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Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung zur Schnellabkopplung einer Energiequelle von einer Verbraucherseite, insbesondere für ein Bordnetz in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen ersten Kontakt zum Anschluss an die Energiequelle sowie einen zweiten Kontakt zum Anschluss an das Bordnetz.
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Eine derartige Trennvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 44 30 284 B4 zu entnehmen.
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Aufgrund von sicherheitstechnischen Anforderungen ist bei Kraftfahrzeugen gefordert, dass im Falle eines Unfalls eine Abkopplung des elektrischen Bordnetzes von der elektrischen Strom- oder Energiequelle, üblicherweise eine Batterie, erfolgt. Aus der
DE 44 30 284 B4 ist hierzu die Verwendung einer pyrotechnischen Sprengladung vorgesehen. Hierzu ist eine elektrisch leitfähige Hülse angeordnet, über die die einzige leitfähige Verbindung zwischen der Energiequelle und dem restlichen Bordnetz hergestellt ist, im Falle eines Unfalls wird die Sprengladung mittels eines elektrischen Signals, beispielsweise von einem Unfallsensor kommend, ausgelöst, so dass die Hülse und damit die leitfähige Verbindung zwischen Energiequelle und Verbraucherseite zerstört wird.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässig wirkende, alternative Trennvorrichtung ohne die Verwendung einer pyrotechnischen Sprengladung anzugeben.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch Trennvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach umfasst die Trennvorrichtung einen ersten Kontakt zum Anschluss an die Energiequelle, insbesondere Batterie, sowie einen zweiten Kontakt zum Anschluss an eine Verbraucherseite, insbesondere an ein elektrisches Leitungsnetz eines Kraftfahrzeugs. Die beiden Kontakte sind über einen spröden Träger verbunden, welcher zumindest an seiner Oberfläche eine leitfähige Verbindung zwischen den Kontakten ausbildet. Ergänzend umfasst die Trennvorrichtung ein insbesondere als Schlagelement ausgebildetes Zerstörungselement, welches im Auslösefall den Träger vorzugsweise durch eine mechanische Krafteinwirkung zerstört. Hierzu wird das Zerstörungselement gegen den Träger insbesondere schlagartig verfahren. Mit der Zerstörung des Trägers wird auch die darauf angebrachte leitfähige Verbindung zerstört.
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Diese Trennvorrichtung verzichtet daher auf die Verwendung einer pyrotechnischen Ladung und setzt demgegenüber anstelle einer chemischen Zerstörungsenergie eine nicht-chemische und insbesondere mechanische Zerstörungsenergie ein. Der Träger weist hierbei eine hohe Sprödigkeit auf, so dass er zuverlässig bei einem Schlag durch das Zerstörungselement zerbricht und damit die leitfähige Verbindung zwischen den Kontakten unterbrochen wird.
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Bei dieser Trennvorrichtung wird daher ein zweiteiliger Aufbau gewählt, bestehend aus dem leicht zerstörbaren Träger und der darauf angebrachten leitfähigen Verbindung, die mit dem Träger vorzugsweise flächig und stoffschlüssig verbunden ist, so dass also bei einer Zerstörung des Trägers zwangsläufig auch die leitfähige Verbindung unterbrochen wird. Insoweit wird durch den zweikomponentigen Aufbau eine Entkopplung der Funktionen mechanische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit geschaffen. Die Materialien können daher optioniert für die jeweilige Funktion ausgewählt werden. Durch die Verwendung des vergleichsweise spröden Trägers braucht daher die leitfähige Verbindung keine eigenständige mechanische Tragkraft aufzuweisen. Die leitfähige Verbindung kann mechanisch sehr schwach ausgebildet sein. Dadurch ist insgesamt die erforderliche zur Zerstörung der leitfähigen Verbindung erforderlichen Energie im Vergleich beispielsweise zu einer aus dem Stand der Technik bekannten metallischen Hülse deutlich verringert. Insofern ist auch die Anforderung an die aufzuwendende Kraft deutlich verringert. Durch diese Maßnahmen besteht die Möglichkeit, mit einem deutlich geringeren Kraftaufwand die elektrisch leitfähige Verbindung im Bedarfsfall zu zerstören. Es wird daher insbesondere auf eine pyrotechnische Sprengladung verzichtet.
