ausgelegt. Übliche Relais zeichnen sich vielmehr durch folgende Eigenschaften aus:
- a) Das Öffnen der Kontakte ist normalerweise sehr langsam. Dies führt zu hoher Energieableitung in das Kontaktsystem.
- b) Die Kontaktkraft ist gering. Dies führt in Folge von Holm-Kräften zu einem frühzeitigen dynamischen Öffnen, sowie zu einer wichtigen Energieableitung.
- c) Die Zugkraft zum Trennen der Kontakte ist gering. Dies führt zu einer verminderten Wahrscheinlichkeit der Kontakttrennung, wenn beide Kontakte teilweise miteinander verschweißt sind.
- d) Die relative Bewegung des beweglichen Kontakts während des Schließens bzw. Öffnens ist verhältnismäßig gering. Damit besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Schmelzbrücken bei dem Öffnungsprozess.
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Die oben beschriebene Bauart der kommerziell üblichen Relais ist nicht dazu ausgelegt, die genannten Kurzschlusstests zu bestehen. Dennoch wäre es wünschenswert, gerade für das Laden von Batterien elektrischer Fahrzeuge kosteneffiziente und robuste Schalter mit RCD-Funktion zur Verfügung zu haben. Andernfalls könnten die Kontakte eines Relais miteinander verschweißen, sodass das Fahrzeug oder die Lastseite im Falle eines Fehlers ungeschützt ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein robustes Schaltelement bereitzustellen, das für eine hohe Anzahl an Schaltzyklen ausgelegt ist und dabei auch hohe Ströme schalten kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Relais zum Schalten eines elektrischen Stromes mit einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt, wobei der erste Kontakt mit dem zweiten Kontakt in einem Einschaltzustand in elektrischer Verbindung steht und in einem Ausschaltzustand von dem zweiten Kontakt elektrisch getrennt ist, wobei der erste Kontakt zumindest teilweise aus Silbergraphit gebildet ist.
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In vorteilhafter Weise wird also ein Relais bereitgestellt, das von außen fernsteuerbar ist und das zwei Kontakte aufweist, welche entsprechend einem Steuersignal verbindbar und trennbar sind, wobei mindestens einer der Kontakte zumindest teilweise aus Silbergraphit gebildet ist. Dieses Silbergraphit hat den Vorteil, dass der Kohlenstoffanteil verbrennt, wodurch deutlich Energie abgeführt werden kann und eine poröse und leicht zu trennende Schweißstelle entsteht.
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Der zweite Kontakt kann zumindest teilweise aus Silber oder Kupfer gebildet sein. Damit steht als zweiter Kontakt ein Kontakt zur Verfügung, der eine sehr hohe Abbrandfestigkeit besitzt.
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Speziell kann der zweite Kontakt zumindest teilweise aus einer Silberverbindung bzw. einem Gemisch auf Silberbasis gebildet sein. Silberverbindungen und –gemische gewährleisten in der Regel eine hohe Leitfähigkeit und Abbrandfestigkeit.
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Vorzugsweise ist der zweite Kontakt zumindest teilweise aus Silberwolfram, Silbergraphit oder Silbergraphit gebildet.
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Diese Kontaktmaterialien zeichnen sich durch hohe Verschleißfestigkeit und/oder hohe thermische Festigkeit aus.
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Alternativ kann der zweite Kontakt zumindest teilweise auch aus einem Silber-Metalloxid gebildet sein. Auch diese Materialien besitzen günstige Eigenschaften bzgl. Verschleiß und thermischer Haltbarkeit.
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Vorteilhafterweise ist das Relais für mehr als eine Million Schaltzyklen ausgelegt. Diese Anzahl der Schaltzyklen ist üblich für typische Relais und wesentlich höher als bei üblichen Fehlerstromschutzschaltern, welche eine deutlich kompliziertere Mechanik als übliche Relais besitzen.
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In einer speziellen Anwendung ist ein Ladekabel für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einem derartigen Relais ausgestattet. Damit besitzt das Ladekabel nicht nur die Funktionalität der einfachen Stromübertragung, sondern es besitzt auch eine Schaltfunktionalität und gewährleistet eine hohe Anzahl an Schaltzyklen, bei den üblicherweise bei Ladevorgängen eines Kraftfahrzeugs auftretenden Strömen.
