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Die Erfindung betrifft einen Bimetall-Schalter (LS-Schalter, Sicherungsautomat) für Überstrom- und Kurzschlussschutz; zusätzlich versehen mit einer oder mehreren Baugruppen (100-101) geeignet zur indirekten Erhitzung des Bimetalls (41) durch Anschluss der Baugruppen Versorgungskontakte (10-13) an eine Spannungsquelle.
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Dies geschieht bevorzugt über eine Logik zur intelligenten Bestromung der Baugruppen; wobei die Baugruppen (100-101) im einfachsten Fall einfache ohmsche Widerstände sein können; und wobei die Baugruppen (100-101) jedoch in einer besonderen Variante der Erfindung auch selbst eine intelligente Logik darstellen können.
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Ein wichtiges Anwendungsbeispiel ist ein Batterieschutz mit einen kombinierten Überstrom/Kurzschluss/Überspannung/Tiefentlade-Schutz; wobei die Baugruppen (100-101) in diesem Fall z.B. die Intelligenz von Schwellwertschaltern, eine Baugruppe(100) für Überspannung, die andere Baugruppe (101) mit invertiertem Schwellwertverhalten für Unterspannung - darstellen.
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Hintergrund der Erfindung
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Im Stand der Technik vielfach seit Jahrzehnten bekannt und offenbart sind zahlreiche Variationen von Bimetall-Leitungsschutzschaltern (in der Folge auch Bimetall-Schalter, oder einfach Automat genannt), welche die Funktionalität von Überlastschutz und Kurzschlussschutz für die durchgeführten Leitungen leisten. Insbesondere bedeutsam für die vorliegende Erfindung ist die bekannte Möglichkeit der indirekten Beheizung des Bimetallstreifens.
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Die
DE3430 155 A1 aus dem Jahre 1986 beschreibt bereits schön die Möglichkeit der Aufbringung eines biegungsnachgiebigen (Nebenschluss-) Widerstands-Materials in Mäanderform auf einem Bimetallstreifen, mit thermischer Kopplung aber ebenfalls biegungsnachgiebiger Isolation zu diesem und damit sehr guter gemeinsamer Beweglichkeit mit dem in Biegerichtung des Bimetalls.
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Die
DE60029915T2 aus dem Jahre 2000 beschreibt eine besondere Ausführung eines Nebenschluss-Widerstandes.
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Die Mängel im Stand der Technik sind, dass sämtliche Ausführungen von handelsüblichen Sicherungs-Automaten mit Bimtallstreifen sich in ihrer Schutzfunktion mit den klassischen zwei Auslösekriterien von Überlast und Kurzschluss zufrieden geben.
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Die Widerstände zur indirekten Beheizung des Bimetalls im Stand der Technik und im Handel sind sämtlich als Nebenschluss-Widerstände ausgeführt, d.h. sie werden vom Hauptstromfluss des Automaten voll oder in großem Anteil durchflossen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Bimetallschalter, insbesondere ausgeführt als LS-Schalter, bzw. Sicherungs-Automat, umfassend mindestens zwei Leistungskontakte (1-2), eine mechanische Auslöseeinheit zur galvanischen Trennung der beiden Leistungskontakte (1-7), welche mindestens einen Bimetallstreifen (41) beinhalten, wobei der Bimetallstreifen (41) sich unter Wärmeeinfluss verbiegt und ab einer vorbestimmbaren Temperatur in die mechanische Auslöseeinheit dergestalt eingreift, so dass es zu einer Trennung der Leistungskontakte (1-7) kommt, mindestens eine Baugruppe (100-103) mit Versorgungskontakten (10-17), bevorzugt aus einem Widerstandsmaterial, zur indirekten Erhitzung des Bimetallstreifens (41).
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Es wird vorgeschlagen, dass der Widerstandswert der wenigstens einen Baugruppe (100-103) zur indirekten Erhitzung des Bimetallstreifens (41) zwischen ihren Versorgungskontakten (10-11) im Regelbetrieb mindestens 20 mal so groß gegenüber dem Widerstandswert der geschlossenen Leistungskontakte (1-2) des Bimetallschalters ist, und mindestens 2 Ohm beträgt.
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Vorteilhaft kann mindestens eine, insbesondere vier oder mehr- Baugruppen (100-103) zur indirekten Erhitzung des bzw. der Bimetallstreifen (41) mit ihren Versorgungskontakten (10-17) direkt an eine interne oder externe Logik (30) angeschlossen sein; oder durch eine geeignete Kontaktvorrichtung (9) zum Anschluss an einer Logik (30) eingerichtet sein.
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Vorteilhaft können die eine, insbesondere bis zu vier oder mehr Baugruppen (100-103) zur indirekten Erhitzung des bzw. der Bimetallstreifen (41) mit zumindest einem Informationskontakt (20-21) direkt an eine interne oder externe Logik (30) angeschlossen sein; oder durch eine geeignete Kontaktvorrichtung (9) zum unmittelbaren Anschluss einer Logik eingerichtet sein.
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Vorteilhaft kann wenigstens eine, vorzugsweise mehrere oder alle Baugruppen (100-103) zur indirekten Erhitzung des bzw. der Bimetallstreifen (41) als intelligente Baugruppe, bevorzugt unter Einbeziehung von Halbleiter-Elementen, ausgeführt sein und eine geeignete Logik (30) oder einen wesentlichen Teil derselben darstellen, wobei insbesondere die Baugruppe (100-103) nach Art einer Schwellwertschaltungen eingerichtet sein kann.
