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Die Erfindung betrifft einen Schütz für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem feststehenden Kontaktelement und einem beweglichen Kontaktelement, welches in einer Trennposition zu dem zumindest einen feststehenden Kontaktelement beabstandet ist, um eine elektrische Verbindung der beiden Kontaktelemente zu unterbrechen, und in einer Schließposition mit dem zumindest einen feststehenden Kontaktelement in elektrisch leitender Anlage ist, um eine elektrische Verbindung der beiden Kontaktelemente zu schaffen, und einem dem beweglichen Kontaktelement zugeordneten Schaltaktuator, welcher ausgebildet ist, das bewegliche Kontaktelement in die Trennposition oder in die Schließposition zu bewegen. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug mit einem Schütz.
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Ein Schütz ist ein elektrisch oder elektromagnetisch betätigbarer Schalter, welcher einem Relais ähnelt, und dient dem Schalten einer großen elektrischen Last mittels eines vergleichsweise sehr kleinen elektrischen Schaltstroms.
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Große elektrische Lasten müssen beispielsweise im Eisenbahnwesen geschaltet werden. Gewöhnlich umfasst eine Elektrolok, d. h. eine Lokomotive mit einem elektromotorischen Antriebssystem, zum Richtungswechsel, Bremsen und Beschleunigen eine Mehrzahl von Schützen, welche nicht in beliebiger Reihenfolge betätigt werden dürfen. Unzulässige Kombinationen von Schaltpositionen der mehreren Schütze müssen daher ausgeschlossen sein, um eine Beschädigung des elektromotorischen Antriebssystems der Lokomotive infolge unsachgemäßer Betätigung durch einen Zugführer zu vermeiden.
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So offenbart die
US 4,092,577 B ein elektromotorisches Antriebssystem für eine Lokomotive. Das Antriebssystem umfasst einen oder mehrere Elektromotoren, die jeweils in einer Reihenschaltung mit einer Parallelschaltung angeordnet sind, welche in einem ersten Zweig einen Fahrschütz und in einem weiteren Zweig eine Reihenschaltung mit einem Bremsschütz und einem Bremswiderstand umfasst. Ferner umfasst das Antriebssystem einen Fahrtrichtungshebel, einen Beschleunigungshebel und einen Bremshebel sowie ein Steuergerät, an welches die Hebel betätigend und die Schütze betätigbar angeschlossen sind. Die Hebel sind über mechanische und die Schütze über von dem Steuergerät vermittelte elektrische Sperrmechanismen miteinander verbunden, um ein für das elektromotorische Antriebssystem schädliches Betätigen der Hebel und/oder Schütze auszuschließen.
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Eine häufige Anforderung an elektrische Schalter, beispielsweise für eine Verwendung in industriellen Anlagen, besteht darin, diese in einer bestimmten Schaltposition verriegeln zu können, umeine abweichende Schaltposition auch bei einem Betätigen des elektrischen Schalters zu versperren.
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Einen solchen Schalter in Form eines Positionsschalters, beispielsweise für eine Schutztür einer Industrieanlage, offenbart die
EP 1 876 623 A1 . Der Schalter umfasst eine Mehrzahl von feststehenden Kontaktelementen, eine korrespondierende Mehrzahl von beweglichen Kontaktelementen und einen den mehreren beweglichen Kontaktelementen zugeordneten elektromagnetischen Schaltaktuator. Der Schaltaktuator ist ausgebildet und angeordnet, die mehreren beweglichen Kontaktelemente in einer Schließposition mit den mehreren feststehenden Kontaktelementen zum Schaffen einer elektrischen Verbindung in elektrisch leitende Anlage zu bringen und in einer zu der Schließposition beabstandeten Trennposition von den mehreren feststehenden Kontaktelementen zum Trennen der elektrischen Verbindung von diesen zu lösen. Ferner umfasst der Positionsschalter einen Verriegelungsmechanismus zum Verriegeln des Schaltaktuators in der Trennposition.
