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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung sowie eine Schutzschaltung mit einer Schmelzsicherung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Schutzschaltung für ein elektrisches Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeugs und ein elektrisches Versorgungsnetz für ein Kraftfahrzeug oder der Absicherung eines Strompfades, vorzugsweise der Absicherung einer Stromschiene in einem Kraftfahrzeug.
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Kraftfahrzeuge weisen heutzutage ein komplexes elektrisches Netzwerk hinsichtlich Energieversorgung und Steuerung auf. Die elektrischen Komponenten werden typischerweise über eine drahtgebundene Energieversorgung oder zur Übertragung hoher Ströme mit Leitungsanordnungen und/oder Stromschienen verbunden. Fahrzeuge weisen demnach eine zunehmende Anzahl elektrisch betriebener Komponenten auf, zu denen sowohl fahrrelevante Komponenten, wie auch eher komfortorientierte Komponenten zählen, die allerdings vor einem Überstrom geschützt werden müssen.
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Hierzu werden regelmäßig sogenannte Schmelzsicherungstypen eingesetzt. Eine Schmelzsicherung ist eine Überstromschutzeinrichtung, die durch das Abschmelzen eines Schmelzleiters den Stromkreis gezielt unterbricht, wenn die Stromstärke einen vorbestimmten Stromwert während einer ausreichenden Zeit überschreitet.
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Schmelzsicherungen bestehen typischerweise aus einem isolierenden Körper, der zwei durch einen Schmelzleiter verbundene elektrische Kontakte aufnimmt. Der Schmelzleiter wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der Bemessungsstrom (Nennstrom) der Sicherung für eine bestimmte Zeit überschritten wird. Diese Schutzfunktion wird „Auslösen der Sicherung” genannt. Ausgelöste Sicherungen sind unbrauchbar und müssen ersetzt werden.
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Je nachdem, welche Fahrzeugkomponenten abzusichern sind, stellen diese hierbei zum Teil erheblich unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Leistung, die ihnen zur Verfügung zu stellen ist, um ihren sicheren Betrieb zu ermöglichen. So weisen entsprechende Kraftfahrzeuge häufig sowohl Niederstromverbraucher als auch Hochstromverbraucher auf, zu denen beispielsweise Elektromotoren zählen.
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Im Falle eines auf Basis einer Verbrennungskraftmaschine arbeitenden Kraftfahrzeugs kann ein solcher Hochstromverbraucher beispielsweise ein Elektromotor, also beispielsweise ein Startermotor der Verbrennungskraftmaschine sein. Im Falle eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridantriebskonzepts kann es sich bei einem solchen Elektromotor ebenso um einen Antriebsmotor handeln. Andere Hochstromapplikationen im Fahrzeug sind ebenfalls ausreichend abzusichern.
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Einerseits kann es nicht zuletzt im Hinblick auf die Sicherheit der Passagiere des Kraftfahrzeugs bzw. seiner Ladung ratsam sein, wenigstens teilweise die vorgenannten Systeme auch im Falle eines Unfalls oder eine Betriebsstörung hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Andererseits kann jedoch auch von dem elektrischen Versorgungsnetz selbst je nach Art des Unfalls oder der schweren Betriebsstörung ein nicht unerhebliches Gefahrenpotential für die Passagiere bzw. die Ladung des Kraftfahrzeugs ausgehen. So kann es gegebenenfalls ratsam sein, einzelne Komponente nach einem Unfall oder einer anderen schweren Betriebsstörung hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit sicher und zuverlässig zu deaktivieren.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits diverse Schutzprinzipien bekannt. Die Druckschrift
DE 10 2008 064 393 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Leitungsanordnung, welche eine elektrische Sicherung und ein steuerbares Schaltelement umfasst.
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Aus der
DE 197 57 026 A1 ist eine elektrische Sicherung bekannt, welche ein Schmelzelement und ein zu diesem parallelgeschalteten Schalter in Form eines Bimetallschalters umfasst.
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Ferner sind pyrotechnische Sicherungen bekannt, welche über eine externe Ansteuerung angesteuert werden müssen. Neben dem Steuerungsaufwand, sind diese Systeme komplex und teuer. Nachteilig ist bei den im Stand der Technik genannten Lösungen ferner, dass die Auslösecharakteristik teilweise nicht befriedigend gelöst ist, insbesondere bei hohen elektrischen Leistungen.