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Vorteilhaft kann die zumindest eine, insbesondere alle Baugruppen (100-103) zur indirekten Erhitzung des bzw. der Bimetallstreifen (41) mit ihren Versorgungskontakten (10-17) und/oder eine mit den Baugruppen verbundene Logik (30) mit Powerkontakten (33) direkt im oder am Bimetallschalter mit den Leistungskontakten (1-7) elektrisch leitfähig verbunden sein; wobei insbesondere ein Kontaktpunkt der Bimetallstreifen (41) selbst darstellen kann.
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Vorteilhaft kann mindestens eine erste Baugruppe (100-103) zur indirekten Erhitzung des bzw. der Bimetallstreifen (41) eine erste Schwellwert-Charakteristik eines Schwellwertschalters aufweisen, der bei Überschreiten einer vorbestimmbaren Spannung sich durch einen stark nachlassenden Widerstand auszeichnet; und mindestens eine zweite Baugruppe (100-103) eine zweite Schwellwert-Charakteristik eines invertierten Schwellwertschalters aufweisen, der bei Unterschreiten einer vorbestimmbaren Spannung sich durch einen stark nachlassenden Widerstand auszeichnet; insbesondere kann eine an mindestens zwei Baugruppen (100-103) angeschlossene interne oder externe Logik (30) die vorgenannten ersten und zweiten Schwellwert-Charakteristiken nachbilden und jede der beiden Schwellwert-Charakteristiken jeweils mindestens einer an sie angeschlossenen Baugruppe (100-103) über den entsprechenden Wärmepfad (31) vermitteln.
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Vorteilhaft können die Baugruppen (100-103) zur indirekten Erhitzung des bzw. der Bimetallstreifens (41) mit ihren jeweiligen positiven (10, 12, 14, 16) und negativen (11, 13, 15, 17) Versorgungskontakten untereinander durchkontaktiert sein.
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Vorteilhaft kann die Bauform des Bimetallschalter von der bekannten, insbesondere standardisierten Hutschienen-Montage-Form abweichen, insbesondere eine bauraumverkleinertes Gehäuseform ermöglichen und/oder geeignet zur Bestückung auf einer Print-Platine ausgeführt sein.
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In einem nebengeordneten Aspekt wird ein System vorgeschlagen, dass ein oder mehrere vorgenannte Bimetallschalter (40), eine Logik (30), und ein Netzteil (35) für einen Einsatz in einem Wechselstromnetz umfasst, wobei der Bimetallschalter (40) in mehrpoliger Ausführung ausgeführt ist; und wobei Logik (30) und Netzteil (35) eine gemeinsame physikalische Einheit bilden, wobei die Logik (30) wenigstens mit einem Bimetallschalter (40), und vorzugsweise mindestens mit einer weiteren Einheit, bevorzugt zum Zwecke der Lastzuschaltung, verbindbar ist. Die Logik (30) ist für eine Messung wenigstens der Netzfrequenz, und bevorzugt auch der Netzspannung, ausgebildet.
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Erfindungsgemäß bietet es sich nun an, den Bimetallstreifen (41) mit mindestens einer - ggf. zum vorhandenen Nebenschluss-Widerstand zusätzlichen - Lage von Widerstandsmaterial oder sogar ganzen (intelligenten) Baugruppen (100-103) zu beschichten oder den Bimetallstreifen (41) auf andere Weise mit diesen thermisch zu koppeln; wobei diese Widerstände/Baugruppen (100-103) keine Nebenschluss-Widerstände darstellen und in keinem Falle eine Hauptlast des elektrischen Stromes des Automaten führen sollen oder auch nur können;
wobei stattdessen die Anschlusskontakte dieser Widerstände/Baugruppen direkt einer Logik/Steuereinheit (30) elektrisch leitend zugeführt werden oder über eine Kontaktmöglichkeit (9) für die elektrisch leitende Verbindung mit einer Logik (30) geeignet gestaltet sind;
wobei eine spezielle Form der Erfindung die bereits genannten intelligenten Baugruppen (100-103) darstellen, welche selbst die Logik (30) in Form von in der Regel einfachen Halbleiter-Aufprägungen enthalten und mit ihren Versorgungskontakten (10-17) direkt an eine zu überwachende Spannung angeschlossen werden können, vorzugsweise im Automaten selbst.
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Beispiel: ein zweipoliger Bimetall-Leitungs-Schutz-Schalter (40) im Bereich Batterieschutz übernimmt traditionell den Überlast und Kurzschluss-Schutz der Batterie und trennt als zweipoliger Automat allpolig: Plus und Minus. Ausgestattet mit intelligenten Baugruppen (100-103) könnten diese intern im Automat mit Plus und Minus verbunden werden. Die Intelligenz wenigstens einer der Baugruppen (100-103) könnte vorzugsweise als Schwellwertschalter ausgeführt sein wie bekannt von einer Zenerdiode: ab >60Volt würd diese intelligente Baugruppe mit Zenerdioden-Verhalten leitfähig werden, Leistung aufnehmen und den Automaten über die Verbiegung des Bimetall-Streifens zum Auslösen bringen. Die Intelligenz wenigstens einer der Baugruppen (100-103) könnte vorzugsweise als invertierter Schwellwertschalter ausgeführt sein wie bekannt von einer Zenerdiode: ab <50Volt würd diese intelligente Baugruppe mit invertiertem Zenerdioden-Verhalten leitfähig werden, Leistung aufnehmen und den Automaten über die Verbiegung des Bimetall-Streifens zum Auslösen bringen.
