DE102022203880A1

DE102022203880A1 - Steuergerät für ein Bremssystem sowie Verfahren zur Speicherung von Motorenergie und/oder Umwandlung von Motorenergie in Wärme mittels des Steuergeräts

Info

Publication number: DE102022203880A1
Application number: DE102022203880.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Kutzner
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2023-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für ein Bremssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eine Feinsicherung (1) für die Speicherung und Umwandlung von Motorenergie in Wärme aufweist, wobei die Feinsicherung (1) einen Schmelzleiter (3) umfasst, der einen elektrischen Widerstand zwischen 0,5 und 4 Ohm aufweist.Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Speicherung von Motorenergie und/oder Umwandlung von Motorenergie in Wärme mittels des Steuergeräts.

Description

Im Stand der Technik sind Leistungswiderstände und Schmelzsicherungen bekannt. Darüber hinaus sind Werkstoffe bekannt, die zur Umwandlung elektrischer in thermische Energie herangezogen werden.
Ferner sind Steuergeräte mit der integrierten Funktion des Energy Absorbers nebst zugehöriger elektr. Komponenten bekannt. Zentrales Element dieser Funktion ist ein Regelkreis, welcher zur Ansteuerung eines Schaltelementes sensorische Daten benutzt. Eine daraus resultierende Energiemenge wird einem Leistungswiderstand zugeführt, um vorher definierte Sollwerte zu garantieren. Eine Energieumsetzung der eingeregelten Energie erfolgt in Wärme.
Bisher werden zwei Leistungswiderstände (bedrahtet) auf ein PCB aufgelötet. Die Widerstände sind in Reihe geschaltet, so dass jeder Widerstand (gleicher Typ und Wert) nahezu gleichmäßig verteilt (abhängig der Toleranzlage) die Hälfte der Energiemenge in Wärme umwandelt, die über einen Stromfluss eingeprägt wird.
Die zu wandelnde Energiemenge fällt nur für einen kurzen Moment (< ca. 1 Sek.) in nicht all zu häufiger Wiederholung an (Pulsbelastung mit kleiner Einschaltdauer). Während der Leistungsbeaufschlagung findet eine Regelung des Stroms statt. Verschiedene Systemabhängigkeiten führen zu einem nicht konstanten Stromfluss.
Die aktuelle Lösung nach dem Stand der Technik hat folgende Nachteile:

