EP3541651A1 - Pyrotechnischer schalter und zwischenkreis-entladungssystem - Google Patents

Pyrotechnischer schalter und zwischenkreis-entladungssystem

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Publication number
EP3541651A1
EP3541651A1 EP17803820.4A EP17803820A EP3541651A1 EP 3541651 A1 EP3541651 A1 EP 3541651A1 EP 17803820 A EP17803820 A EP 17803820A EP 3541651 A1 EP3541651 A1 EP 3541651A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical conductor
pyrotechnic switch
link
pyrotechnic
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17803820.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas HAMMERSCHMIDT
Wladislaw Waag
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.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP3541651A1 publication Critical patent/EP3541651A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/04—Cutting off the power supply under fault conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0007—Measures or means for preventing or attenuating collisions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/006—Opening by severing a conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H2039/008—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current using the switch for a battery cutoff
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/004—Closing switches

Definitions

  • the present invention relates to a pyrotechnic switch for switching off electrical circuits according to the preamble of claim 1 and a DC link discharge system according to the preamble of claim 10 and a vehicle according to the preamble of claim 16.
  • Electric or hybrid vehicles have a high voltage network in which voltages ranging between 60 volts and several hundred volts (e.g., 400 volts) may be present.
  • the high-voltage network usually includes a high-voltage battery, which is coupled to the rest of the high-voltage network via a so-called intermediate circuit, which contains at least one intermediate circuit capacitor.
  • the high-voltage network may pose a potential hazard to vehicle occupants, other road users or rescue workers.
  • the high-voltage network must therefore be reliably switched off, i.
  • the high-voltage battery must be reliably decoupled from the high-voltage network.
  • the high-voltage battery may e.g. be separated from the high-voltage network via so-called battery contactors.
  • the high-voltage intermediate circuit in particular the or the intermediate circuit capacitors arranged therein, should be discharged as quickly as possible to a relatively harmless voltage level of, for example, less than 60V (within a period of, for example, less than 5 seconds).
  • the discharge of the high-voltage DC link can be controlled via the power electronics.
  • a discharge circuit can be provided.
  • the discharge duration can be controlled via a switch in conjunction with an ohmic resistance. Since, according to the current state of technology, the energy of the high-voltage DC link can only be discharged slowly in the range of seconds, eg 5 to 40 seconds, the energy could also lead to a security risk.
  • the high-voltage components are provided with a passive and an active discharge branch in the intermediate circuit.
  • the passive discharge is used to discharge the DC link.
  • the active discharge is at the transition to hibernation or in the event of an error, e.g. Crash, switched on to reduce the existing energy in the DC link.
  • energy in the range of seconds e.g., 5-40 seconds is dissipated. The longer the unloading process takes in the DC link, the greater the security risk.
  • Pyrotechnic switches also referred to as pyro-fuses, are used to selectively and safely interrupt an electrical circuit when certain conditions occur. Pyrotechnic switches have a fast separation behavior, which makes it possible to safely disconnect the high-voltage battery from the high-voltage network of a vehicle after a vehicle crash within a very short time.
  • a pyrotechnic switch for switching off which has a body in which two conductor regions and a predetermined separation point arranged therebetween are provided. A cavity in the body encloses an ignition device. After the triggering of the ignition device, the predetermined separation point is broken down into small fragments and thus the two conductor regions are separated from one another.
  • a pyrotechnic switch can only serve to switch off a circuit.
  • the object of the present invention is to provide a pyrotechnic switch which is suitable for reliably reliably disconnecting a high-voltage battery of an electric or hybrid vehicle from the high-voltage battery. Separate electrical system and also has an additional functionality. The object of the invention is also to provide a DC link discharge system with such a pyrotechnic switch.
  • the pyrotechnic switch comprises a first electrical conductor, a second electrical conductor and an ignition element.
  • the first electrical conductor and the second electrical conductor are electrically connected to each other.
  • a predetermined separation point is provided between the first and the second electrical conductor.
  • the target separation point is separated, i. the first electrical conductor is disconnected from the second electrical conductor as soon as the ignition element is triggered.
  • the ignition or triggering of the ignition element thus causes a separation of the predetermined breaking point and thus an interruption of the previously existing electrical connection between the first and the second electrical conductor.
  • the pyrotechnic switch according to the invention has a third electrical conductor.
  • the third electrical conductor In the first state of the pyrotechnic switch, the third electrical conductor is electrically isolated from the first electrical conductor and from the second electrical conductor.
  • the third electrical conductor In a second state of the pyrotechnic switch according to the invention, i. after triggering or igniting the ignition element, the third electrical conductor is electrically connected to the second electrical conductor. In the second state, however, the third electrical conductor is still electrically isolated from the first electrical conductor.
