EP3387657A1 - Entladewiderstand - Google Patents

Entladewiderstand

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Publication number
EP3387657A1
EP3387657A1 EP16810326.5A EP16810326A EP3387657A1 EP 3387657 A1 EP3387657 A1 EP 3387657A1 EP 16810326 A EP16810326 A EP 16810326A EP 3387657 A1 EP3387657 A1 EP 3387657A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
discharge resistor
ptc
heat sink
discharge
resistor according
Prior art date
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Pending
Application number
EP16810326.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Werling
Schäffner WOLFGANG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DBK David and Baader GmbH
Original Assignee
DBK David and Baader GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by DBK David and Baader GmbH filed Critical DBK David and Baader GmbH
Publication of EP3387657A1 publication Critical patent/EP3387657A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/08—Cooling, heating or ventilating arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/02—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure
    • H01C1/034—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure the housing or enclosure being formed as coating or mould without outer sheath
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points or electrodes specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points or electrodes on resistors
    • H01C1/1406—Terminals or electrodes formed on resistive elements having positive temperature coefficient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient

Definitions

  • the invention relates to a discharge resistor according to the preamble of patent claim 1.
  • Such discharge resistors are safety components which are used, for example, in electric vehicles in order to discharge buffer capacitors in the event of a fault, in a service case or in an accident.
  • the discharge of DC link capacitors in the inverter - generally speaking, the task of discharge resistors is to reduce dangerous voltages as quickly as possible.
  • discharge resistors must be designed as low as possible. Another requirement is that they are intrinsically safe, i. h., they must not burn when used as intended, so that use without additional monitoring is possible. Accordingly, discharge resistors must also permanently withstand the respective operating voltage, which is up to about 1200 volts in electric vehicles.
  • discharge resistors may be used in which the resistive element is formed as a wire wound winding that encompasses an insulating body.
  • Wirewound resistor elements are described, for example, in DE 2 228 460 or US Pat
  • load resistors discharge / braking resistors
  • a wire resistance element have a comparatively complex construction, with special measures having to be taken to increase the operational safety / intrinsic safety.
  • load resistors with PTC resistor elements.
  • the ceramic PTC resistor elements are inserted into a housing designed as a heat sink.
  • This housing may in turn be designed as an extruded profile, preferably made of aluminum or an aluminum alloy.
  • Such a load resistor is known from EP 1 225 080 B1 of the Applicant.
  • Dielectric strength is, for example, at a minimum resistance of 2 ohms at 170 volts / mm.
  • a PTC resistor element with high dielectric strength is also described in the document DE 27 53 766 A1.
  • the invention has for its object to provide a discharge resistor with improved intrinsic safety.
  • the discharge resistor is designed with at least one PTC module which is thermally contacted with a heat sink and has connections for electrically contacting the PTC module.
  • the ceramic PTC module is designed so that the ratio of the dielectric strength (in volts) to the minimum resistance (Rmin in ohms) is> 3, preferably> 4.
  • the characteristic properties of the PTC module in particular its thickness are chosen so that, for example, at a voltage in normal operation of 1200 V, an initial resistance (R a ) at room temperature (RT) results, which is at most 500 ohms , the minimum resistance Rmin is below this value.
  • R a initial resistance
  • RT room temperature
  • Rmin minimum resistance
  • the housing of the PTC module that is, the volume of the unit consisting of the heat sink and the PTC resistor element is selected so that a ratio of energy absorption in Joule (J) to the volume (cm 3 ) of below 200 J / cm 3 , preferably below 120 J / cm 3 .
  • the maximum temperature is in the range of 150 ° - 250 ° Celsius, preferably at most about 180 ° Celsius. Such intrinsic safety can not be achieved with the conventional solutions.
  • a thickness D of the PTC device i. That is, the dimension of the PTC device between its two electrodes / contact plates is designed to be more than 4mm, preferably about 5mm. It has surprisingly been found that in the design of a PTC device with such a thickness can set a voltage resistance in the range of 1200 V, but the minimum resistance (Rmin), which is important for a fast discharge of the respective component, very low is. It should be noted, however, that these values can be achieved by suitable enclosure of the PTC resistor - this finding is not taken into account in the prior art.
  • the ratio of the thickness D (mm) to the minimum resistance Rmin (ohms) is greater than 1/90 and less than 1/50, preferably about 1/60. That is, the manufacturing process of the PTC device is chosen such that an initial resistance of between 90 ⁇ and 50 ⁇ is set per mm thickness of the PTC module.
  • the PTC module is approximately cuboidal, with a width B2 of more than 8mm, preferably about 1 1 mm, a thickness D of more than 4mm and a length L2 of more than 20mm preferably of about 28mm ,
  • the intrinsic safety can be further increased if the low-resistance edge regions are removed in the case of a blank of the PTC module, so that a flashover in the edge region of the PTC module and a breakdown through the ceramic is reliably prevented and thus the dielectric strength is increased.
  • the PTC module or the PTC components of the discharge resistor are inserted in a suitable heat sink.
  • a compression is particularly suitable.
  • the pressing force is selected such that a sufficient thermal contact is ensured in the intended temperature range, which may be, for example, between -20.degree. C. and 180.degree.
  • this enclosure ensures that the pulse energy generated during discharging can be dissipated without damaging the ceramic (bursting).