- Obwohl eine Regeleinrichtung vorhanden ist, um während der kurzen Stromregelung auf systembedingte Einflüsse reagieren zu können, werden dedizierte marktverfügbare Widerstände mit relativ konstantem Widerstandsverhalten benutzt, obwohl Widerstandsänderungen in größerem Maße mit ausgeregelt werden könnten.
- Bauartbestimmt besitzen die marktverfügbaren Widerstände eine maximale Arbeitstemperatur, die nur ca. 100 - 200 K über dem Arbeitstemperbereich des Steuergerätes liegt und damit die thermische Zwischenpufferung des Energiepulses stark limitiert.
- Widerstandsmaterialien dieser marktverfügbaren Widerstände wie z.B. Nickel sind u.a. wegen der Gewinnungsmethoden und Verfügbarkeit kritisch und kostenintensiv.
- Strukturell sind die marktverfügbaren Widerstände unzureichend auf Pulsbelastung ausgelegt. Eine darauf basierende Verwendung von mehreren Widerständen führt zu Mehrkosten.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zum Abbau oder Speicherung von Motorenergie bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beschreibt ein Steuergerät für ein Bremssystem, wobei das Steuergerät eine Feinsicherung für die Speicherung und Umwandlung von Motorenergie in Wärme aufweist, wobei die Feinsicherung einen Schmelzleiter umfasst, der einen elektrischen Widerstand zwischen 0,5 und 4 Ohm aufweist. Bevorzugt beträgt der elektrische Widerstand bei einem 12V Bordnetz 0,5 bis 1 Ohm, bei einem 24V Bordnetz 1-2 Ohm und bei einem 48V Bordnetz 4 Ohm. Damit ist der elektrische Widerstand so gewählt, dass die Sicherung Energie aufnehmen und in Wärme umwandeln kann, ohne direkt zu Schmelzen. Vorteilhafterweise ist ein Schmelzen der Sicherung dennoch bei zu großen Energiemengen als Notfallszenario möglich, sofern keine anderen Maßnahmen greifen, die früher ausgelöst werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Feinsicherung eine Füllung auf, deren Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,5 und 500 W/mK beträgt. Besonders bevorzugt weist die Feinsicherung eine Füllung auf, deren Wärmeleitfähigkeit zwischen 20 und 40 W/mK beträgt. Ganz besonders bevorzugt umfasst die Füllung Aluminiumoxid. Die Füllung kann dabei vollständig aus Aluminiumoxid bestehen oder als ein Gemisch aus Aluminiumoxid und Sand ausgebildet sein. Damit wird eine Sicherung bereitgestellt, die einen schnellen Wärmeabtransport garantiert und dennoch kostengünstig in der Herstellung bleibt. Zudem ist Aluminiumoxid vorteilhaft für die Kühlung und Stabilisierung des Bandmaterials.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Schmelzleiter als Bandmaterial ausgebildet. Damit wird eine gute Entwärmung des Sicherungs- bzw. „Widerstandsdrahtes“ erreicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Bandmaterial länger als die Standardmaße üblicher Feinsicherungen. Besonders bevorzugt ist das Bandmaterial gewendelt oder gekräuselt. Dies hat folgenden Vorteil: Damit bei der Pulsbelastung keine thermische Überlastung einzelner Abschnitte stattfindet, wird eine bestimmte Menge aktives Widerstandsmaterial vorgesehen. Wenn das resultierende aktive Widerstandsmaterial länger ist als der Sicherungskörper, wird durch eine Wendelung oder Kräuselung eine geometrische Längenanpassung erreicht, so dass das Bandmaterial Platz im Sicherungskörper findet.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Bandmaterial eine Legierung mit zumindest Eisen, Chrom und Aluminium. Besonders bevorzugt besteht das Bandmaterial aus einer Legierung aus ca. 20 bis 25% Cr, ca. 5 bis 6% Al und Rest Fe. Dadurch kann der benötigte Widerstand gebildet werden und die Sicherung ist in großen Mengen marktfähig. Zudem ist dadurch auch eine Beständigkeit in Atmosphäre bei hoher Temperatur weit über 1000°C gegeben.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Steuergerät mindestens eine Leiterplatte und mindestens zwei Kontaktstifte auf und die Feinsicherung ist über die Kontaktstifte mit der Leiterplatte elektrisch kontaktiert. Über die Kontaktierung findet die Aufnahme der Motorenergie statt, so dass die Leiterplatte oder andere Bauteile im Steuergerät nicht zerstört werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kontaktstifte als gestanzte Metallfedern ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auslösecharakteristik der Feinsicherung superträge. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat der Sicherungskörper der Feinsicherung einen Durchmesser von 5mm und eine Länge von 20mm.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Speicherung von Motorenergie und/oder Umwandlung von Motorenergie in Wärme mittels des Steuergeräts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Motorenergie von der Feinsicherung im Steuergerät gespeichert wird und/oder in Wärme umgewandelt wird.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von der Figur.
Es zeigt in schematischer Darstellung

1 eine erfindungsgemäße Feinsicherung mit elektrischer Anbindung.