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Ferner offenbart die
DE 101 33 700 A1 einen elektromagnetischen Schaltaktuator und einen Verriegelungsmechanismus für ein Schaltgerät, welches ein bewegliches Kontaktelement umfasst. Der Schaltaktuator ist angeordnet und ausgebildet, das bewegliche Kontaktelement in eine Schließposition und in eine zu der Schließposition beabstandete Trennposition zu bewegen. Der Verriegelungsmechanismus ist angeordnet und ausgebildet, das bewegliche Kontaktelement in der Schließposition mechanisch zu arretieren, und umfasst ein verschwenkbares Riegelelement und einen Riegelaktuator, welcher angeordnet und ausgebildet ist, das Riegelelement zum Arretieren des beweglichen Kontaktelements in eine Verriegelungsposition und zum Freigeben des beweglichen Kontaktelements in eine Entriegelungsposition zu verschwenken. Anders als bei der
EP 1 876 623 A1 wird hier also das bewegliche Kontaktelement verriegelt.
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Auch
DE 10 2014 012 454 A1 und
DE 10 2014 117 489 A1 offenbaren jeweils einen Verriegelungsmechanismus, welcher ein bewegliches Kontaktelement eines Schaltaktuators in einer Trennposition des Kontaktelements arretiert. Aus
US 5,300,905 A ist ein Schaltgerät mit einem Haltemechanismus bekannt, welcher ein in eine Trennposition vorgespanntes bewegliches Kontaktelement entgegen einer Vorspannkraft in einer Schließposition hält. Infolge eines automatischen Lösens des Haltemechanismus oder eines manuellen Betätigens des Kontaktelements wird das Kontaktelement in die Trennposition bewegt.
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Große elektrische Lasten müssen auch in elektromotorisch angetriebenen Straßenfahrzeugen, d. h. straßentauglichen Fahrzeugen mit einem elektromotorischen Antriebssystem, kurz Elektrofahrzeugen, geschaltet werden. Elektrofahrzeuge können als Hybridfahrzeuge (Hybrid Electric Vehicle, HEV), Plugin-Hybridfahrzeuge (Plugin Hybrid Electric Vehicle, PHEV) oder als reine Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle, EV, oder auch Battery Electric Vehicle, BEV) ausgebildet sein.
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Elektrofahrzeuge sind bereits im normalen Fahrbetrieb starken Beschleunigungen, insbesondere Stößen, ausgesetzt, beispielsweise beim Fahren auf schlechten Fahrbahnbelägen mit großen Schlaglöchern. Deutlich höher können die Beschleunigungen bei einem Unfall sein, d. h. bei einer Kollision des Elektrofahrzeugs mit einem anderen Fahrzeug oder einem stationären Objekt, beispielsweise einem Baum oder einem Gebäude.
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Bei einer starken Beschleunigung muss es angesichts einer in einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs gespeicherten großen elektrischen Energiemenge und einer hohen Betriebsspannung des elektromotorischen Antriebssystems zum Schutz des Elektrofahrzeugs sowie darin angeordneter Fahrzeuginsassen ausgeschlossen sein, dass es zu einer Fehlschaltung des elektromotorischen Antriebssystems kommt.
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Um einer Fehlschaltung infolge einer starken Beschleunigung entgegenzuwirken, umfasst eine sicherheitsrelevante Schaltvorrichtung des elektromotischen Antriebssystems üblicherweise zwei Schütze, welche in einer Reihenschaltung und rechtwinklig gegeneinander verdreht angeordnet sind.
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Auf diese Weise wird die Gefahr verringert, dass bei einer starken Beschleunigung beide Schütze gleichzeitig ihre Schaltposition ändern und damit eine Fehlschaltung verursachen. Allerdings sind zwei Schütze kostspielig und benötigen einen doppelten Bauraum, was angesichts des in einem Elektrofahrzeug üblicherweise knappen Raumangebots ungünstig ist. Zudem kann auch die räumlich verdrehte elektrische Reihung zweier Schütze eine Fehlschaltung nicht in allen Fällen sicher ausschließen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Schütz zur Verfügung zu stellen, welcher die beschriebenen Nachteile vermeidet. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Elektrofahrzeug vorzuschlagen.
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Schütz für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem feststehenden Kontaktelement und einem beweglichen Kontaktelement, welches in einer Trennposition zu dem zumindest einen feststehenden Kontaktelement beabstandet ist, um eine elektrische Verbindung der beiden Kontaktelemente zu unterbrechen, und in einer Schließposition mit dem zumindest einen feststehenden Kontaktelement in elektrisch leitender Anlage ist, um eine elektrische Verbindung der beiden Kontaktelemente zu schaffen, und einem dem beweglichen Kontaktelement zugeordneten Schaltaktuator, welcher ausgebildet ist, das bewegliche Kontaktelement in die Trennposition oder in die Schließposition zu bewegen.
