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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen Elektromotor, der die gesamte oder einen Teil der Antriebsleistung liefert. In Hybridfahrzeugen wird ein Teil der, bei Elektrofahrzeugen die gesamte Antriebsleistung mit einem Elektromotor erzeugt. Die elektrische Energie muss mittels Leistungselektronik auf die für den elektrischen Antriebsmotor passende Spannung und Frequenz umgewandelt werden. Dafür werden leistungsstarke Gleichstromsteller und Wechselrichter verwendet, welche bei Hybridfahrzeugen die Energie bei Generatorbetrieb des Motors auch zur Zwischenspeicherung in Akkumulatoren oder Doppelschicht-Kondensatoren aufbereiten. Die unter Hochspannung stehenden Komponenten werden häufig auf geringstem Raum im jeweiligen Gehäuse angeordnet, um Platz einzusparen. Daraus folgt, dass aufgrund kleiner Abstände bzw. durch Metallsplitter oder andere mögliche leitfähige Verunreinigungen ein Lichtbogen bzw. Störlichtbogen entstehen kann.
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So müssen beispielsweise in Hochspannungs-DC Anwendungen, wie bspw. dem elektrischen Antriebsstrang eines Hybrid-Kfz zur Vermeidung von Kurzschlüssen und Lichtbögen im Gerät entsprechend den im Betrieb auftretenden Spannungen, dem zu berücksichtigenden Verschmutzungsgrad, der Homogenität der elektrischen Feldverteilung für Basis- und Funktionsisolierung Mindest-Abstände für Luft- und Kriechwege eingehalten werden. Eine Prämisse für die Festlegung dieser Mindest-Abstände ist, dass bei der Montage des Geräts und anhaftend an im Gerät eingebauten Komponenten keine leitfähigen Partikel entstehen oder eingetragen werden, die eine in den Sicherheitszuschlägen der Luft- und Kriechstrecken definierte Größe überschreiten. Die Lieferanten der Gerätekomponenten können die Maximalgröße eingetragener bzw. anhaftender Partikel (sog. "Flitter") nachteilig jedoch nur mit einer endlichen Wahrscheinlichkeit sicherstellen. Auch durch Feuchtigkeit und ungewollte Betauung kann ein Lichtbogen entstehen. Ein Störlichtbogen oder auch Fehlerlichtbogen ist in der elektrischen Energietechnik ein technisch unerwünscht auftretender Lichtbogen zwischen elektrischen Anlagenteilen. Bei ungenügendem Abstand oder ungenügender Isolation zwischen zwei elektrischen Potenzialen kann es zu einem ungewollten Spannungsüberschlag kommen, in dessen Verlauf ein Lichtbogen entsteht. Dieser Spannungsüberschlag kann auch in einem elektrischen Bauteil selber entstehen, weil sich die Kontakte zu langsam trennen, oder die Isolationsschicht zwischen den stromführenden Teilen ihrer Isolierfähigkeit beraubt wurde.
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Die Lichtbögen, die bei Spannungsüberschlag entstehen, setzen in der Regel die Lebensdauer des Bauteils massiv herab und können es im schlimmsten Fall auch zerstören. Lichtbögen sind bei Hochspannung führenden Bauteilen eine erhebliche Gefahr. Durch die große Lichtbogenleistung und hohe Temperatur des Lichtbogens kommt es neben der starken Lichtwirkung zu einem lauten Knall und brennbare Gegenstände in unmittelbarer Umgebung können Feuer fangen. Es besteht Brandgefahr. Im Niederspannungsbereich können Störlichtbögen infolge von Störstellen in elektrischen Leitungen auftreten, meist Leitungsschäden wie z.B. beschädigte Isolation infolge von Leitungsquetschungen oder zu geringe Biegungsradien bei elektrischen Leitungen. Hier können Kriechströme durch Verschmutzungen und Ablagerungen entstehen, die sich in einem Störlichtbogen entzünden. Auch bei losen Kontakten bei nicht korrekt montierten Bauteilen oder durch abgeknickte Leitungen können Störlichtbögen beispielsweise durch ionisierte Gase zwischen den losen Leitungsenden entstehen. Auf Leiterplatten, besonders häufig in Schaltnetzteilen, richten Überschläge erheblichen Schaden an, weil sich das Leitermaterial (Kupfer) auf dem Leiterplattenmaterial als Metalldampfschicht niederschlägt und Kriechstrecken überbrückt. Falls kein Austausch der gesamten Baugruppe möglich ist, werden derartige Schäden durch Schlitze in der Platine behoben; die neue Kriechstrecke besteht aus einem Luftspalt. Als Vorsorgemaßnahme dienen Lötaugen mit Hohlniet, dickere Kupferschichten, mit Draht verstärkte Leiterzüge, gekammerte Gehäuse sowie reichlich dimensionierte Kriechstrecken. Dem steht die Miniaturisierung aufgrund des geringen Bauraums wie z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen entgegen. Lichtbögen müssen somit unbedingt vermieden bzw. für den Fall, dass es zur Lichtbogenbildung kommt, rasch gelöscht werden. So zeigt beispielsweise die
DE 20 2005 011 504 U1 einen Lichtbogenmelder, wobei von dem Lichtbogen ausgesendete elektromagnetische Wellen von einem Hochfrequenzempfänger empfangen werden und auf einen Lichtbogen rückgeschlossen werden kann. Nachteilig an dem Stand der Technik ist, dass lediglich die Entstehung eines Lichtbogens detektiert wird, aber keine geeignete Maßnahme beschrieben wird, die die Entstehung eines Lichtbogens von vornherein vermeiden.