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Eine Lithium-Batterie, welche ein Spannungsfenster von 52-58 Volt haben kann, welches im Regelbetrieb von allen angeschlossenen Quellen und Verbrauchern auch respektiert würde, könnte mit einem solchen Automaten eine Redundanz erhalten zum Schutz vor kritischer Überspannung (>60V) und gefährlicher Tiefentladung (<50V) - und das auch noch mit galvanischer Trennung in bewährter Ausführung. Dieser Schutz selbst könnte mit 4 intelligenten Baugruppen (100-103) - 2 für Überspannung und 2 für Unterspannung - auch selbst redundant ausgeführt sein.
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Diese - interne oder externe - Logik (30) kann den Automaten (40) nun auf Grund einer beliebigen Ursache auslösen lassen, indem die Baugruppen (100-103) über ihre Wärmepfad-Kontakte (10-17) elektrisch beheizt werden und einen signifikanten Teil dieser Wärme an den Bimetallstreifen weitergeben und diesen nach einer bestimmten Zeit, in Abhängigkeit der zugeführten Wärme zum Auslösen bringen.
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Für viele Anwendungen sind hier variable Zeiten der Auslösung - ähnliche wie beim thermischen Überlastschutz - wünschenswert: schnelle Notauslösung sowie verzögerte Auslösung bei geringen aber langanhaltenden Toleranzüberschreitungen. Diese Zeiten lassen sich realisieren.
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Bei intelligenten Baugruppen (100-103) ergibt sich hier ein Zeitverhalten bei geschickter analogen Ausführung. Im Beispiel des Automaten mit Arbeitsfenster 50...60Volt würden starke Überschreitungen (z.B. 63Volt oder 47 Volt) den Strom durch die Baugruppen mit Zener-Dioden Verhalten stark erhöhen und zu einer schnellen Auslösung führen. Während kleine aber langanhaltende Überschreitungen (z.B. 60.3Volt und 49.7Volt) die Baugruppen mäßig bestromen und den Bimetallstreifen mäßig vorwärmen. Hier spielt auch die Wärmekapazität eines solchen Systems eine Rolle.
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Bei überwiegend oder rein ohmischen Baugruppen (100-103) mit externer Logik (30) bietet es sich an, unterschiedliche Widerstandswerte diesen Baugruppen aufzuprägen. Die Logik (30) kann dann je nach Dramatik der Grenzverletzung ihre „Heizspannung“ an eine geeignete Baugruppe anlegen. Mit 4 Baugruppen (100-103) lassen sich hier schon 4Bit = 8 verschiedene Auslösezeiten realisieren. Alternativ kann eine Logik (30) mit Intervallen der Bestromung oder mit unterschiedlichen „Heizspannungen“ arbeiten und somit schon eine einzige Baugruppe für unterschiedliche Auslösezeiten verwenden.
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Figurenbeschreibung
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Im Folgenden eine Beschreibung der beigefügten Figuren.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Variante der Erfindung mit einem zweipoligen Automaten, bestehend aus Leistungskontakten (1-2 und 3-4) für zwei Leistungspfade; 2 Baugruppen (100-101) zur indirekten Erwärmung des Bimetalls (42); Versorgungskontakten (10-13) und Informationskontakten (20-21) dieser Baugruppen, welche in einer Kontaktvorrichtung (9) zusammengefasst sein können.
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5 fügt die Logik (30) deren Anbindung an die Baugruppen über einen Wärmepfad (31) und die Rückkopplung der Baugruppen über einen Informationspfad (32) sowie die Powerkontakte (34) der Logik (30) hinzu.
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2 zeigt in einer physikalisch-schematischen Mischform die mögliche Ausgestaltung eines Bimetallstreifens (41) mit einer Baugruppe (100) und deren Kontaktierungen (10, 11, 20). Eine Isolationsschicht (42) trennt die Baugruppen vom Bimetall elektrisch. Die physikalische Grundform des Bimetallstreifens mit Isolierschicht ist der erwähnten
DE3430 155 A1 von Siemens aus dem Jahre 1986 entnommen - die schematisch aufgetragene Baugruppe (100) mit ihren Bereichen (100.1 und 100.2) und Kontakten (10,11,20) ist dieser Erfindung angepasst. Die Baugruppe (100) ist hier im einfachsten Falle komplett als Widerstand ausgeführt mit Mittelabgriff für eine Information. Der Informationskontakt (20) gibt dann einer angeschlossenen Logik (30) bei bekanntem Strom Auskunft über den Leistungsfall über dem zweiten Bereich (100.2) des Widerstandes. Eine Ausführung des zweiten Bereiches (100.2) als PTC Widerstand gibt der Logik (30) über den Informationskontakt (20) zusätzlich Information über die sich durch den Strom einstellende Temperatur, da der Widerstandswert eines PTC mit der Temperatur steigt in bekannten Kurven.
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Der Sprung zurück zu 5 zeigt, wie die beiden hier dargestellten Baugruppen (100-101) mit einer Logik (30) verbunden und von dieser über einen Wärmepfad (31) mit Strom versorgt werden können; wie die Baugruppen ihrerseits über den im Bild vorhandenen Informationspfad (32) Rückmeldung bezüglich der Wirkung des Stromes geben können. Die Logik (30) kann im Automaten (40) mit integriert sein, oder extern angebracht und über eine Kontaktierungsmöglichkeit (9) oder auch direkt mit den Baugruppen (100-101) elektrisch verbunden.
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3 zeigt in schematischer Darstellung die bedeutsame zweipolige Variante von einer in die Baugruppen (100-101) selbst integrierten Logik (30.100 und 30.101): die sogenannte intelligente Baugruppe. Dazu kommt der unmittelbare interne Anschluss der Versorgungskontakte (10-12) der intelligenten Baugruppen (100-102) - welche hier quasi mit den Powerkontakten der Logik (33) verschmolzen sind! - an die Leistungskontakte (1-4) des Automaten und zwar „überkreuz“ dh. (2und3 ODER 1 und4), so dass bei Auslösung des Automaten die Baugruppen mit ihrer integrierten Logik gleichsam von der Versorgung mit Strom getrennt werden.