  • the heat sink may for example be designed as an open U-profile, in which the PTC module is used. This U-profile is then closed by means of a press plate, which is plastically deformed for pressing.
  • a heat sink with a closed profile can be used, which is then plastically deformed during pressing.
  • the initial resistance at room temperature is preferably in the range of 300 ⁇ to 500 ⁇ .
  • the discharge resistor can also be designed with more than one PTC module. These can be arranged parallel to each other or lying one behind the other.
  • the maximum energy consumption of the load resistance is at one
  • Figure 1 is a three-dimensional view of a discharge resistor according to the invention.
  • Figure 2 is a plan view of the discharge resistor of Figure 1;
  • Figure 3 is a section through the discharge resistor along the line A-A in Figure 2;
  • Figure 4 shows characteristics of the discharge resistor according to Figures 1 to 3 and a heating resistor and
  • FIG. 5 shows a variant of the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional representation of a first exemplary embodiment of a discharge resistor 1.
  • This has a heat sink 2, which consists of a U-shaped aluminum extruded profile 4 and an associated pressure plate 6.
  • the extruded profile 4 and the pressure plate 6 are advantageously made of aluminum or an aluminum alloy.
  • These two components form a receiving space for a PTC module 8, the two wires 10, 12 to an electronic component of a circuit, such as an electric scooter, is connected, and this electronic component must be unloaded in case of failure or service.
  • this electrical component may be a buffer capacitor or a DC link capacitor whose voltage is to be dissipated by the discharge resistor 1 in the shortest possible time.
  • the degradation takes place by converting the electrical voltage into heat, which, optionally buffered by the PTC module, is discharged through a heat-emitting element into the environment.
  • the pulse strength is in the range of several kV, for example, between 3000 and 4000 volts.
  • the discharge voltage is preferably in the range between 850 and 1200 volts
  • Figure 2 shows a plan view of the discharge resistor 1 of Figure 1 and Figure 3 is a section along the line A-A in Figure 2.
  • the PTC module 8 is in the form of a cuboid with a length L2 of a width B2 and a thickness D.
  • the length L2 is about 28mm
  • the width B2 about 1 1 mm
  • This ceramic PTC component 8 is manufactured from a blank which has a plate-shaped contour whose dimensions are slightly larger than those of the above-described PTC module 8. During production, edge regions of this blank are cut away, since they are often lower-resistance than the middle regions. In this way, a PTC module with a homogeneous resistance characteristic is formed, whereby this by the optimal edge condition of the module
  • the electrical contacting takes place via electrodes / connection plates, which are electrically connected to the strands 10, 12.
  • the executed with a homogeneous resistance characteristic PTC module 8 with its electrodes is embedded in an electrical insulating sleeve 14, prevents direct electrical contact with the heat sink 2 and an insulating strength up to 4,000 V is achieved.
  • the extruded profile 4 has an approximately U-shaped cross-section with a base 16 and two legs 18, 20. The latter are each flanged in the region of their free end portions to a U-shaped receptacle 22, 24 into which the pressure plate 6 can be inserted so that it is guided along its edge sections (perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 3) in the receptacles 22, 24.
  • the press plate 6 and the extruded profile 4 limit - as explained - a receiving space 26, in which the coated PTC module 8 is inserted.
  • the pressing plate 8 For thermal contacting of the PTC module 8 with the heat sink 2, the pressing plate 8 is acted upon in the arrow direction with a pressing force F, so that the PTC module 8 is compressed in the receiving space 26.
  • the press plate 6 is supported on the legs 18, 20 from. The compression takes place so that the thermal contact over the entire operating temperature range of the discharge resistor. 1
  • this operating temperature range is between about -20 ° C and about 180 ° C (see Figure 4).
  • the compression must be designed so that any caused by the temperature dimensional changes of the components are compensated and always a sufficient thermal contact between PTC module 8 and heat sink 2 is guaranteed.
  • the dimensions of the heat sink 2 are selected according to the invention so that the ratio between the maximum energy consumption in Joule (J) to the volume (cm 3 ) is below 200 J / cm 3 , preferably about 120 J / cm 3 , wherein the
  • Load resistor for a very high maximum power consumption preferably of more than 1500 J is designed.
  • the maximum energy consumption is in the range of 2000 J to 6000 J or more.
  • the discharge resistor 1 has only one PTC module 8.
  • several such PTC components can be arranged axially one behind the other in a correspondingly extended heat sink 2.
  • the dimensions of the PTC module 8 are selected, for example, according to the above statements - in the conception of the total volume, that is, the volume encompassed by the heat sink, the above-mentioned characteristic value formed from the ratio between the energy consumption and the volume (J / cm 3 ) should be considered become.
  • the required intrinsic safety is ensured, so that, for example, even when reaching the maximum breakdown voltage (about 1200 volts), the operating temperature in the predetermined range, that is less than 200 ° C, preferably at most about 180 ° C remains.
  • the mentioned characteristic values are set forth by way of example for different numbers of PTC components, whereby the quantity L1 is the total length of the heat sink (see FIG. 2) and the dimension L2 is the length of a PTC component.
  • the volume is calculated from the aforementioned length L1 multiplied by the height H and the width B1 (see FIG. 3) of the heat sink 2.
  • This table also lists the energy absorption in joules; With all these parameters, a characteristic value of approx. 120 J / cm 3 at a maximum operating temperature of 180 ° Celsius is approximated. Taking into account these characteristics, a discharge resistance with optimum intrinsic safety can thus be created.