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Schmelzsicherungen sind bezüglich ihrer Auslösecharakteristik insgesamt begrenzt und für diverse Hochvoltapplikationen nicht als einziges Sicherungsmittel geeignet. Auch eine Kombination mit einem Hochstromrelais ist aufwendig und teilweise nicht befriedigend in der Auslösecharakteristik.
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Die zuvor genannten pyrotechnischen Sicherungen sind aufgrund der externen Ansteuerung nicht eigensicher. Bei hohen Strömen und entsprechend dimensionierten Schmelzleitern sind auch entsprechend hoch zu dimensionierende Treibladungen erforderlich, was es zu vermeiden gilt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Schutzvorrichtung sowie eine Schutzschaltung vorzusehen, bei denen insbesondere eine zuverlässige Abschaltung gewährleistet ist und ein Optimum zwischen konstruktivem Aufwand, Fahrzeugsicherheit und Bauraum erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 und Anspruch 10 gelöst.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine strukturelle und funktionale synergetische Kombination einer herkömmlichen, vorzugsweise jedoch trägen Schmelzsicherung mit einem mechanischen Trennelement vorzusehen, wobei das mechanische Trennelement durch eine charakteristische Größe der Schmelzsicherung, weiter vorzugsweise beim Schmelzen der Schmelzsicherung zum Auslösen bzw. Aktivieren des mechanischen Trennelementes verwendet wird.
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Hierdurch kann einerseits eine externe Ansteuerung zum Auslösen des Trennelementes eingespart werden und andererseits kann die Dimensionierung des Trennelementes reduziert werden betreffend der Trennkraft oder der zum Trennen des Schmelzleiters notwendigen Energie, da der Trennvorgang erst aktiviert wird, sobald der Schmelzleiter mit dem Abschmelzen oder Anschmelzen begonnen hat.
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Erfindungsgemäß wird daher eine Schutzvorrichtung, vorzugsweise zum sicheren Trennen einer elektrischen Verbindungsanordnung in einer Hochstrom- und/oder Hochspannungsanwendung vorgeschlagen, umfassend:
- a. eine Schmelzsicherung mit einem Schmelzleiter zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss;
- b. ein auslösbares vorzugsweise mechanisches Trennelement, das angeordnet und ausgebildet ist, um auf ein Auslösesignal der Schmelzsicherung hin die elektrische Verbindungsanordnung über das Trennelement zwischen den Anschlüssen zu trennen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Trennung der elektrischen Verbindungsanordnung im Bereich des Schmelzleiters, der insbesondere nach dem Anschmelzen bereits gezielt vorgeschädigt bzw. geschwächt ist, so dass mit einer vergleichsweise niedrigen mechanischen Trennkraft eine zuverlässige Trennung des Stromkreises erzielt werden kann.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn das Trennelement ein mechanisches Trennelement ist, welches stirnseitig mit einem Trennabschnitt ausgebildet ist und von einer nicht aktivierten Position (Ruhestellung) in eine den Schmelzleiter trennende Position (Trennstellung) betätigt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Trennelement mittels einer aktivierbaren pyrotechnischen Zündeinheit, wie zum Beispiel einer Sprengkapsel, einer Sprengladung oder einem Pyroelement aktivierbar, vorzugsweise in seine trennende Position d. h. Trennstellung betätigbar ist.
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Ebenso ist es von Vorteil, wenn die pyrotechnischen Zündeinheit über Zünderanschlüsse verfügt, welche jeweils mit einem der Anschlüsse (zum Empfang bzw. zum Anlegen eines Zündsignals) elektrisch verbunden sind, d. h. zum Detektieren eines Zündsignals ZS von der Schmelzsicherung.
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Auf diese Weise kann eine charakteristische Größe der Schmelzsicherung (z. B. die Spannung bzw. der Spannungsabfall über den Schmelzleiter), die sich beim Ansprechen der Schmelzsicherung ändert, als Auslösesignal bzw. Zündsignal für die pyrotechnischen Zündeinheit verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Zündsignal (ZS) zum Aktivieren der pyrotechnischen Zündeinheit daher als ein Spannungssignal, vorzugsweise über den Spannungsabfall Us beim Aufschmelzen der Schmelzsicherung erzeugt bzw. verwendet.
