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Die Erfindung betrifft eine Sicherungsschaltung. Sicherungsschaltungen werden beispielsweise eingesetzt, um elektrische Geräte gegen Überhitzung zu sichern.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Batterieanordnung mit einem Batteriemanagementsystem und mit einer Batterie. Derartige Batterieanordnungen werden in der Praxis häufig eingesetzt. Eine Batterie ist häufig als Akkumulator wiederaufladbar und weist üblicherweise mehrere Zellen auf. Batteriemanagementsysteme kommen als Batteriemanagementanordnungen zum Einsatz. Ein Batteriemanagementsystem ist zum kontrollierten Betrieb einer Batterie eingerichtet.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum sicheren Trennen einer Spannungsquelle. Ein solches Verfahren ist bekannt. So werden beispielsweise spannungsgesicherte Verfahren in der Praxis eingesetzt.
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Für Wechselstrom sind Thermosicherungen bekannt, bei denen bei Überschreiten der Temperatur am Ort der Sicherung aufgrund dieser Temperatur ein nicht stromtragendes Material in der Sicherung schmilzt, wodurch, möglicherweise federunterstützt, ein mechanischer Schalter betätigt wird, so dass der Stromkreis unterbrochen wird. Bei Betätigen des Schalters bildet sich ein sich vergrößernder Luftspalt aus, in dem bei Anliegen einer Spannung ein Lichtbogen entstehen kann. Bei Wechselspannungen kann dieses Vorgehen dennoch zu sicheren Schaltvorgängen führen; eventuell kurzfristig in der Sicherung auftretende Lichtbögen können bei einer Wechselspannung gelöscht werden, da die Stromstärke in regelmäßigen Abständen Nulldurchgänge hat. Derartige Nulldurchgänge treten bei Gleichspannungen nicht auf, so dass derartige Thermosicherungen bei Gleichspannungen ungeeignet sind.
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Bei mit einer Gleichspannung betriebenen elektronischen Anordnungen werden daher anstelle von temperaturgesicherten Sicherungsschaltungen üblicherweise andere Sicherungsschaltungen verwendet, wie beispielsweise spannungsgesteuerte Sicherungsschaltungen. Hier wird eine Spannung, beispielsweise an einer Zelle einer wiederaufladbaren Batterie, überwacht. Im Falle des Überschreitens wird eine Sicherung ausgelöst. Derartige spannungsgesteuerte Sicherungssysteme können jedoch problematisch sein, da insbesondere bei kleinen Bauteilen auch kleine Spannungen ausreichen können, um eine signifikante Temperaturerhöhung und somit eine Brandgefahr herbeizuführen. Auch gänzlich unabhängig von einer Spannung kann eine gefährliche, möglicherweise brandverursachende Temperaturerhöhung auftreten, so dass eine rein spannungsgesteuerte Sicherungsschaltung nicht immer ausreichend ist. Hinzu kommt eine in den vergangenen Jahren zu beobachtende zunehmende Verbreitung und wachsende Leistungsfähigkeit von Gleichstromanordnungen, die beispielsweise zusehends im Verkehr, beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz kommen. Es besteht somit ein bislang nicht ausreichend gelöstes Bedürfnis nach verbesserten Sicherungsschaltungen, insbesondere für den Gleichspannungsbereich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperatursicherung für Gleichspannungsquellen zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale von Anspruch 1 vor. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der genannten Aufgabe eine Sicherungsschaltung vorgeschlagen, die einen Spannungseingang, einen Spannungsausgang, einen Temperatursensor und eine Sicherung, mit der der Spannungsausgang in einen spannungsfreien Zustand überführbar ist, aufweist, wobei die Sicherung mit einem Ausgangssignal des Temperatursensors gekoppelt ist, wobei mindestens ein in der Sicherung ausgebildeter Strompfad durch thermische Einwirkung irreversibel deaktivierbar ist und wobei die thermische Einwirkung von einem mit dem Ausgangssignal des Temperatursensors gekoppelten Heizelement bewirkbar ist.
