DE112016004764B4

DE112016004764B4 - Pyrotechnische Trennvorrichtung

Info

Publication number: DE112016004764B4
Application number: DE112016004764.9T
Authority: DE
Inventors: Peter Warenits; Leyton Munoz
Original assignee: Astotec Automotive GmbH
Current assignee: Astotec Automotive GmbH
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: US20190051478A1; CN108369878B; DE112016004764A5; US10418212B2; AT517872A1; WO2017066816A1; AT517872B1; CN108369878A

Abstract

Pyrotechnische Trennvorrichtung (1) zur Trennung eines Leiters (8) durch einen Trennstempel (14), wobei die Trennvorrichtung (1) ein Gehäuse, in dem der Trennstempel (14) geführt ist, und eine Zündeinheit (6) zum Antreiben des Trennstempels (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trennstempel (14) und der Zündeinheit (6) ein Löschmittel (13) zur Unterdrückung oder Löschung des bei der Trennung entstehenden Lichtbogens angeordnet ist, sodass es bei der Zündung unter Druck gesetzt wird und den Trennstempel antreibt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine pyrotechnische Trennvorrichtung zur Trennung eines Leiters durch einen Trennstempel, wobei die Trennvorrichtung ein Gehäuse, in dem der Trennstempel geführt ist, und eine Zündeinheit zum Antreiben des Trennstempels aufweist, wobei zwischen dem Trennstempel und der Zündeinheit ein Löschmittel zur Unterdrückung oder Löschung des bei der Trennung entstehenden Lichtbogens angeordnet ist.
Stand der Technik
Batterietrennsysteme haben in der automobilen Sicherheit die Aufgabe, im Falle eines Unfalls bestimmte Stromkreise abzuschalten, um dadurch die Gefahr eines Brandes zu minimieren. Verbraucher, die nicht für den Notbetrieb erforderlich sind, werden von der Spannungsversorgung getrennt, um damit im Falle eines Kurzschlusses die Brandgefahr zu reduzieren.
Die ersten elektrisch betätigbaren Batterietrennsysteme bestanden aus verfügbaren elektromechanischen Komponenten, wie beispielhaft in DE 296 13 221 U1 von Gebauer und Griller dargestellt. Weiters lag es nahe, Relais und artverwandte Konstruktionen für die Aufgabe der Spannungsabschaltung zu verwenden, wie z.B. in DE 199 11 128 C1 von Tyco Electronics beschrieben.
Diese elektromechanischen Systeme haben den Nachteil, dass sie eine hohe Energie zur Betätigung benötigen, die mittels Leistungshalbleiter und Verkabelung in entsprechendem Querschnitt bereitgestellt werden muss. Bei Einwirkung von mechanischen Schocks durch den Fahrbetrieb können winzige Unterbrechungen in der Spannungsversorgung entstehen, die bei empfindlichen Geräten zu Fehlfunktionen oder Schäden führen können. Letzteres gilt auch für die Gruppe der Trennschalter, bei welchen im Normalbetrieb die Leiterenden durch einen Presssitz verbunden sind, welcher bei Bedarf pyrotechnisch geöffnet wird, beispielsweise in US 6 144 111 A von BMW dargestellt. Durch Vibrationen und thermische Ausdehnung bei der Erwärmung kommt es über die Lebensdauer zu einem schleichenden Nachlassen der Verbindung, bis auch hier die oben genannten Effekte eintreten.
Der nächste Schritt waren Geräte, welche einen durchgängigen Leiter besitzen, der bei Bedarf aufgetrennt wird. In DE 102 09 626 A1 und DE 102 09 625 A1 von MBB ist ein Leiter beschrieben, welcher im Inneren eine axial positionierte Sprengladung besitzt, welche bei Bedarf den Leiter zerstört. Das Hauptproblem dieser Bauweise ist, dass Zünder und Zündleitung durch den Stromfluss im Leiter permanent erwärmt werden und altern. Bauartbedingt besitzt diese Bauform nur eine geringe Stromleitfähigkeit. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, den Zünder neben der Leitung zu positionieren und die Leitung mittels Schneidstempel zu trennen, wie in den Patentanmeldungen von Dynamit Nobel DE 10 2004 008 120 A1 und DE 10 2004 010 071 A1 dargestellt. DE 10 2004 008 120 A1 beschreibt ein Trennelement, bei dem eine durchgehende Stromleiterschiene 90° zur Trennstelle angeordnet ist, DE 10 2004 010 071 A1 beschreibt die Schnittmatritze als eigenständigen, eingeschobenen Riegel, wobei in den Abbildungen ebenfalls das Prinzip der DE 10 2004 008 120 A1 zur Veranschaulichung verwendet wird. Schalter dieser Bauweise sind in ihrem Trennvermögen sowohl bezüglich der Spannung als auch bezüglich der Stromstärke (bei ca. 1 kA) limitiert.