  • the discharge resistor By the above-described choice of the dimensions of the PTC module 8 and its compression with the heat sink 2, it is possible to use the discharge resistor at voltages up to 1200 volts.
  • the component resistance is shown on the temperature, dashed line above the characteristic of a heating resistor and below the characteristics of a discharge resistor are shown.
  • the middle dash-dotted characteristic is the so-called "no-load characteristic", while the lower-lying continuous characteristic is the typical characteristic of a discharge resistor according to the invention at 900 volts.
  • Heating resistors are usually designed to convert electrical energy into thermal energy in continuous operation - a high initial resistance is advantageous for such a task.
  • the initial resistance for example, initially significantly more than 10,000 ohms.
  • the resistor then drops with heating to the operating temperature (about 140 ° C), for example, about 3000 ohms and then increases with increasing
  • the initial resistance R a at room temperature (RT) is very low in the range of, for example, approximately 500 ohms. With increasing heating to the operating temperature of this initial resistance decreases further down, for example, about 300 to 350 ohms (Rmin).
  • This minimum resistance Rmin allows a very high energy absorption and thus ensures a discharge in the shortest possible time.
  • the slightly higher initial resistance compared to the minimum resistance (Rmin) ensures a "damped" initial discharge, while the damped initial discharge relieves the contacts of the interconnection with the electronic component to be discharged
  • the intrinsic safety With increasing heating of the discharge resistor 1, the resistance then rises steeply, so that, even with a continuous discharge, the intrinsic safety is without the need for additional electronic security elements.
  • the operating temperature in the area of intrinsic safety always remains below 180 ° Celsius - in heating applications, this maximum temperature is considerably higher. This intrinsic safety is for example in the
  • regenerable capacitors so-called double-layer capacitors
  • FIG. 5 shows a variant of the discharge resistor according to FIG. 1.
  • a closed extruded profile 4 is used, in the receiving space 26 of which is accommodated in the insulating casing 14 PTC module 8 is used.
  • side walls 28, 30 bulged approximately U-shaped and go into one
  • Top wall 32 via, which runs approximately parallel to the base 16.
  • the pressing force F is applied to the top wall 32, wherein the bulging side walls 28, 30 are deformed outwardly, so that the inside width of the U-shaped areas is reduced and corresponding to a pressing surface 34 of the top wall 32 flat on the PTC module. 8 or the insulating sleeve 14 is present.
  • the compression is designed according to the same criteria as explained with reference to the embodiment according to FIG. Consequently, the compression is chosen so that an expansion of the PTC module 8 during the high Voltage peaks at the beginning of the discharge is possible, however, a contact is ensured during the entire discharge process.
  • a discharge resistor with at least one PTC module which is pressed with a heat sink in such a way that the discharge resistor can be used at voltages up to 1200 volts.
  • the discharge resistance is preferably designed such that the ratio of the volume (cm 3 ) to the energy intake (J) is below 200 J / cm 3 , preferably below 120 J / cm 3 .

Abstract

Offenbart ist ein Entladewiderstand mit zumindest einem PTC-Baustein, der mit einem Kühlkörper derart verpresst ist, dass der Entladewiderstand bei Spannungen bis zu 1200 Volt verwendbar ist. Der Entladewiderstand ist vorzugsweise so ausgelegt, dass das Verhältnis des Volumens (cm3) zur Energieaufnahme (J) unterhalb von 200 J / cm3, vorzugsweise unterhalb von 120 J / cm3 liegt.

Description

Entladewiderstand
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Entladewiderstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Derartige Entladewiderstände sind Sicherheitsbauteile, die beispielsweise bei Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, um in einem Fehlerfall, in einem Servicefall oder bei einem Unfall Pufferkondensatoren zu entladen. Über derartige Entladewiderstände erfolgt beispielsweise auch die Entladung von Zwischenkreiskondensatoren im Inverter - allgemein gesprochen besteht die Aufgabe von Entladewiderständen darin, gefährliche Spannungen möglichst schnell abzubauen.
Dem entsprechend müssen derartige Entladewiderstände möglichst niederohmig ausgelegt werden. Eine weitere Anforderung besteht darin, dass sie eigensicher sind, d. h., sie dürfen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch nicht durchbrennen, so dass ein Einsatz ohne zusätzliche Überwachung möglich ist. Entladewiderstände müssen demgemäß auch dauerhaft der jeweiligen Betriebsspannung standhalten, die bei Elektrofahrzeugen bis etwa 1200 Volt liegt.
Bei weniger anspruchsvollen Anwendungen können Entladewiderstände verwendet werden, bei denen das Widerstandselement als Drahtwiderstandswicklung ausgebildet ist, die einen Isolierkörper umgreift. Patronenförmige Ausführungen derartiger
Drahtwiderstandselemente sind beispielsweise in der DE 2 228 460 oder der
DE 37 03 689 C2 beschrieben.
Diese patronenförmigen Bremswiderstände haben jedoch einen vergleichsweise komplexen Aufbau und benötigen einen erheblichen Bauraum.
Kompakter sind Lösungen bei denen das Widerstandselement eine Drahtwicklung hat, die auf einen flachen Träger aufgewickelt ist und das dann in einen als Hohlprofil ausgebildeten Kühlkörper eingesetzt wird. Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der EP 1 71 1 035 A1 der Anmelderin offenbart.