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Es besteht daher der Bedarf nach einer Vorrichtung, durch die die Lichtbogenbildung im Gehäuse effektiv unterbunden wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass ihr Aufbau effektiv der Bildung eines Lichtbogens entgegen wirkt.
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Erfindungsgemäß ist dazu eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen, die ein Gehäuse mit mindestens einem stromführenden Element umfasst, wobei das stromführende Element im Gehäuseinneren angeordnet ist und von dem Gehäuse umschlossen wird. Das Gehäuse weist eine Innenwand auf, wobei an der Innenwand mindestens eine Partikelfalle angebracht ist. Vorteilhafterweise entfällt aufgrund der Partikelfalle entsprechend eine aufwändige Kapselung aller spannungsführenden Komponenten im Gerät. Auch eine Vergrößerung der Luftund Kriechstrecken im Gerät (Bauraumvergrößerung) unter Berücksichtigung der garantierten Maximalgröße eingetragener Partikel kann unterbleiben. Partikel, die die Bildung von Lichtbögen bzw. Spannungsüberschlägen auslösen können, werden in der Partikelfalle gebunden und können sich somit nicht frei im Gehäuse bewegen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Vorteilhafterweise ist die Partikelfalle zusätzlich auf dem mindestens einen stromführenden Element angeordnet. Entsprechend können die Oberflächen der stromführenden Elemente wie z.B. Leiterplatten oder andere Komponenten als Partikelfallen dienen. Dies ist insbesondere daher vorteilhaft, da sich Partikel von der Oberfläche der stromführenden Komponenten lösen können, wenn diese sich während des Betriebs aufwärmen. Des Weiteren dient die Partikelfalle vorteilhafterweise als Isolation bzw. Isolierschicht, wodurch die Spannungsfestigkeit der Baugruppen / stromführenden Elemente erhöht wird und somit ein erhöhter Schutz gegen Überschläge hergestellt wird.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Partikelfalle ein Zwei-Komponenten-Polymer aufweist. Ein Zwei-Komponenten-Polymer (auch Zweikomponentenklebstoff oder 2K-Kleber genannt), ist ein Polymer, der aus verschieden Komponenten (i.d.R. Harz und Härter) besteht. Durch Vermischen der beiden Komponenten unmittelbar vor der Anwendung wird meist bereits bei Raumtemperatur die Aushärte-Reaktion gestartet. Zweikomponentensysteme härten durch chemische Reaktionen wie Polyaddition, Polykondensation und Polymerisation aus. Die durch Vernetzung erzeugten Duroplaste besitzen gute mechanische Eigenschaften sowie eine gute Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Sie gelten daher vorteilhafterweise als hochwertige Kunststoffe. Über das Mischungsverhältnis der Komponenten wird weiterhin vorteilhaft die Klebrigkeit der Oberflächen der Partikelfalle (die zum Immobilisieren von Partikeln dient) eingestellt. Ein Aushärten – beispielsweise durch Polyaddition – dauert bei Raumtemperatur Tage bis Wochen, weshalb die Funktionsfähigkeit der Partikelfalle über den entsprechenden Zeitraum aufrechterhalten bleibt.
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Vorteilhafterweise wird das Zwei-Komponenten-Polymer als dünner Film auf eine Oberfläche der Innenwand aufgetragen. Der dünne Film bindet frei im Gehäuse bewegliche Partikel aufgrund seiner Klebewirkung, wodurch die Partikel dauerhaft in dem dünnen Film eingebettet werden. Des Weiteren dient der dünne Film vorteilhafterweise als Isolierschicht, wodurch die Spannungsfestigkeit der Baugruppen / stromführenden Elemente erhöht wird und somit ein erhöhter Schutz gegen Überschläge hergestellt wird.