Der steigende Energieverbrauch der elektrischen Systeme, dem mit dem 48 V-Bordnetz Rechnung getragen wird, und die beginnende Durchdringung des Marktes durch elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge erzeugen einen Bedarf für Trenneinrichtungen bei höheren Spannungen. Diese erfordern technische Lösungen für die Löschung oder Unterdrückung des entstehenden Lichtbogens, der bei Gleichspannung ab ca. 30 V ausgeprägt auftritt.
In DE 10 2010 015 240 A1 wird eine Trennvorrichtung beschrieben, bei welcher der Stromfluss über eine Hülse und einen darin eingesetzten Bolzen erfolgt. Bei Zündung wird der Bolzen aus der Hülse getrieben und damit die elektrische Verbindung getrennt. Darüber hinaus ermöglicht das System beim Zünden durch das Platzen einer mit Inertgas gefüllten Kapsel den Fluss von Inertgas zum entstehenden Lichtbogen. Es ist zu hinterfragen, ob sich das Inertgas bei den Bedingungen in einem Lichtbogen inert verhält und die gewünschte Wirkung entfaltet.
US 7 239 225 B2 beschreibt ein Trennelement, in dem nach der Trennung des Leiters an den Sollbruchstellen eine nichtleitende Masse in Position gebracht wird. In einer Ausführungsform wird der Isolierkörper mit dem Gehäuse, das bevorzugt aus einem hochfesten, hochtemperaturbeständigen Thermoplast besteht, mitgespritzt. Die Problematik des Lichtbogens wird nicht angesprochen. Thermoplast hätte gegen einen allfälligen Lichtbogen auch nur eine geringe Beständigkeit.
Die gattungsbildende FR 30 17 239 A1 unterbricht ebenso den elektrischen Kreis durch einen nichtleitenden Stempel und löscht den Lichtbogen durch Aufteilung in mehrere einzelne Lichtbögen nach dem Prinzip der Deionkammer. Ebenso an das Prinzip der Deionkammer hält sich die DE 10 2007 033 180 A1 , wobei entlang der Trennrichtung zumindest zwei Trennbleche angeordnet sind. Geht man davon aus, dass die Brennspannung eines Lichtbogens bei 50 V liegt, sind für Hybridantriebe im Mittelspannungsbereich (300 V) zumindest fünf Bleche notwendig. Der Aufbau ist aufwändig und damit kosten- bzw. bauraumintensiv.
DE 10 2010 035 684 A1 beschreibt ein System, in dem ein durch einen Hilfsantrieb angetriebenes, fließfähiges Medium eine Trennstelle öffnet und diese im Moment des Trennens zumindest zeitweise umgibt. Das fließfähige Medium wirkt isolierend und lichtbogenlöschend. Nachteilig ist, dass mit dieser Bauart nur stark vorgeschwächte Leiter, wie z.B. in DE 10 2010 011 150 A1 beschrieben, getrennt werden können.
Eine pyrotechnische Trennvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus US 2010 / 0 218 659 A1 bekannt. Es ist dort in 4 und 5 ein Trennstempel beschrieben, hinter dem ein fester Isolierkörper angeordnet ist, und dieser Isolierkörper kann im weitesten Sinn des Wortes auch als Löschmittel aufgefasst werden. Gleiches gilt für die US 2013 / 0 220 095 A1. Auf diese Weise steht wegen des Trennstempels wie üblich eine hohe Kraft zum Trennen des Leiters zur Verfügung, sodass dieser nur mäßig geschwächt sein muss. Dennoch kommt der Isolierkörper - nachdem der Trennstempel den Leiter passiert hat - mit den verbleibenden Leiterenden in Kontakt, sodass ein allfälliger Lichtbogen gelöscht wird. Bei solch einem festen Isolierkörper besteht jedoch die Gefahr, dass der Lichtbogen um diesen herum läuft.