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Eine derartige Sicherungsschaltung ist vorteilhaft, da sie auch bei Gleichstromquellen eine zuverlässige temperaturgesteuerte, lichtbogenfreie Sicherungsmöglichkeit schafft. Bei einer derartigen Sicherungsschaltung sind nämlich Luftspalte, die bei Betätigen von mechanischen Schaltelementen entstehen können, vermeidbar, so dass die Ausbildung von nicht löschbaren Lichtbögen vermieden werden kann. Zweckmäßig kann es daher sein, wenn die Sicherung frei von mechanisch bewegbaren Schaltelementen ist. Durch eine erfindungsgemäße Sicherungsschaltung wird somit eine Temperatursicherung für Gleichspannungsquellen geschaffen.
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Die irreversible Deaktivierung eines in der Sicherung ausgebildeten Strompfads kann darüber hinaus die Sicherheit entscheidend erhöhen. So führt die Irreversibilität der Deaktivierung dazu, dass bei einer einmal aufgetretenen Deaktivierung ohne weitere Maßnahmen des Verwenders keine erneute Spannungsbeaufschlagung mehr auftreten kann, so dass eine Gefahrenquelle vorerst vollständig von der Energieversorgung getrennt ist und somit keinen Schaden mehr verursachen kann.
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Auch ein besonders gefahrträchtiger Wiedereintrittseffekt, der bei bekannten Sicherungsschaltungen auftreten kann, wird aufgrund der irreversiblen Deaktivierung von vornherein verhindert. Der Wiedereintrittseffekt beschreibt das Phänomen, dass bei der Überschreitung einer Temperaturschwelle (beispielsweise 80°C) zwar die Sicherung eine Spannungsfreiheit bewirkt, dass bei weiter steigenden Temperaturen bei Überschreiten einer höheren Temperaturschwelle (beispielsweise 250°C) die Sicherung ihre Sicherungswirkung wieder verliert, indem sie beispielsweise wieder stromleitend wird.
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Eine erfindungsgemäße Sicherungsschaltung kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer Batterieanordnung verwendet werden. So kann die Sicherungsschaltung eingesetzt werden zum Trennen der Spannungsquelle und somit zum Spannungsfreistellen eines Batteriemanagementsystems, insbesondere indem die Sicherungsschaltung zwischen die Batterie und das Batteriemanagementsystem eingebaut wird. Wichtig für die Praxis ist insbesondere das sichere Trennen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Allgemein ermöglicht die erfindungsgemäße Sicherungsschaltung eine universelle Behandlung von Fehlerzuständen in Anordnungen mit wiederaufladbaren Batterien, da praktisch alle Fehlerzustände zu einer Überhitzung führen, die erfindungsgemäß ein Auslösen der Sicherungsschaltung bewirkt.
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Der für die Erfindung benötigte Temperatursensor kann derart eingerichtet sein, dass mit ihm eine Temperatur der Batterieanordnung oder einer Umgebung derselben aufnehmbar ist. So kann es beispielsweise geschehen, dass elektronische Bauteile wie beispielsweise Feldeffekttransistoren des Batteriemanagementsystems durch Überspannungen defekt werden. Dies kann ein anormales ohmsches Leitverhalten erzeugen, das eine Erhitzung der Anordnung bewirken kann. In der Folge kann eine Zerstörung des Batteriemanagementsystems oder der Batterie oder im Extremfall einen Brand verursacht werden. Es kann somit insbesondere vorteilhaft sein, wenn eine Temperatur des Batteriemanagementsystems oder einer unmittelbaren Umgebung desselben aufnehmbar ist. In anderen Anwendungen kann eine Temperatur der Batterie oder einer angeschlossenen Last aufgenommen werden. Bei der Last kann es sich beispielsweise um einen Motor handeln. Ist die Batterieanordnung nicht an eine Last angeschlossen, sondern an eine Ladeeinheit, kann es auch vorteilhaft sein, wenn eine Temperatur der Ladeeinheit, insbesondere einer anderen, den Ladevorgang überwachenden Sicherheitsschaltung, aufgenommen wird. Insbesondere für die zuletzt genannten Anwendungsbeispiele kann es zweckmäßig sein, wenn der Temperatursensor einen Temperaturfühler aufweist, um spezifischer an die möglichen Gefahrquellen gelangen zu können.