Zur Erhöhung der„Eigensicherheit" wird in der DE 10 2014 102 601 A1 der Anmelderin vorgeschlagen, einen bestimmten Abschnitt der Drahtwicklung im Vergleich zur sonstigen Drahtwicklung gegenüber der Umgebung besser thermisch zu isolieren, so dass im Fehlerfall das Drahtwickelelement in diesem Drahtabschnitt versagt, so dass bei entsprechender Ausgestaltung dieses Bereichs die Gefahr einer Beschädigung benachbarter Komponenten sowie ein gefährlicher elektrischer Kontakt zum Gehäuse, d. h., ein Körperschluss verhindert werden kann und somit ein„eigensicheres Aussteigen" des Brems-/Entladewiderstands ermöglicht wird.
Wie erwähnt, haben derartige Lastwiderstände (Entlade-/Bremswiderstände) auf Basis eines Drahtwiderstandselementes einen vergleichsweise komplexen Aufbau, wobei besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Betriebssicherheit/Eigensicherheit zu erhöhen.
Bei elektromobilen Anwendungen werden daher bevorzugt Lastwiderstände mit PTC- Widerstandselementen eingesetzt. Bei derartigen Lastwiderständen (Brems- /Entladewiderstand) sind die keramischen PTC-Widerstandselemente in ein als Kühlkörper ausgeführtes Gehäuse eingesetzt. Dieses Gehäuse kann wiederum als Strangpressprofil vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt sein. Ein derartiger Lastwiderstand ist aus der EP 1 225 080 B1 der Anmelderin bekannt.
Derartige Entladewiderstände sind bisher jedoch nicht für Spannung bis im Bereich zwischen 850 Volt und 1200 Volt geeignet - die herstellerseitigen Freigaben garantieren allenfalls eine Spannungsfestigkeit bis 600 Volt. Dabei ist zu beachten, dass bei der Anwendung als Entladewiderstand gefordert ist, dass der Widerstand zunächst
vergleichsweise gering ist, um durch eine hohe Energieaufnahme für eine schnelle Entladung des jeweiligen Bauteils zu sorgen, wobei sichergestellt sein muss, dass die Betriebssicherheit durch eine hinreichende Impulsfestigkeit gewährleistet ist, die im Bereich von mehr als 3 kV liegt. In der Druckschrift DE 10 2009 049 404 A1 sind PTC-Widerstandselemente beschrieben, die bei den oben genannten Lastwiderständen verwendbar sind. Diese bekannten PTC-Widerstandselemente sind im Hinblick auf eine verbesserte
Spannungsfestigkeit ausgelegt, die beispielsweise bei einem minimalen Widerstand von 2 Ohm bei 170 Volt / mm liegt. Ein PTC-Widerstandselement mit hoher Spannungsfestigkeit ist auch in der Druckschrift DE 27 53 766 A1 beschrieben.
Ein Verfahren zum Herstellen von PTC-Widerstandselementen ist in der
DE 32 27 907 A1 offenbart.
Es zeigte sich allerdings, dass auch mit derartigen PTC-Widerstandselementen ausgeführte Entladewiderstände nicht den Anforderungen an die Eigensicherheit entsprechen, wie sie beispielsweise bei Anwendungen in der Elektromobilität bestehen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Entladewiderstand mit verbesserter Eigensicherheit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Entladewiderstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist der Entladewiderstand mit zumindest einem PTC-Baustein ausgeführt, der thermisch mit einem Kühlkörper kontaktiert ist und Anschlüsse zum elektrischen Kontaktieren des PTC-Bausteins hat. Erfindungsgemäß ist der keramische PTC-Baustein dabei so ausgelegt, dass das Verhältnis der Spannungsfestigkeit (in Volt) zum minimalen Widerstand (Rmin in Ohm) > 3, vorzugsweise > 4 ist.