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Des Weiteren kann auch eine Ladestation zum Laden eines Energiespeichers in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit dem oben genannten Relais ausgestattet sein. Damit wird das Schalten der gegebenenfalls hohen Ströme auf Seiten der Ladestation durchgeführt, sodass diese Funktion weder das Fahrzeug noch das Ladekabel zur Verfügung stellen muss.
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In einer weiteren Variante ist ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher mit einem derartigen Relais ausgestattet, wobei das Relais vor den Energiespeicher geschaltet ist, um einen Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher an- oder abzuschalten. Gegebenenfalls kann das Relais dann auch dafür verwendet werden, um Fehlerströme abzuschalten. Bei dieser Variante muss dann weder das Ladekabel noch die Ladestation mit einem entsprechenden Relais ausgestattet sein.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Relais zeigt.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Wie eingangs erwähnt wurde, soll ein Schalter bereitgestellt werden, der kostengünstig ist, eine hohe Anzahl an Schaltzyklen gewährleistet und Kurzschlussströme insbesondere beim Laden einer Fahrzeugbatterie schalten kann. Erfindungsgemäß wird ein solcher Schalter auf der Basis eines Relais bereitgestellt. Es ist jedoch schwierig und kostenintensiv, die Mechanik eines Relais so zu modifizieren, dass es die genannten Anforderungen erfüllt. Erfindungsgemäß wird daher für die Arbeitskontakte des Relais ein geeignetes Material oder mehrere geeignete Materialien verwendet, um die obigen Anforderungen zu erfüllen.
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Die Figur gibt ein erfindungsgemäßes Relais schematisch wieder. Es besitzt einen Elektromagneten 1, der mit Anschlüssen 2, 3 an einen Steuerstromkreis angeschlossen werden kann. Beispielsweise liegt an den Anschlüssen 2, 3 erst eine Spannung an, wenn ein Ladekabel zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs einerseits an eine Ladestation und andererseits an das Fahrzeug angeschlossen ist. Erst dann soll nämlich ein Ladestrom fließen und die Leitungen die entsprechende Spannung aufweisen.
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Der Elektromagnet 1 kann einen Anker 4 anziehen. Im vorliegenden Beispiel besteht der Anker im Wesentlichen aus einem ersten Schenkel, der direkt von dem Elektromagneten 1 angezogen werden kann, und einem zu dem ersten Schenkel senkrecht stehenden zweiten Schenkel. An der Verbindungsstelle 5 zwischen erstem und zweitem Schenkel ist der Anker 4 drehbar gelagert. Wird das freie Ende des ersten Schenkels von dem Elektromagneten 1 angezogen, so dreht sich dieser um die Verbindungsstelle 5, wodurch sich auch der zweite Schenkel entsprechend dreht.
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Darüber hinaus besitzt das Relais einen ersten Arbeitskontakt 6 und einen zweiten Arbeitskontakt 7, welche im vorliegenden Dokument auch einfach als erster Kontakt und zweiter Kontakt bezeichnet sind. An die Arbeitskontakte 6 und 7 kann ein Laststromkreis angeschlossen werden. Beispielsweise dient der Laststromkreis zum Laden der Batterie eines Fahrzeugs. Falls sich die beiden Kontakte 6, 7 in einem Einschaltzustand befinden, berühren sie sich und der Laststromkreis ist geschlossen. In dem genannten Beispiel wird dann die Batterie geladen. Andernfalls, wenn sich die Kontakte in einem Ausschaltzustand befinden, berühren sie sich nicht. In diesem Fall ist der Laststromkreis unterbrochen, und in dem gewählten Beispiel findet kein Laden der Batterie statt.
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Wird nun der Elektromagnet 1 über den Steuerstromkreis (nicht dargestellt) aktiviert, so zieht er den ersten Schenkel des Ankers 4 an. Mit dieser Bewegung des ersten Schenkels bewegt sich auch der zweite Schenkel des Ankers in der Figur nach rechts. Hierdurch wird der erste Kontakt 6 auf den zweiten Kontakt 7 bewegt, wodurch das Relais bzw. der daran angeschlossene Laststromkreis geschlossen wird.