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Neben einer Verwendbarkeit für eine Batterieanordnung kann die Sicherheitsschaltung jedoch auch generell bei Anordnungen, bei denen hohe Gleichströme zur Stromversorgung fließen, eingesetzt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung kann vorgesehen sein, dass das Heizelement zu seiner Versorgung an dem Spannungseingang angeschlossen ist. Dies kann vorteilhaft sein, wenn auch die Sicherungsschaltung Energie benötigt. Würde das Heizelement aus einer anderen Energiequelle gespeist als das an dem Spannungsausgang der Sicherungsschaltung angeschlossene zu sichernde Bauteil und würde die Energiequelle des Heizelements nicht funktionstüchtig sein, so könnte auch die Sicherungsschaltung nicht mehr ihren Zweck erfüllen. Für den Fall, dass das Heizelement jedoch aus der Eingangsspannung versorgt wird, ist es unschädlich, wenn die Sicherungsschaltung wegen Ausfalls der Energiequelle funktionsuntüchtig wird, da auch von dem an dem Spannungsausgang angeschlossenen zu sichernden Bauteil mangels Energieversorgung keine Gefahr ausgehen kann.
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Um das Verhalten der Sicherung effektiv kontrollieren zu können, kann alternativ oder zusätzlich bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung vorgesehen sein, dass das Ausgangssignal des Temperatursensors an einer Steuereinheit anliegt, wobei die Steuereinheit zur Bestromung des Heizelements bei Überschreiten eines Temperaturschwellwerts eingerichtet ist. Als Steuereinheit kommt vorzugsweise ein Transistor in Betracht, beispielsweise ein Feldeffekttransistor. Ein Feldeffekttransistor hat die Eigenschaft, dass über ein „Gate” der elektrische Widerstand einer Hauptstromleitung beeinflussbar ist. Ein Feldeffekttransistor ist somit durch Reduktion des elektrischen Widerstands zur Bestromung von Bauteilen eingerichtet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung kann vorgesehen sein, dass durch die thermische Einwirkung eine physikalische und/oder chemische Umwandlung eines leitenden Materials des mindestens einen Strompfads in einen nichtleitenden Zustand bewirkbar ist. Diese Umwandlung ist beispielsweise durch einen Phasenübergang oder durch eine Phasenumwandlung charakterisierbar. Dies kann vorteilhaft sein, da in einem Raumbereich schlagartig innerhalb kürzester Zeit das leitende Material in einen nichtleitenden Zustand überführbar ist, so dass das Entstehen von Lichtbögen vermieden wird. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn durch die thermische Einwirkung eine Umwandlung eines leitenden Materials des Strompfads in ein nichtleitendes Material bewirkbar ist. Üblicherweise wird es zweckmäßig sein, wenn das leitende Material einen kleinen Widerstandswert hat, so dass der Spannungsabfall über das leitende Material vernachlässigbar ist. Bei dem leitenden Material kann es sich beispielsweise um eine Schicht oder um einen Draht handeln. Der nichtleitende Zustand ist beispielsweise auch dadurch bewirkbar, dass das leitende Material des Strompfads zerstört wird, beispielsweise durch Schmelzen eines Drahts. Eine derartige Umwandlung in einen nichtleitenden Zustand kann vorteilhaft sein, da hierdurch die Stromversorgung des an dem zu sichernden an dem Spannungsausgang angeschlossenen Bauteils unterbrochen wird, wodurch zugleich eine Spannungsfreiheit erzielt werden kann. Eine physikalische und/oder chemische Umwandlung erfolgt beispielsweise durch thermische Einwirkung auch bei sogenannten „chemical fuses”. Die diesseitige Erfindung lehrt insbesondere, dass solche „chemical fuses” auch für eine temperaturgesteuerte Sicherheitsüberwachung verwendbar sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung kann vorgesehen sein, dass der Temperatursensor zur Erzeugung eines digitalen Signals eingerichtet ist. Eine Digitalität oder eine Digitalisierung des Ausgangssignals kann zu einer kontrollierteren Kopplung mit der Sicherung führen. Wird beispielsweise zur Steuerung des Heizelements ein Feldeffekttransistor verwendet und ein Temperatursensor mit negativem Temperaturkoeffizienten, so führt ohne Digitalisierung ein allmählich steigender