DE102015200507A1

DE102015200507A1 - Schalt- und Schutzeinrichtung für Hochvolt-Bordnetze

Info

Publication number: DE102015200507A1
Application number: DE102015200507.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Minke; Karsten Haupt; Ernst-Dieter WILKENING; Hendrik-Christian Köpf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2016-07-21
Also published as: CN105810515A; CN105810515B; EP3046124A1; US10276314B2; JP2016134383A; EP3046124B1; JP6165278B2; KR20160088228A; KR101798730B1; US20160211087A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalt- und Schutzeinrichtung (1) für Hochvolt-Bordnetze, umfassend einen Gleichspannungsschalter und eine Schmelzsicherung (12), wobei der Gleichspannungsschalter ein Gehäuse (2), mindestens zwei feststehende Kontakte (3) und eine Brücke (5), die beweglich zu den feststehenden Kontakten (3) ausgebildet ist, aufweist, wobei die Brücke (5) aus einem elektrischen Isolator gebildet ist, wobei auf der Brücke (5) zwei Kontakte (8) angeordnet sind, die derart auf der Brücke (5) angeordnet sind, dass diese bei einer Bewegung der Brücke (5) in Richtung der feststehenden Kontakte (3) die feststehenden Kontakte (3) kontaktieren, wobei die beiden auf der Brücke (5) angeordneten Kontakte (8) durch die Schmelzsicherung (12) miteinander elektrisch verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalt- und Schutzeinrichtung für Hochvolt-Bordnetze, insbesondere für Hochvolt-Bordnetze in einem Kraftfahrzeug.
Schalt- und Schutzeinrichtungen für Hochvolt-Bordnetze dienen dazu, den Nennstrom sowie einen gegebenenfalls vorübergehenden Überstrom des Hochvolt-Bordnetzes zu führen. Über die Schalteinrichtung wird das Hochvolt-Bordnetz bei jedem Ausschaltvorgang vorzugsweise allpolig getrennt. Die Schutzeinrichtung dient hingegen zur Trennung einer Hochvolt-Batterie bei Fehlerströmen, die größer als die Überströme sind. Die Schutzeinrichtungen sind dabei üblicherweise als Schmelzsicherungen ausgebildet. Die Schalteinrichtungen sind vorzugsweise als Gleichspannungsschalter in Form eines Relais ausgebildet. Dabei sind bei allpoligen Trennungen auch Ausführungsformen möglich, wo eine Schalteinrichtung als Relais und eine Schalteinrichtung als Leistungshalbleiter ausgebildet ist.
Die üblicherweise eingesetzten Schmelzsicherungen sind hermetisch abgedichtete Sicherungen mit Keramik- oder Kunststoffgehäusen, in denen mehrere Schmelzleiter mit definierten Engstellen parallel geschaltet sind. Vorzugsweise sind die Gehäuse zusätzlich mit einem Löschmedium wie beispielsweise Sand gefüllt.
Neben dem dadurch nicht zu vernachlässigenden Bauraum der Schmelzsicherungen stellen insbesondere die Anforderungen in einem Hochvolt-Bordnetz für Kraftfahrzeuge bezüglich der Auslösecharakteristik hohe Anforderungen. So können beispielsweise die zulässigen Überströme relativ hoch sein. Des Weiteren sind durch die Parallelschaltung fertigungsbedingte Bauteiltoleranzen zu berücksichtigen, was somit die zu erreichenden Ausschaltzeiten vergrößert.
Aus der DE 20 2012 013 107 U1 ist eine Lichtbogenlöscheinrichtung für ein elektrisches Installationsschaltgerät bekannt, wobei das Installationsschaltgerät eine aus einem feststehenden und einem beweglichen Kontraktstück gebildete Kontaktstelle umfasst. Dabei umfasst die Lichtbogenlöscheinrichtung ein mehrere Lichtbogenlöschbleche aufweisendes Lichtbogenlöschpaket.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Schalt- und Schutzeinrichtung zu schaffen, die weniger Bauraum benötigt.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Schalt- und Schutzeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst die Schalt- und Schutzeinrichtung für Hochvolt-Bordnetze einen Gleichspannungsschalter und eine Schmelzsicherung. Der Gleichspannungsschalter weist ein Gehäuse, mindestens zwei feststehende Kontakte und eine Brücke auf, wobei die Brücke beweglich zu den feststehenden Kontakten ausgebildet ist, wobei die Brücke beispielsweise mittels eines Gestänges gegen eine Feder bewegt wird. Das Gehäuse ist dabei vorzugsweise hermetisch, d.h. gasdicht, ausgebildet. Die Brücke ist aus einem elektrischen Isolator gebildet, wobei auf der Brücke zwei Kontakte angeordnet sind, die derart auf der Brücke angeordnet sind, dass diese bei einer Bewegung der Brücke in Richtung der feststehenden Kontakte diese kontaktieren, wobei die beiden Kontakte auf der Brücke durch die Schmelzsicherung miteinander verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung wird die Schmelzsicherung in die Schalteinrichtung integriert, was zu einer geringfügigen Vergrößerung des Bauraums der Schalteinrichtung führt, was aber durch den Wegfall der externen Schmelzsicherung mit ihrem hermetischen Gehäuse zu einem insgesamt verringerten Bauraum führt. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Auslösecharakteristik der integrierten Schmelzsicherung genauer einstellen lässt, sodass auch verringerte Ausschaltzeiten erreichbar sind. Vorzugsweise sind die Kontakte mit der Brücke verschraubt oder vergossen oder eingespritzt.
