-
Die Erfindung betrifft eine Schützbaugruppe, eine Batterie, eine Photovoltaikeinheit, ein Fortbewegungsmittel und eine Produktionsstraße.
-
Viele Hochspannungsschaltungen umfassen elektromechanische Schütze. Ein Schütz ist Schalter, mit denen ein Stromkreis unterbrochen werden kann. Im Falle von Traktionsbatterien für Straßenfahrzeuge enthalten diese eine Schalteinheit mit zwei elektromechanischen Schützeinheiten, über die jeweils der Pluspfad und der Minuspfad zu- bzw. elektrisch unterbrochen werden kann. Wird im Falle einer Hochvoltbatterie die Stromtragfähigkeit eines Schützes überschritten, wird dieses geöffnet. Bei einer Traktionsbatterie ist dies insbesondere notwendig, um die jeweiligen Hochvoltkomponenten zu schonen und eine Beschädigung derer zu vermeiden. Wenn die Schütze aufgrund des Stromflusses unter Last geöffnet werden, bilden sich zwischen den Schützkontakten Lichtbögen aus. Mit zunehmendem Einsatz bzw. zunehmender Anzahl durchgeführter Schaltungen drohen die Schaltkontakte hierbei zu verschleißen bzw. zu verschweißen. Im Falle eines derartigen Verschweißens, bspw. durch einen Lichtbogen, ist ein geordnetes Öffnen trotz Rücknahme eines Ansteuersignals nicht mehr möglich, was ein Gefahrenpotential darstellt.
-
Um dieses Gefahrenpotential zu minimieren, werden Schütze mit einem sog. Blasmagneten ausgestattet. Durch den Blasmagneten werden die Lichtbögen mithilfe der Lorentzkraft innerhalb der Schütze verlängert und somit schneller zum Erlöschen gebracht. Bei dieser Lichtbogenlöschung leiten die Magnete den entstehenden Lichtbogen gegen eine Gehäusewand eines Schützes ab. Hierbei haben die Schütze eine Vorzugsrichtung, bzgl. des Stromflusses, in welcher die Lichtbogenlöschung auf diese Art und Weise funktioniert. Bei einer umgekehrten Stromflussrichtung würde der Lichtbogen zur Mitte des Schützgehäuses hin, d.h. zwischen die Schützkontakte, abgelenkt werden, wobei die gezielte Lichtbogenverlängerung ausbleibt. Hierdurch entsteht ein erhöhtes Risiko der Schädigung der Schütze. Vor diesem Hintergrund erfolgt der Verbau der Hauptschütze der „Battery Junction Box“ von Traktionsbatterien für Straßenfahrzeuge so, dass die Vorzugsrichtung der Schütze der des ersten Stroms, z.B. des Entladestroms, entspricht. Allerdings können hierbei Ströme nicht unabhängig von Ihrer Amplitude in Flussrichtung bei einer Minimierung der Schädigung der Schützkontakte geschaltet werden.
-
Demnach besteht die Aufgabe darin, eine Schützbaugruppe bereitzustellen, welche es ermöglicht, eine Schädigung der Schützkontakte unabhängig von der Stromrichtung oder der Amplitude zu verringern.
-
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Schützbaugruppe. Die Schützbaugruppe umfasst ein erstes Schütz mit einem ersten Blasmagnet und ein zweites Schütz mit einem zweiten Blasmagnet und eine Auswerteeinheit, bspw. eine CPU und/oder einen Mikrocontroller. Hierbei weisen das erste und das zweite Schütz eine jeweilige bevorzugte Stromrichtung auf, in welcher ihr jeweiliger Blasmagnet eine Lichtbogenlöschung, wie bereits oben erläutert, besser als in einer umgekehrten Stromrichtung zu löschen imstande ist. Hierbei sind das erste Schütz und das zweite Schütz derart zueinander geschaltet, dass ein erster Strom, z.B. ein Entladestrom, insbesondere beim Betrieb eines Fortbewegungsmittels das erste Schütz in der bevorzugten Stromrichtung und das zweite Schütz in der umgekehrten Stromrichtung durchfließt. Dies hat zur Folge, dass ein zweiter Strom, z.B. ein Ladestrom, das zweite Schütz in der bevorzugten Stromrichtung und das erste Schütz in der umgekehrten Stromrichtung durchfließt. Dies kann bspw. innerhalb einer Traktionsbatterie eines Fortbewegungsmittels vorgesehen sein. Hierbei können das erste Schütz und das zweite Schütz gemeinsam mit der Auswerteeinheit eine sog. „Battery Junction Box“ bilden. Ferner ist die Auswerteeinheit eingerichtet, zum Unterbrechen des ersten Stroms, z.B. des Entladestroms, das erste Schütz zu öffnen und anschließend das zweite Schütz zu öffnen und/oder zum Unterbrechen eines zweiten Stroms, z.B. eines Ladestroms, das zweite Schütz zu öffnen und anschließend das erste Schütz zu öffnen. Mit anderen Worten wird durch die Auswerteeinheit das Schütz, welches in seiner bevorzugten Stromrichtung durchflossen wird, zuerst geöffnet, um durch den Blasmagneten eine optimale Lichtbogenlöschung zu erzielen. Das zweite Schütz, welches in umgekehrter Richtung angeordnet ist und keine optimale Lichtbogenlöschung, wie oben bereits erörtert, erzielen würde, wird später geöffnet, um eine Schädigung (bzw. Verschweißung durch Lichtbogenbildung) der Schützkontakte zu vermeiden. Auf diese Art und Weise kann die Schädigung von Schützkontakten minimiert werden. Dadurch können die oben genannten Risiken reduziert werden sowie Kosten, welche bspw. für einen Austausch eines Schützes notwendig sind, minimiert werden.