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Insbesondere in Batterie-Anwendungen bietet sich diese Variation als kombinierter Überstrom-/Kurzschluss-/Überspannung-/Unterspannungs-Schutz an; wobei für diese Anwendung die Batteriespannung an den Leistungskontakten (2und3 ODER 1 und4) gleichsam als Messgröße dient für den Überspannung-/UnterspannungsSchutz mit den intelligenten Baugruppe (100-101); als auch als Energiequelle dient zur Beheizung der intelligenten Baugruppen; wobei für den genannten 4-fach Schutz eine Baugruppe (z.B.100) als Überspannungslogik die andere Baugruppe (101) als Unterspannungsschutz ausgeführt sein müsste.
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Weitere Baugruppen (102-105) könnten mit ihren Anschlusskontakten (13-17) direkt mit den dargestellten beiden Baugruppen (100-101) durchkontaktiert sein und für Redundanzen und/oder gestaffelte Auslösezeiten sorgen.
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4 zeigt nun Beispiele solcher (analogen) intelligenten Baugruppen (100) mit ihren Versorgungskontakten (10-11) und einem ggf. vorhandenen Informationskontakt (20) in allgemein bekannten und einfachen Schaltsymbolen zur Anwendung im wichtigen Bereich des Batterieschutzes und für den direkten Automaten-internen Anschluss an den Plus- und Minuspol der Batterie.
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Wie nehmen an, die Batterie werde mit Plus und Minus unten am Automaten an dessen Leistungskontakten (2 und 4) angeschlossen. Während oben am Automaten an dessen Leistungskontakten (1 und 3) Stromquellen und Verbraucher die Batterie speisen und belasten können.
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4.1 zeigt eine einfache Zenerdiode für Überspannungsdetektion: Überschreitet die an den Versorgungspolen (10-11) angeschlossene Batteriespannung die Zenerspannung leitet die Diode Strom, trägt den kompletten Spannungsfall und erhitzt sich bei weiter steigender Spannung relativ rasch durch den steil ansteigenden Strom. Dadurch erhitzt sie den Bimetallstreifen. Der Automat löst aus und trennt eine „überkreuz“ angeschlossene Zenerdiode (unsere intelligente Minimalbaugruppe) wenigstens von einem Pol der Batterie.
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In der Realität könnte der Stromfluss durch eine einfache Zenerdiode bei sprunghafter Überspannung so stark ansteigen, dass die Zenerdiode schneller zerstört würde, als sie auf Grund der thermischen Trägheit derartiger Systeme die Wärme an den Bimetallstreifen übertragen könnte.
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4.2 zeigt einen Diac mit nachgeschaltetem Widerstand. Der Diac bricht ab einer gewissen Spannung durch, ähnlich wie eine Zenerdiode, nur mit einer kleinen Hysterese. Der Widerstand begrenzt den Stromfluss. Kombinationen von Diac und Zenerdiode sind möglich für eine optimale Mischung aus Triggerverhalten (Diac) und Präzision (Zenerdiode) der Schwellspannung. Eine Ausführung des Widerstands als PTC ist gut denkbar. Ein Informationskontakt (20) ist hier über dem Widerstand/PTC möglich. Der PTC wirkt dem steil ansteigenden Durchbruchstrom von Diac entgegen.
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4.3 zeigt eine Transistorschaltung mit ähnlichem Schaltverhalten wie in 2 beschrieben. Der Vorteil besteht darin, dass der physikalisch größte Teil der Baugruppe aus robustem Widerstandsmaterial bestehen kann - und nicht aus den ggf. empfindlicheren Halbleitern, was insbesondere über dem sich biegenden Ende des Bimetallstreifens eine entscheidende Bedeutung für lange Haltbarkeit und Betriebssicherheit spielen kann. Der Halbleiterbereich mit Transistor und Zenerdiode kann klein ausgeführt und nahe des fest eingespannten Teils des Bimetallstreifen angebracht sein. Durch die Widerstände, welche den Großteil des Spannungsfalls schultern sollen, werden die Halbleiter thermisch entlastet.
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Am besten ist es natürlich, der logische Halbleiterbereich ist ähnlich dem Widerstandsmaterial wie in der genannten
DE3430 155 A1 aus dem Jahre 1986 auf die Isolierschicht (42) aufgedampft/aufgeprägt/aufgespritzt etc in gleicher oder ähnlicher Schichtdicke. Dann kann man mehrere Baugruppen (100-103) auch schön schichten wie ein Sandwich.
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Der Vorteil von intelligenten Baugruppen (100-103) ist, das man sich die ganze Kontaktierungen (10-17, 22-21) sam den angeschlossenen Leitungen und Buchsen (9) sparen kann. Analog-intelligente Baugruppen (100-103) wie die beschriebenen Schwellwertschalter wird man an ihren Versorgungskontakten (10-17) jeweils Plus und Minus durchkontaktieren können, so dass nur diese beiden Pole mit im Beispiel der Batteriespannung verbunden werden müssen - wobei diese sogar im Beispiel des zweipoligen Automaten intern zur Verfügung steht, eine davon sogar am Bimetallstreifen selbst! So dass im Extremfall auch bei 4 intelligenten Baugruppen (100-103), welche thermisch mit dem Bimetallstreifen (41) gekoppelt sind nur eine einzige Leitung z.B. des gekoppelten Minuspols der Versorgung (11, 13, 15, 17) in der Fertigung angeschlossen werden muss. Der gekoppelte Pluspol der Versorgung (10, 12, 14, 16) der intelligenten Baugruppen kann mit dem Bimetallstreifen selbst verbunden sein. 10 und 11 zeigen ein solche Beispiele einer Baugruppe (100) bei welcher der eine Versorgungskontakt (10) direkt mit dem Bimetallstreifen kontaktiert ist.