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Zur Zerstörung des spröden Trägers und damit der darauf angebrachten leitfähigen Verbindung wird vorzugsweise eine mechanische Energie verwendet. Alternativ können auch andere Energiequellen herangezogen werden, die zu einer Zerstörung des Trägers führen. Je nach Werkstoff des Trägers können dies Schallwellen oder auch durch Temperaturgradienten hervorgerufene Materialbelastungen sein, die zu einem Bersten des spröden Trägermaterials führen. In diesen Fällen wäre das Zerstörungselement ein Thermoelement oder ein Schallelement.
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Zweckdienlicherweise ist hierzu vorgesehen, dass der Träger aus einem nichtleitenden Material, insbesondere aus Glas oder Keramik besteht. Ergänzend ist lediglich an seiner Oberfläche eine leitfähige Schicht zur leitenden Verbindung der Kontakte aufgebracht. Es ist also als wesentliches Konzept ein Komposit-Aufbau zwischen einem spröden Träger-Material und einer darauf stoffschlüssig aufgebrachten, üblicherweise duktilen leitfähigen Beschichtung ausgebildet. Die Schicht weist dabei eine ausreichende Leitfähigkeit für die zu erwartenden elektrischen Ströme auf.
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Zweckdienlicherweise ist die Schicht dabei mit Hilfe eines Spritzverfahrens aufgebracht, beispielsweise ein Plasmaspritzverfahren oder ein anderes thermischen Spritzverfahren. Insbesondere wird ein Verfahren eingesetzt, wie es beispielsweise in der
WO 2008/077608 A1 oder in der
EP 2 465 965 A1 beschrieben ist.
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Um ein zuverlässiges Zerstören des Trägers zu gewährleisten ist dieser zweckdienlicherweise nach Art einer Berstscheibe ausgebildet. Allgemein handelt es sich bei dem Träger um ein insgesamt relativ dünnes, plattenförmiges Gebilde, welches beispielsweise eine Stärke von 0,5 mm bis 1,5 mm aufweist.
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In bevorzugter Weiterbildung ist im Trägermaterial selbst insbesondere mechanische Energie gespeichert, die im Auslösefall von dem Zerstörungselement freigesetzt wird und zur Zerstörung des Trägers führt oder zumindest diese unterstützt. Hierdurch ist nur eine vergleichsweise geringe äußere Aktivierungsenergie, beispielsweise Wärmenergie (Temperaturgradient) oder Schallenergie erforderlich um die zur Zerstörung des Trägers erforderliche Zerstörungskraft zu erzeugen.
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Das Zerstörungselement braucht daher lediglich eine Aktivierungsenergie und damit eine Aktivierungskraft bereitzustellen.
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Hierzu ist das Material des Trägers in zweckdienlicher Weiterbildung vorgespannt. D. h. das Trägermaterial weist bereits eine Eigenspannung auf, wie dies beispielsweise bei der Glasherstellung durch unterschiedliche Abkühlprozesse bekannt ist. Dadurch ist also insgesamt ein zuverlässiges Zerstören des Trägers bereits bei einer vergleichsweise geringen äußeren mechanischen oder sonstigen Belastung gewährleistet
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Aufgrund des insgesamt sehr spröden und leicht brüchigen Trägers wird dieser vorzugsweise über zumindest ein Dämpfungselement gehalten. Unter Dämpfungselement wird allgemein eine weiche, nachgiebige Aufhängung des Trägers in einer Vorrichtung, beispielsweise einem Gehäuse etc. verstanden. Durch diese weiche oder elastische Aufhängung werden externe Stöße allenfalls gedämpft auf den Träger übertragen. Hierdurch ist in effizienter Weise vermieden, dass Vibrationen oder Erschütterungen, die beim normalen Fahrzeugbetrieb auftreten, zu einem ungewollten Auslösen der Schnellabkopplung führen.
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Zweckdienlicherweise ist als Dämpfungselement ein Schaumelement vorgesehen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen aushärtbaren Schaum, welcher also im plastisch verformbaren Zustand eingebracht wird und zugleich die Befestigung des Trägers übernimmt.