-
Als Schütz der vorliegenden Erfindung kommt jedes Schütz infrage, der geeignet ist, in einem Hochvoltstromkreis, vorzugsweise einem Gleichstromkreis, eingesetzt zu werden. Dies können bspw. sämtliche Gleichspannungsschütze sein. Die Kommunikation zwischen Schütz und Auswerteeinheit, also z.B. die Ansteuerung, kann über ein BUS-System, z.B. ein CAN-Bus-System und/oder über ein Stromleitung und/oder drahtlos (z.B. über Bluetooth und/oder Infrarot und/oder Funkwellen) und/oder über weitere, aus dem Stand der Technik bekannte, Kommunikationsmittel erfolgen.
-
Als Blasmagneten kommen Permanentmagneten und/oder Elektromagneten infrage, solange diese eingerichtet sind, den Lichtbogen durch die entsprechende Lorentzkraft zu verlängern. Der Blasmagnet erzeugt also ein Magnetfeld im Bereich der trennbaren Kontakte.
-
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen zum Inhalt.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, zum Unterbrechen des ersten Stroms, z.B. eines Entladestroms, das erste Schütz zu öffnen und erst nach einer vordefinierten Zeitdauer und/oder nach Abklingen des ersten Stroms, z.B. des Entladestroms, der vorzugsweise notwendig ist, um einen Lichtbogen zu verursachen, auf einen vordefinierten Wert das zweite Schütz zu öffnen. Hierbei gilt, dass je größer die vordefinierte Zeitdauer ist, desto geringer ist die Lichtbogenenergie und mit ihr das Risiko einer Lichtbogenausbildung bzw. eines Verschweißens der Schützkontakte. Bspw. kann die vordefinierte Zeitdauer derart eingerichtet sein, dass nur noch 1/10 des ursprünglichen Stroms vorhanden ist, wenn das zweite Schütz geöffnet wird. Bspw. kann die Auswerteeinheit auf eine Speichereinheit, bspw. einen Magnetspeicher, zugreifen, auf dem eine vordefinierte Zeitdauer anhand des Batteriestroms bzw. dessen Abklingzeit in Abhängigkeit des Öffnens des ersten Schützes hinterlegt ist. Alternativ kann zum Unterbrechen des zweiten Stroms, z.B. des Ladestroms, das zweite Schütz durch die Auswerteeinheit geöffnet werden und erst nach einer vordefinierten Zeitdauer und/oder nach Abklingen des zweiten Stroms, z.B. des Ladestroms, auf einen vordefinierten Wert das erste Schütz öffnen. Die Kommunikation zwischen Speicher und Auswerteeinheit bzw. Auswerteeinheit und Schütz kann bspw. über ein Bus-System, z.B. ein CAN-Bus-System, und/oder über weitere o.g. Kommunikationsmittel erfolgen.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung können das erste Schütz in einem Pluspfad und das zweite Schütz in einem Minuspfad des Stromkreises angeordnet sein. Somit ist für jeden Batteriepol ein separates Schütz vorhanden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Schützbaugruppe ferner ein Vorladeschütz an einem Pol. Das Vorladeschütz wird vorzugsweise ebenfalls durch die Auswerteeinheit gesteuert. Das Vorladeschütz ist bspw. mit einem Widerstand verbunden, so dass beim Hinzuschalten der Traktionsbatterie zu einem Bordnetz zunächst ein vergleichsweise geringer Strom fließt und so die an den Stromkreis angeschlossenen Komponenten, bspw. eine Leistungselektronik eines Fortbewegungsmittels, nicht beschädigt werden. Vorzugsweise ist das Vorladeschütz parallel zum ersten und/oder zweiten Schütz angeordnet. Statt eines Vorladeschützes ist bspw. auch ein Vorladerelais möglich. Ferner kann ein Vorladeschütz und/oder ein Vorladerelais sowohl am Pluspol als auch am Minuspol angeordnet sein.