Temperaturanstieg zu einem allmählich wachsenden Ausgangssignal. In diesem Fall wird somit der ohmsche Bereich eines Feldeffekttransistors langsam durchfahren, so dass er sich erhitzt. Bei größeren Batteriespannungen bestünde somit die Gefahr, dass sich der Feldeffekttransistor zu sehr erhitzt und hierdurch zerstört wird, wodurch die Ansteuerung des Heizelements ausfiele. Um dies zu vermeiden, kann es nützlich sein, wenn das Ausgangssignal ein digitales Signal ist, welches bei Überschreiten der Temperaturschwelle den ohmschen Bereich des Feldeffekttransistors überspringt. Es kann daher insbesondere zweckmäßig sein, wenn der Temperatursensor einen Analog-Digital-Wandler aufweist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass der Temperatursensor zu seiner Versorgung an dem Spannungseingang angeschlossen ist. Ähnlich wie oben im Zusammenhang mit einem an den Spannungseingang angeschlossenen Heizelement beschrieben, erhöht dies die Sicherheit der Sicherungsschaltung, da bei einem Anschluss an eine andere Spannungsquelle und einem Ausfall der Spannungsquelle der Temperatursensor kein die Sicherung auslösendes Signal erzeugen könnte. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn zwischen dem Spannungseingang und dem Temperatursensor ein Spannungswandler geschaltet ist. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Temperatursensor für eine Betriebsspannung eingerichtet ist, die sich von der Eingangsspannung an dem Spannungseingang unterscheidet.
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Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung vorgesehen sein, dass der mindestens eine Strompfad auch bei Überschreiten eines Stromstärkenschwellwerts eines in ihm fließenden Stroms in einen nichtleitenden Zustand übergeht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die Sicherung parallelgeschaltete Strompfade aufweist, die jeweils durch thermische Einwirkung deaktivierbar sind. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, um auch bei hohen Eingangsspannungen und begrenzter Stromtragfähigkeit der einzelnen Strompfade durch Verteilung der Ströme auf mehrere Strompfade eine funktionstüchtige Sicherung verfügbar zu machen. Dies kann auch sicherheitserhöhend sein. Wird beispielsweise jeder Strompfad von einem eigenen Heizelement betrieben und fällt ein Heizelement aus, so wird der betroffene Strompfad dennoch deaktiviert, da mit Deaktivierung der anderen Strompfade die Stromstärke in dem betroffenen Strompfad steigt, so dass er aufgrund seiner begrenzten Stromtragfähigkeit ebenfalls deaktiviert wird. Die Parallelschaltung bewirkt somit, dass selbst bei Ausfall eines einzelnen oder mehrerer Funktionselemente die Sicherung als solche noch funktionstüchtig ist.
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Um zu erreichen, dass nach Deaktivierung des mindestens einen Strompfads das Heizelement infolge weiter andauernder Bestromung nicht weiterhin eine möglicherweise selbst gefahrverursachende thermische Einwirkung bewirkt, kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung vorgesehen sein, dass das Heizelement über den mindestens einen Strompfad an dem Spannungseingang und/oder dem Spannungsausgang angeschlossen ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass wenigstens ein weiterer Strompfad hinter den mindestens einen Strompfad geschaltet ist, der ebenfalls durch das Heizelement deaktivierbar ist, wobei das Heizelement eine Stelle zwischen den hintereinander geschalteten Strompfaden elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise ist erreichbar, dass beide hintereinander geschalteten Strompfade durch das Heizelement deaktivierbar sind, so dass sichergestellt werden kann, dass das Heizelement auf keinen Fall mehr in einen geschlossenen Stromkreis integriert ist. Somit kann die Verbindung des Heizelements zum Spannungseingang und zum Spannungsausgang trennbar sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherungsschaltung kann vorgesehen sein, dass an dem Spannungseingang Anschlussmittel zum vorzugsweise lösbaren Anschließen einer Batterie eingerichtet sind und/oder dass an dem Spannungsausgang Anschlussmittel zum vorzugsweise lösbaren Anschließen eines Batteriemanagementsystems eingerichtet sind. Auf diese Weise ist die Sicherungsschaltung als eigenständiges Modul ausbildbar, so dass eine bereits gefertigte, möglicherweise ungesicherte oder ungenügend gesicherte Batterieanordnung mit Batterie und Batteriemanagementsystem mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsschaltung nachrüstbar ist.