In DE 10 2007 051 504 A1 ist erwähnt, dass das bei der Zündung entstehende Gas als Löschmittel geeignet sein kann. Die meisten Gase sind jedoch als Löschmittel prinzipiell nur schlecht geeignet, weil sie leicht ionisiert werden können und dann sehr gute Leiter darstellen, sodass ein Lichtbogen dadurch sogar noch begünstigt wird.
Darstellung der Erfindung
Die Herausforderung, hohe Ströme bei hohen Spannungen zuverlässig zu trennen bei gleichzeitig wirtschaftlichen Systemkosten ist nach derzeitigem Stand der Technik nicht zufriedenstellend gelöst. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wirtschaftliche Trennvorrichtung zu schaffen, welche das Trennen eines Stromkreises mit Strömen von bis zu 8 kA und bei einer Spannung von bis zu 500 V und auch darüber erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Trennvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Löschmittel eine Flüssigkeit, ein Gel, eine Paste, Silikon oder eine Silikonverbindung.ist und dass zwischen der Zündeinheit und dem Löschmittel ein Druckkolben vorgesehen ist, sodass das Löschmittel bei der Zündung unter Druck gesetzt wird und den Trennstempel antreibt.
Überraschenderweise ist das Löschmittel in der Lage, den Antrieb des Trennstempels zu übernehmen, ohne dabei zu leiden, obwohl es sich um keinen Festkörper handelt. Durch den Druckkolben wird das Löschmittel vor den heißen Verbrennungsgasen, die bei der Zündung der Zündeinheit entstehen, geschützt; es muss somit nur dem entstehenden Druck standhalten. Die pyrotechnische Wirkung wird somit über den Druckkolben auf das Löschmittel übertragen.
Vorteilhafterweise weist der Trennstempel zumindest eine Schneidkante auf, sodass bei Zündung der Zündeinheit aus dem Leiter eine Platine ausgestanzt wird. Dadurch bekommen die Leiterenden automatisch einen relativ großen Abstand zueinander - ein Vorteil, der bei der Ausführung gemäß der DE 10 2010 035 684 A1 nicht erreicht werden kann. Wenn der Trennstempel rotationssymmetrisch ist, dann wird man eine umlaufende Schneidkante wählen, die den Leiter an zwei Stellen durchtrennt. Wenn der Schneidstempel nicht rotationssymmetrisch ist, also drehfest geführt ist, wird man zwei voneinander beabstandete Schneidkanten vorsehen.
Es ist günstig, wenn der Trennstempel aus elektrisch leitfähigem Material besteht. Dadurch kann der Strom noch ungehindert fließen, während der Trennstempel den Leiter durchtrennt; erst nachdem der Trennstempel den Leiter passiert hat, könnte ein Lichtbogen entstehen, und zu diesem Zeitpunkt trifft bereits das Löschmittel auf die Leiterenden, welches die Ausbildung des Lichtbogens verhindert bzw. einen bereits ausgebildeten Lichtbogen löscht.
Weiters ist es günstig, wenn der Trennstempel aus einem Material mit einem Schmelzpunkt höher als 2000°C besteht. Dadurch wird er durch einen allenfalls kurz entstehenden Lichtbogen nicht beschädigt und kann sich ungehindert vom Leiter wegbewegen, nachdem er diesen durchtrennt hat.
Vorzugsweise weist der Trennstempel in Ausgangslage einen Abstand von zumindest 1 mm zum Leiter auf. Auch wenn 1 mm sehr kurz erscheinen mag, so beschleunigt der Trennstempel auf dieser Strecke doch sehr stark, wenn die Zündeinheit zündet, sodass er mit einer erheblichen Geschwindigkeit auf den Leiter auftrifft, was seine Durchschlagskraft entsprechend erhöht.
Zur Erleichterung der Trennung ist es günstig, wenn der Leiter zumindest eine Kerbe aufweist.
Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der dem Trennstempel abgewandten Seite des Leiters ein Dämpfungselement vorgesehen ist, sodass der Trennstempel nach Trennung des Leiters abgebremst wird, vorzugsweise mit einer Bremsverzögerung von mindestens 10000 m/s². Dadurch wird eine elastische Reflexion des Trennstempels verhindert; durch eine elastische Reflexion könnte der Trennstempel, der bevorzugt elektrisch leitfähig ist, wieder in Kontakt mit den Leiterenden kommen und somit die Unterbrechung des Stromkreises rückgängig machen.