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schützbaugruppe ist die Auswerteeinheit ferner ausgelegt, dass erste Schütz zur Unterbrechung eines ersten Stroms, z.B. eines Entladestroms, und/oder das zweite Schütz zur Unterbrechung eines zweiten Stroms, z.B. eines Ladestroms, im Ansprechen auf eine der nachfolgenden Bedingungen zu öffnen. Ein Fehlerfall kann bspw. eine Beschädigung einer im Stromkreis vorhandenen Komponente umfassen. Weiterhin kann ein Fehlerfall, bspw. im Falle einer Anordnung der Schützbaugruppe innerhalb einer Batterie, eine Verringerung eines Isolationswiderstandes und/oder einen Kurzschluss umfassen. Weiterhin kann eine solche Bedingung auf ein Überschreiten der Schutzstromtragfähigkeit des Schützes zurückgehen. Hierbei muss eine sofortige Öffnung erfolgen, da ansonsten die Gefahr besteht, dass die geschlossenen Schützkontakte verschweißen und das Schütz somit nicht mehr zu öffnen, also irreversibel beschädigt, ist. Ferner kann ein Schütz bei einer Inbetriebnahme geöffnet werden, um eine Beschädigung der Komponenten durch zu hohe Stromgradienten zu vermeiden. Auch bei einer Außerbetriebnahme, bspw. einer Batterie, kann eine Öffnung eines Schützes erfolgen. Zudem kann eine Öffnung eines Schützes bei einer Ladeunterbrechung erfolgen, um Gefahrenpotenziale für einen Anwender zu beseitigen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schützbaugruppe kann das erste und/oder das zweite Schütz ein Inertgas zur Lichtbogenlöschung aufweisen. Hierbei kann ein Inertgas innerhalb des Schützgehäuses eingebracht sein, bspw. unter niedrigem Druck, z.B. 1 bis 2 bar, um die Lichtbogenlöschung weiter zu forcieren. Da Inertgase schwerer ionisierbar sind als Luft, trägt das Inertgas zur Lichtbogenlöschung bei und somit zu einer verringerten Beschädigung des Schützes. Als Inertgas kommen Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Edelgase, wie etwa Argon und/oder Helium und/oder Neon, in Betracht. Ferner kommt auch als besonders effektives Inertgas Schwefelhexafluorid in Betracht.
-
Die folgenden erfindungsgemäßen Aspekte umfassen die vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie die generellen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die jeweils damit verbundenen technischen Effekte gleichsam.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Batterie umfassend die Schützbaugruppe gemäß dem ersten Aspekt. Hierbei kann die Batterie bspw. eine Traktionsbatterie eines Fortbewegungsmittels sein. Die Schützbaugruppe kann innerhalb der Batterie als sog. „Battery Junction Box“ angeordnet sein.
-
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Photovoltaikeinheit umfassend eine Schützbaugruppe gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Durch die Notwendigkeit, auch bei Photovoltaikeinheiten Schütze aufgrund hoher Spannungen zu verbauen, sind auch Lichtbogenlöschungen bei Öffnungen der Schütze nötig. Durch die erfindungsgemäße Schützbaugruppe, welche in der Photovoltaikeinheit angeordnet ist, kann also auch dort ein Schützverschleiß deutlich verringert werden. Als Photovoltaikeinheit kommt bspw. ein Solarpanel, welches mit der entsprechenden Schaltung verbunden ist, in Betracht. Als Photovoltaikeinheit kommen bspw. auch Photovoltaikanlagen von Gebäuden in Betracht.
-
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fortbewegungsmittel umfassend eine Schützbaugruppe gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Als Fortbewegungsmittel im Sinne der Erfindung kommen z.B. Automobile, insbesondere PKWs und/oder LKWs, und/oder Flugzeuge und/oder Schiffe und/oder Motorräder infrage. Vorzugsweise ist die Schützbaugruppe in Traktionsbatterien dieser Fortbewegungsmittel angeordnet.