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des auf eine Batterieanordnung gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird zur Lösung der genannten Aufgabe somit erfindungsgemäß bei einer Batterieanordnung der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass die Batterieanordnung eine Sicherungsschaltung aufweist, die erfindungsgemäß, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine Sicherungsschaltung gerichteten Schutzansprüche, ausgebildet ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Sicherungsschaltung teilt eine derartige Batterieanordnung viele der Vorteile, die bereits oben im Zusammenhang mit der Sicherungsschaltung beschrieben wurden. Insbesondere hat eine erfindungsgemäße Batterieanordnung den Vorteil, dass die Batterie im Fehlerfall ohne Sicherheitsrisiko von dem Rest der Batterieanordnung spannungsfrei trennbar ist. Hierdurch wird eine Temperatursicherung für Gleichspannungsquellen geschaffen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Sicherungsschaltung zwischen der Batterie und einem Lastanschluss angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Batterieanordnung kann vorgesehen sein, dass die Sicherungsschaltung zwischen der Batterie und dem Batteriemanagementsystem angeordnet ist. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da Gefahren insbesondere auch von dem Batteriemanagementsystem ausgehen können, beispielsweise aufgrund eines Durchbrennens eines elektrischen Bauteils des Batteriemanagementsystems. Diese Gefahren sind mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung eindämmbar, da aufgrund der Anordnung der Sicherungsschaltung nicht nur eine angeschlossene Last, sondern auch das Batteriemanagementsystem selbst in einen spannungsfreien Zustand überführbar ist. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Sicherungsschaltung eingangsspannungsseitig mit der Batterie verbunden ist und ausgangsspannungsseitig mit dem Batteriemanagementsystem. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Sicherungsschaltung als Modul einfach austauschbar ist und dass sie als Modul in eine bislang ungesicherte Batterieanordnung eingebaut werden kann, bei der die Batterie wie üblich über Stromkabel mit dem Batteriemanagementsystem verbunden ist. Bislang ungesicherte Batterieanordnungen sind somit einfach nachrüstbar. Die elektrische Verbindung mit der Batterie und/oder mit dem Batteriemanagementsystem kann beispielsweise durch Stromkabel und/oder Stromschienen eingerichtet sein.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des auf ein Verfahren zum sicheren Trennen einer Spannungsquelle gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird zur Lösung der genannten Aufgabe somit erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass eine Temperatur aufgenommen wird, dass aus der Temperaturaufnahme ein Steuerungssignal erzeugt wird, welches bei Überschreiten eines Temperaturschwellwerts eine thermische Einwirkung auslöst, durch die mindestens ein Strompfad irreversibel deaktiviert wird. Da die meisten gefahrtragenden Fehlerquellen letztlich zu einer Temperaturerhöhung führen, erhöht ein Verfahren zum sicheren Trennen einer Spannungsquelle die Sicherheit entscheidend, wenn es darauf aufbaut, dass eine anormale Temperaturerhöhung registriert wird. Indem ein Strompfad irreversibel, insbesondere nicht bloß mittelbar, sondern unmittelbar, durch vorzugsweise flächige oder räumliche thermische Einwirkung deaktiviert wird, ist verhinderbar, dass Lichtbögen entstehen. Dies ist insbesondere bei Verwendung von Gleichspannungsquellen, bei denen – wie oben schon beschrieben – ein Löschen der Lichtbögen problematisch ist, vorteilhaft und führt zu erhöhter Sicherheit. Durch ein solches Verfahren wird somit eine Temperatursicherung für Gleichspannungsquellen geschaffen.