  • Such a pyrotechnic switch can be used in its first state as an "electrical connection" between a high-voltage battery and a high-voltage vehicle electrical system
  • the pyrotechnic switch according to the invention changes to its second state, in which the second and the third electrical conductors intercommunicate what is meant for targeted unloading of capacity, ie targeted Dismantling of electrical voltages (eg in a DC link of the high voltage vehicle electrical system) can be used.
  • the pyrotechnic switch preferably has a housing with a cavity in which the ignition element is arranged.
  • the ignition element can generate a pressure rise for the separation of the predetermined separation point as soon as the ignition element is triggered.
  • the second electrical conductor and the third electrical conductor are connected to one another in such a way that the second electrical conductor is pressed against the third electrical conductor after cutting through the predetermined separation point, or vice versa, i. that the third electrical conductor is pressed against the second electrical conductor after the severing of the predetermined separation point.
  • the triggering of the ignition element thus causes a mechanical movement of the second or third electrical conductor relative to each other, so that touch the second and the third electrical conductor and are electrically connected to each other.
  • the first electrical conductor is not only separated from the second electrical conductor, but also separated from the third electrical conductor.
  • the pyrotechnic switch may have a separating bolt, which may be electrically insulating, when in the second state of the pyrotechnic switch, the second and the third electrical conductor are directly electrically connected to each other.
  • an end face of the separating bolt has a tapered, e.g. cone-shaped part, wherein the separating bolt separates the predetermined separation point such that after triggering of the ignition element, the tip of the conical part presses the second electrical conductor away from the first electrical conductor and interrupts the predetermined separation point.
  • the ignition element is arranged in the first electrical conductor or integrated into the first electrical conductor.
  • the predetermined separation point is disconnected and the second electrical conductor is pushed away from the first electrical conductor, whereby the electrical connection between the first and the second electrical conductor is interrupted.
  • the pyrotechnic switch on a viscous material which serves for the separation of the predetermined separation point. The viscous material presses after triggering the ignition element, the second electrical conductor away from the first electrical conductor and interrupts the predetermined separation point.
  • the invention proposes a DC link discharge system in which the above pyrotechnic switch is used.
  • the intermediate circuit discharge system in particular for an electric or hybrid vehicle, has the above-described pyrotechnic switch and an intermediate circuit of a high-voltage network of the vehicle, wherein the intermediate circuit has a DC link capacity.
  • the first electrical conductor of the pyrotechnic switch is connected to a high-voltage battery.
  • the second electrical conductor of the pyrotechnic switch is connected to a first terminal of the DC link capacitance and the third electrical conductor of the pyrotechnic switch is connected to a second terminal of the DC link capacitance.
  • the pyrotechnic switch In the first state of the pyrotechnic switch connects the pyrotechnic switch via the first and the second electrical conductor a high-voltage battery to the intermediate circuit of the high-voltage network of the electric or hybrid vehicle.
  • the pyrotechnic switch In the second state of the pyrotechnic switch, connects the first terminal of the DC link capacitance to the second terminal of the DC link capacitance, whereby a discharge circuit is closed, via which the DC link capacitance is discharged.
  • the DC link discharge system has a discharge resistor, wherein the third electrical conductor of the pyrotechnic switch is connected via the discharge resistor to the second terminal of the DC link capacitance.
  • the discharge circuit is dimensioned such that the voltage at the DC link capacitance is reduced to a voltage of less than 60 volts in a time period of less than 100 milliseconds.
  • the pyrotechnic switch can be triggered by a trigger signal of the electric vehicle.
  • the trigger signal can be, for example, a crash signal generated by a crash sensor, which indicates that the electric or hybrid vehicle is in a crash involved or was involved. in which a predetermined degree of deformation and / or a predetermined acceleration value has been exceeded.
  • the DC link capacitance has a value of 0.5 mF up to 4 mF. If this value is less than 4mF, the capacity is relatively inexpensive. If this value is greater than 0.5mF, there will be few high frequency ripple, which may affect the electromagnetic compatibility (EMC).
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the discharge resistor has a value of 0.2 ohms to 10 ohms. If this value is greater than 15 ohms, the discharge time becomes comparatively long. If this value is less than 0.1 ohm, the flowing current becomes comparatively large.
  • the present invention also proposes an electric vehicle or a hybrid vehicle having an above-mentioned DC link discharge system.
  • high-voltage battery can be disconnected in the millisecond range after release from the vehicle electrical system.
  • the discharge circuit is connected by making the pyrotechnic switch, after tripping, a new electrical connection, i. a connection of the second and third electrical conductor.
  • the energy stored in the intermediate circuit can be completely or at least reduced so much by means of the DC link discharge system with the pyrotechnic switch according to the invention within a very short period of time (for example 1 to 10 milliseconds after the triggering of the pyrotechnic switch) that dangers for rescue workers are precluded.