In einer Ausführungsform ist die Schmelzsicherung als Draht ausgebildet, der oberhalb der Brücke zwischen den Kontakten angeordnet ist. Beispielsweise ist der Draht aus Kupfer. Wird während eines Fehlerstromflusses der Draht thermisch überlastet, verdampft der Draht explosionsartig. Die hierbei auftretenden Druckwellen und Veränderungen des Leitwertes des Drahtes bzw. des auftretenden Schaltlichtbogens führen aufgrund des Explosionsvorganges zu einem Spannungssprung bzw. einer Zündspitze der Lichtbogenspannung. Wenn der Sprung bzw. die Zündspitze der Lichtbogenspannung die treibende Spannung übersteigt, führt dies im Fall ohmscher Lasten oder ohmsch-induktiver Lasten zu einem Verlöschen des Schaltlichtbogens.
Alternativ kann die Schmelzsicherung auch auf der Brücke als Leiterbahnzug ausgebildet sein.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Schmelzsicherung teilweise oder vollständig in die Brücke eingebettet. Vollständig eingebettet bedeutet dabei, dass die Schmelzsicherung komplett von dem Isolierstoff der Brücke umschlossen ist (mit Ausnahme der Kontaktierungsstellen zu den Kontakten). Die Einbettung in den Isolierstoff der Brücke erlaubt dabei eine noch kompaktere Bauform. Zur Sicherstellung des Löschens des Schaltlichtbogens sind dabei verschiedene ergänzende Maßnahmen möglich.
In einer Ausführungsform besteht die Brücke aus einem bei der Schmelztemperatur der Schmelzsicherung stark ausgasenden Material wie vorzugsweise Plexiglas oder Polyoxymethylen. Dies führt zu einem starken Druckanstieg aufgrund der Gasbildung sowie einer gleichzeitigen Kühlung durch die chemischen Zersetzungsvorgänge in der Schalteinrichtung, was den Löschvorgang bewirkt.
Alternativ kann die Brücke auch aus einer Keramik bestehen oder allgemeiner aus einem abbrandfesten, elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Material. Der Grundgedanke dabei ist, dem Lichtbogen über die thermische Leitfähigkeit des Materials der Brücke thermische Energie zu entziehen, um ihn so zum Verlöschen zu bringen.
In einer weiteren Ausführungsform, die vorzugsweise zum Einsatz kommt, wenn die Schmelzsicherung nur teilweise eingebettet ist, sind parallel zu den feststehenden Kontakten elektrisch leitende Laufschienen angeordnet, zwischen denen ein Isolierkörper angeordnet ist, der gegenüber den Laufschienen jeweils einen Spalt aufweist. Das Grundprinzip ist dabei analog dem stark ausgasenden Material. Durch die Laufschiene wird der Lichtbogen in den engen Spalt gedrückt, wo sich dieser entlang erstreckt und den Isolierkörper lokal stark erhitzt. Somit kommt es zu Ausgasungen, wobei der steigende Druck zu einem Löschen des Lichtbogens führt.
Dabei können auf der Brücke Leitstrukturen, vorzugsweise keilförmige Strukturen, angeordnet sein, die derart ausgebildet sind, dass diese den Lichtbogen zwischen die Laufschiene und den Isolierkörper lenken, um so das Erlöschen zu beschleunigen.
