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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung eines Zustandes eines Schalters, einen Schalter, eine Schaltvorrichtung sowie eine Batterie und ein Fahrzeug.
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Heute werden insbesondere in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mechanische Schalter mit einer elektrischen Ansteuerung, insbesondere Relais, zur Sicherheitstrennung vor Stromversorgung und Antriebsystem eingesetzt.
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Insbesondere bei Unfällen solcher elektrisch angetriebenen Fahrzeuge können kurzzeitig hohe Beschleunigungen auftreten, welche sich nachteilig auf die Schaltfähigkeit von Relais auswirken.
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Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, das Schalten eines mechanischen Schalters zu verbessern, insbesondere bei einwirkenden Kräften auf mechanische Teile des Schalters.
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Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zum sichereren Schalten gemäß Anspruch 1.
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Weiter dient zur Lösung der Aufgabe ein Schalter nach Anspruch 6, eine Schaltvorrichtung nach Anspruch 7 eine Batterie mit einer solchen Schaltvorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie.
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In der Regel umfasst ein Relais eine Feder mit einer Federkonstante. Um auch bei einer hohen Beschleunigung einen sicheren Schaltvorgang zu gewährleisten, kann die Federkonstante höher gewählt werden. Problematisch an dieser Lösung ist ein erhöhter Stromverbrauch zur Ansteuerung einer Spule, welche ein Aktor (durch einen Magnet in einer Position gehalten) entgegen einer Federkraft nach unten zieht.
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Vorteilhaft erfolgt das Verfahren zum Schalten eines elektrischen Schalters mit einer Vorrichtung, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale umfasst:
- - einen Aktor, wobei der Aktor zumindest einen ferromagnetischen Bereich umfasst und der Aktor dazu eingerichtet ist, eine elektrische Verbindung herzustellen oder zu trennen,
- - eine Spule, wobei die Spule bei einem Stromfluss in eine erste Richtung dazu eingebildet ist,
umfasst das Verfahren folgende Schritte: - - Schalten der Spannung oder des Stromes, welcher zur Erzeugung des Magnetfeldes dient, welches den Aktor in eine erste Richtung bewegt derart, so dass sich der Aktor in eine zweite Richtung bewegt.
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Das Verfahren dient zur Sicherung eines Zustand eines Schalters, wobei der Schalter einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei der erste und der zweite Kontakt mit Hilfe eines Aktors elektrisch verbindbar oder trennbar ist, wobei der Schalter weiter eine Feder und eine Spule umfasst, wobei mit Hilfe der Feder eine Federkraft auf den Aktor wirkt, so dass keine Änderung des Zustandes des Schalters erfolgt, wobei im Falle der Sicherung des Zustandes des Schalters mit Hilfe der Spule durch einen elektrischen Strom ein Magnetfeld erzeugt wird, wobei das Magnetfeld eine magnetische Kraft auf den Aktor ausübt, wobei der elektrische Strom derart durch die Spule läuft, dass die magnetische Kraft und die Federkraft auf den Aktor in die im Wesentlichen gleiche Richtung wirkt.
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Bei einem ähnlichen vorteilhaften Verfahren zum Schalten des Schalter umfasst der Schalter einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, wobei der erste und der zweite Kontakt mit Hilfe eines Aktors elektrisch verbindbar ist, wobei der Schalter weiter eine Feder umfasst, wobei mit Hilfe der Feder eine Federkraft auf den Aktor wirkt, wobei mit Hilfe der Federkraft der Aktor derart gehalten wird, dass der Aktor die Kontakte elektrisch verbindet, wobei der Aktor weiter einen ferromagnetischen Abschnitt und eine Spule aufweist, wobei die Spule während den Aktor mit Hilfe eines magnetischen Feldes eine magnetische Kraft auf den Aktor einwirkbar ist, wobei die Magnetkraft der Federkraft entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkraft beim Schalten in ihrer Richtung geändert wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Änderung der Richtung der magnetischen Kraft durch eine Richtungsänderung eines Stromes erzeugt, wobei der Strom durch die Spule fließt und die Magnetkraft erzeugt.
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Eine solche Änderung des Stromes erfolgt vorteilhat durch einen Umpolschalter, insbesondere mit Hilfe eines Flip-Flop-Schalters in Kombination mit jeweils einem Leistungstransistor, wobei die Änderung derart erfolgt, dass die Stromrichtung umgepolt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Spule einen Kern und der Kern ist derart angeordnet, dass die magnetische Kraft zumindest im Wesentlichen in einer möglichen Bewegungsrichtung des Aktors eine Wirkung entfaltet.