  • the time required for the discharge of the DC link can be reduced by a factor of 1000 compared to the prior art (milliseconds instead of seconds), without increasing the costs and the installation space for the discharge circuit.
  • Basis of the invention is the use of a pyrotechnic switch as a separator in the high-voltage storage.
  • the pyrotechnic switch can safely disconnect both the high-voltage battery from the rest of the high-voltage electrical system and after the triggering of the pyrotechnic switch, a new connection can be formed so that a discharge circuit can be formed, which discharges the energy stored in the DC link capacitors of the high-voltage components is. Due to the comparatively massive contacts (first, second electrical conductor) of the pyrotechnic switch, high currents can be transmitted, which allow unloading of the DC link in the millisecond range.
  • the electro-mechanical switches shown in Fig. 1 may be replaced by a pyrotechnic switch according to the invention.
  • a pyrotechnic switch is cheaper than an electro-mechanical switch.
  • the pyrotechnic switch according to the invention enables a faster discharge of the intermediate circuit and is a cost-effective, reliable and space-saving solution.
  • a pyrotechnic switch according to a first embodiment of the invention in normal operation
  • FIG. 3 shows the pyrotechnic switch of FIG. 2 after triggering
  • FIG. 5 shows the pyrotechnic switch of FIG. 4 after tripping
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a DC link discharge system according to the invention in normal operation
  • a pyrotechnic switch 10 for switching off and connecting electrical circuits according to a first embodiment of the invention is shown.
  • the pyrotechnic switch 10 includes a first electrical conductor 1 1, a second electrical conductor 12 and a third electrical conductor 13.
  • the electrical conductors 1 1, 12 and 13 are arranged in a housing 17 of the pyrotechnic switch 10.
  • the housing 17 has a cavity in which an ignition element 16 is arranged.
  • a normal operating state of the pyrotechnic switch 10 In a normal operating state of the pyrotechnic switch 10 (shown in Fig. 1 state), the first electrical conductor 1 1 and the second electrical conductor 12 are electrically connected together.
  • a predetermined breaking point 14 of the pyrotechnic switch 10 connects one end of the first electrical conductor 11 to one end of the second electrical conductor 12.
  • the third electrical conductor 13 is electrically isolated from the second electrical conductor 12 and the third electrical conductor in the normal operating state of the pyrotechnic switch 10 13.
  • currents can flow between the first electrical conductor 11 and the second electrical conductor 12 via the predetermined separation point 14.
  • the pyrotechnic switch 10 has a separating bolt 15, which can sever the predetermined separation point 14 between the first electrical conductor 11 and the second electrical conductor 12 after triggering the ignition element 16.
  • the separating bolt 15 is electrically insulating.
  • An end face of the separating bolt 15 comprises a conical part.
  • the ignition element 16 As soon as the ignition element 16 is triggered by the control unit 18, the ignition element 16 generates a pressure. The pressure causes the separating pin 15 moves upward and the first electrical conductor 1 1 separated at the predetermined separation point 14 from the second electrical conductor 12.
  • the electrical conductors 1 1, 12 and 13 are made of metal, such as copper, which can be deformed under pressure or force.
  • the tip of the cone-shaped part of the separating bolt 15 presses the end of the second electrical conductor 12 away from the end of the first electrical conductor 11, so that the predetermined breaking point 14 is interrupted after the triggering of the ignition element 16.
  • the pyrotechnic switch 10 of Figure 2 is shown in a tripped condition.
  • the ignition element 16 has a squib with the pyrotechnic ignition material and two control contacts. When a current is supplied through the control line in the squib, the squib ignites the ignition material.
  • the separation pin 15 pushes the end of the second electrical conductor 12 away from the end of the first electrical conductor 11. Since the material of the electrical conductor 12 is deformed by release pin 15, ie bent upward, the predetermined separation point 14 is severed. The current flowing between the electrical conductors 1 1 and 12 is therefore interrupted.
  • the separating pin 15 pushes the second electrical conductor 12 further in the direction of the third electrical conductor 13, so that after the triggering of the pyrotechnic switch 10, the second electrical conductor 12 and the third electrical conductor 13 are interconnected.
  • the release pin 15 pushes the end of the first electrical conductor 1 1 away from the predetermined separation point 14.
  • the first electrical conductor 1 1 is electrically isolated from the second electrical conductor 12 and the third electrical conductor 13. Because of the irreversibility of the pyrotechnic switch 10, the connection between the first electrical conductor 11 and the second electrical conductor 12 can not be restored.
  • the second electrical conductor 12 is connected to the third electrical conductor 13. In this state, a current may flow between the second electrical conductor 12 and the third electrical conductor 13.