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Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung einer Batterieanordnung wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine Batterieanordnung gerichteten Schutzansprüche durchgeführt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Steuerungssignal als ein digitales Signal bereitgestellt wird. Dies kann zu einem kontrollierteren und somit sichereren Auslösen der Sicherung und somit Trennen der Spannungsquelle führen. Ein Beispiel wurde bereits oben angeführt, bei dem ein Feldeffekttransistor zur Steuerung der Sicherung eingesetzt wird.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des Ausführungsbeispiels.
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Es zeigt:
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1 ein Blockschaltbild einer Batterieanordnung mit einer zwischen einer Batterie und einem Batteriemanagementsystem zwischengeschalteten Sicherungsschaltung.
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Die in 1 dargestellte Batterieanordnung 20 weist eine Batterie 16, eine Sicherungsschaltung 1 und ein Batteriemanagementsystem 19 auf. Bei der Batterie 16 handelt es sich um einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer Vielzahl von Zellen. Das Batteriemanagementsystem 19 hat Anschlussmittel 22, 23 eines Lastanschlusses 26 für eine Last oder für eine Ladeeinheit. Die Sicherungsschaltung 1 ist an ihrem Spannungseingang 2 an den Anschlussmitteln 14, 15 über Stromkabel oder Stromschienen an der Batterie 16 angeschlossen. An dem Spannungsausgang 3 der Sicherungsschaltung 1 ist an den Anschlussmitteln 17, 18 das Batteriemanagementsystem 19 ebenfalls über Stromkabel oder Stromschienen angeschlossen.
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Die Sicherungsschaltung 1 hat auf einer gemeinsamen Leiterplatte 24 drei Module. Dies sind eine Sicherung 5, ein Temperatursensor 4 sowie ein Spannungswandler 13. Die Sicherungsschaltung 1 ermöglicht ein Verfahren zum sicheren Trennen einer Spannungsquelle von einem Batteriemanagementsystem 19 und/oder einer Last. Mit dem Temperatursensor 4 wird die Temperatur aufgenommen, die an dem Ort des Temperatursensors 4 auf der Leiterplatte 24 herrscht. Es wird somit eine Temperatur einer Umgebung der Batterieanordnung 20 aufgenommen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist der Temperatursensor 4 einen Temperaturfühler auf, mit dem eine Temperatur an einem anderen Ort, beispielsweise an einem Ort in der unmittelbaren Umgebung des Batteriemanagementsystems 19 oder der Last, aufnehmbar ist.
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Der Temperatursensor 4 erzeugt zunächst ein Steuerungssignal 21, welches somit ein Ausgangssignal 6 des Temperatursensors 4 ist. Die Sicherung 5 ist mit einem Ausgangssignal 6 des Temperatursensors 4 gekoppelt. So wird das Steuerungssignal 21 zunächst an eine Steuereinheit 10 übermittelt. Bei Überschreiten eines Temperaturschwellwerts, der in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 80°C beträgt, schließt die Steuereinheit 10 die Stromleitung 25, so dass Strom durch das Heizelement 9 zu fließen beginnt. Das Heizelement 9 heizt sich auf und löst eine thermische Einwirkung aus, durch die die Strompfade 7 und 8, die zusammen mit dem Heizelement 9 in einer isolierten Kapsel angeordnet sind, irreversibel deaktiviert werden, indem die sie bildenden Drähte geschmolzen werden. Hierbei ist der Strompfad 8 hinter den Strompfad 7 geschaltet. Das Heizelement 9 kontaktiert elektrisch an einer Stelle zwischen den beiden Strompfaden 7 und 8. Beide Strompfade 7 und 8 sind somit gleichermaßen durch thermische Einwirkung irreversibel deaktivierbar. Die thermische Einwirkung ist dabei von dem mit dem Ausgangssignal 6 des Temperatursensors 4 gekoppelten Heizelement 9 bewirkbar. Durch das Schmelzen der Drähte wird der Pluspol der Batterie 16 von dem Batteriemanagementsystem 19 elektrisch getrennt. Dies hat zur Folge, dass an den beiden Anschlüssen des Spannungsausgangs 3 die zuvor aufgebaute Ausgangsspannung auf null abfällt. Das Batteriemanagementsystem 19 wird somit spannungsfrei und die Batterie 16 wird von dem Rest der Batterieanordnung 20 getrennt. Mit der Sicherung 5 ist somit der Spannungsausgang 3 in einen spannungsfreien Zustand überführbar.