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Entsprechend dem Gedanken der vorliegenden Erfindung wird der erste Kontakt 6 oder ein Teil davon aus Silbergraphit AgC hergestellt. Im Beispiel der Figur ist der erste Kontakt der linke von beiden Kontakten. Selbstverständlich kann der erste Kontakt auch der rechte Kontakt sein, der nicht von dem Anker 4 belegt wird.
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Vorzugsweise ist nur ein kleiner Kontaktabschnitt 8, 9 der jeweiligen Kontakte 6, 7 aus dem Silbergraphit hergestellt. Die Kontaktabschnitte 8 und 9 sind diejenigen Teile der Kontakte, die sich bei geschlossenem Relais tatsächlich berühren. Es handelt sich bei den Kontaktabschnitten 8 und 9 also um die Teile der Kontakte 6, 7, die im geöffneten Zustand (Ausschaltzustand) den kürzesten Abstand zwischen den beiden Kontakten 6, 7 bilden und durch die im geschlossenen Zustand des Relais (Einschaltzustand) der Strom fließt. Beim Schließen bzw. Öffnen bilden sich etwaige Lichtbögen zwischen diesen Kontaktabschnitten 8, 9.
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Der zweite Kontakt 7 oder ein Teil davon (Kontaktabschnitt 9) ist vorzugsweise aus einem der nachfolgenden Materialien hergestellt: Kupfer Cu, Silber Ag, Silber-Wolfram AgW, Silber-Metalloxid AgMeOx (beispielsweise AgSnO2), Silber-Karbid AgWC, Silber-Karbid-Graphit AgWCC.
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Das Kontaktmaterial auf Kuper- oder Silberbasis hat den Vorteil einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Wolfram hat die Eigenschaft einer höheren thermischen Stabilität, was zu einer höheren Viskosität führt, wenn die Kontaktoberfläche eines Silber-Wolfram-Kontakts schmilzt. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass der zweite Kontakt und der erste Kontakt 6 (aus Silbergraphit AgC) miteinander verschmelzen.
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Silber-Metalloxide zeigen in der Regel eine geringere thermische Stabilität als Silber-Wolfram. Auch die thermische Stabilität von Silbergraphit ist geringer als diejenige von Silber-Wolfram. Hinsichtlich der thermischen Stabilität wird also Silber-Wolfram als Material für den zweiten Kontakt 7 bevorzugt. Hinsichtlich der Verschleißfestigkeit hat Silbergraphit (AgC) Vorteile gegenüber Silber-Wolfram (AgW). Wird also mehr Wert auf den Verschweißwiderstand des Relais gelegt, so sollte der zweite Kontakt 7 bzw. dessen Kontaktabschnitt 9 auch aus Silbergraphit AgC gefertigt sein.
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Der Kohlenstoffanteil des Silbergraphit AgC schmilzt nicht, aber er brennt. Bei dem Brand entsteht ein Verbrennungsgas, und der angeschmolzene Oberflächenabschnitt zwischen den Kontakten 6, 7 wird sehr porös und brüchig.
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Der Silberanteil des bzw. jedes Kontakts schmilzt und verdampft im Berührungsbereich der Kontakte, wenn ein Lichtbogen auftritt. Dieses Schmelzen verbraucht einen deutlichen Teil der Lichtbogenenergie, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Kontaktverschweißens reduziert wird.
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Erfindungsgemäß wird demnach ein Relais mit einem Kontaktsystem bereitgestellt, bei dem mindestens einer der Kontakte zumindest teilweise aus Silbergraphit hergestellt ist. Der andere Kontakt des Relais ist vorzugsweise auch aus einem Material auf Silberbasis gefertigt. Ein Relais mit einer derartigen Kontaktkombination besitzt eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschweißen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromagnet
- 2
- Anschluss
- 3
- Anschluss
- 4
- Anker
- 5
- Verbindungsstelle
- 6
- Arbeitskontakt
- 7
- Arbeitskontakt
- 8
- Kontaktabschnitt
- 9
- Kontaktabschnitt