  • the separation pin 15 may be formed, for example, by a viscous material, e.g. Gel or oil, with one
  • the viscous material therefore pushes the predetermined separation point 14, so that the second electrical conductor 12 is pushed away from the first electrical conductor 1 1 and the
  • Solltrennstelle 14 is interrupted by the viscous material. After cutting the Solltrennstelle 14 presses the viscous material, the second electrical conductor 12 in the direction of the third electrical conductor 13, so that after the triggering of the pyrotechnic switch 10, the second electrical conductor 12 and the third electrical conductor 13 are interconnected.
  • the high-voltage accumulator can be disconnected from the vehicle in the millisecond range after triggering. Furthermore, after triggering, the pyrotechnic switch 10 establishes a new connection between the second electrical conductor 12 and the third electrical conductor 13.
  • FIGS. 4 and 5 show a pyrotechnic switch 20 according to a second embodiment of the invention.
  • the pyrotechnic switch 20 according to the second embodiment of the invention is shown in a normal operating condition.
  • the pyrotechnic switch 20 comprises a first electrical conductor 21, a second electrical conductor 22 and a third electrical conductor 23.
  • the first electrical conductor 21 has a cavity in which an ignition element 26 is arranged.
  • a predetermined separation point 24 of the pyrotechnic switch 20 connects one end of the first electrical conductor 21 to one end of the second electrical conductor 22.
  • the third electrical conductor 23 is in the normal operating state of the pyrotechnic switch 20 electrically isolated from the second electrical conductor 22 and the third electrical conductor 23. In a normal operating condition, currents may flow between the first electrical conductor 21 and the second electrical conductor
  • the ignition element 26 As soon as the ignition element 26 is triggered, the ignition element 26 generates a pressure rise.
  • the second electrical conductor 22 is pressed away from the first electrical conductor 21 because of the pressure rise.
  • the electrical conductor 22 can by a force exerted on it
  • the ignition element 26 has a squib with the pyrotechnic ignition material and two control contacts, and if a squib is supplied via the control line, the squib ignites The first electrical conductor 21 pushes the end of the second electrical conductor 22 away from the end of the first electrical conductor 21. Since the part 28 of the electrical conductor 12 is displaced or compressed or folded, the predetermined separation point 24 is severed Connection between the electrical conductors 21 and 22 is therefore interrupted.
  • the part 28 of the second electrical conductor 12 is folded away from the electrical conductor 21 by the pressure generated by the explosion of the pyrotechnic ignition material of the ignition element 26 in the longitudinal direction of the second electrical conductor 22, so that after the triggering of the pyrotechnic Switch 20 of the second electrical conductor 22 and the third electrical conductor 23, as shown in Fig. 5, are electrically connected together.
  • the first electrical conductor 21 is electrically separated from the second electrical conductor 22 and the third electrical conductor 23. Because of the irreversibility of the pyrotechnic switch 20, the connection between the first electrical conductor 21 and the second electrical conductor 22nd not be restored.
  • the second electrical conductor 22 is connected to the third electrical conductor 23. In this condition, a current may flow between the second electrical conductor 22 and the third electrical conductor 23.
  • the cavity in which the ignition element 26 is disposed is provided in the first electrical conductor 21, and a separator pin for the pyrotechnic switch 20 is not required, the cost and installation space of the pyrotechnic switch 20 can be further reduced.
  • FIG. 6 shows a DC link discharge system 100 which has one of the pyrotechnic switches 110 described above and a DC link with a DC link capacitance 104.
  • the DC link discharge system 100 is connected between a high-voltage battery 105 and a high-voltage component 106.
  • the pyrotechnic switch 1 10 serves to sever the connection between the high-voltage battery 105 and the intermediate circuit or the high-voltage component 106 and - in an emergency or in an accident of the vehicle - to close a discharge circuit 104th
  • the first electrical conductor of the pyrotechnic switch 110 is connected to a high-voltage battery 105.
  • the second electrical conductor of the pyrotechnic switch 110 is connected to a first terminal of the DC link capacitance 104.
  • the third electrical conductor of the pyrotechnic switch 110 is connected to a second terminal of the DC link capacitance 104.
  • the DC link discharge system 100 has a discharge resistor 103.
  • the third electrical conductor of the pyrotechnic switch 110 is connected via the discharge resistor 103 to a second terminal of the DC link capacitance 104.
  • the DC link capacitance 104 has a value of 0.5 mF up to 4 mF. If this value is greater than 4 mF, the DC link capacity becomes significantly more expensive. If this value is less than 0.5 mF, more high-frequency fins will be produced, which may affect the electromagnetic compatibility (EMC).
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the DC link capacitance 104 has a value of 1.5 mF up to 3 mF.
  • the discharge resistor 103 has a value of 0.2 ohms to 10 ohms. If this value is greater than 10 ohms, the discharge becomes comparatively slow. If this value is less than 0.2 ohms, the flowing current becomes comparatively large.
  • the discharge resistor 103 has a value of 1 ohm up to 6 ohms.