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Durch die Wirkung der magnetischen Kraft und der Federkraft auf den Aktor kann die Wirkung der Federkraft verstärkt werden und somit die Sicherung des Zustands des Schalters in erhöhtem Maße gewährleistet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die von der Feder ausgehende Federkraft zumindest so hoch gewählt, dass eine Beschleunigung von 50 m/s2 bis 100 m/s2 des Schalters nicht zu einem Schaltvorgang mit Hilfe des Aktors führt.
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Eine solche Sicherheit gegenüber derartigen Beschleunigungen stellt sicher, dass ein Schaltvorgang im Falle eines Verkehrsunfalls nicht zu einem unkontrollierten Schaltvorgang führen kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Batteriestrom in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, insbesondere einem Fahrzeug zur Personenbeförderung, mit Hilfe des vorstehenden Verfahrens geschaltet.
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Der Schalter ist vorteilhaft zwischen einer Fahrzeugbatterie und einem Antriebsystems eines Fahrzeugs geschaltet. Der Schalter dient vorteilhaft zum Schalten eines Versorgungsstromes des Fahrzeugs.
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Der Schalter ist insbesondere als Schütz zum Einsatz in einer Fahrzeugbatterie ausgebildet. Der Schalter umfasst einen ersten und einen zweiten Kontakt, eine Feder, einen Aktor mit einem ferromagnetischen Abschnitt sowie einer Spule, insbesondere mit einem Kern, wobei der Schalter zum Schalten mit einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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Mit Vorteil ist der Aktor dazu ausgebildet, um mit Hilfe des Aktors eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt herzustellen oder zu trennen.
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Der Aktor wird mit Hilfe der Feder in einer ersten Position gehalten, wobei mit Hilfe der magnetischen Kraft die elektrische Verbindung mit Hilfe der magnetischen Kraft aufrecht oder unterbrochen gehalten wird.
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Mit Hilfe der magnetischen Kraft wird vorteilhaft die Federkraft unterstützt, so dass die Feder eine geringere Federkonstante aufweisen kann. Im Falle einer notwendigen Unterbrechung der Versorgungsspannung kann der Schaltvorgang mit Hilfe des Schalters schneller erfolgen.
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Während der Aufrechterhaltung der elektrischen Verbindung ist die Richtung des Stroms durch die Spule so gewählt, dass magnetische Kraft und Federkraft in dieselbe Richtung oder im Wesentlichen in dieselbe Richtung wirken und sich die Kräfte addieren.
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Zum „Um-"schalten des Schalters wird der Strom durch die Spule so gewählt, dass die magnetische Kraft und die Federkraft entgegenwirken. In der Regel wird die Richtung des Stroms durch die Spule gewechselt.
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Die Schaltvorrichtung weist einen Schalter gemäß der vorstehenden Beschreibung sowie eine elektrische Schalteinheit auf, wobei die Schalteinheit zur Richtungsänderung des Stroms durch die Spule ausgebildet ist.
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Die Richtungsänderung bewirkt eine Änderung der magnetischen Kraft und somit eine Änderung des Zustands des Schalters.
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Die Batterie weist eine Schaltvorrichtung nach vorstehender Beschreibung auf.
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Vorteilhaft ist die Batterie zur Energieversorgung des Antriebes bei einem Fahrzeug, insbesondere in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug.
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Das Fahrzeug weist eine Batterie gemäß vorstehender Beschreibung auf. Das Fahrzeug ist insbesondere zum Personentransport ausgebildet.
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Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorteilhaft um ein Straßenfahrzeug zur Personen- und Lastbeförderung oder ein Schienenfahrzeug.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen beispielhaften Schalter
- 2 einen weiteren beispielhaften Schalter.
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Darüber hinaus wird an den beispielhaften Schaltern das Verfahren erläutert.
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1 zeigt einen Schalter 1, wobei der Schalter 1 einen ersten Kontakt 3a und einen zweiten Kontakt 3b umfasst. Weiter umfasst der Schalter 1 einen Aktor 5. Der Aktor 5 dient zur elektrischen Verbindung oder Trennung des der kontakte 3a, 3b. Der elektrischen Trennung der Kontakte 3a, 3b wirkt eine Federkraft entgegen, welche von einer Feder 9 mit einer Federkonstante D bereitgestellt ist. Die Federkonstante D ist derart gewählt, dass eine auftretende maximale Beschleunigung des Schalters 1 und damit des Aktors 5 nicht zu einer Trennung der elektrischen Verbindung der Kontakte 3a, 3b führt.