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Alternativ kann der logische Halbleiterbereich - hier Transistor und Zenerdiode - auch als Integrierte Schaltung oder ähnliche Miniaturausführungen - als Logik (30) - in unmittelbarer Nähe des Bimetallstreifens mit den Baugruppen (100-103) kontaktiert sein. Die Baugruppen werden dann wohl nur einfache Widerstandsfunktion haben. Hier sieht man wie intelligente Baugruppen (100-103) nahezu übergangslos in die Trennung in einfache Baugruppen (100-103) plus Logik (30) übergehen. Zu beachten ist jedoch, dass der schaltende Transistor in einer solchen vom Bimetallstreifen getrennten Logik (30) im analogen (schleifenden) Betrieb ebenfalls warm wird! Im digitalen (einmalig schaltenden) Betrieb des Transistors in der Logik (30) kann man diese Wärme über dem Transistor minimieren - man verliert jedoch auch die Möglichkeit der analogen Wärmezufuhr. Es sei denn, die Logik ist komplexer ausgeführt und kann ihren Transistor in Intervallen schalten, so dass über die Pulsweiten-Modulation (PWM) der Schaltzeiten eine analoge Wärmezufuhr nachgebildet wird.
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Besser ist jedoch ganz klar: die Baugruppen (100-103) stellen eine einfache analoge Intelligenz dar und werden anhand Ihrer Versorgungsspannung - wie in der Batterieanwendung nahliegend - analog gesteuert. Der Batteriebereich bietet genügend Stückzahlen für eine geeignete industrielle Fertigung und die Arbeitsfenster von Lithiumbatterien sind hinreichend bekannt - gerade als NOTAuslösung gibt es hier mit einem Fenster von z.B. 52 Volt unterer Schwellwert.... 60Volt oberer Schwellwert zahlreiche Anwendungen.
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Ein Sprung nochmal zu 11 und bezugnehmend auf 4.3 zeigt hier grob schematisch eine mögliche vorteilshafte Anordnung einer Baugruppe (100) auf einem Bimetallstreifen (41) mit isolierender Zwischenschicht, wobei der größere Bereich (100.1) den Kollektor-Widerstand aus 4.3 umfassen würde und im kleineren Bereich (100.2) nahe des Befestigungsendes des Bimetallstreifen der Transistor aus 4.3, die Ansteuerung desselben und der Emitter-Widerstand z.B. PTC aus 4.3 angebracht würden. Zu beachten ist hier, dass der eine Versorgungskontakt (10) der Baugruppe direkt mit dem Bimetallstreifen und damit hier dem Pluspol der Leistungskontakte verbunden sein kann. Bei einer Durchkontaktierung sämtlicher positiven Versorgungskontakte (10,12,14,16) und sämtlicher negativen Versorgungskontakte (11,13,15,17) der Baugruppen und Vernachlässigung der nicht benötigten Informationskontakte (20,21) muss man hier in der Fertigung eines solchen zweipoligen Automaten nur noch den gemeinsamen negativen Versorgungspols (11,13,15,17) mit dem Minusanschluss der Batterie am Automaten - überkreuz! - verbinden.
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Die Batterie würde hier im Beispiel an den unteren Leistungskontakten (2und4) angeschlossen. Stromkreise mit Quellen und Verbrauchern an den oberen Leistungskontakten (1und3). Überkreuzanschluss der intelligenten Baugruppen bedeutet daher, den Anschluss mit einem Versorgungskontakt oben - mit einem Versorgungskontakt unten: also 1 und4 ODER 2und3. Gleiches gilt bei Verwendung einer Logik (30) für deren Powerkontakte (34).
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4.4 zeigt nun eine einfache Inversion der Logik und damit eine geeignete intelligente Baugruppe (100) für den Unterspannungsschutz. Der große Transistor leitet im Normalbetrieb keinen Strom, da er von dem kleinen Transistor zwischen Basis und Emitter kurzgeschlossen wird, solange dieser über die Zenerdiode einen Stromfluss über seine Basis erhält. Bei Gefahr der Unterspannung wird der kleine Transistor nicht mehr versorgt und der große Transistor leitet.
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Insbesondere Lithiumbatterien fallen im Bereich der unteren 5% ihrer Ladung (SOC<5%) in der Spannung steil ab. Auch bei einer Überladung ergibt sich ein steiler Spannungsanstieg. Beide Ereignisse können mit den genannten Schaltungen oder komplexeren Ausführungen hinreichend gut detektiert werden, das genannte Fenster von 50 ... 60Volt sei hier nochmals erwähnt. Wobei die thermische Trägheit der Kopplung der Baugruppen an den Bimetallstreifen ungewollte Fehlauslösungen bei Spannungsspitzen u. dgl. sicher verhindert. Gleichzeitig jedoch schwere Fehler durch den entsprechend steil ansteigenden Strom der dargestellten Schwellwertschaltungen sicher detektiert. Der Überkreuzanschluss schützt die intelligenten Baugruppen sicher vor thermischer Selbstzerstörung ohne dafür zusätzliche Bauteile zu benötigen.
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In der Batterieanwendung werden sich als kombinierten Überstrom-/Kurzschluss- /Überspannung-/Unterspannung- Schutz Module dieser Erfindung anbieten, die sich in Bauform klar von den klassischen Sicherungsautomaten für die Hutschienen-Montage unterscheiden.
