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Die Erfindung betrifft ein Schaltschütz für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum elektrischen Verschalten von Bordnetzkomponenten des Bordnetzes. Das Schaltschütz weist eine ortsfeste Kontakteinheit zum elektrischen Verbinden mit den zumindest zwei Bordnetzkomponenten sowie eine bewegliche Kontakteinheit auf, welche in einem geschlossenen Zustand des Schaltschützes mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt steht und in einem geöffneten Zustand des Schaltschützes zumindest teilweise von der ortsfesten Kontakteinheit separiert ist. Außerdem weist das Bordnetz eine Betätigungseinheit zum Schalten des Schaltschützes durch Überführen der beweglichen Kontakteinheit zwischen dem geschlossen und dem geöffneten Zustand auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze, insbesondere Hochvoltbordnetze, für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge. Solche Bordnetze weisen Bordnetzkomponenten, beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher, eine elektrische Maschine, eine Leistungselektronik, etc. auf, welche über elektrische Leitungen elektrisch miteinander verbunden sein können. In diesen Leitungen können zum Unterbrechen der Leitung und damit zum Trennen der Bordnetzkomponenten Schaltschütze angeordnet sein. Diese Schaltschütze sind insbesondere zum Schalten von hohen Lasten ausgebildet, weswegen oftmals aufwändige Maßnahmen zum Verhindern eines Verschweißens von Kontakten der Schaltschütze beim Schließen des Schaltschützes oder zum Reduzieren von Lichtbögen beim Öffnen des Schaltschützes ergriffen werden, um eine dauerhafte Funktionstüchtigkeit der Schaltschütze zu gewährleisten. Solche Maßnahmen sind beispielsweise das Vorsehen von Lichtbogen-Löschkammern oder das Einbetten des Schaltschützes in eine Vakuumkammern bzw. in eine Schutzgasatmosphäre. Beim Trennen der Leitung wegen eines über die Leitung fließenden Überstroms, beispielsweise eines Kurzschlussstroms infolge eines Defekts einer der Bordnetzkomponenten, kann es außerdem zur Zerstörung der Schaltschütze durch Levitation kommen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Lösung bereitzustellen, mittels welcher unerwünschte Zustände beim Schalten eines Schaltschützes eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Lichtbögen und Verschweißneigung zwischen Kontakten des Schaltschützes, zumindest reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltschütz sowie ein Bordnetz mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Ein erfindungsgemäßes Schaltschütz für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs dient zum elektrischen Verschalten von Bordnetzkomponenten des Bordnetzes. Das Schaltschütz weist eine ortsfeste Kontakteinheit zum elektrischen Verbinden mit den zumindest zwei Bordnetzkomponenten und eine bewegliche Kontakteinheit, welche in einem geschlossenen Zustand des Schaltschützes mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt steht und in einem geöffneten Zustand des Schaltschützes zumindest teilweise von der ortsfesten Kontakteinheit separiert ist, auf. Außerdem weist das Schaltschütz eine Betätigungseinheit zum Schalten des Schaltschützes durch Überführen der beweglichen Kontakteinheit zwischen dem geschlossen und dem geöffneten Zustand auf.
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Die bewegliche Kontakteinheit weist zumindest ein erstes Kontaktelement zum Führen eines über die bewegliche Kontakteinheit fließenden Stroms im geschlossenen Zustand des Schaltschützes und zumindest ein zweites Kontaktelement zum Führen und Begrenzen des Stroms während des Schaltens auf. Ein zwischen der ortsfesten Kontakteinheit und dem zumindest einen ersten Kontaktelement gebildeter erster elektrischer Kontakt weist einen ersten Übergangswiderstand und ein zwischen der ortsfesten Kontakteinheit und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement gebildeter zweiter elektrischer Kontakt weist einen höheren zweiten Übergangswiderstand auf. Die Betätigungseinheit ist dazu ausgelegt, das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine zweite Kontaktelement zeitversetzt zueinander zwischen dem geschlossenen und geöffneten Zustand zu überführen, sodass zur Strombegrenzung während des Schaltens zeitweise nur das zumindest eine zweite Kontaktelement mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt steht.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest zwei Bordnetzkomponenten sowie zumindest ein erfindungsgemäßes Schaltschütz. Das Bordnetz ist insbesondere ein Hochvoltbordnetz und weist Hochvoltkomponenten, beispielsweise einen Traktionsakkumulator, einen Inverter, eine elektrische Maschine, ein Ladegerät zum Laden des Traktionsakkumulators, etc., auf. Die Bordnetzkomponenten sind beispielsweise über elektrische Leitungen miteinander verbunden. In zumindest einer der Leitungen ist zumindest ein Schaltschütz angeordnet, welches dazu ausgelegt ist, im geschlossenen Zustand die Bordnetzkomponenten elektrisch zu verbinden und einen Strom über die Leitung zu führen und im geöffneten Zustand die Leitung zu unterbrechen und damit die Bordnetzkomponenten galvanisch zu trennen.