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Das vereinfachte in 1 gezeigte elektronische Schaltbild der Sicherung 5 zeigt, dass in diesem Ausführungsbeispiel das Heizelement 9 zu seiner Versorgung an dem Spannungseingang 2 angeschlossen ist, so dass die Sicherung 5 aus der Eingangsspannung gespeist wird. Die Strompfade 7 und 8 haben einen kleinen Widerstandswert. Die in den Strompfaden 7 und 8 auftretenden Spannungsverluste sind somit vernachlässigbar. Auch der Temperatursensor 4 wird von der Eingangsspannung gespeist. Er ist somit zu seiner Versorgung an dem Spannungseingang 2 angeschlossen. Es ist allerdings ein Spannungswandler 13 zwischengeschaltet, da der Temperatursensor mit einer niedrigeren Spannung betrieben wird als die Batterie zur Verfügung stellt. Auch das Heizelement 9 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel an dem Spannungseingang 2 angeschlossen.
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Die Steuereinheit 10 ist als Transistor 11 oder genauer als Feldeffekttransistor ausgebildet. Das Ausgangssignal 6 des Temperatursensors 4 liegt am „Gate” des Feldeffekttransistors an. Der Feldeffekttransistor ist bei Überschreiten des Temperaturschwellwerts zur Bestromung des Heizelements 9 eingerichtet.
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Der Temperatursensor 4 weist einen Analog-Digital-Wandler 12 auf. Der Temperatursensor 4 ist somit zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals 6 eingerichtet. Hierdurch wird das Steuerisgnal 21 als digitales Signal bereitgestellt. Der Temperatursensor 4 liefert unterhalb des Temperaturschwellwerts ein amplitudenloses Ausgangssignal 6 und oberhalb des Temperaturschwellwerts ein Ausgangssignal 6, welches eine Stärke aufweist, die groß genug ist, um den Feldeffekttransistor außerhalb seines ohmschen Bereichs zu betreiben.
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Wie oben bereits beschrieben, ist das leitende Material der Strompfade 7 und 8 durch die von dem Heizelement 9 bewirkbare thermische Einwirkung schmelzbar. Durch die thermische Einwirkung ist somit eine physikalische und/oder chemische Umwandlung des leitenden Materials der Strompfade 7 und 8 in einen nichtleitenden Zustand bewirkbar.
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Die die Strompfade 7 und 8 bildenden Drähte sind so eingerichtet, dass sie auch bei Überschreiten einer bestimmten Stromstärke zerstört werden. Die Strompfade 7 und 8 gehen somit auch in diesem Fall in einen nichtleitenden Zustand über.
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Bei einer Sicherungsschaltung 1, mit der ein Spannungsausgang 3 in einen spannungsfreien Zustand überführbar ist, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein in einer Sicherung 5 ausgebildeter Strompfad 7, 8 durch thermische Einwirkung irreversibel deaktivierbar ist und dass die thermische Einwirkung von einem mit einem Ausgangssignal 6 eines Temperatursensors 4 gekoppelten Heizelement 9 bewirkbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine Batterieanordnung 20 mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsschaltung 1 und ein Verfahren zum sicheren Trennen einer Spannungsquelle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sicherungsschaltung
- 2
- Spannungseingang
- 3
- Spannungsausgang
- 4
- Temperatursensor
- 5
- Sicherung
- 6
- Ausgangssignal (von 4)
- 7
- Strompfad
- 8
- weiterer Strompfad
- 9
- Heizelement
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Transistor
- 12
- Analog-Digital-Wandler
- 13
- Spannungswandler
- 14
- Anschlussmittel (für 16)
- 15
- Anschlussmittel (für 16)
- 16
- Batterie
- 17
- Anschlussmittel (für 19)
- 18
- Anschlussmittel (für 19)
- 19
- Batteriemanagementsystem
- 20
- Batterieanordnung
- 21
- Steuerungssignal
- 22
- Anschlussmittel (von 19)
- 23
- Anschlussmittel (von 19)
- 24
- Leiterplatte
- 25
- Stromleitung
- 26
- Lastanschluss