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Die pyrotechnischen Zündeinheit besitz in einer bevorzugten Ausgestaltung eine charakteristische Auslösespannung UL und das Aktivieren der pyrotechnischen Zündeinheit erfolgt beim Überschreiten des Spannungsabfall Us über die Auslösespannung UL der pyrotechnischen Zündeinheit. Hierzu ist der Spannungsabgriff an der Schmelzsicherung unmittelbar mit den Zündkontakten der Zündeinheit verbunden, so dass der Spannungsabfall ebenfalls ohne Zuhilfenahme einer Steuerschaltung direkt an der Zündeinheit anliegt, sobald der Widerstand aufgrund des Aufschmelzens des Schmelzleiters ansteigt.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn das Überschreiten des Spannungsabfall Us beim Überschreiten eines Maximalstromwertes Imax durch den Schmelzleiter unmittelbar als Auslösesignal zum Aktivieren der pyrotechnischen Zündeinheit verwendet wird.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Schmelzsicherung eine träge Kennlinie im Auslöseverhalten aufweist, so dass ein Auslösen bis zu einer definierten Spitzenstrombeständigkeit gegeben ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Trennelement als ein den Schmelzleiter durchrennendes Kunststoffschneidelement, vorzugsweise ein Kunststoffkeil ausgebildet ist oder weist diesen auf.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bordnetz mit wenigstens einer elektrischen Verbindungsanordnung, die über eine wie zuvor beschriebene Schutzvorrichtung abgesichert ist.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Normalbetrieb und
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2 eine schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 1 im Auslösebetrieb bei Überlast.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die 1 und 2 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.
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In der 1 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Normalbetrieb gezeigt. Dargestellt ist eine Schutzvorrichtung 1 zum sicheren Trennen einer elektrischen Verbindungsanordnung 12 in einer Hochstrom- und/oder Hochspannungsanwendung, wie einem Bordnetz (das vorliegend aber nicht näher dargestellt ist). Die Schutzvorrichtung 1 umfasst eine Schmelzsicherung 10 mit einem Schmelzleiter 11 zwischen einem ersten Anschluss 13 und einem zweiten Anschluss 14 einer Stromschiene.
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Ferner ist ein mechanisches Trennelement 20 gezeigt, das so oberhalb des Schmelzleiters 11 angeordnet und ausgebildet ist, um auf ein Auslösesignal der Schmelzsicherung 10 hin den Schmelzleiter wie in 2 angedeutet, durchtrennen zu können, indem das Trennelement 20 mit seinem stirnseitigen Trennabschnitt 21 von der in 1 dargestellten nicht aktivierten Position (Ruheposition) in eine wie in der 2 gezeigten Trennposition betätigt wurde.
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Die Betätigung des Trennelements 20 erfolgt mittels einer aktivierbaren pyrotechnischen Zündeinheit 30, die vorliegend eine pyroteschnische Sprengkapsel mit einer Sprengladung 32 darstellt. Die die pyrotechnischen Zündeinheit 30 verfügt hierzu über Zünderanschlüsse 31, 32, welche jeweils mit einem der Anschlüsse 13, 14 über Steuerdrähte elektrisch verbunden sind, zum Detektieren eines Zündsignals ZS von der Schmelzsicherung 20.
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Im Normalbetrieb fließt durch den Schmelzleiter ein Strom I < Imax, d. h. einem Strom kleiner einem zulässigen Maximalstrom. Da der Schmelzleiter 11 niederohmig ist, ist der Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen 13, 14 nahezu bei Null bzw. ist der Spannungsabfall US gering. Solange der Spannungsabfall aber unterhalb der Zündspannung UZ der Zündeinheit 30 der pyroteschnische Sprengkapsel liegt, bleibt das Trennelement 20 in seiner nicht aktivierten Ruhestellung.
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Sobald der Normalbetrieb verlassen wird und durch den Schmelzleiter ein Strom I > Imax, d. h. einem Strom oberhalb einem zulässigen Maximalstrom fließt, wird der Schmelzleiter 11 hochohmig. Der Spannungsabfall steigt dann auf einen Wert oberhalb der Zündspannung UZ der Zündeinheit 30 der pyroteschnische Sprengkapsel und das Trennelement 20 wird über die pyoteschnische Treibladung, die dann gezündet wird, durch die Energie in seine Trennstellung betätigt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Treibgase gezielt durch eine in Trennposition freigegebene Öffnung in der Zündeinheit 30 geleitet werden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das Trennelement 20 eine Rastgeometrie besitzt oder mit einer solchen zusammenwirkt, um das Trennelement 20 in seiner Trennstellung zu arretieren oder festzulegen.
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Dabei kann auch vorgesehen sein, dass beim Betätigen des Trennelements 20 die Ansteuerdrähte zu den Anschlüssen 13, 14 mit getrennt werden.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008064393 A1 [0009]
- DE 19757026 A1 [0010]