Daraus ergibt sich, dass die charakteristischen Eigenschaften des PTC-Bausteins, insbesondere dessen Dicke so gewählt werden, dass sich beispielsweise bei einer Spannung im Normalbetrieb von 1200 V ein Anfangswiderstand (Ra) bei Raumtemperatur (RT) ergibt, der allenfalls bei 500 Ohm liegt, der minimale Widerstand Rmin liegt unter diesem Wert. Diese Kennwerte lassen sich gemäß der erfindungsgemäßen Lehre für den Fachmann durch geeignete Wahl der PTC-Bausteinabmessungen einstellen. Dies ist eine für den Fachmann überraschende Lösung, da in der Fachwelt das Vorurteil besteht, dass sich mit herkömmlichen PTC-Bausteinen eine Spannungsfestigkeit von allenfalls 850 V erreichen lässt. Die Erfindung wendet sich ab von diesem Vorurteil und ermöglicht es, sehr kompakte, auf einfache Weise herzustellende Entladewiderstände bereitzustellen, die die erforderliche Spannungsfestigkeit und auch Impulsfestigkeit aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Einhausung des PTC- Bausteins, das heißt das Volumen der Einheit bestehend aus dem Kühlkörper und dem PTC-Widerstandselement so gewählt, dass sich ein Verhältnis der Energieaufnahme in Joule (J) zum Volumen (cm3) von unterhalb 200 J / cm3, vorzugsweise unterhalb 120 J / cm3 ergibt.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich der Entladewiderstand im Bereich der Durchbruchsspannung nicht auf eine übermäßige Temperatur erhitzt. Beim
erfindungsgemäßen Konzept liegt die maximale Temperatur im Bereich von 150° - 250° Celsius, vorzugsweise maximal circa 180° Celsius. Eine derartige Eigensicherheit lässt sich mit den herkömmlichen Lösungen nicht erzielen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Dicke D des PTC-Bausteins, d. h., die Abmessung des PTC-Bausteins zwischen seinen beiden Elektroden/Kontaktplatten so ausgelegt, dass sie mehr als 4mm, vorzugsweise etwa 5mm beträgt. Es zeigte sich überraschender weise, dass bei der Auslegung eines PTC-Bausteins mit einer derartigen Dicke eine Spannungsfestigkeit im Bereich von 1200 V einstellen lässt, wobei jedoch der minimale Widerstand (Rmin), der für eine schnelle Entladung des jeweiligen Bauteils wichtig ist, sehr gering ist. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich diese Werte durch geeignete Einhausung des PTC-Widerstands erzielen lassen - diese Erkenntnis ist im bisherigen Stand der Technik nicht berücksichtigt.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis zwischen der Dicke D (mm) zum minimalen Widerstand Rmin (Ohm) größer als 1/90 und kleiner als 1/50, vorzugsweise etwa 1/60 gewählt. D. h., der Herstellungsprozess des PTC-Bausteins wird so gewählt, dass sich pro mm Dicke des PTC-Bausteins ein Anfangswiderstand zwischen 90 Ω und 50 Ω einstellt.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der PTC-Baustein etwa quaderförmig, mit einer Breite B2 von mehr als 8mm, vorzugsweise etwa 1 1 mm, einer Dicke D von mehr als 4mm und einer Länge L2 von mehr als 20mm vorzugsweise von etwa 28mm ausgeführt ist.
Die Eigensicherheit lässt sich weiter erhöhen, wenn bei einem Rohling des PTC- Bausteins die niederohmigen Randbereiche entfernt werden, so dass ein Überschlag im Randbereich des PTC-Bausteins und ein Durchschlag durch die Keramik hindurch zuverlässig verhindert ist und somit die Spannungsfestigkeit erhöht ist.
Wie erläutert, ist es wichtig, dass der PTC-Baustein oder die PTC-Bausteine des Entladewiderstands in einen geeigneten Kühlkörper eingesetzt sind. Dabei ist eine Ver- pressung besonders geeignet. Die Presskraft wird je nach Geometrie des Kühlkörpers und des PTC-Bausteins so gewählt, dass in dem vorgesehenen Temperaturbereich, der beispielsweise zwischen -20°C und 180°C liegen kann, eine hinreichende thermische Kontaktierung gewährleistet ist. Des Weiteren wird durch diese Einhausung gewährleistet, dass die beim Entladen entstehende Impulsenergie ohne Beschädigung der Keramik (Platzen) abführbar ist.
Der Kühlkörper kann beispielsweise als offenes U-Profil ausgeführt sein, in den der PTC-Baustein eingesetzt wird. Dieses U-Profil wird dann mittels einer Pressplatte verschlossen, die zum Verpressen plastisch deformiert wird.
Alternativ kann auch ein Kühlkörper mit einem geschlossenen Profil verwendet werden, das dann beim Verpressen plastisch umgeformt wird.
Der Anfangswiderstand bei Raumtemperatur liegt bei einer Spannungsfestigkeit von bis zu 1200 V vorzugsweise im Bereich von 300 Ω bis 500 Ω. Die Raumtemperatur wird dabei üblicherweise mit RT = 25°C ± 5K definiert. Der Entladewiderstand kann auch mit mehr als einem PTC-Baustein ausgeführt sein. Diese können parallel zueinander oder hintereinander liegend angeordnet werden.
Die Anmelderin behält sich vor, anstelle der im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale den vorbeschriebenen Kennwert gebildet aus der Energieaufnahme und dem Volumen zum Gegenstand eines unabhängigen
Patentanspruchs 1 zu machen.
Die maximale Energieaufnahme des Lastwiderstands ist bei einem
Ausführungsbeispiel höher als 1500 J und liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2000 J bis 6000 J und mehr. Die Anmelderin behält sich vor, hierauf noch einen Anspruch zu richten.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Entladewiderstandes;
Figur 2 eine Draufsicht auf den Entladewiderstand gemäß Figur 1 ;
Figur 3 einen Schnitt durch den Entladewiderstand entlang der Linie A-A in Figur 2; Figur 4 Kennlinien des Entladewiderstands gemäß den Figuren 1 bis 3 und eines Heizwiderstandes und
Figur 5 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1 bis 3.
Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Entladewiderstands 1 . Dieser hat einen Kühlkörper 2, der aus einem U-förmigen Aluminium-Strangpressprofil 4 und einer damit verbundenen Pressplatte 6 besteht. Das Strangpressprofil 4 und die Pressplatte 6 bestehen dabei vorteilhaft aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung. Diese beiden Bauelemente (Strangpressprofil 4, Pressplatte 6) bilden einen Aufnahmeraum für einen PTC-Baustein 8, der über zwei Litzen 10, 12 an ein elektronisches Bauteil eines Stromkreises, beispielsweise eines Elektromobils, angeschlossen ist, wobei dieses elektronische Bauteil im Fall einer Störung oder im Servicefall entladen werden muss.