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Das Zwei-Komponenten-Polymer weist vorteilhaft ein cycloaliphatisches Epoxidharz und einen nukleophilen Härter auf. Die Ausgangskomponenten besitzen vorteilhafterweise eine niedrige Viskosität, Abwesenheit von Chlor und bei Raumtemperatur eine lange Tropfzeit. Durch Polyaddition härten die beiden Komponenten aus. Wie bei allen Reaktionsharzen muss beim Anmischen normalerweise das stöchiometrische Harz-Härter-Verhältnis eingehalten werden – andernfalls verbleiben Teile von Harz oder Härter ohne Reaktionspartner. Bei einem zu hohen Anteil einer der beiden Komponenten bleiben unreagierte funktionelle Gruppen zurück und die Vernetzung ist unvollständig, was zu einem weicheren Produkt und bei der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung zu den gewünschten klebrigen Oberflächen der Partikelfalle führt. Durch Variation des Mischungsverhältnisses innerhalb gewisser Grenzen lassen sich Härte, Elastizität, etc. gezielt beeinflussen. Vorteilhafterweise kommen cycloaliphatische Epoxidharze in Verbindung mit einem nucleophilen Härter wie z.B. Diethylentriamin zum Einsatz.
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Zusätzlich ist vorteilhaft, dass ein Zwei-Komponenten-Polymer mit niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da eine niedrige Dielektrizitätskonstante bzgl. des Einsatzes von Harzen bzw. vergleichbaren Stoffkomponenten in Hochvoltanwendungen (z.B. Kapseln von Mikrochips) eine hohe Lichtbogenfestigkeit mit sich bringt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges und Sicherheitsvorrichtung;
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2: eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung;
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 21 mit einer Sicherheitsvorrichtung 10. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11. Dieses Gehäuse 11 besitzt eine Innenwand 13. Im Gehäuseinneren 18 ist ein stromführendes Element 12 angeordnet. Bei dem stromführenden Element 12 kann es sich um beliebige Elektronikbauteile / -elemente handeln (z.B. Leistungselektronik, DCDC-Wandler, etc.), die von dem Gehäuse 11 umschlossen werden bzw. sich im Gehäuse 11 befinden. Die Sicherheitsvorrichtung 10 ist mit einer Batterie 22 und einem Elektromotor 20 verbunden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung 10. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11, in dessen Gehäuseinneren 18 ein stromführendes Element 12 (eine Leistungselektronik, ein DCDC Wandler, etc.) angeordnet ist. Das Gehäuse 11 besitzt eine Innenwand 13. Auf bzw. an der Innenwand 13 ist mindestens eine Partikelfalle 14 angebracht. Die mindestens eine Partikelfalle 14 besteht aus einem Zwei-Komponenten-Polymer 15. Bevorzugt kommen cycloaliphatische Epoxidharze in Verbindung mit einem nukleophilen Härter wie Diethylentriamin zum Einsatz. Andere geeignete Polymere mit ähnlichen Eigenschaften wie der oben erwähnte Polymer kommen ebenfalls infrage. Dabei besitzen die bevorzugten Ausgangskomponenten eine niedrige Viskosität, enthalten kein Chlor und weisen bei Raumtemperatur eine sehr lange Tropfzeit auf. Über das Mischungsverhältnis der Komponenten wird die Klebrigkeit der Oberflächen (die zum Immobilisieren von Partikeln dient) eingestellt. Ein Aushärten durch Polyaddition der beiden Komponenten Harz und Härter dauert bei Raumtemperatur Tage bis Wochen, bei erhöhter Temperatur (nach Inbetriebnahme des Geräts) härten die Epoxidharze relativ schnell aus und binden anhaftende Partikel dauerhaft durch Einbetten der Partikel in den Harzfilm. Nach dem Polymerisieren des Epoxidharzes bleibt der immobilisierte Partikel dauerhaft eingebettet. Günstig für den Einsatz in Hochvolt-Anwendungen sind Zwei-Komponenten-Polymere 15 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante εr zwischen ca. 3–5. Der Zwei-Komponenten-Polymer 15 kann auch auf der Innenwand 13 des Gehäuses 11 als dünner Film 16 aufgetragen sein. Ebenfalls kann der Zwei-Komponenten-Polymer 15 auch auf dem stromführenden Element 12 als dünner Film 16 aufgetragen sein. Dabei sind Ausführungsformen denkbar, bei denen der Polymer 15 nur auf der Innenwand 13 oder nur auf dem stromführenden Element 12 oder sowohl auf der Innenwand 13 als auch auf dem stromführenden Element 12 vorgesehen ist. Die daraus resultierende größere Fläche dient somit als Beschichtung von Leiterplatten und Komponenten im Innern des Gehäuses (wie z.B. eines Hochvoltgeräts) und wirkt als zusätzliche Isolierschicht. Sie erhöht die Spannungsfestigkeit der Baugruppen und dient auch zum Schutz gegen Überschläge.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005011504 U1 [0004]