1 zeigt eine Feinsicherung 1 für den Einsatz in einem Steuergerät für ein Bremssystem. Die Feinsicherung 1 umfasst einen Sicherungskörper 3 und zwei Sicherungskappen 5. Der Sicherungskörper 3 ist vorzugsweise gefüllt. Die Feinsicherung 1 ist an den Sicherungskappen 5 über Kontaktstifte 7 mit der Leiterplatte 9 elektrisch verbunden. Die Kontaktstifte 7 können im Bedarfsfall mit Gehäuseteilen 11 gehalten werden, wenn dies zweckmäßig ist oder wenn der Schaltungsträger/PCB/Leiterplatte 9 - der mindestens die restlichen Schaltungsteile zur Ansteuerung trägt - nicht im Stande ist, die Gewichtskraft und die dynamischen Kräfte von der Feinsicherung 1 aufzunehmen. Also z.B. muss die elektrische Verbindung nicht alle mechanischen Kräfte aufnehmen. In der Figur kann man sich den Balken, der mit 11 beziffert ist, als einen Ausschnitt eines ECU Gehäuses vorstellen.
Alternativ wird die Leiterplatte 9 im ECU Gehäuse mit dem Teil von 7 zwischen 9 und 11 mechanisch gehalten. Hier könnte man also einer bestehenden Lösung eine zusätzliche elektrische Funktion hinzufügen. Damit übernimmt der elektrische Kontakt noch zusätzliche Kräfte über die Gewichtskraft der Sicherung heraus.
Bremst der Motor ab, entsteht überschüssige Energie, die im schlechtesten Fall das Steuergerät beschädigen kann. Die Feinsicherung speichert in diesem Fall die Motorenergie und/oder wandelt diese Energie in Wärme um. Es kann dabei ein Teil der Motorenergie gespeichert werden und ein Teil in Energie in Wärme umgewandelt werden. Es kann aber auch die gesamte Energie gespeichert oder die ganze Energie umgewandelt werden.
Ausgangspunkt der Erfindung ist die im Massenmarkt bekannte Feinsicherung, z.B. der Bauform 5mm x 20mm (Durchmesser x Länge). Die Maßauswahl beruht auf der Verfügbarkeit der kostengünstigen Herstellungskapazitäten (Maschinenkapazitäten und Prozesse) standardisierter Bauformen. Mit der vorgeschlagenen Bauform ist es möglich, die konkrete Aufgabenstellung zu lösen, jedoch schließt es die Verwendung anderer standardisierter oder aus sonstigen vorteilhaften Herstellungsmethoden gewählter Abmessungen nicht aus. Entgegen des normalen (fein-) Sicherungsdesigns wird erfindungsgemäß Abstand genommen von dem Paradigma eines möglichst kleinen Sicherungswiderstands zur Darstellung einer spezifizierbaren Auslösecharakteristik.
Bevorzugt werden keine Runddrähte eingesetzt, da dies für die optimale Entwärmung des Sicherungs- bzw. „Widerstandsdrahtes“ suboptimal ist. Daher soll erfindungsgemäß vorzugsweise ein Bandmaterial eingesetzt werden.
Ferner soll keine Verwendung von teuren, kritischen Sicherungsdrahtmaterialien (W, Ni, Ag, Sn...) und/oder keine Verwendung von temperaturkonstanten Widerstandsmaterialien erfolgen. Stattdessen werden Legierungen (oder Materialien, die vornehmlich günstige Legierungsbestandteile enthalten) bzw. Widerstandsmaterialien genutzt, wie z.B. Fe oder Al.
Vorzugsweise wird eine Füllung aus thermisch sehr gut leitfähigem Aluminiumoxid (AL2O3) basiertem „Sand“ genutzt. Dies ist vorteilhaft für die Kühlung und Stabilisierung des Bandmaterials.
Erfindungsgemäß wird ein Bandmaterial zur Bildung des benötigten Widerstandes vorgeschlagen, das aus einer Fe-, Cr- und Al-Legierung besteht (ca. 20 bis 25% Cr, ca. 5 bis 6% Al, Rest Fe) und üblicherweise in großen Mengen marktfähig ist. Dies zeichnet sich auch durch eine Beständigkeit in Atmosphäre bei hoher Temperatur weit über 1000°C aus.
Im Idealfall ist die erfindungsgemäße Sicherung eine Kombination der oben aufgeführten Anpassungen.
Weitere Informationen zu Funktion, Design und Auslegung der Feinsicherung:

a) Festlegung der Abmessungen des Widerstandbandes zur Erreichung des in der Anwendung benötigten Widerstandswertes (in einer designrelevanten Form ca. im Bereich 0,7 bis 40hm):
1. i) Bandmaterial ist auf Grund der zur Kühlung benötigten Oberfläche möglichst dünn, jedoch auch kostengünstig zu wählen (einige 10µm)
2. ii) Länge und Breite des Bandes bestimmen als Weiteres den zu erreichenden Gesamtwiderstand des Widerstandbandes
3. iii) Für die zu absorbierende und an das Umgebungsmedium weiterzuleitende Energiemenge ist aus obigen Maßen ein Volumen dargestellt, das bei Energieeinleitung und damit verbundener Eigenerwärmung dennoch im thermischen Arbeitsbereich der verwendeten Widerstandslegierung verbleibt.
b) Das so bestimmte Widerstandsband, das länger als die Standardmaße üblicher Feinsicherungen ist, wird gewendelt, gekräuselt oder dergleichen, um eine geometrische Längenanpassung zu erreichen.
c) Beidseitig erfolgt eine Fixierung an oder mit den Sicherungskappen. Ggf. kann auch eine Fixierung und elektrische Kontaktierung direkt mit dem Sicherungskörper (Sicherungsrohr) erfolgen.
d) Es erfolgt vorzugsweise eine Einbettung des Widerstandsbandes in Al2O3 (Aluminiumoxid) haltigem ,Sand'.

Die Form der Kontaktstifte ist als gestanzte „Feder“ vorgesehen. Diverse Konturen sind bereits bekannt. Die Federkräfte sollen so ausgelegt sein, dass statisch kein Überpressen des Sicherungskörpers erfolgt. Gleichzeitig sollen sie jedoch so groß sein, dass ggf. auftretende dynamische Beschleunigungen nicht zu einem ,ausknüpfen' der Feinsicherung führen. Ein Verrutschen ohne Kontaktverlust kann in dynamischen Grenzlagen als u.U. zulässig erachtet werden. „Ausknüpfen“ meint hier, dass es durch dynamische Kräfte auf die Masse der Sicherung zu keinem Herausspringen kommen darf.

Claims

Steuergerät für ein Bremssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eine Feinsicherung (1) für die Speicherung und Umwandlung von Motorenergie in Wärme aufweist, wobei die Feinsicherung (1) einen Schmelzleiter (3) umfasst, der einen elektrischen Widerstand zwischen 0,5 und 4 Ohm aufweist.
Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinsicherung (1) eine Füllung aufweist, deren Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,5 und 500 W/mK beträgt.
Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinsicherung (1) eine Füllung aufweist, deren Wärmeleitfähigkeit zwischen 20 und 40 W/mK beträgt.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (3) als Bandmaterial ausgebildet ist.
Steuergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandmaterial gewendelt oder gekräuselt ist.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinsicherung (1) eine Füllung aufweist, welche Aluminiumoxid umfasst.
Steuergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandmaterial eine Legierung mit zumindest Eisen, Chrom und Aluminium umfasst.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät mindestens eine Leiterplatte (9) und mindestens zwei Kontaktstifte (7) aufweist und die Feinsicherung (1) über die Kontaktstifte (7) mit der Leiterplatte (9) elektrisch kontaktiert ist.
Steuergerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (7) als gestanzte Metallfedern ausgebildet sind.
Verfahren zur Speicherung von Motorenergie und/oder Umwandlung von Motorenergie in Wärme mittels des Steuergeräts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Motorenergie von der Feinsicherung (1) im Steuergerät gespeichert wird und/oder in Wärme umgewandelt wird.