So kann es sich bei diesem elektrischen Bauteil um einen Pufferkondensator oder einen Zwischenkreiskondensator handeln, dessen Spannung durch den Entladewiderstand 1 in möglichst kurzer Zeit abgebaut werden soll. Der Abbau erfolgt dabei durch Umwandlung der elektrischen Spannung in Wärme, welche, gegebenenfalls gepuffert durch den PTC-Baustein, über ein Wärmeabgabeelement in die Umgebung abgegeben wird. Die Impulsfestigkeit liegt dabei im Bereich von mehreren kV, beispielsweise zwischen 3000 und 4000 Volt.
Die Entladespannung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 850 und 1200 Volt
(DC).
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Entladewiderstand 1 aus Figur 1 und Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 2.
Demgemäß ist der PTC-Baustein 8 in Form eines Quaders mit einer Länge L2 einer Breite B2 und einer Dicke D. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge L2 etwa 28mm, die Breite B2 etwa 1 1 mm und die Dicke D 5mm.
Dieser keramische PTC-Baustein 8 wird aus einem Rohling gefertigt, der eine plat- tenförmige Kontur aufweist, deren Abmessungen etwas größer als diejenigen des vorbeschriebenen PTC-Bausteins 8 sind. Bei der Fertigung werden Randbereiche dieses Rohlings weggeschnitten, da diese häufig niederohmiger als die mittleren Bereiche sind. Auf diese Weise wird ein PTC-Baustein mit einer homogenen Widerstandscharakteristik ausgebildet, wobei diese durch die optimale Randbeschaffenheit des Bausteins
gewährleistet ist. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, einen PTC-Baustein von vorne herein mit einer hinreichenden Widerstandscharakteristik ohne Abweichungen in Richtung der Randbereiche auszuführen.
Die elektrische Kontaktierung erfolgt über Elektroden/Anschlussplatten, die elektrisch mit den Litzen 10, 12 verbunden sind. Der mit einer homogenen Widerstandscharakteristik ausgeführte PTC-Baustein 8 mit seinen Elektroden ist in eine elektrische Isolierhülle 14 eingebettet, durch die ein direkter elektrischer Kontakt mit dem Kühlkörper 2 verhindert und eine Isolierfestigkeit bis 4.000 V erreicht wird.
Wie insbesondere aus dem Schnitt A-A in Figur 3 hervorgeht, hat das Strangpressprofil 4 einen etwa U-förmigen Querschnitt mit einer Basis 16 und zwei Schenkeln 18, 20. Letztere sind im Bereich ihrer freien Endabschnitte jeweils zu einer U-förmigen Aufnahme 22, 24 umgebördelt, in die die Pressplatte 6 eingesetzt werden kann, so dass diese entlang ihrer Randabschnitte (senkrecht zur Zeichenebene in Figur 3) in den Aufnahmen 22, 24 geführt ist. Die Pressplatte 6 und das Strangpressprofil 4 begrenzen - wie erläutert - einen Aufnahmeraum 26, in den der umhüllte PTC-Baustein 8 eingesetzt ist.
Zum thermischen Kontaktieren des PTC-Bausteins 8 mit dem Kühlkörper 2 wird die Pressplatte 8 in Pfeilrichtung mit einer Presskraft F beaufschlagt, so dass der PTC- Baustein 8 im Aufnahmeraum 26 verpresst ist. Die Pressplatte 6 stützt sich dabei an den Schenkeln 18, 20 ab. Die Verpressung erfolgt dabei so, dass die thermische Kontaktierung über dem gesamten Betriebstemperaturbereich des Entladewiderstands 1
aufrechterhalten wird. Bei automobilen Anwendungen liegt dieser Betriebstemperaturbereich zwischen etwa -20°C und etwa 180°C (siehe Figur 4).
Das heißt die Verpressung muss so ausgelegt sein, dass eventuelle durch die Temperatur verursachte maßliche Änderungen der Bauelemente ausgeglichen werden und stets eine hinreichende thermische Kontaktierung zwischen PTC-Baustein 8 und Kühlkörper 2 gewährleistet ist.
Die Abmessungen des Kühlkörpers 2 sind erfindungsgemäß so gewählt, dass das Verhältnis zwischen der maximalen Energieaufnahme in Joule (J) zum Bauvolumen (cm3) unterhalb 200 J / cm3 liegt, vorzugweise etwa 120 J / cm3 beträgt, wobei der
Lastwiderstand für eine sehr hohe maximale Energieaufnahme, vorzugsweise von mehr als 1500 J ausgelegt ist. Vorzugsweise liegt die maximale Energieaufnahme im Bereich von 2000 J bis 6000 J oder mehr. Dabei ist keinesfalls vorausgesetzt, dass der Entladewiderstand 1 lediglich einen PTC-Baustein 8 aufweist. Prinzipiell können auch mehrere derartiger PTC-Bausteine axial hintereinanderliegend in einem entsprechend verlängerten Kühlkörper 2 angeordnet sein. Die Abmessungen des PTC-Bausteins 8 sind beispielsweise entsprechend den obigen Ausführungen gewählt - bei der Konzeption des Gesamtvolumens, das heißt des vom Kühlkörper umgriffenen Volumens sollte der oben genannte Kennwert gebildet aus dem Verhältnis zwischen der Energieaufnahme und dem Volumen (J / cm3) berücksichtigt werden. In diesem Fall ist dann die erforderliche Eigensicherheit gewährleistet, so dass beispielsweise auch bei Erreichen der maximalen Durchbruchsspannung (circa 1200 Volt) die Betriebstemperatur noch im vorbestimmten Bereich, das heißt unter 200°Celsius, vorzugsweise maximal etwa 180° Celsius bleibt.