Es ist günstig, wenn auf der der Zündeinheit abgewandten Seite des Leiters der Trennstempel seitlich zumindest bereichsweise einen Abstand zum Gehäuse aufweist, sodass das Löschmittel nach Trennung des Leiters am Trennstempel vorbeifließt. Damit kann das Trennmittel sich auch dann noch weiter bewegen, wenn der Trennstempel bereits wieder abgebremst ist; diese Bewegung des Trennmittels bewirkt, dass stets frisches, kühles Trennmittel zum Lichtbogen kommt, was für dessen Löschung günstig ist.
Vorzugsweise sind die Leiterenden des Leiters nach der Trennung in Längsrichtung beweglich. Da das Löschmittel nach Trennung des Leiters den Raum zwischen den Leiterenden füllt, findet auch ein Fluss des Löschmittels in Trennrichtung statt, sodass das Löschmittel einen Druck auf die beiden Leiterenden ausübt und sie dadurch auseinander treibt, sodass sich infolge der Beweglichkeit der Leiterenden ihr Abstand automatisch vergrößert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung in nicht ausgelöstem Zustand; 2 zeigt dieses Ausführungsbeispiel in ausgelöstem Zustand.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Das Gehäuse der Trennvorrichtung 1 besteht aus einem Gehäuseoberteil 2, einem Gehäuseunterteil 3 und einer Deckplatte 4. Diese Gehäusekomponenten werden durch Schrauben 5 zusammengehalten.
Im Gehäuseoberteil 2 befindet sich eine Zündeinheit 6 mit elektrischem Anzünder 7. Zwischen dem Gehäuseoberteil 2 und dem Gehäuseunterteil 3 befindet sich ein Leiter 8 mit seinen beiden Leiterenden 8a und 8b. Die Leiterenden 8a, 8b weisen Langlöcher 9a, 9b auf und sind mittels Stiften 10a, 10b positioniert. An der Leiterunterseite befinden sich Kerben 11a und 11b, die für eine leichtere Trennung sorgen.
Benachbart zum Anzünder 7 befindet sich im Gehäuseoberteil 2 ein Druckkolben 12, gefolgt von Löschmittel 13 und Trennstempel 14.
Im Gehäuseunterteil 3 befindet sich eine Kammer 15, die ein Dämpfungselement 16 beherbergt, sowie eine Entlüftungsbohrung 17.
Die Gehäuseteile sind aus einem elektrisch isolierenden, schlagzähen Material, wie zum Beispiel Polyamid, hergestellt. Als Löschmittel 13 empfiehlt sich eine Silikonpaste, es ist aber auch Öl oder Sand oder Ähnliches als Löschmittel 13 möglich.
Erfolgreiche Versuche wurden mit einem GTMS-Zünder mit 75 mg ZPP (Zirkonium/Kaliumperchlorat) und 45 mg BKNO₃ (Bor/Kaliumnitrat) und einem Trennstempel 14 aus Automatenstahl durchgeführt. Der Druckkolben 12 ist aus Automatenstahl oder einem schlagzähen glasfaserverstärkten Polyamid ausgeführt. Der Leiter 8 ist aus Kupfer mit einem Querschnitt von 16x2 mm ausgeführt, an den Sollbruchstellen ist der Querschnitt auf 16x1 mm reduziert.
Nach der Auslösung (siehe 2) hat der Trennstempel 14 aus dem Leiter 8 eine Platine 18 herausgeschnitten und das Dämpfungselement 16 so weit zusammengedrückt, dass sich nur noch Löschmittel 13 zwischen den Leiterenden 8a, 8b befindet. Die Leiterenden 8a, 8b haben sich entsprechend ihrer Beweglichkeit in den Langlöchern 9a, 9b nach außen bewegt.
Bei Zündung des Anzünders 7 in der Zündeinheit 6 beaufschlagt dieser den Druckkolben 12 mit Druck und bewegt über das Löschmittel 13 den Trennstempel 14 gegen den Leiter 8. Der Trennstempel 14 stanzt aus dem Leiter 8 die Platine 18 an den Kerben 11a, 11b aus und drückt sie in die Kammer 15.
Nachdem der Trennstempel 14 die Ebene des Leiters 8 passiert hat, trifft die ausgestanzte Platine 18 auf das Dämpfungselement 16 und wird zusammen mit dem Trennstempel 14 abgebremst.