  • the pyrotechnic switch 1 10 connects the high-voltage battery 105 to the intermediate circuit or the high-voltage component 106.
  • the circuit between the high-voltage battery 105 and the intermediate circuit is short-circuited, so that the high-voltage battery 105 supplies the high-voltage component 106.
  • the pyrotechnic switch 1 10 is activated by a trigger signal 102.
  • the pyrotechnic switch 110 then disconnects the connection between the high voltage battery 105 and the high voltage component 106.
  • the DC link capacitance 104 may still store a significant amount of energy that must be dissipated for safety reasons, i. the DC link capacitance 104 must be discharged.
  • Fig. 7 shows the DC link discharge system 100 with the pyrotechnic switch 1 10 in a tripped state.
  • the pyrotechnic switch 1 10 closes the DC link capacitance 104 with the discharge resistor 103 after severing the connection between the high-voltage battery 105 and the high-voltage component 106, ie in the tripped state of the pyrotechnic switch 1 10, the first terminal of the DC link capacitance 104 is connected to the second terminal of the DC link capacitance 104 via the discharge resistor 103. Therefore, a discharge circuit 101 is closed, so that the energy stored in the DC link capacitor 104 can be discharged via the discharge resistor 103 by means of the discharge circuit 101.
  • the energy stored in the intermediate circuit can be detected by means of the DC link discharge system 100 with the pyrotechnic switch according to the invention within e.g. 1 - 10 milliseconds after the triggering of the pyrotechnic switch.
  • the electric vehicle can thus be safely touched after a few milliseconds after the triggering of the pyrotechnic switch.

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Abstract

Pyrotechnischer Schalter (10, 20) zur Abschaltung und Herstellung elektrischer Stromkreise, umfassend: einen ersten elektrischen Leiter (11, 21), einen zweiten elektrischen Leiter (12, 22) und ein Zündelement (16, 26), wobei in einem ersten Zustand des pyrotechnischen Schalters (10, 20) der erste elektrische Leiter (11, 21) und der zweite elektrische Leiter (12, 22) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei eine Solltrennstelle (14, 24) zwischen dem ersten elektrischen Leiter (11, 21) und dem zweiten elektrischen Leiter (12, 22) vorgesehen ist, wobei die Solltrennstelle (14, 24) getrennt wird, sobald das Zündelement (16, 26) ausgelöst wird, wobei der pyrotechnische Schalter (10, 20) einen dritten elektrischen Leiter (13, 23) aufweist, wobei im ersten Zustand des pyrotechnischen Schalters (10, 20) der dritte elektrische Leiter (13, 23) elektrisch von dem zweiten elektrischen Leiter (12, 22) und von dem dritten elektrischen Leiter (13, 23) getrennt ist und in einem zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters (10, 20) der dritte elektrische Leiter (13, 23) elektrisch mit dem zweiten elektrischen Leiter (12, 22) verbunden ist.

Description

PYROTECHNISCHER SCHÄLTER UND ZWISCHENKREIS-ENTLADUNGSSYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Schalter zur Abschaltung elektrischer Stromkreise gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Zwischenkreis- Entladungssystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 10 und ein Fahrzeug gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 16.
Stand der Technik
Elektro- oder Hybridfahrzeuge weisen ein Hochvolt-Netz auf, in dem Spannungen im Bereich zwischen 60 Volt und mehreren Hundert Volt (z.B. 400 Volt) anliegen können. Zum Hochvolt-Netz gehört üblicherweise eine Hochvolt-Batterie, die über einen so genannten Zwischenkreis, welcher mindestens einen Zwischenkreiskondensator enthält, mit dem übrigen Hochvolt-Netz gekoppelt ist. Bei einem Unfall eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs kann von dem Hochvolt-Netz ein Gefährdungspotential für Insassen des Fahrzeugs, andere Verkehrsteilnehmer oder Rettungskräfte ausgehen.
Bei einem Unfall muss das Hochvolt-Netz daher zuverlässig abschaltbar sein, d.h. die Hochvolt- Batterie muss zuverlässig von dem Hochvolt-Netz entkoppelt werden. Die Hochvolt-Batterie kann z.B. über so genannte Batterie-Schütze vom Hochvolt-Netz getrennt werden.
Zur Notabschaltung elektrischer Stromkreise, insbesondere zur Trennung elektrischer Energiequellen von angeschlossenen Netzen, dienen Notschalter, die im Bedarfsfall ausgelöst werden und den Stromkreis unterbrechen. Solche Notschalter müssen den Stromkreis sicher unterbrechen, ohne eine unbeabsichtigte Wiederverbindung zuzulassen. Im Falle eines Unfalls muss die Hochvoltbatterie des Elektrofahrzeugs vom übrigen Bordnetz abgetrennt werden, um die Entstehung eines Brands zu verhindern.