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Der Schütz kann zwei elektrische Anschlüsse umfassen, von denen einer mit dem feststehenden Kontaktelement und der andere mit dem beweglichen Kontaktelement elektrisch leitend verbunden ist. Alternativ kann der Schütz zwei feststehende Kontaktelemente umfassen, welche jeweils mit einem elektrischen Anschluss elektrisch leitend verbunden sind. In diesem Fall kann das bewegliche Kontaktelement plattenförmig ausgebildet sein, um eine elektrische Verbindung der beiden feststehenden Kontaktelemente zu schaffen.
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Der Schaltaktuator kann elektromagnetisch ausgebildet sein und eine Magnetspule umfassen.
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Der erfindungsgemäße Schütz umfasst einen Verriegelungsmechanismus, welcher dem beweglichen Kontaktelement zugeordnet und ausgebildet ist, das bewegliche Kontaktelement in der Trennposition und in der Schließposition zu arretieren. Mit anderen Worten kann derselbe Verriegelungsmechanismus das bewegliche Kontaktelement in jeder der beiden Schaltpositionen verriegeln.
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Durch den Verriegelungsmechanismus ist es einerseits ausgeschlossen, dass infolge eines starken Beschleunigens des Schützes das bewegliche Kontaktelement aus der Trennposition in die Schließposition gelangt. Andererseits ist es ebenfalls ausgeschlossen, dass infolge eines starken Beschleunigens des Schützes das bewegliche Kontaktelement aus der Schließposition in die Trennposition gelangt. Der Verriegelungsmechanismus kann mechanisch, elektromagnetisch oder auf eine andere Weise ausgebildet sein. Jeder Mechanismus, welcher dem beweglichen Kontaktelement zugeordnet ist und dieses bei einer starken Beschleunigung an einem Ändern der Schaltposition hindert, kann ein Verriegelungsmechanismus im Sinne der vorliegenden Erfindung sein.
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In einer Ausführungsform ist das bewegliche Kontaktelement in der Trennposition, wenn der Schaltaktuator inaktiv ist, und in der Schließposition, wenn der Schaltaktuator aktiv ist. Der Schütz ist normal offen, wenn - im Falle eines elektromagnetischen Schaltaktuators - der Schaltaktuator nicht bestromt ist, und kann durch Bestromen des Schaltaktuators geschlossen werden. Das bewegliche Kontaktelement kann durch ein Vorspannelement, beispielsweise in Form einer Feder, in die Trennposition vorgespannt sein.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das bewegliche Kontaktelement in der Schließposition, wenn der Schaltaktuator inaktiv ist, und in der Trennposition ist, wenn der Schaltaktuator aktiv. Der Schütz ist normal geschlossen, wenn - im Falle eines elektromagnetischen Schaltaktuators - der Schaltaktuator nicht bestromt ist, und kann durch Bestromen des Schaltaktuators geöffnet werden. Das bewegliche Kontaktelement kann kann durch ein Vorspannelement, beispielsweise in Form einer Feder, in die Schließposition vorgespannt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verriegelungsmechanismus zumindest ein zwischen einer Verriegelungsposition und einer Entriegelungsposition bewegliches Riegelelement, welches in der Verriegelungsposition das bewegliche Kontaktelement arretiert und in der Entriegelungsposition das bewegliche Kontaktelement freigibt, und einen dem zumindest einen Riegelelement zugeordneten Riegelaktuator, welcher ausgebildet ist, das zumindest eine Riegelelement in die Verriegelungsposition oder in die Entriegelungsposition zu bewegen. Der Verriegelungsmechanismus beruht darauf, dass das Riegelelement dem beweglichen Kontaktelement ein Verlassen der jeweiligen Schaltposition mechanisch versperrt, d. h. einem Bewegen des beweglichen Kontaktelements blockierend im Weg steht. Mit anderen Worten ist das Riegelelement in der Verriegelungsposition mit dem Kontaktelement in einem formschlüssigen Eingriff. Der Riegelaktuator kann elektromagnetisch ausgebildet sein und eine Magnetspule umfassen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verriegelungsmechanismus ein Vorspannelement, welches dem zumindest einen Riegelelement zugeordnet ist und das zumindest eine Riegelelement in die Verriegelungsposition oder in die Entriegelungsposition vorspannt. Dank der Vorspannung ist eine Ruheposition des Riegelelements definiert. Der Riegelaktuator muss also nicht aktiviert werden, beispielsweise nicht bestromt werden, um das Riegelelement in der Ruheposition zu halten.