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Als Zerstörungs- oder Schlagelement, welches im Auslösefall auf den Träger einwirkt, wird zweckdienlicherweise ein insbesondere mit einer Spitze versehener Bolzen herangezogen. Durch die bolzenförmige Ausgestaltung, insbesondere verbunden mit einer möglichst scharfkantigen Spitze wird daher im Auslösefall eine lokal sehr hohe Flächenbelastung auf den Träger ausgeübt.
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Der Bolzen wird dabei zweckdienlicherweise mit Hilfe einer mechanischen Kraft quelle gegen den Träger geschlagen. Als mechanische Kraftquelle wird bevorzugt eine Feder verwendet. Vorzugsweise ist im normalen Ruhezustand der Bolzen über die Feder vorgespannt. Für die Betätigung der Trennvorrichtung wird daher allgemein mechanische Energie gespeichert, welche im Bedarfsfall aktiviert wird. Diese wird insbesondere über den Bolzen auf den Träger übertragen.
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Ergänzend ist zweckdienlicherweise noch eine mechanische Arretierung des Schlagelements angeordnet, damit dieses zuverlässig in der vorgespannten Stellung im Normalzustand gehalten wird.
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Die Arretierung ist dabei zweckdienlicherweise über ein elektrisches Auslösesignal lösbar. Die Arretierung umfasst vorzugsweise ein mechanisches Blockierungselement, welches den Bolzen bzw. die Feder in einer Ausgangsstellung hält. Ergänzend ist insbesondere vorgesehen, dass dieses mechanische Blockierungselement vorzugsweise elektromechanisch betätigt wird. Ein elektrisches Auslösesignal wird daher in eine mechanische Stellbewegung überführt, die dann auf das Blockierungselement wirkt, welches die Arretierung aufhebt. Hierzu wird beispielsweise ein Elektromagnet eingesetzt, bei dessen Aktivierung ein Anker betätigt wird, welcher beispielsweise das Blockierungselement aufweist oder betätigt. Es besteht auch die Möglichkeit der Verwendung von Piezoelementen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen:
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1 eine grob vereinfachte, ausschnittsweise Darstellung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit einer Batterie und einer Trennvorrichtung zur Schnellabkopplung des Bordnetzes von der Batterie sowie
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2 eine schematisierte Detaildarstellung der Trennvorrichtung.
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Das nur ausschnittsweise dargestellte Bordnetz 2 umfasst eine im Ausführungsbeispiel als Batterie 4 dargestellte elektrische Strom- oder Energiequelle. Die Batterie 4 ist üblicherweise über eine Sicherungseinrichtung, insbesondere eine sogenannte Vorsicherungsdose 6, mit einer Verbraucherseite 8 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist in der Vorsicherungsdose 6 eine Trennvorrichtung 10 zur Schnellabkopplung der Verbraucherseite 8 von der Batterie 4 angeordnet. Die Trennvorrichtung 10 kann grundsätzlich auch als eigenstände Vorrichtung außerhalb der Vorsicherungsdose 6, vorzugsweise dann unmittelbar nachfolgend zur Batterie 4, beispielsweise unmittelbar am Batteriepol angeordnet sein.
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Die Batterie 4 ist über eine elektrische Versorgungsleitung 12 mit der Trennvorrichtung 10 verbunden. Die Versorgungsleitung 12 wird über die Trennvorrichtung 10 im normalen Betriebszustand durchgeschleift und einer Sicherungsbox 14 zugeführt, die ebenfalls in der Vorsicherungsdose 6 enthalten ist. In der Sicherungsbox 14 erfolgt eine Stromverteilung über einzelne hier nicht näher dargestellte Sicherungen auf eine Mehrzahl von Verbrauchersträngen 16.
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Der Aufbau der Trennvorrichtung 12 geht insbesondere aus der 2 hervor, die eine Art Schnittdarstellung der Trennvorrichtung 10 zeigt. Die Trennvorrichtung 10 ist insgesamt in einem Gehäuse 20 angeordnet, und weist einen scheiben- oder plattenförmigen Träger 22 auf, welcher an gegenüberliegenden Gehäusewandungen jeweils über ein Dämpfungselement 24 befestigt ist. Das Dämpfungselement ist hierbei ein geschäumtes Material.