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Dazu weist das Schaltschütz die ortsfeste Kontakteinheit auf, welche mit den Bordnetzkomponenten verbunden ist. Beispielsweise weist die ortsfeste Kontakteinheit zwei ortsfeste, voneinander separierte, nicht in Kontakt stehende Kontaktelemente, insbesondere in Form von Kontaktschienen, auf, wobei jeweils eine Bordnetzkomponente, beispielsweise über jeweils einen Leitungsabschnitt der Leitung, mit jeweils einem ortsfesten Kontaktelement verbunden ist. Die bewegliche Kontakteinheit ist dazu ausgelegt, die ortsfesten Kontaktelemente und damit die Bordnetzkomponenten elektrisch zu verbinden oder zu trennen. Im geöffneten Zustand des Schaltschützes ist die bewegliche Kontakteinheit, beispielsweise über einen Luftspalt, beabstandet zu zumindest einem der zwei ortsfesten Kontaktelementen angeordnet. Im geschlossenen Zustand des Schaltschützes ist die bewegliche Kontakteinheit anliegend an beiden ortsfesten Kontaktelementen angeordnet.
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Zum Schalten, also zum Schließen oder Öffnen, des Schaltschützes wird die bewegliche Kontakteinheit von der Betätigungseinheit des Schaltschützes bewegt, insbesondere linear bezüglich der ortsfesten Kontakteinheit verfahren. Dazu weist die Betätigungseinheit ein Antriebselement und ein Kraftübertragungselement auf, wobei das Antriebselement dazu ausgelegt ist, das mit der beweglichen Kontakteinheit mechanisch verbundene Kraftübertragungselement zum Schalten des Schaltschützes zu verfahren. Das Antriebselement weist beispielsweise einen Elektromagneten auf, welcher durch Einbinden in einen Stromkreis bestrombar ist. Das Kraftübertragungselement kann beispielsweise ein Zuganker sein.
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Das Schaltschütz ist als ein Mehrfachkontaktsystem ausgebildet. Dazu weist die bewegliche Kontakteinheit zwei unterschiedliche, bewegliche Kontaktelemente auf, welche beim Schalten zeitversetzt mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt stehen. Das zumindest eine erste Kontaktelement ist dabei ein stromführendes Kontaktelement, welches dazu ausgelegt ist, im geschlossenen Zustand zumindest größtenteils den Strom über das Schaltschütz zu führen. Das zumindest eine zweite Kontaktelement ist lastschaltend ausgebildet und begrenzt beim Öffnen und Schließen den Strom über das Schaltschütz.
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Die beweglichen Kontaktelemente können beispielsweise als bezüglich der ortsfesten Kontaktschienen verschiebliche Kontaktbrücken ausgebildet sein. Beispielsweise kann die bewegliche Kontakteinheit zwei erste, stromführende Kontaktbrücken und eine zwischen den zwei ersten stromführenden Kontaktbrücken angeordnete, lastschaltende zweite Kontaktbrücke aufweisen. Das Kraftübertragungselement der Betätigungseinheit kann beispielsweise als gabelförmiger Zuganker ausgebildet sein, wobei jeweils ein Zinken des gabelförmigen Zugankers mit jeweils einem der beweglichen Kontaktelemente verbunden ist. Die ortsfeste Kontakteinheit kann zwei Kontaktbolzen aufweisen, wobei jeweils ein Kontaktbolzen mit einer Kontaktschiene elektrisch und mechanisch verbunden ist und in Richtung der beweglichen Kontakteinheit an der Kontaktschiene absteht. Die Kontaktbolzen durchdringen beispielsweise die jeweilige Kontaktschiene, wobei ein jeweiliger Kopf der Bolzen in Richtung der beweglichen Kontakteinheit ragt und eine Kontaktfläche für die zweite Kontaktbrücke ausbildet. Im geschlossenen Zustand stehen die zwei ersten Kontaktbrücken unter Ausbildung des ersten elektrischen Kontaktes mit den Kontaktschienen in Kontakt und die Kontaktbolzen stehen unter Ausbildung des zweiten elektrischen Kontaktes mit der zweiten Kontaktbrücke in Kontakt.