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Das Riegelelement kann in der Verriegelungsposition sein, wenn der Riegelaktuator inaktiv ist, und in der Entriegelungsposition sein, wenn der Riegelaktuator aktiv ist. Der Verriegelungsmechanismus ist normal geschlossen, wenn - im Falle eines elektromagnetischen Riegelaktuators - der Riegelaktuator nicht bestromt ist, und kann durch Bestromen des Riegelaktuators geöffnet werden.
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Alternativ kann das Riegelelement in der Entriegelungsposition sein, wenn der Riegelaktuator inaktiv ist, und in der Verriegelungsposition sein, wenn der Riegelaktuator aktiv ist. Der Verriegelungsmechanismus ist normal offen, wenn - im Falle eines elektromagnetischen Riegelaktuators - der Riegelaktuator nicht bestromt ist, und kann durch Bestromen des Riegelaktuators geschlossen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der Schaltaktuator und der Riegelaktuator synchron aktiv oder inaktiv. Auf diese Weise ist ein Steuern des Schützes schaltungstechnisch besonders einfach.
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Vorteilhaft umfasst der Schütz einen kombinierten Schalt-/Riegelaktuator, welcher den Schaltaktuator und den Riegelaktuator umfasst und bei dem der Schaltaktuator und der Riegelaktuator mechanisch gekoppelt sind. Dank des kombinierten Schalt-/Riegelaktuators sind die Struktur und Beschaltung des Schützes sehr einfach.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Riegelaktuator aktiv, wenn der Schaltaktuator inaktiv ist, oder ist der Riegelaktuator inaktiv, wenn der Schaltaktuator aktiv ist. Auch auf diese Weise ist ein Steuern des Schützes schaltungstechnisch sehr einfach.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Elektrofahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Schütz. Das Elektrofahrzeug bietet dank des Ausschlusses von Fehlschaltungen des elektromotorischen Antriebssystems infolge einer starken Beschleunigung des Elektrofahrzeugs eine hohe Sicherheit.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Schützes besteht darin, dass es ein Verdoppeln von Schützen überflüssig macht und überdies in dem Elektrofahrzeug in beliebiger Orientierung angeordnet werden kann, wodurch der Bauraum optimal genutzt, der Montageprozess vereinfacht und Kosten gesenkt sind. Gleichzeitig ist ein gefährliches Ändern der Schaltposition des beweglichen Kontaktelements ausgeschlossen, was mit einer hohen Sicherheit des Elektrofahrzeugs einhergeht.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht eines Schützes nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht eines Schützes 1 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Schütz 1 ist für ein Elektrofahrzeug vorgesehen und kann in einem elektrischen Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs verbaut sein. Der Fachmann erkennt, dass der Schütz 1 auch für andere Fahrzeuge, welche starken Beschleunigungen ausgesetzt sind, insbesondere verbrennungsmotorisch angetriebene Straßenfahrzeuge oder auch Schienenfahrzeuge, verwendet werden kann.
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Der Schütz 1 umfasst ein Gehäuse 10, welches in seinem Inneren einen Schaltraum 11 definiert. Ferner umfasst der Schütz 1 zwei feststehende Kontaktelemente 20 und ein bewegliches Kontaktelement 30, welche in dem Schaltraum 11 angeordnet sind. Das bewegliche Kontaktelement 30 ist plattenförmig ausgebildet und in einer Trennposition zu beiden feststehenden Kontaktelementen 20 beabstandet, um eine elektrische Verbindung der beiden Kontaktelemente 20, 30 zu unterbrechen, und in einer Schließposition mit den beiden feststehenden Kontaktelementen 20 in elektrisch leitender Anlage, um eine elektrische Verbindung der beiden Kontaktelemente 20, 30 zu schaffen.
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Weiterhin umfasst der Schütz 1 einen dem beweglichen Kontaktelement 30 zugeordneten elektromagnetischen Schaltaktuator 40 mit einer nicht dargestellten Magnetspule. Der Schaltaktuator 40 ist angeordnet und ausgebildet, das bewegliche Kontaktelement 30 in die Trennposition oder in die Schließposition zu bewegen.