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5 (s.o) zeigt nun die Variante der Erfindung mit „eher normalen“ Baugruppen (100-103) angeschlossen direkt oder über eine Kontaktvorrichtung (9) an eine Logik (30) die ihrerseits Powerkontakte (33) aufweist.
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6 zeigt eine einpolige schematische Ausführung der Erfindung mit an eine Kontaktvorrichtung (9) herausgeführten Versorgungsanschlüssen (10-17) der Baugruppen (100-103): hier bietet sich eine RJ45 oder ähnliche verpolsichere, rastende Buchse an. Die Logik (30) kann in einem gemeinsamen Gehäuse mit einem Netzteil (35) sein, oder mit dem Netzteil über die Powerkontakte (34) verbunden. Von Logik (30) zu den Baugruppen (100-103) in der Erfindung (40) besteht mindestens ein Wärmepfad (31) idealerweise noch ein Informationspfad (32) von den Baugruppen zurück an die Logik.
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7 zeigt die (3-polige) oder 4-polige Variante der Erfindung mit drei Baugruppen (100-103) und insgesamt 8 herausgeführten Kontakten an eine Buchse (9): 6 Versorgungskontakte für individuelle Ansteuerung der Baugruppen und 2 Informationskontakte für redundante Temperaturinformation. Diese Ausführung ist im Bereich Netzstabilität sehr gut zu verwenden, für Micro-Lastabwürfe bei Unterfrequenz. Dies wird im Folgenden noch ausführlich erläutert.
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8 zeigt die 3-polige (oder 4-polige) Ausführung der Erfindung mit drei Baugruppen (100-103) und insgesamt 8 herausgeführten Kontakten (9): 6 Versorgungskontakte für individuelle Ansteuerung der Baugruppen und 2 Informationskontakte für redundante Temperaturinformation.
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Hier ist die Logik (30) mit einem Netzteil (35) integriert und beides gemeinsam mit dem Automaten (40) verschmolzen oder kontaktierbar. Idealerweise ist die gemeinsame Ausführung von Automat (40) und Netzteil nur maximal eine Hutschienen-Standard-Breite breiter als ein 3poliger (oder 4poliger) Sicherungsautomat, den es als intelligente Ausführung zu ersetzen gilt. Das Netzteil (35) ist hier so ausgeführt, dass es im Zweifel unter einer Abdeckung der Hutschiene verschwindet und eher „vorne und hinten“ bei den Leistungskontakten (1-8) hinaussteht. Ideal wäre natürlich ein gemeinsamer bündiger Abschluss.
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9-11 zeigen mögliche Ausführungen des Bimetallstreifens grob schematisch.
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In 9 ist der Informationskontakt als Spannungsteilerabgriff in der Mitte zweier Baugruppen-Bereiche (100.1 und 100.2) nach vorne geführt um mit den Versorgungskontakten (10-11) besser gemeinsam kontaktiert werden zu können. Die Baugruppe (100) ist durch einen Isolator (42) vom Bimetallstreifen (41) isoliert.
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In 10 ist der eine Versorgungskontakt (10) mit dem Bimetallstreifen durchkontaktiert. In 11 ist eine vorzugsweise Anordnung einer intelligenten Baugruppe dargestellt: der größere Baugruppenbereich (100.1) umfährt den Bimetallstreifen (41) auf größtmöglicher Fläche. Der kleinere Baugruppenbereich (100.2) ist nahe der Befestigung des Bimetallstreifens (41) vorgesehen und beinhaltet die Halbleiter-Intelligenz. Ein kleiner Pfad führt vom heizenden Baugruppenbereich (100.1) direkt in den logischen Baugruppenbereich (100.2) z.B. zur Ansteuerung der Transistoren bzw. allgemein als Information bezüglich der zu überwachenden Spannung. Ein möglicher Kontaktabgriff für die Information (20) ist zumindest markiert wird bei intelligenten Baugruppen aber extern nicht benötigt werden sondern kann intern in Variationen von Temperatur-Gegenkopplungen verwendet werden zum Schutz der Baugruppe (100) vor zu rascher Eigenerhitzung bei plötzlichen Sprüngen der Spannung an den Versorgungskontakten (10-11)
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Das ernste Problem der thermischen Überhitzung (Zerstörung) der Erfindung bei fortgesetzter Fremdheizung der Baugruppen kann gelöst werden durch
- Intrinsische Sicherheit wie durch die Überkreuzschaltung realisiert. Eine teurere Variante wäre eine gekoppelte Trennung der Versorgung der Baugruppen (100-103) oder der Versorgung der Logik (30) bei Auslösung des Automaten durch einen kleinen mechanisch gekoppelten Schalter.
- Extrinsische Sicherheit welche mit dem Informationskontakt angelegt ist und von einer Logik (30) genutzt werden kann. Die Information über die Temperatur kann genutzt werden zu einer qualifizierten Aussage darüber, dass der Bimetallschalter nun ausgelöst haben muss. Dann kann die Logik die Stromzufuhr beenden. Der Informationskontakt kann auch bei intelligenten Baugruppen (100-103) ohne angeschlossene zusätzliche Logik (30) als Rückkopplung und damit Strombegrenzung genutzt werden, bei PTC Verhalten von Baugruppen-Bereichen auch als temperatur-intelligente Strombegrenzung.