In einer alternativen Ausführungsform sind oberhalb der Brücke Löschbleche angeordnet, die vorzugsweise parallel angeordnet sind. Die Löschbleche sind weiter vorzugsweise aus Messing oder Eisen, die dann sogenannte magnetische Löschblechpakete bilden. Aufgrund der Magnetisierung saugen diese den Lichtbogen zwischen die Bleche, was zu einer Reihenschaltung mehrerer Lichtbögen führt, die dann aufgrund der insgesamt höheren Bogenbrennspannung den abzuschaltenden Strom zu Null zwingen. Dabei entziehen die relativ kalten Löschbleche den Lichtbögen zusätzlich Wärmeenergie, was zu einer Widerstandserhöhung der Lichtbögen führt. Dies führt zu einem schnellen Verlöschen der Lichtbögen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist ein Isolierkörper derart angeordnet, dass dieser bei Schmelzen der Schmelzsicherung zwischen die Kontakte bewegt wird, um so den Lichtbogen zu unterbrechen. Der Isolierkörper ist dabei vorzugsweise keilförmig ausgebildet. Die Bewegung des Isolierkörpers kann dabei beispielsweise mittels eines pyrotechnischen Treibsatzes ausgelöst werden. Alternativ kann eine vorgespannte Feder zum Einsatz kommen, die beim Schmelzen der Schmelzsicherung entspannt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Schalt- und Schutzeinrichtung in einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Schalt- und Schutzeinrichtung in einer zweiten Ausführungsform und
3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Schalt- und Schutzeinrichtung in einer dritten Ausführungsform.
In der 1 ist eine Schalt- und Schutzeinrichtung 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Schalt- und Schutzeinrichtung 1 weist ein hermetisches Gehäuse 2 auf, aus dem zwei feststehende Kontakte 3 herausgeführt sind. An den feststehenden Kontakten 3 können dann HV-Leitungen 4 angeschlossen werden, die dann beispielsweise die Schalt- und Schutzeinrichtung 1 mit einer nicht dargestellten HV-Batterie und einem Zwischenkreis verbinden. Weiter weist die Schalt- und Schutzeinrichtung 1 eine Brücke 5 auf, die aus einem elektrischen Isolator besteht. Die Brücke 5 ist mit einem Gestänge 6 verbunden, das nach unten aus dem Gehäuse 2 geführt ist. Das Gestänge 6 ist dabei durch eine magnetische Kraft gegen eine Feder oder einen ähnlichen Aktor nach oben bewegbar. Die Brücke 5 ist mit zwei Kontaktelementen 7 verbunden. Die Kontaktelemente 7 weisen jeweils einen Kontakt 8 und einen Hohlzylinder 9 auf, die durch ein Basiselement 10 miteinander verbunden sind. Zwischen den Hohlzylindern 9 ist eine Schmelzsicherung 12 in Form eines Drahtes 11 elektrisch leitend angeordnet. Die Verbindung zwischen Draht 11 und Hohlzylinder 9 kann beispielsweise eine Klemm- oder Schraubverbindung sein. Andere Befestigungsarten sind möglich, wobei die Befestigung thermisch stabil sein muss. Über den Hohlzylinder 9 wird dann das Kontaktelement 7 mit der Brücke verschraubt. Auch die Verbindung zwischen Kontaktelement 7 und Brücke 5 kann durch alternative Befestigungsverfahren erfolgen. In diesem Fall kann dann der Hohlzylinder 9 auch durch ein anderes Element zur Aufnahme des Drahtes 11 ersetzt werden. Hohlzylinder 9 und Basiselement 10 sind vorzugsweise einstückig. Der Kontakt 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als separates Teil in das Basiselement 10 eingesetzt, kann aber auch einstückig mit diesem ausgebildet sein. Der Kontakt 8 ist dabei auf die Form und Lage der feststehenden Kontakte 3 abgestimmt.
Der Draht 11 ist derart dimensioniert, dass dieser den Nennstrom als auch den betriebsbedingten Überstrom führen kann, hingegen bei Fehlerströmen größer einem Schwellwert über den Überströmen explosionsartig verdampft. Dabei lässt sich die Auslösecharakteristik des Drahtes 11 im Vergleich zum Stand der Technik sehr gut einstellen, sodass die Auslösung schneller und zuverlässiger erfolgen kann. Im regulären Betrieb wird beispielsweise eine dem Gestänge 6 zugeordnete Spule (nicht dargestellt) bestromt und aufgrund einer magnetischen Kraft das Gestänge 6 gegen eine Federkraft nach oben bewegt. Berühren sich dann die Kontakte 8 und die feststehenden Kontakte 3, so ist die elektrische Verbindung zwischen den feststehenden Kontakten 3 hergestellt. Kommt es dann zu einem Fehlerstrom, verdampft der Draht 11, wobei ein sich bildender Lichtbogen mit Hilfe der Druckerhöhung aufgrund der explosionsartigen Verdampfung gelöscht wird. Dabei bleiben die Kontakte 8 und die feststehenden Kontakte 3 vorzugsweise in Kontakt, um nicht einen weiteren Lichtbogen zu bilden.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform für die Schalt- und Schutzeinrichtung 1 dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei ist anzumerken, dass der Schnitt im Vergleich zu 1 anders gelegt wurde.