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Das bewegliche Kontaktelement 30 ist in der Trennposition, wenn der Schaltaktuator 40 inaktiv ist, und in der Schließposition, wenn der Schaltaktuator 40 aktiv ist. In alternativen Ausführungsformen ist das bewegliche Kontaktelement 30 in der Schließposition, wenn der Schaltaktuator 40 inaktiv ist, und in der Trennposition, wenn der Schaltaktuator 40 aktiv ist.
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Der Schütz 1 umfasst überdies einen Verriegelungsmechanismus 50, welcher dem beweglichen Kontaktelement 30 zugeordnet und ausgebildet ist, das bewegliche Kontaktelement 30 in der Trennposition und in der Schließposition zu arretieren.
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Der Verriegelungsmechanismus 50 umfasst zwei zwischen einer Verriegelungsposition und einer Entriegelungsposition bewegliche L-förmige Riegelelemente 51, welche einen Schwenkarm und einen von dem Schwenkarm senkrecht vorstehenden Sperrarm aufweisen. Die Riegelelemente 51 arretieren das bewegliche Kontaktelement 30 in der Verriegelungsposition und geben das bewegliche Kontaktelement 30 in der Entriegelungsposition frei. In der Figur sind die Riegelelemente 51 in der Verriegelungsposition abgebildet. Das bewegliche Kontaktelement 30 ist unterhalb der Sperrarme arretiert in der Trennposition abgebildet. Das in der Schließposition arretierte bewegliche Kontaktelement 30 wäre dagegen oberhalb der Sperrarme angeordnet und arretiert.
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Der Verriegelungsmechanismus 50 umfasst ferner zwei den Riegelelementen 51 zugeordnete elektromagnetische Riegelaktuatoren 53 jeweils mit einer Magnetspule, welche ausgebildet sind, die beiden Riegelelemente 51 in die Entriegelungsposition zu bewegen, und zwei sich an dem Gehäuse 10 abstützende Vorspannelemente 52, welche den beiden Riegelelementen 51 jeweils zugeordnet sind und die beiden Riegelelemente 51 in die Verriegelungsposition vorspannen.
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In anderen Ausführungsformen sind die Riegelaktuatoren 53 alternativ ausgebildet, die beiden Riegelelemente 51 in die Verriegelungsposition zu bewegen, und spannen die beiden Vorspannelemente 52 die beiden Riegelelemente 51 in die Entriegelungsposition vor. Noch andere Ausführungsformen umfassen ein einziges Riegelelement 51 oder mehr als zwei Riegelelemente 51 und/oder umfassen einen einzigen Riegelaktuator 53 oder mehr als zwei Riegelaktuatoren 53.
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Die Riegelelemente 51 sind in der Verriegelungsposition, wenn der Riegelaktuator 53 inaktiv ist, und in der Entriegelungsposition, wenn der Riegelaktuator 53 aktiv ist. Alternativ können die Riegelelemente 51 in der Entriegelungsposition sein, wenn der Riegelaktuator 53 inaktiv ist, und in der Verriegelungsposition sein, wenn der Riegelaktuator 53 aktiv ist.
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Bei dem Schütz 1 sind der Schaltaktuator 40 und der Riegelaktuator 53 synchron aktiv oder inaktiv. Beispielsweise kann der Verriegelungsmechanismus 50 einen kombinierten Schalt-/Riegelaktuator umfassen, welcher den Schaltaktuator 40 und den Riegelaktuator 53 umfasst und bei dem der Schaltaktuator 40 und der Riegelaktuator 53 und/oder mechanisch gekoppelt sind.
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In anderen Ausführungsformen kann alternativ der Riegelaktuator 53 aktiv sein, wenn der Schaltaktuator 40 inaktiv ist, oder der Riegelaktuator 53 inaktiv sein, wenn der Schaltaktuator 40 aktiv ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schütz
- 10
- Gehäuse
- 11
- Schaltkammer
- 20
- feststehendes Kontaktelement
- 30
- bewegliches Kontaktelement
- 40
- Schaltaktuator
- 50
- Verriegelungsmechanismus
- 51
- bewegliches Riegelelement
- 52
- Vorspannelement
- 53
- Riegelaktuator