- Dimensionierung: grundsätzlich kann man die Baugruppen (100-103) so auslegen, dass die eingetragene Wärme auf Dauer ausgehalten werden kann. Insbesondere durch Verwendung von PTC Widerständen lassen sich hier Lösungen realisieren. In 4.1 würde ein PTC Widerstand unterhalb des Emitters der Basisspannung mit seinem Spannungsfall entgegenwirken - mit steigendem Strom und mit steigender Temperatur. So ergibt sich eine Art einfacher Temperaturregelung. Die Dimensionierung ist auch wichtig um der Gefahr einer zu raschen Erhitzung der Baugruppen (bei Spannungssprüngen) vorzubeugen und die thermische Trägheit des Systems angemessen zu berücksichtigen.
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Die möglichen gewerblich nutzbaren Ausführungsarten der Erfindung lassen sich voraussichtlich in 2 Gruppen aufteilen:
- 1. Gruppe LS-Schalter in spezieller Ausführung für Batteriesysteme mit speziellen kompakten Gehäuse-Varianten (abweichend von der Hutschienen-Variation) Eine im Gehäuse integrierte Logik ist hier gut denkbar - idealerweise modular zugänglich, austauschbar, (digital oder analog) konfigurierbar.
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Das wichtige Beispiel zweipoliger Automaten mit integriertem Überstrom/Kurzschluss/Überladung/Tiefentladung wurde hinreichend vorab erläutert.
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12 zeigt ein jedoch Anwendungsbeispiel wie mit zwei einpoligen Automaten (40.1 und 40.2) ein einfaches System bestehend aus: Solar (50) Batterie (60) DC-Netz (70) betrieben und geschützt werden kann. Der besondere Vorteil der Erfindung ist hier die galvanische Sicherheit, die Robustheit und Langlebigkeit, sowie der geringe Preis in der Anschaffung. In Ländern, wo sich Menschen nur 1-2 Solarmodule und eine kleine Batterie leisten können, kann ein System auf diese Art aufgebaut werden. Der Überspannungsautomat (40.1) löst jeden Tag aus, sobald die Batterie voll ist. Man kann mehrmals versuchen ihn wieder einzuschalten um noch mehr Solarertrag zu ernten. Der Unterspannungsautomat (40.2) löst aus, bevor man der Batterie zuviel Strom entnehmen kann. Würde man nur ein e n zweipoligen Automaten wie hinreichend oft beschrieben verwenden, so würden bei der täglichen Überstromauslösung auch die DC-Kanäle (70) von der Batterie (60) getrennt werden. Setzt sich nur die zweipolige Variante durch und ist erschwinglich werden Menschen die bisher noch gar keine Elektrizität zur Verfügung haben auch mit diesem Problem zurechtkommen und ihre Verhalten entsprechend anpassen. Hier sind voraussichtlich die geringen Anschaffungskosten eines Massenproduktes, die Langlebigkeit und Sicherheit wichtiger.
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13 zeigt wie genanntes System mit zwei zweipoligen Automaten (40.3 und 40.4) gelöst werden könnte. Die Logiken (30.3 und 30.4) sind hier dargestellt könnten aber ebenso in die Baugruppen (100-103) integrierte Logiken sein. Die eine Logik (30.3) müsste die Batterie (60) bei Ladeschluss von den Solarmodulen (70) trennen. Die andere Logik (30.4) müsste die Batterie (60) bei Entladeschluss von den DC-Kanälen (70) trennen. Jeder der Automaten hätte damit nicht den genannten 4-fach Schutz: Überstrom/Kurzschluss/Überladung/Tiefentladung sondern jeweils eine 3-fach Funktion:
- Überstromschutz/Kurzschlussschutz/Ladeschluss (40.3 mit 30.3) bzw.
- Überstromschutz/Kurzschlussschutz/Entladeschluss (40.4 mit 30.4)
- 2. Gruppe LS-Schalter wie handelsüblich in ein- oder mehrpoliger Ausführung aber (NEU) mit herausgeführter Buchse (z.B. RJ45) zur vielfältigen Kombination mit individuellen Logiken (30) -> hier kann ein neuer Markt entstehen durch Schaffung eines Automaten-Standards und dann können die Logiken als „Analoge Apps“ oder auch programmierbare „Digitale Apps“ vielfältig entwickelt und angeboten werden.
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Angeschlossen werden diese „Apps“ im Beispiel an den Automaten (40) an dessen RJ45-Buchse (9) oder und an eine Netzteileinheit (35), welche z.B. eine von RJ45 abweichender Versorgungsbuchse aufweist, so dass diese „Apps“ wie eine Coffee-Tabs zwei Anschlussleitungen zum jeweiligen Einstecken aufweisen: einen in das Netzteil (35), einen in die Erfindung (40). Ähnlich möglich in Größe und Gewicht einem Lichtschalter, welcher in einer Zuleitung zu bekannten Steckdosenlampen sitzt.
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Kombinierte idealerweise programmierbare Netzteil-Logik (35 und 30) Einheiten mit zwei oder mehreren Ausgängen sind denkbar, welche die Ansteuerung mehrerer Automaten oder anderer Systeme übernehmen können. Beispielsweise ist denkbar eine Anwendung im Netzstabilitätsbereich: Ein vorzugsweise mehrpoliger Automat (40) mit den Merkmalen der Erfindung an welchem der Herdanschluss angeschlossen ist, kann diesen Herd bei von der Logik (30) detektierten Unterfrequenz abwerfen (Micro Lastabwurf). Durch die Kombination mit dem Netzteil (35) hat die Logik (30) hier im selben Gehäuse schon Zugriff auf Netzspannung und Frequenz. Als zweite Aufgabe könnte diese spezielle Logik (30) bei Überfrequenz Verbraucher z.B. Heizelemente in Heizkörpern oder verbunden mit dem Wasserkreislauf zuschalten (nicht über Automaten wie in der Erfindung beschrieben sondern mit reversiblen Schaltern wie Relais oder Mosfet, weil hier eine automatische Rückstellung erwünscht ist um die Heizung zu stoppen).