In der unten eingefügten Tabelle sind beispielhaft die genannten Kennwerte bei unterschiedlichen Anzahlen von PTC-Bausteinen dargelegt, wobei die Größe L1 die Gesamtlänge des Kühlkörpers (siehe Figur 2) ist und das Maß L2 die Länge eines PTC- Bausteins ist. Das Volumen errechnet sich aus der vorgenannten Länge L1 multipliziert mit der Höhe H und der Breite B1 (siehe Figur 3) des Kühlkörpers 2. In dieser Tabelle ist auch die Energieaufnahme in Joule aufgelistet; bei all diesen Parametern ergibt sich genähert ein Kennwert von circa 120 J / cm3 bei einer maximalen Betriebstemperatur von 180° Celsius. Bei Berücksichtigung dieser Kennwerte kann somit ein Entladewiderstand mit optimaler Eigensicherheit geschaffen werden.
Durch die vorbeschriebene Wahl der Dimensionen des PTC-Bausteins 8 und dessen Verpressung mit dem Kühlkörper 2 ist es möglich, den Entladewiderstand bei Spannungen bis zu 1200 Volt einzusetzen. In dem Kennliniendiagramm gemäß Figur 4 ist der Bauteilwiderstand über der Temperatur dargestellt, wobei obenliegend gestrichelt die Kennlinie eines Heizwiderstandes und untenliegend die Kennlinien eines Entladewiderstandes dargestellt sind. Die mittlere strichpunktierte Kennlinie ist die sogenannte„Nulllastkennlinie", während die unten liegende durchgezogene Kennlinie die typische Kennlinie eines erfindungsgemäßen Entladewiderstands bei 900 Volt ist.
Heizwiderstände sind üblicher Weise darauf ausgelegt, im Dauerbetrieb elektrische Energie in Wärmeenergie umzusetzen - für eine derartige Aufgabenstellung ist ein hoher Anfangswiderstand vorteilhaft. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel (oben liegende Kennlinie) beträgt der Anfangswiderstand beispielsweise zunächst deutlich mehr als 10.000 Ohm. Der Widerstand fällt dann mit Erwärmung auf die Betriebstemperatur (ca. 140°C) auf beispielsweise etwa 3000 Ohm ab und steigt dann mit zunehmender
Temperatur stark an - dies ist das typische Verhalten eines PTC-Heizwiderstandes.
Im Unterschied dazu ist bei einem Entladewiderstand gefordert, dass der Anfangswiderstand möglichst gering ist.
Gemäß dem Diagramm in Figur 4 liegt sowohl bei der typischen Kennlinie (unten) als auch bei der Nulllastkennlinie (etwas oberhalb der typischen Kennlinie) der Anfangswiderstand Ra bei Raumtemperatur (RT) sehr niedrig im Bereich von beispielsweise etwa 500 Ohm. Mit zunehmender Erwärmung auf die Betriebstemperatur sinkt dieser Anfangswiderstand weiter ab auf beispielsweise etwa 300 bis 350 Ohm (Rmin). Dieser minimale Widerstand Rmin ermöglicht eine sehr hohe Energieaufnahme und gewährleistet somit eine Entladung in kürzester Zeit. Der etwas höhere Anfangswiderstand im Vergleich zum minimalen Widerstand (Rmin) gewährleistet eine„gedämpfte" Anfangsentladung. Durch die gedämpfte Anfangsentladung werden die Kontakte der Verschaltung mit dem zu entladenden elektronischen Bauelement entlastet, wobei trotzdem ein hoher
Energieeintrag möglich ist, da der Widerstand mit zunehmender Temperatur zunächst absinkt.
Mit zunehmender Erwärmung des Entladewiderstands 1 steigt der Widerstand dann steil an, so dass, auch bei einer andauernden Entladung die Eigensicherheit gewährleistet ist, ohne dass es zusätzlicher elektronischer Sicherungselemente bedarf. Gemäß der in Figur 4 dargestellten Kennlinie bleibt dabei die Betriebstemperatur auch im Bereich der Eigensicherheit stets unter 180° Celsius - bei Heizanwendungen liegt diese maximale Temperatur wesentlich höher. Diese Eigensicherheit ist beispielsweise bei der
Verwendung von regenerierbaren Kondensatoren (sog. Doppelschichtkondensatoren) notwendig, da diese durch die Selbstregenerierung wieder eine gefährliche Spannung aufbauen.
Diese Eigensicherheit ermöglicht es auch, dass der Entladewiderstand dauerhaft zugeschaltet bleiben kann. Ein derartiger Entladewiderstand mit einem niedrigen Anfangswiderstand und extrem hoher Spannungsfestigkeit ist im Stand der Technik ohne Vorbild. Wie eingangs erläutert, ist jedoch zu beachten, dass die thermische Belastung des Entladewiderstands aufgrund der extrem hohen Impulsleistung (hoher Startpeak) sehr hoch ist, so dass die Verpressung einerseits eine Ausdehnung des PTC-Bausteins 8 zu Beginn der Entladung ermöglichen muss, andererseits jedoch während der gesamten Entladung des elektronischen Bauteils eine hinreichende Kontaktierung gewährleistet ist.