Dadurch kommt es zu einer Druckerhöhung im Löschmittel 13, welches die Leiterenden 8a, 8b in den Langlöchern 9a, 9b entsprechend ihrer Beweglichkeit verschiebt und bedingt durch einen größeren Bohrungsdurchmesser der Kammer 15 auch am Trennstempel 14 vorbei in die Kammer 15 strömen kann. Dadurch wird ein länger andauernder Fluss des Löschmittels 13 gewährleistet, der einerseits kühlend wirkt und andererseits den Lichtbogen verschleppt bzw. verlängert.
Dieser Effekt kann zusätzlich unterstützt werden, indem der Trennstempel 14 aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, nach der mechanischen Trennung als Strombrücke wirkt und somit die Lichtbogenentstehung soweit hinausschiebt, bis das Löschmittel 13 zur Trennstelle gelangt.
In Weiterbildung dieses Gedankens kann der Trennstempel 14 aus sehr temperaturfestem Metall, beispielsweise Wolfram, bestehen.
Die Bewegung der beiden Leiterenden 8a, 8b dient ebenfalls zur Löschung eines allenfalls vorhandenen Lichtbogens, weil die Länge des Lichtbogens vergrößert und der Raum mit Löschmittel 13 gefüllt wird.
Die frühzeitige Löschung des Lichtbogens ist wichtig, weil er mit längerer Brenndauer immer schwerer zu unterdrücken ist und sehr große Energiemengen mit entsprechend nachteiliger Wirkung in das Gehäuse einbringt.
Ein weiterer Punkt ist daher, dass die Geschwindigkeit des Trennstempels 14 zumindest 10 m/s beträgt, um eine entsprechend schnelle Trennung des Leiters 8 und eine schnelle Bewegung des Löschmittels 13 zu gewährleisten. Der gesamte Trennvorgang kann so in weniger als 3 ms stattfinden.
Ist die Kraft des Anzünders 7 für die notwendige Geschwindigkeit nicht ausreichend, kann zwischen Druckkolben 12 und Anzünder 7 zusätzliches Treibmittel angebracht werden.
Die Entlüftungsbohrung 17 lässt die Luft aus der Kammer 15 bei Füllung mit dem Löschmittel 13 entweichen. Damit wird verhindert, dass nach erfolgter Trennung die ausgestanzte Platine 18 und der Trennstempel 14 wieder in Richtung ihrer ursprünglichen Lage gedrückt werden, was zu einer Wiederkontaktierung führen könnte.

Claims

Pyrotechnische Trennvorrichtung (1) zur Trennung eines Leiters (8) durch einen Trennstempel (14), wobei die Trennvorrichtung (1) ein Gehäuse, in dem der Trennstempel (14) geführt ist, und eine Zündeinheit (6) zum Antreiben des Trennstempels (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trennstempel (14) und der Zündeinheit (6) ein Löschmittel (13) zur Unterdrückung oder Löschung des bei der Trennung entstehenden Lichtbogens angeordnet ist, sodass es bei der Zündung unter Druck gesetzt wird und den Trennstempel antreibt.
Trennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennstempel (14) zumindest eine Schneidkante aufweist, sodass bei Zündung der Zündeinheit (6) aus dem Leiter (8) eine Platine (18) ausgestanzt wird.
Trennvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennstempel (14) aus elektrisch leitfähigem Material besteht.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennstempel (14) aus einem Material mit einem Schmelzpunkt höher als 2000°C besteht.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennstempel (14) in Ausgangslage einen Abstand von zumindest 1 mm zum Leiter (8) aufweist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zündeinheit (6) und dem Löschmittel (13) ein Druckkolben (12) vorgesehen ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (8) zur Erleichterung der Trennung zumindest eine Kerbe (11a, 11b) aufweist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Trennstempel (14) abgewandten Seite des Leiters (8) ein Dämpfungselement (16) vorgesehen ist, sodass der Trennstempel (14) nach Trennung des Leiters (8) abgebremst wird, vorzugsweise mit einer Bremsverzögerung von mindestens 10.000 m/s².
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Zündeinheit (6) abgewandten Seite des Leiters (8) der Trennstempel (14) seitlich zumindest bereichsweise einen Abstand zum Gehäuse aufweist, sodass das Löschmittel (13) nach Trennung des Leiters (8) am Trennstempel (14) vorbeifließt.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterenden (8a, 8b) des Leiters (8) nach der Trennung in Längsrichtung beweglich sind.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschmittel (13) bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschmittel (13) ein Gel ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschmittel (13) eine Paste ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschmittel (13) Silikon oder eine Silikonverbindung ist.