Nach einem Trennen der Hochvolt-Batterie von dem Hochvolt-Netz eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs kann noch eine beträchtliche Energiemenge in einem oder mehreren Zwischenkreiskondensatoren gespeichert sein. Aus Sicherheitsgründen sollte daher der Hochvolt-Zwischenkreis, insbesondere der bzw. die darin angeordneten Zwischenkreiskondensatoren, möglichst schnell auf ein relativ ungefährliches Spannungsniveau von z.B. weniger als 60V, entladen werden (innerhalb einer Zeitspanne von z.B. weniger als 5 Sekunden). Die Entladung des Hochvolt-Zwischenkreises kann über die Leistungselektronik gesteuert werden. Hierzu kann eine Entladeschaltung vorgesehen sein. Die Entladedauer kann über einen Schalter in Verbindung mit einem ohmschen Widerstand geregelt werden. Da nach dem aktuellen Stand der Technik die Energie der Hochvolt-Zwischenkreise nur langsam im Sekundenbereich, z.B. 5 - 40 Sekunde, entladet werden kann, könnte die Energie auch zu einem Sicherheitsrisiko führen.
Wie in Fig. 1 (Stand der Technik) dargestellt sind bei herkömmlichen Elektrofahrzeugen die Hochvoltkomponenten mit einem passiven und einem aktiven Entladezweig im Zwischenkreis versehen. Die passive Entladung dient zum Entladen des Zwischenkreises. Die aktive Entladung wird beim Übergang in den Ruhezustand oder im Fehlerfall, z.B. Crash, hinzugeschaltet, um die vorhandene Energie im Zwischenkreis abzubauen. Beim aktuellen Stand der Technik wird Energie im Sekundenbereich (z.B. 5 - 40 Sekunden) abgebaut. Je länger der Entladevorgang im Zwischenkreis dauert, desto größer ist das Sicherheitsrisiko.
Die Anforderungen an zukünftige Hochvoltsysteme sind deutlich gestiegen, d.h. die Entladedauern müssen vergleichsweise kurz sein. Bislang gibt es kein zufriedenstellendes Konzept wie die in den Zwischenkreiskondensatoren gespeicherte elektrische Energie in Notsituationen zuverlässig in kurzer Zeit (z.B. 10 - 30 Millisekunden) ohne große, teure und bauraumfordernde Komponenten abgebaut werden kann.
Pyrotechnische Schalter, die auch als Pyrosicherungen bezeichnet werden, dienen dazu, einen elektrischen Stromkreis gezielt und sicher zu unterbrechen, wenn bestimmte Bedingungen eintreten. Pyrotechnische Schalter weisen ein schnelles Trennverhalten auf, was es ermöglicht, nach einem Fahrzeugcrash die Hochvoltbatterie innerhalb kürzester Zeit sicher vom Hochvolt- Netz eines Fahrzeugs zu trennen. Beispielhaft sei auf die DE 102 09 627 A1 verwiesen, aus der ein pyrotechnischer Schalter zur Abschaltung bekannt ist, der einen Körper aufweist, in dem zwei Leiterbereiche und eine dazwischen angeordnete Solltrennstelle vorgesehen sind. Ein Hohlraum im Körper umschließt eine Zündeinrichtung. Nach dem Auslösen der Zündeinrichtung wird die Solltrennstelle in kleine Bruchstücke zerlegt und somit die zwei Leiterbereichen voneinander getrennt. Ein derartiger pyrotechnischer Schalter kann nur zur Abschaltung eines Stromkreises dienen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen pyrotechnischen Schalter zu schaffen, der geeignet ist, eine Hochvoltbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zuverlässig vom Hochvolt- Bordnetz zu trennen und der darüber hinaus noch eine zusätzliche Funktionalität aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Zwischenkreis-Entladungssystem mit einem solchen pyrotechnischen Schalter zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 10 und 16 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, wobei auch Kombinationen der einzelnen Anspruchsmerkmale untereinander möglich sind.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße pyrotechnische Schalter umfasst einen ersten elektrischen Leiter, einen zweiten elektrischen Leiter und ein Zündelement. In einem ersten Zustand des pyrotechnischen Schalters sind der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter elektrisch miteinander verbunden. Zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter ist eine Solltrennstelle vorgesehen. Die Solltrennstelle wird getrennt, d.h. der erste elektrische Leiter wird von dem zweiten elektrischen Leiter getrennt, sobald das Zündelement ausgelöst wird. Das Zünden bzw. Auslösen des Zündelements bewirkt also eine Trennung der Solltrennstelle und somit eine Unterbrechung der zuvor bestehenden elektrischen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter.