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Auf den Träger 22 ist eine im Vergleich zu dem Träger deutlich dünnere leitfähige Schicht 26 aufgebracht. An gegenüberliegenden Enden sind mit der Schicht 26 ein erster Kontakt 28A sowie ein zweiter Kontakt 28B elektrisch leitend verbunden. Über diese beiden Kontakte 28A, B erfolgt im eingebauten Zustand die elektrische Verbindung einerseits mit der Batterie 4 und andererseits mit der Verbraucherseite 8, insbesondere mit der Sicherungsbox 4.
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Im Gehäuse 20 ist weiterhin ein als Bolzen ausgebildetes Schlagelement 30 angeordnet, welches mittels einer Feder 32 mechanisch vorgespannt ist. Das Schlagelement 30 ist dabei vorzugsweise mittig in Relation zum Träger 22 angeordnet. Das Schlagelement 30 weist eine dem Träger 22 zugewandte Spitze auf.
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Das Schlagelement 30 ist in der Normalstellung gezeigt. In dieser ist es über eine mechanische Arretierung 34 gehalten. Die Arretierung 34 umfasst ein Arretierelement 36, welches über eine Betätigungseinrichtung 38 betätigbar ist.
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Bei der Betätigungseinrichtung 38 handelt es sich um eine über ein Elektrosignal ansteuerbare Einrichtung. Beispielsweise handelt es sich bei der Betätigungseinrichtung 38 um eine Magnetspule und das Arretierelement 36 ist durch einen entsprechenden Anker gebildet. Das Arretierelement 36 blockiert unmittelbar die Feder 32.
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Im Auslösefall wird von der Kraftfahrzeugelektronik ein Auslösesignal erzeugt. Dieses wird an die Betätigungseinrichtung 38 übertragen, welche daraufhin die Arretierung 34 freigibt.
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In der Folge wird das Schlagelement 30 schlagartig aufgrund der in der Feder 32 vorgespannten mechanischen Energie gegen den scheibenförmigen Träger 22 geschlagen und zerstört diesen. Dadurch ist die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontakten 28A, B zuverlässig unterbrochen.
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Der Träger 22 besteht aus einem sehr spröden, leicht brüchigen Trägermaterial, insbesondere aus Glas oder Keramik. Zweckdienlicherweise ist der Träger 22 darüber hinaus auch vorgespannt, weist also in seinem Inneren eine nicht homogene Spannungsverteilung auf. Die auf dem Träger 22 aufgebrachte Schicht 26 weist demgegenüber eine typischerweise deutlich höhere Duktilität als das Trägermaterial auf, ist daher deutlich weniger spröde. Die Schicht 26 besteht aus einem Metall mit guter Leitfähigkeit, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Schichtdicke der Schicht 26 ist deutlich kleiner als die des Trägers 22, um zuverlässig eine Unterbrechung der leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Kontakten 28A, B zu gewährleisten. Die Schichtdicke der Schicht 26 liegt beispielsweise lediglich im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm. Eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit kann durch eine ausreichend große Fläche erreicht werden. Die Leitfähigkeit ist dabei für die kraftfahrzeugtypischen Maximalströme ausgelegt, beispielsweise für eine Dauerstrombelastung von einigen zehn bis wenigen hundert Ampere. Die Schicht 26 ist dabei vorzugsweise durch einen Spritzprozess aufgebracht. Aufgrund dieses Aufbringverfahrens und/oder der nur dünnen Schichtdicke ist die Schicht 26 selbst – verglichen mit einem herkömmlichen massiven Metallleiter – spröder und kann daher im Auslösefall leichter brechen und damit zerstört werden. Die erforderliche mechanische Festigkeit für den normalen Betrieb wird durch den Träger 22 bereit gestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Bordnetz
- 4
- Batterie
- 6
- Vorsicherungsdose
- 8
- Verbraucherseite
- 10
- Trennvorrichtung
- 12
- Versorgungsleitung
- 14
- Sicherungsbox
- 16
- Verbraucherstrang
- 20
- Gehäuse
- 22
- Träger
- 24
- Dämpfungselement
- 26
- Schicht
- 28A
- erster Kontakt
- 28B
- zweiter Kontakt
- 30
- Schlagelement
- 32
- Feder
- 34
- Arretierung
- 36
- Arretierelement
- 38
- Betätigungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4430284 B4 [0002, 0003]
- WO 2008/077608 A1 [0010]
- EP 2465965 A1 [0010]