Figur 5 zeigt eine Variante des Entladewiderstands gemäß Figur 1 . Bei diesem Ausführungsbeispiel wird anstelle eines zweiteiligen Kühlkörpers 2 ein geschlossenes Strangpressprofil 4 verwendet, in dessen Aufnahmeraum 26 der in der Isolationshülle 14 aufgenommene PTC-Baustein 8 eingesetzt wird. Bei dem Strangpressprofil 4 gemäß Figur 5 sind Seitenwandungen 28, 30 etwa U-förmig ausgebaucht und gehen in eine
Deckwandung 32 über, die in etwa parallel zur Basis 16 verläuft.
Zum Verpressen wird die Presskraft F auf die Deckwandung 32 aufgebracht, wobei die ausbauchenden Seitenwandungen 28, 30 nach außen deformiert werden, so dass die lichte Weite der U-förmigen Bereiche verringert wird und entsprechend eine Pressfläche 34 der Deckwandung 32 flächig am PTC-Baustein 8 bzw. der Isolationshülle 14 anliegt.
Die Verpressung ist nach den gleichen Kriterien ausgelegt, wie sie anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4 erläutert wurde. Demzufolge ist die Verpressung so gewählt, dass eine Ausdehnung des PTC-Bausteins 8 während des hohen Spannungspeaks zu Beginn der Entladung ermöglicht wird, jedoch eine Kontaktierung während des gesamten Entladevorgangs gewährleistet ist.
Offenbart ist ein Entladewiderstand mit zumindest einem PTC-Baustein, der mit einem Kühlkörper derart verpresst ist, dass der Entladewiderstand bei Spannungen bis zu 1200 Volt verwendbar ist. Der Entladewiderstand ist vorzugsweise so ausgelegt, dass das Verhältnis des Volumens (cm3) zur Energieaufnahme (J) unterhalb von 200 J / cm3, vorzugsweise unterhalb von 120 J / cm3 liegt.
Bezuqszeichenliste:
1 Entladewiderstand
2 Kühlkörper
4 Strangpressprofil
6 Pressplatte
8 PTC-Baustein
10 Litze
12 Litze
14 Isolierhülle
16 Basis
18 Schenkel
20 Schenkel
22 Aufnahme
24 Aufnahme
26 Aufnahmeraum
28 Seitenwandung
30 Seitenwandung
32 Deckwandung
34 Pressfläche
L1 Länge des Kühlkörpers
L2 Länge eines PCT-Bausteins
B1 Breite des Kühlkörpers
B2 Breite eines PTC-Bausteins
H Höhe des Kühlkörpers

Claims

Patentansprüche
1 . Entladewiderstand mit einem PTC-Baustein (8), der thermisch mit einem Kühlkörper (2) kontaktiert ist und mit Anschlüssen zum elektrischen Kontaktieren des PTC-Bausteins (8), dadurch gekennzeichnet, dass der PTC-Baustein (8) derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis der Spannungsfestigkeit in Volt zum minimalen Widerstand (Rmin) in Ohm größer als 3, vorzugsweise größer als 4 ist.
2. Entladewiderstand nach Patentanspruch 1 , wobei das Verhältnis der
Energieaufnahme (J) des Entladewiderstands zum Volumen (cm3) des Kühlkörpers (2) unterhalb 200 J / cm3, vorzugsweise unterhalb 120 J / cm3 liegt.
3. Entladewiderstand nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke (D) des PTC-Bausteins > 4mm, vorzugsweise etwa 5mm ist.
4. Entladewiderstand nach einem der Patenansprüche 1 bis 3, wobei das Verhältnis der Dicke (D) in mm zum minimalen Widerstand (Rmin) in Ohm > 1 :90 und < 1 :50, vorzugsweise etwa 1 :60 ist.
5. Entladewiderstand nach einem der vorhergehenden Patenansprüche, wobei der PTC-Baustein (8) etwa quaderförmig ausgebildet ist, mit einer Breite (B1 ) von mehr als 8mm, vorzugsweise etwa 1 1 mm, einer Dicke (D) > 4mm und einer Länge (L2) von mehr als 20mm, vorzugsweise von 28mm.
6. Entladewiderstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der PTC-Baustein (8) aus einem plattenformigen Rohling gefertigt ist, wobei niederohmige Rand-/Außenbereiche des Rohlings entfernt sind.
7. Entladewiderstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der PTC-Baustein (8) mit dem Kühlkörper (2) verpresst ist.
8. Entladewiderstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Kühlkörper (2) mit einem offenen, etwa U-förmigen Strangpressprofil (4) ausgeführt ist, das eine Aufnahme (22, 24) für eine Pressplatte (6) aufweist.
9. Entladewiderstand nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei der Kühlkörper (2) durch ein umfangsseitig geschlossenes Strangpressprofil (4) gebildet ist.
10. Entladewiderstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der minimale Widerstand Rmin zwischen 300 Ω und 500 Ω liegt.
1 1 . Entladewiderstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei im Kühlkörper (2) mehrere PTC-Bausteine (8) angeordnet sind.
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