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Die Strombegrenzung beim Schließen des Schaltschützes dient zum Reduzieren einer Verschweißneigung, insbesondere zum Verhindern eines Verschweißens, der ortsfesten und der beweglichen Kontakteinheit. Die Strombegrenzung beim Öffnen des Schaltschützes dient zum Reduzieren einer Lichtbogenbildung zwischen der ortsfesten und der beweglichen Kontakteinheit sowie zum Verhindern einer Zerstörung des Schaltschützes infolge einer überstrombedingten Levitation. Daher ist die Betätigungseinheit dazu ausgelegt, beim Schließen des Schaltschützens zuerst das zumindest eine zweite Kontaktelement mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt zu bringen und beim Öffnen des Schaltschützes zuerst das zumindest eine erste Kontaktelement von der ortsfesten Kontakteinheit zu lösen. Anders ausgedrückt ist das zumindest eine zweite, lastschaltende Kontaktelement beim Schließen des Schaltschützes voreilend und beim Öffnen des Schaltschützes nacheilend zu dem zumindest einen ersten, stromführenden Kontaktelement ausgebildet.
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Zum Ausbilden des zumindest einen ersten Kontaktelementes als stromführendes Kontaktelement und zum Ausbilden des zumindest einen zweiten Kontaktelementes als lastschaltendes Kontaktelementes weisen die zugehörigen elektrischen Kontakte zwischen dem jeweiligen Kontaktelement und der ortsfesten Kontakteinheit unterschiedliche Übergangswiderstände bzw. Kontaktwiderstände auf. Der zwischen der ortsfesten Kontakteinheit und dem zumindest einen ersten Kontaktelement ausgebildete erste Übergangswiderstand ist dabei kleiner als der zweite Übergangswiderstand zwischen der ortsfesten Kontakteinheit und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement. Beide Übergangswiderstände sind dabei niederohmig ausgebildet. Beispielsweise liegt der erste Übergangswiderstand im Mikroohmbereich, während der erste Übergangswiderstand im Milliohmbereich liegt. Beispielweise kann zum Bereitstellen der unterschiedlichen Übergangswiderstände eine Oberfläche des zumindest einen ersten Kontaktelements ein erstes Material aufweisen und eine Oberfläche des zumindest einen zweiten Kontaktelementes ein zweites Material aufweisen. Das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine Kontaktelement können aus unterschiedlichen Materialien oder Legierungen bestehen oder unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen aufweisen. Beispielsweise kann das erste Material Kupfer und das zweite Material Stahl sein.
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Durch den niedrigeren Übergangswiderstand führt das zumindest eine erste Kontaktelement den Großteil des Stromes im geschlossenen Zustand des Schaltschützes. Beim Öffnen des Schaltschützes wird zuerst das zumindest eine erste Kontaktelement von der ortsfesten Kontakteinheit gelöst und der Strom kommutiert vollständig auf das noch kontaktierte zweite Kontaktelement, welches den Strom aufgrund des höheren Übergangwiderstandes begrenzt. Dann wird auch das zweite Kontaktelement von der ortsfesten Kontakteinheit gelöst, wobei durch den reduzierten Strom das Risiko einer Lichtbogenbildung zumindest reduziert wird bzw. eine Levitation der beweglichen Kontakteinheit beim Öffnen des Schaltschützes infolge eines über das Schaltschütz fließenden Überstroms verhindert wird. Beim Schließen des Schaltschützes wird zuerst das zumindest eine zweite Kontaktelement mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt gebracht und begrenzt den Strom, welcher beim darauffolgenden Kontaktieren des zumindest einen ersten Kontaktelementes auf das zumindest eine erste Kontaktelement kommutiert, welches die Stromführung im geschlossenen Zustand des Schaltschützes übernimmt.