-
Ein fünfter erfindungsgemäßer Aspekt betrifft eine Produktionsstraße umfassend eine Schützbaugruppe gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Insbesondere ist hiermit eine Produktionsstraße mit elektrischem Antrieb gemeint, in welchem auch Schütze zum Einsatz kommen.
-
Weiterhin wird ein Schütz offenbart, bei dem die Ausrichtung des Blasmagneten dergestalt ist, dass er im Vergleich zu herkömmlichen Schützen um 90° bzgl. seiner Hochachse verdreht ist. Hierbei erfolgt eine Ablenkung des Lichtbogens nicht hin zu den Seitenwänden, welche insbesondere ein Isolationsmaterial, wie z.B. Keramik, aufweisen, also den Wänden, die sich lediglich entlang eines Schützkontaktes erstrecken, sondern hin zu den Vorder- und Rückwänden, also den Wänden, die sich entlang beider Schützkontakte erstrecken. Eine derartige Vorrichtung ist in
US 2 506 991 offenbart.
-
Weiterhin wird zudem eine Anordnung dieses Schützes in einer Schützbaugruppe umfassend zwei Schütze und eine Auswerteeinheit offenbart, welche eingerichtet ist, mit den Schützen zu kommunizieren. Durch die besondere Ausgestaltung dieses Schützes ist dieses bidirektional, also unabhängig von der Stromrichtung stets ideal imstande, den Lichtbogen schnellstmöglich zu löschen. Dadurch kann ein erstes Schütz ein derartiges bidirektionales Schütz umfassen und ein zweites Schütz muss nicht zwangsweise einen Blasmagneten aufweisen. In einer solchen Anordnung kann sowohl beim Laden als auch beim Entladen zunächst das erste Schütz und anschließend das weitere Schütz geöffnet werden, um möglichst wenig Verschleiß zu erzeugen.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen sind:
- 1 eine Batterie mit einer Leistungselektronik gemäß dem Stand der Technik;
- 2 ein Absicherungskonzept zur Vermeidung einer Batterieüberlastung gemäß dem Stand der Technik;
- 3a ein Schütz gemäß dem Stand der Technik;
- 3b eine Visualisierung einer Ablenkung eines Lichtbogens innerhalb eines Schützes gemäß dem Stand der Technik;
- 4 eine Batterie mit zwei gleich orientierten Schützen gemäß dem Stand der Technik;
- 5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie enthaltend eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schützbaugruppe, und
- 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt zum besseren Verständnis der Erfindung eine Batterie 1 mit einer daran angeschlossenen Leistungselektronik 2, welche bspw. einen Klimakompressor und/oder einen Hochvolt-Zuheizer und/oder einen DC/DC-Wandler umfassen kann. Ferner sind in der Batterie 1 Batteriezellen 3 angeordnet. Die Batterie 1 umfasst weiterhin eine Sicherung 5 und einen Stromsensor 4 sowie eine Auswerteeinheit 6. Die Auswerteeinheit 6 kommuniziert mit dem Stromsensor 4, dem ersten Schütz HS1 und dem zweiten Schütz HS2 sowie einem Vorladeschütz SVL .
-
2 zeigt ein Absicherungskonzept 7, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hierin enthalten sind die Grafen der Schaltschwelle des Peakstroms 8a, die Schaltschwelle des Dauerstroms 8b, die Stromtrennfähigkeit 8c des Schützes, der Kurzschlussstrom 8d, der Dauerstrom 8e der Batterie, die Stromtragfähigkeit 8f des Schützes und die Stromtragfähigkeit 8g der Sicherung. Das Absicherungskonzept 7, welches durch ein Koordinatensystem dargestellt ist, weist den Strom I, welcher gegen die Zeit t aufgetragen ist, auf. Der Fall einer Batterieentladung mit dem zeitlich begrenzten Peakstrom über einen langen Zeitraum ist durch den Zeitpunkt t1 gekennzeichnet. Der Zeitpunkt t2 hingegen kennzeichnet den Fall einer Überschreitung der Stromtragfähigkeit 8f des Schützes, wobei ab diesem Zeitpunkt t2 die Schütze umgehend geöffnet werden müssen.