Das Kontaktelement 7 weist wieder einen Kontakt 8 und ein Basiselement 10 auf, die beispielsweise miteinander vernietet oder verlötet sind, was durch die Strichelung angedeutet ist. Alternativ können diese einstückig ausgebildet sein oder aber der Kontakt 8 ist in das Basiselement 10 eingesteckt. Das Basiselement 10 ist mit der Brücke 5 vorzugsweise verschraubt, was ebenfalls durch die Strichelung angedeutet ist. Zwischen den beiden Basiselementen 10 liegt die Schmelzsicherung 12, die teilweise in die Brücke 5 eingebettet ist (ebenfalls durch Strichelung angedeutet). Die Verbindung zwischen der Schmelzsicherung 12 und den Basiselementen 10 ist beispielsweise eine Steckverbindung. Die Brücke 5 besteht vorzugsweise aus einem stark ausgasenden Material wie beispielsweise Plexiglas oder POM (Polyoxymethylen).
Im Falle eines Fehlerstroms schmilzt die Schmelzsicherung 12, wobei aufgrund der entstehenden Wärme zusätzlich die Brücke 5 ausgast. Dies führt zu einer Druckerhöhung im hermetischen Gehäuse 2, sodass ein zwischen den Basiselementen 10 auftretender Lichtbogen gelöscht wird.
In der 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform für die Schalt- und Schutzeinrichtung 1 dargestellt, wobei wieder gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei ist die Schalteinrichtung im geschlossenen Zustand dargestellt, d.h. die Kontakte 8 kontaktieren die feststehenden Kontakte 3. Zusätzlich zu 2 weist die Schalt- und Schutzeinrichtung 1 zwei Laufschienen 13 auf, die jeweils parallel zu den feststehenden Kontakten 3 verlaufen und mit diesen verschraubt sind.
Zwischen den Laufschienen 13 ist ein Isolierkörper 14 angeordnet, der an den den Laufschienen 13 gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Spalt aufweist. Der Spalt verläuft dabei parallel zu den Laufschienen 13. Der Isolierkörper 14 besteht dabei aus einem stark gasenden Material wie Plexiglas oder POM. Der Isolierkörper 14 ist dabei beispielsweise mit dem Gehäuse 2 verschraubt. Auf den Basiselementen 10 sind weiter zwei Leitstrukturen 15 angeordnet, zwischen denen sich die Schmelzsicherung 12 erstreckt. Die Leitstrukturen 15 sind keilförmig ausgebildet und beispielsweise mit den Basiselementen 10 verschraubt. Hierdurch wird ein entstehender Lichtbogen beim Schmelzen der Schmelzsicherung 12 über die Leitstruktur 15 in einen Kanal 16 zwischen der Laufschiene 13 und dem Isolierkörper 14 mit dem Spalt geleitet. Der in dem engen Spalt verlaufende Lichtbogen erhitzt den Isolierkörper 14, der dann auszugasen beginnt. Die dadurch entstehende Druckerhöhung lässt dann den Lichtbogen erlöschen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202012013107 U1 [0005]

Claims

Schalt- und Schutzeinrichtung (1) für Hochvolt-Bordnetze, umfassend einen Gleichspannungsschalter und eine Schmelzsicherung (12), wobei der Gleichspannungsschalter ein Gehäuse (2), mindestens zwei feststehende Kontakte (3) und eine Brücke (5), die beweglich zu den feststehenden Kontakten (3) ausgebildet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (5) aus einem elektrischen Isolator gebildet ist, wobei auf der Brücke (5) zwei Kontakte (8) angeordnet sind, die derart auf der Brücke (5) angeordnet sind, dass diese bei einer Bewegung der Brücke (5) in Richtung der feststehenden Kontakte (3) die feststehenden Kontakte (3) kontaktieren, wobei die beiden auf der Brücke (5) angeordneten Kontakte (8) durch die Schmelzsicherung (12) miteinander elektrisch verbunden sind.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung (12) als Draht (11) ausgebildet ist, der oberhalb der Brücke (5) zwischen den beiden Kontakten (8) angeordnet ist.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung (12) teilweise oder vollständig in die Brücke (5) eingebettet ist.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (5) aus einem bei der Schmelztemperatur der Schmelzsicherung (12) stark ausgasenden Material besteht.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (5) aus Plexiglas oder Polyoxymethylen besteht.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (5) aus einer Keramik besteht.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den feststehenden Kontakten (3) elektrisch leitende Laufschienen (13) angeordnet sind, zwischen denen ein Isolierkörper (14) angeordnet ist, der gegenüber den Laufschienen (13) jeweils einen Spalt aufweist.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Brücke (5) Leitstrukturen (15) angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass diese einen Lichtbogen zwischen die Laufschiene (13) und den Isolierkörper (14) lenken.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Brücke (5) Löschbleche angeordnet sind.
Schalt- und Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierkörper derart angeordnet ist, dass dieser bei Schmelzen der Schmelzsicherung (12) zwischen die Kontakte (8) bewegt wird.