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Ein solches Schaltschütz mit integrierter Strombegrenzung ist besonders einfach ausgebildet und kann auf zuverlässige Weise Beschädigungen des Schaltschützes während der Schaltvorgänge des Schaltschützes verhindern.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Betätigungseinheit eine Federeinrichtung aufweist, über welche das zumindest eine zweite Kontaktelement im geöffneten Zustand des Schaltschützes näher an der ortsfesten Kontakteinheit gelagert ist als das zumindest eine erste Kontaktelement, um das zumindest eine zweite Kontaktelement beim Schließen des Schaltschützes vor dem zumindest einen ersten Kontaktelement mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt zu bringen, und über welche das zumindest eine zweite Kontaktelement beim Öffnen des Schaltschützes im geschlossenen Zustand des Schaltschützes länger an die ortsfeste Kontakteinheit angepresst ist als das zumindest eine erste Kontaktelement, um das zumindest eine erste Kontaktelement beim Öffnen des Schaltschützes früher von der ortsfesten Kontakteinheit zu lösen. Die Zeitverzögerung der Kontaktierung der beweglichen Kontakteinheit beim Schalten des Schaltschützes wird also rein mechanisch bereitgestellt. Beispielsweise weist die Federeinrichtung zumindest eine erste Druckfeder zum Anpressen des zumindest einen ersten Kontaktelementes an die ortsfest Kontakteinheit und zumindest eine zweite Druckfeder zum Anpressen des zumindest einen zweiten Kontaktelementes an die ortsfeste Kontakteinheit auf, wobei im geöffneten Zustand des Schaltschützes die zumindest eine erste Druckfeder eine erste Länge und die zumindest eine zweite Druckfeder eine im Vergleich zur ersten Länge größere zweite Länge aufweist. Die Druckfedern dienen einerseits dazu, im geschlossenen Zustand einen guten Kontakt zwischen den beweglichen Kontaktelementen und der ortsfesten Kontakteinheit bereitzustellen, und andererseits aufgrund der unterschiedlichen Federlängen dazu, das zeitversetzte Kontaktieren zu ermöglichen.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Schaltschütz vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bordnetz.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Figur 1 ein Schaltschütz 1 für ein hier nicht gezeigtes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum elektrischen Verbinden und galvanischen Trennen von Bordnetzkomponenten des Bordnetzes. Dazu wird das Schaltschütz 1 in einer die Bordnetzkomponenten verbindenden Leitung angeordnet. Das Schaltschütz 1 weist eine ortsfeste Kontakteinheit 2 sowie eine bewegliche Kontakteinheit 3 auf. Die ortsfeste Kontakteinheit 2 weist zwei ortsfeste Kontaktelemente 4a, 4b auf, wobei jeweils ein ortsfestes Kontaktelement 4a, 4b über einen Leitungsabschnitt der elektrischen Leitung mit einer Bordnetzkomponente verbunden werden kann. Jedes ortsfeste Kontaktelement 4a, 4b weist eine Kontaktschienen 5a, 5b sowie einen mit der Kontaktschiene 5a, 5b elektrisch und mechanisch verbundenen Kontaktbolzen 6a, 6b auf.
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Die bezüglich der ortsfesten Kontakteinheit 2 bewegliche Kontakteinheit 3 weist hier zwei erste, bewegliche Kontaktelemente 7a, 7b in Form von ersten Kontaktbrücken 8a, 8b und ein zweites bewegliches Kontaktelement 9 in Form von einer zweiten Kontaktbrücke 10 auf. Die zweite Kontaktbrücke 10 ist hier zwischen den zwei ersten Kontaktbrücken 8a, 8b angeordnet. Die beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b, 9 sind gemeinsam von einer hier nicht gezeigten Betätigungseinheit des Schaltschützes 1 verfahrbar. Im hier gezeigten geöffneten Zustand des Schaltschützes 1 ist ein Luftspalt 11 zwischen den beweglichem Kontaktelementen 7a, 7b, 9 und den ortsfesten Kontaktelementen 4a, 4b ausgebildet. Im geschlossenen Zustand des Schaltschützes 1 sind die ersten beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b, 9 anliegend an den ortsfesten Kontaktelementen 4a, 4b angeordnet. Hier sind die beweglichen ersten Kontaktbrücken 8a, 8b anliegend an den Kontaktschienen 5a, 5b angeordnet und die bewegliche zweite Kontaktbrücke 10 ist anliegend an den Kontaktbolzen 6a, 6b angeordnet. Die ersten beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b sind dabei stromführende Kontaktelemente und führen im geschlossenen Zustand den Strom über das Schaltschütz. Das zweite bewegliche Kontaktelement 9 ist ein lastschaltendes Kontaktelement und dient zur Strombegrenzung beim Schalten, also beim Öffnen oder Schließen, des Schaltschützes 1. Dazu ist ein erster Übergangswiderstand zwischen den ersten beweglichen Kontaktelementen 7a, 7b und der ortsfesten Kontakteinheit 2 kleiner als ein zweiter Übergangswiderstand zwischen dem zweiten beweglichen Kontaktelement 9 und der ortsfesten Kontakteinheit 2. Beispielsweise können die beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b, 9 aus unterschiedlichen Materialien bestehen und somit unterschiedliche Innenwiderstände aufweisen.