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Durch die zusätzliche Wirkung einer magnetischen Kraft F_M auf den Aktor 5 wird die Position des Aktors 5 und damit den Schaltzustand des Schalters 1 vorteilhaft gesichert. Die magnetische Kraft F_M entsteht durch ein, mit Hilfe der Spule 7 erzeugtes Magnetfeld. Die magnetische Kraft F_M ist durch einen, die Spule 7 durchfließenden elektrischen Strom induziert.
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Zur Trennung der elektrischen Verbindung erfolgt eine Umpolung eines Stromes I, welcher zur Bereitstellung der magnetischen Kraft F_M auf den Aktor 5 dient. Die magnetische Kraft durch die Spule 7 wird durch den Strom I „induziert“, wobei die magnetische Kraft F_M in Richtung der Federkraft (oder entgegen der Richtung der Federkraft, je nach Richtung des Stromes I durch die Spule 7).
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Zum Wirkeingriff der Spule 7 bzw. des Magnetfeldes, welches von der Spule 7 ausgeht, dient vorteilhaft ein ferromagnetischer Bereich 5a des Aktors 5.
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Möglich sind eine Spule 7 oder eine Mehrzahl von Spulen 7. Hier sind lediglich beispielhaft zweit Spulen 7 gezeigt.
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Die Spule wird von einem Strom I in eine Richtung durchflossen, wobei die Richtung des Stromes I vorteilhaft einstellbar ist.
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2 zeigt eine weiteren beispielhaften Schalter 1. Der beispielhafte Schalter 1 weist einen ähnlichen Aufbau auf. Unterschiedlich ist die Position der Feder 9 und die Verbindung der Feder 9 mit dem Aktor 5. Weiter umfasst der Aktor 5 einen ferromagnetischen Abschnitt 5a, wobei der ferromagnetische Abschnitt 5a mit dem Magnetfeld der Spule 7 wechselwirkt. Neben der Spule 7 ist ein möglicher Verlauf 11 des elektrischen Stromes I durch die Spule 7 als Funktion der Zeit t angedeutet. Durch eine Änderung des elektrischen Stromes I kann die Richtung des Magnetfeldes und damit die magnetische Kraft F_M derart eingestellt werden, dass entweder die magnetische Kraft F_M entgegen der Federkraft F_D wirkt und ein Schaltvorgang erfolgt oder dass die magnetische Kraft F_M in die gleiche Richtung wie die Federkraft F_D wirkt, so dass eine (zusätzliche) Sicherung des jeweiligen Schaltzustandes erfolgt.
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Beide Darstellungen zeigen die Kontakte 3a, 3b von dem Aktor 5 getrennt. Dies entspricht einem offenen Schaltzustand, so dass zwischen den Kontakten 3a, 3b keine elektrische Verbindung herrscht. Je nach Ausführung (Form und Position der Kontakte 3a, 3b und dem Aktor 5 kann auch eine geschlossene (elektrisch leitende) Stellung des Aktors 5 in seinem Schaltzustand gesichert werden.
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Weiter ist ein möglicher Verlauf 11 des Stromes I als Funktion der Zeit t gezeigt. Der gezeigte Verlauf ist lediglich beispielhaft. Bei der Änderung des Schaltzustandes des Schalters 1 wird der Strom I in der Richtung geändert. Die Änderung wird derart dargestellt, dass der Strom von einer positiven Wert I>0 zu einem negativen Wert I<0 wechselt.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Sicherung eines Zustandes eines Schalters 1, einen Schalter 1, eine Batterie und ein Fahrzeug. Der Schalter 1 umfasst einen Aktor 5, der beweglich ist und mit Hilfe einer Feder 9 in einer Position gehalten wird. Je nach Position dient der Aktor 5 zur elektrischen Verbindung oder einer Trennung der elektrischen Verbindung von Kontakten 3a, 3b und damit dem Schaltzustand des Schalters 1. Mit Hilfe einer Spule 7 als Elektromagnet kann der Zustand entgegen der Federkraft F_M geändert werde oder in gesichert werden - je nach Richtung und Stärke des elektrischen Stromes I durch die Spule 7. Mit Hilfe der Erfindung kann ein Schaltzustand eines Schalters 1 gegen starke Beschleunigungen gesichert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schalter
- 3a
- erster Kontakt
- 3b
- zweiter Kontakt
- 5
- Aktor
- 5a
- ferromagnetischer Bereich (des Aktors)
- 7
- Spule
- 9
- Feder
- 11
- Verlauf
- I
- Strom
- F_D
- Federkraft
- F_M
- magnetische Kraft
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Die Kräfte wirken jeweils auf den Aktor.