Der erfindungsgemäße pyrotechnische Schalter weist einen dritten elektrischen Leiter auf. Im ersten Zustand des pyrotechnischen Schalters ist der dritte elektrische Leiter elektrisch von dem ersten elektrischen Leiter und von dem zweiten elektrischen Leiter getrennt. In einem zweiten Zustand des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Schalters, d.h. nach dem Auslösen bzw. Zünden des Zündelements, ist der dritte elektrische Leiter mit dem zweiten elektrischen Leiter elektrisch verbunden. Im zweiten Zustand ist der dritte elektrische Leiter jedoch weiterhin elektrisch getrennt von dem ersten elektrischen Leiter.
Ein derartiger pyrotechnischer Schalter kann in seinem ersten Zustand als „elektrische Verbindung" zwischen einer Hochvoltbatterie und einem Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs verwendet werden. Durch Zünden des Zündelements geht der erfindungsgemäße pyrotechnische Schalter in seinen zweiten Zustand über, in dem der zweite und der dritte elektrische Leiter miteinander verbunden sind, was zum gezielten Entladen von Kapazitäten, d.h. zum gezielten Abbau elektrischer Spannungen (z.B. in einem Zwischenkreis des Hochvoltbordnetzes) genutzt werden kann.
Der pyrotechnische Schalter weist vorzugsweise ein Gehäuse mit einem Hohlraum auf, in dem das Zündelement angeordnet ist.
Das Zündelement kann einen Druckstieg zur Durchtrennung der Solltrennstelle erzeugen, sobald das Zündelement ausgelöst wird.
Im zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters sind der zweite elektrische Leiter und der dritte elektrische Leiter derart miteinander verbunden, dass der zweite elektrische Leiter nach dem Durchtrennen der Solltrennstelle gegen den dritten elektrischen Leiter gedrückt wird, oder umgekehrt, d.h. dass der dritte elektrische Leiter nach dem Durchtrennen der Solltrennstelle gegen den zweiten elektrischen Leiter gedrückt wird. Das Auslösen des Zündelements bewirkt also eine mechanische Bewegung des zweiten bzw. dritten elektrischen Leiters relativ zueinander, so dass sich der zweite und der dritte elektrische Leiter berühren und elektrisch miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise ist der erste elektrische Leiter im zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters nicht nur von dem zweiten elektrischen Leiter getrennt, sondern auch weiterhin von dem dritten elektrischen Leiter getrennt.
Vorzugsweise kann der pyrotechnische Schalter einen Trennbolzen aufweisen, der elektrisch isolierend sein kann, wenn im zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters der zweite und der dritte elektrische Leiter unmittelbar elektrisch miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise weist eine Stirnfläche des Trennbolzens einen spitz zulaufenden, z.B. kegelförmigen Teil auf, wobei der Trennbolzen die Solltrennstelle derart trennt, dass nach dem Auslösen des Zündelements die Spitze des kegelförmigen Teils den zweiten elektrischen Leiter von dem ersten elektrischen Leiter weg drückt und die Solltrennstelle unterbricht.
Bei einer Variante der Erfindung ist das Zündelement in dem ersten elektrischen Leiter angeordnet bzw. in den ersten elektrischen Leiter integriert. Beim Auslösen des Zündelements wird die Solltrennstelle getrennt wird und der zweite elektrische Leiter wird von dem ersten elektrischen Leiter weggedrückt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter unterbrochen wird. Bei einer weiteren Variante der Erfindung weist der pyrotechnische Schalter ein viskoses Material auf, das zur Durchtrennung der Solltrennstelle dient. Das viskose Material drückt nach Auslösen des Zündelements den zweiten elektrischen Leiter von dem ersten elektrischen Leiter weg und unterbricht die Solltrennstelle.
Darüber hinaus schlägt die Erfindung ein Zwischenkreis-Entladungssystem vor, in dem der oben genannte pyrotechnische Schalter eingesetzt ist.
Das erfindungsgemäße Zwischenkreis-Entladungssystem, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, weist den oben beschriebenen pyrotechnischen Schalter und einen Zwischenkreis eines Hochvolt-Netzes des Fahrzeugs auf, wobei der Zwischenkreis eine Zwischenkreiskapazität aufweist. Der erste elektrische Leiter des pyrotechnischen Schalters ist mit einer Hochvoltbatterie verbunden. Der zweite elektrische Leiter des pyrotechnischen Schalters ist mit einem ersten Anschluss der Zwischenkreiskapazität verbunden und der dritte elektrische Leiter des pyrotechnischen Schalters ist mit einem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität verbunden.