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Im Falle einer Lastabschaltung erfolgt eine Strombegrenzung durch den zweiten Überganswiderstand und somit im Trennzeitpunkt eine reduzierte Lichtbogenentwicklung, indem beim Öffnen des Schaltschützes 1 zuerst die ersten beweglichen Kontaktbrücken 8a, 8b von den Kontaktschienen 5a, 5b gelöst bzw. separiert werden und die zweite bewegliche Kontaktbrücke 10 noch kurzzeitig in Kontakt mit den Kontaktbolzen 6a, 6b bleibt. Auch im Falle eines über die Leitung fließenden Kurzschlussstromes, welcher ein Öffnen des Schaltschützes 1 zum Verhindern einer Zerstörung der Bordnetzkomponenten erforderlich macht, öffnen die rein stromführenden Kontaktbrücken 5a, 5b durch Levitation den elektrischen Kontakt und der Strom kommutiert auf die lastschaltende Kontaktbrücke 10, deren Innenwiderstand den Strom so weit begrenzt, dass kein Abheben des Kontaktes stattfindet. Somit kann ein mögliches Bersten des Schaltschützes 1 durch hohe Druckentwicklung aufgrund stehender Lichtbögen verhindert werden. Im Falle einer Zuschaltung auf eine kapazitive Last, beispielsweise einen Inverter, erfolgt ebenfalls eine Strombegrenzung durch den zweiten Übergangswiderstand und somit eine reduzierte Lichtbogenentwicklung, indem beim Schließen des Schaltschützes 1 zuerst die bewegliche zweite Kontaktbrücke 10 mit den Kontaktbolzen 6a, 6b in Kontakt gebracht wird und kurze Zeit später die ersten beweglichen Kontaktbrücken 8a, 8b mit den Kontaktschienen 5a, 5b in Kontakt gebracht werden.
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Dieses zeitversetze, sich beispielsweise im Millisekundenbereich abspielende, Kontaktieren der beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b, 9 mit der ortsfesten Kontakteinheit 2 beim Schalten des Schaltschützes 1 kann rein mechanisch bereitgestellt werden, indem im geöffneten Zustand das zweite, bewegliche Kontaktelement 9 mittels einer hier nicht gezeigten Federeinrichtung näher an den ortsfesten Kontaktelementen 4a, 4b gelagert wird als die ersten beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b. Hier weisen also im geöffneten Zustand des Schaltschützes 1 die stromführenden Kontaktbrücken 8a, 8b einen ersten Abstand A1 zu den Kontaktschienen 5a, 5b auf und die zweite, lastschaltende Kontaktbrücke 10 weist einen im Vergleich zum ersten Abstand A1 kleineren zweiten Abstand A2 zu den Kontaktbolzen 6a, 6b auf. Dazu können die ersten Kontaktbrücken 8a, 8b beispielsweise mit einer ersten Druckfeder verbunden sein und die zweite Kontaktbrücke 10 kann mit einer zweiten Druckfeder verbunden sein, wobei die ersten Druckfedern im unbelasteten, geöffneten Zustand des Schaltschützes 1 eine geringere Länge aufweisen als die zweite Druckfeder. Die Druckfedern dienen auch dazu, die Kontaktbrücken 8a, 8b, 10 im geschlossenen Zustand an die ortsfesten Kontaktelemente 4a, 4b anzupressen und beim Öffnen des Schaltschützes 1 die zweite Kontaktbrücke 10 länger an die Kontaktbolzen 6a, 6b anzupressen als die ersten Kontaktbrücken 8a, 8b an die Kontaktschienen 5a, 5b.