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In Deutschland könnten 10 Million solcher intelligenten Automaten angeschlossen je 5kW maximale Herdleistung einen Micro-Lastabwurf von bis zu 50GWatt bewirken bei durchschnittlich ca 120GWatt Leistungsbedarf. Das ist sehr viel für eine Regelgröße. Der Abwurfvorgang würde dabei jedoch sanft wischend erfolgen, da vorgeheizte Bimetallautomaten (wo der Herd in Betrieb ist - auf jeweils individueller Stufe) eher abschalten. Und der Abwurfvorgang würde stoppen, wenn sich dadurch eine neue Stabilität ergibt und die Frequenz sich wieder anhebt. Der Wieder-Zuschaltvorgang würde wischend erfolgen, da jeder Mensch zu individueller Zeit den Lastabwurf bemerkt und manuell rücksetzt.
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Dieses Prinzip wäre sogar auf ganze Haushalte anwendbar, wobei idealerweise ein einzelner Stromkreis mit einer Grundausstattung von Licht, Telefonie, Kühlschrank, Heizungssteuerung u. dgl. vom Lastabwurf ausgenommen wäre. Noch einmal: der immense Vorteil einer solchen Netzstabilität wäre, dass vorgeheizte Automaten als erste abgeworfen werden und auch bei manuellem Wiederzuschalten als erste wieder vom Netz gehen.
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Die Vielzahl der Baugruppen (100-102) - im Beispiel 3 - ermöglicht hier erfindungsgemäß auch eine weitere Verfeinerung in der Selektion: bei kleiner Unterfrequenz schaltet die Logik (30) zunächst nur die hinterste Baugruppe (102) zu: es werden vom Eigenstrom stark vorgeheizte Automaten abgeworfen und geben dem Nutzer das Feedback: kritischer Netzzustand, Verbrauch reduzieren. Bei mittelschwerer Unterfrequenz wird die mittlere Baugruppe (101) zugeschalten und vom Eigenstrom mittel vorgeheizte Automaten kommen zum Mikro-Lastabwurf neu hinzu.
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Bei digitaler Ansteuerung der 3 Baugruppen (100-102) ergeben sich je nach Auslegung derselben bis zu 8 unterschiedliche Energiezufuhren über diese Baugruppen an den Bimetallstreifen des Automaten. Ein wischendes Schalten ist hier gewiss. Die Regelleistung ist enorm. Handelsübliche Sicherungsautomaten in 1 poliger Ausführung für 16 Ampere sind bereits um 3 Euro bei Einzelmengen erhältlich. 3polige Automaten um 16 Euro. Der Aufpreis für intelligente Automaten in erfindungsgemäßer Ausführung mag je nach Stückzahlen und industriellem Fertigungsgrad zwischen 2 und 10 Euro liegen. Ein Hutschienen-Netzteil mit Frequenz-Logik könnte um 25 Euro liegen.
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In der Summe wären das 50 Euro für Automat + Logik für bis zu 5kW intelligent und sanft schaltbarer Regelleistung im Anwendungsbeispiel Herd. Macht bei 10 Millionen Haushalten 500 Millionen Euro für bis zu 50GWatt Regelleistung bezogen auf 120GWatt durchschnittliche Netzleistung in Deutschland.
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Bei bedrohlicher Unterfrequenz kann man davon ausgehen, dass Herde beteiligt sind. Alternativ können zusätzliche Automaten (40) vor dem ganzen Haus und in Industrie und Verwaltung für noch mehr Regelleistung und Sicherheit sorgen. Die Logik (30) kann dabei zusätzlich mit einer geeigneten Mikro-Last-Zuschaltung im Falle von Überfrequenz (die Information zur Frequenz liegt der Logik ja schon vor) den Schutz in beide Richtungen verwalten: Mikro-Lastabwürfe und Mikro-Lastzuschaltungen. Diese Schaltvorgänge sind für die Sekundenstabilität nach Trennung großer Stromautobahnen, welche isolierte Netzteilen mit Frequenzsprüngen zur Folge haben relevant - die Zuschaltung von Heizung erfolgt nur bis zum Erreichen einer neuen Stabilität durch die Jahrzehnte bewährten Mechanischem des Netzbetreibers.
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Mit weiterem Ausbau der Erneuerbaren Energien einhergehend mit Reduktion der Schwungmasse durch Abbau von Kraftwerken mit schwungvoll rotierenden schweren Turbinen können diese Turbulenzen häufiger auftreten als bisher (ein paarmal im Jahr) vor allem aber schärfer ausfallen und die Zeit bis zu den üblichen Regeloperationen verkürzen.
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Mit der ersten Baugruppe (100) sollte also auch ein relativ schneller Mikro-Lastabwurf im Bereich von 1-3 Sekunden je nach Vorheizung stattfinden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1-8
- Leistungskontakt Bimetall-Schalter Leistungspfad 1-4
- 9
- Kontaktvorrichtung aller Kontakte der Baugruppen 100-103
- 10-17
- Versorgungskontakte der Baugruppen 100-103
- 20-21
- Informationskontakte Baugruppe 100-101
- 30
- Logik/Steuerteil
- 31
- Wärmepfad Logik->Baugruppen
- 32
- Informationspfad Baugruppen->Logik
- 33
- Kontaktvorrichtung Logik
- 34
- Powerkontakte Logik
- 35
- Power/Netzteil
- 40
- Bimetallschalter/Automat (die Erfindung)
- 41
- Bimetallstreifen
- 42
- Isolationsschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3430155 A1 [0005, 0029, 0040]
- DE 60029915 T2 [0006]