-
3a zeigt eine perspektivische Darstellung eines Schützes HS, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Schütz HS umfasst zwei Kontakte 10a und 10b, welche beim Schließen des Schließkontaktes 13 durch Aufwärtsbewegung leitend miteinander verbunden werden, wodurch Strom durch das Schütz HS fließt. Beim Öffnen des Schützes HS sorgt der Blasmagnet 9 für eine Lichtbogenlöschung jeweils zwischen den Kontakten 10a,b und dem Schließkontakt 13.
-
3b zeigt den Vorgang der Lichtbogenlöschung, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, genauer. Hierbei wird beim Öffnen eines Schützes HS ein Lichtbogen 11 zwischen den Kontakten 10a, 10b und dem Schließkontakt 13 erzeugt. Eine vergrößerte Darstellung des Lichtbogens 11 zeigt, dass dieser durch den Blasmagneten 9 (hier nicht gezeigt) an eine Seitenwand 12a bzw. 12b des Schützes HS gelenkt wird, wodurch dieser zusätzlich abgekühlt wird und erlischt.
-
4 zeigt eine Batterie 1 mit einer Leistungselektronik 2 analog zur 1. Hierbei ist die Vorzugsrichtung 14a des ersten Schützes HS1 und des zweiten Schützes HS2 gezeigt. Hierbei Strom in Vorzugsrichtung 14a durch die Schützen HS1 und HS2 fließen. Im umgekehrten Fall, also wenn der Strom in entgegengesetzter Richtung fließt, werden die Lichtbögen 11 durch den Blasmagneten 9 gemäß der durch die resultierende Lorentzkraft in die Mitte des jeweiligen Schützes gelenkt, wodurch eine Verschweißung der Kontakte 10a und 10b bzw. eine Abnutzung dieser nicht vermieden werden kann.
-
5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie 16. Die erfindungsgemäße Batterie 16 umfasst eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schützbaugruppe 15. Hierbei weisen die Schütze HS1 , HS2 entgegengesetzte Vorzugsrichtungen 14a, 14b auf. Durch die unterschiedlichen Vorzugsrichtungen 14a, 14b kann, je nach Entladen oder Laden der Batterie 16, im Falle der Notwendigkeit einer Öffnung des Schützes, das Schütz, durch welches ein Strom in Vorzugsrichtung (z.B. 14a) fließt, zuerst geöffnet werden. Anschließend kann das zweite Schütz geöffnet werden, wobei die Beschädigung der Kontakte 10a, 10b des zweiten Schützes verringert wird, da bis zur Öffnung des zweiten Schützes in der Regel der Strom abgeklungen ist. Dieser Vorgang wird durch die Auswerteeinheit 6 gesteuert. Hierdurch kann durch die erfindungsgemäße Baugruppe 15 sowohl ein erster Strom, z.B. ein Entladestrom, als auch ein zweiter Strom, z.B. ein Ladestrom, auf der Batterie angelegt werden, wobei das jeweils in Vorzugsrichtung 14a, 14b betriebene Schütz HS1 , HS2 geöffnet wird, um eine Lichtbogenbildung im Schütz, das entgegen seiner Vorzugsrichtung betrieben wird, zu verhindern.
-
6 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels 17, welches eine erfindungsgemäße Batterie 16 als Traktionsbatterie aufweist. Innerhalb der Batterie 16 ist eine erfindungsgemäße Schützbaugruppe 15 angeordnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Batterie (Stand der Technik)
- 2
- Leistungselektronik
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Stromsensor
- 5
- Sicherung
- 6
- Auswerteeinheit
- 7
- Absicherungskonzept
- 8a
- Schaltschwelle Peakstrom
- 8b
- Schaltschwelle Dauerstrom
- 8c
- Stromtrennfähigkeit
- 8d
- Kurzschlussstrom
- 8e
- Dauerstrom Batterie
- 8f
- Stromtragfähigkeit Schütze
- 8g
- Stromtragfähigkeit Sicherung
- 9
- Blasmagnet
- 9a
- erster Blasmagnet
- 9b
- zweiter Blasmagnet
- 10a
- erster Kontakt
- 10b
- zweiter Kontakt
- 11
- Lichtbogen
- 12a
- erste Seitenwand
- 12b
- zweite Seitenwand
- 13
- Schließkontakt
- 14a
- erste Vorzugsrichtung
- 14b
- zweite Vorzugsrichtung
- 15
- Schützbaugruppe
- 16
- Batterie (erfindungsgemäße Ausführungsform)
- 17
- Fortbewegungsmittel
- HS1
- erstes Schütz
- HS2
- zweites Schütz
- CZK
- Kondensator
- SVL
- Vorladeschütz
- RVL
- Vorladeschützwiderstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