Im ersten Zustand des pyrotechnischen Schalters verbindet der pyrotechnische Schalter über den ersten und den zweiten elektrischen Leiter eine Hochvoltbatterie mit dem Zwischenkreis des Hochvolt-Netzes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Im zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters verbindet der pyrotechnische Schalter den ersten Anschluss der Zwischenkreiskapazität mit dem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität, wodurch ein Entladekreis geschlossen wird, über den die Zwischenkreiskapazität entladen wird. Vorzugsweise weist das Zwischenkreis-Entladungssystem einen Entladewiderstand auf, wobei der dritte elektrische Leiter des pyrotechnischen Schalters über den Entladewiderstand mit dem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität verbunden ist. Vorzugsweise ist der Entladekreis so dimensioniert, dass die Spannung an der Zwischenkreiskapazität in einer Zeitspanne von weniger als 100 Millisekunden auf eine Spannung von weniger als 60 Volt abgebaut wird.
Vorzugsweise ist der pyrotechnische Schalter durch ein Auslösesignal des Elektrofahrzeugs auslösbar. Bei dem Auslösesignal kann es sich z.B. um ein von einem Crashsensor erzeugtes Crashsignal handeln, das anzeigt, dass das Elektro- oder Hybridfahrzeug in einen Crash verwickelt ist bzw. war. bei dem eine vorgegebene Verformungsgradschwelle und/oder ein vorgegebener Beschleunigungswert überschritten wurde.
Vorzugsweise weist die Zwischenkreiskapazität einen Wert von 0,5 mF bis zu 4 mF auf. Wenn dieser Wert kleiner als 4 mF ist, ist die Kapazität relativ kostengünstig. Wenn dieser Wert größer als 0,5 mF ist, entstehen wenige hochfrequente Rippel, was die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beeinträchtigen können.
Vorzugsweise weist der Entladewiderstand einen Wert von 0,2 Ohm bis zu 10 Ohm auf. Wenn dieser Wert größer als 15 Ohm ist, wird die Entladedauer vergleichsweise lang. Wenn dieser Wert kleiner als 0, 1 Ohm ist, wird der fließende Strom vergleichsweise groß.
Des Weiteren schlägt die vorliegende Erfindung auch ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit einem oben genannten Zwischenkreis-Entladungssystem vor.
Erfindungsgemäß kann Hochvolt-Batterie im Millisekundenbereich nach dem Auslösen vom Fahrzeugbordnetz getrennt werden. Der Entladekreis wird dadurch angeschlossen, dass der pyrotechnische Schalter nach dem Auslösen eine neue elektrische Verbindung herstellt, d.h. eine Verbindung des zweiten und es dritten elektrischen Leiters. Die im Zwischenkreis gespeicherte Energie kann mittels des Zwischenkreis-Entladungssystems mit dem erfindungsgemäßen pyrotechnischen Schalter innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne (z.B. 1 - 10 Millisekunden nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters) vollständig oder zumindest soweit abgebaut werden, dass Gefährdungen für Rettungskräfte ausgeschlossen sind.
Mit der Erfindung kann die Zeit, die für das Entladen des Zwischenkreises benötigt wird im Vergleich zum Stand der Technik um den Faktor 1000 reduziert werden (Millisekunden statt Sekunden), ohne die Kosten und den Bauraum für die Entladeschaltung zu erhöhen.
Basis der Erfindung ist die Verwendung eines pyrotechnischen Schalters als Trennelement im Hochvoltspeicher. Der pyrotechnische Schalter kann sowohl die Hochvoltbatterie vom übrigen Hochvolt-Bordnetz sicher abtrennen und als auch nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters eine neue Verbindung herstellen, so dass ein Entladekreis gebildet werden kann, der die Energie entlädt, die in den Zwischenkreiskondensatoren der Hochvolt-Komponenten gespeichert ist. Durch die vergleichsweise massiven Kontakte (erster, zweiter elektrischer Leiter) des pyrotechnischen Schalters können hohe Ströme übertragen werden, die ein Entladen des Zwischenkreises im Millisekundenbereich ermöglichen. Durch die Irreversibilität des Vorgangs kann die Verbindung zwischen dem Hochvoltspeicher und den Hochvoltkomponenten nicht unbeabsichtigt wieder hergestellt werden. Der Kontakt, der bei der Auslösung des pyrotechnischen Schalters geschlossen wird, wird nur ein einziges Mal geschlossen. Somit ist die Zuverlässigkeit auch sicher gewährleistet. Spezielle Beschichtungen, die bei elektro- mechanischen Schaltern mit mehrmaligem Öffnen/Schließen notwendig sind, werden nicht benötigt.
Die in Fig. 1 (Stand der Technik) gezeigten elektro-mechanischen Schalter können durch einen pyrotechnischen Schalter gemäß der Erfindung ersetzt werden. Außerdem ist ein pyrotechnischer Schalter kostengünstiger als ein elektro-mechanischer Schalter. Der erfindungsgemäße pyrotechnische Schalter ermöglicht eine schnellere Entladung des Zwischenkreises und stelt eine kostengünstige, zuverlässige und bauraumsparende Lösung dar.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Entladeschaltung;
Fig.2 einen pyrotechnischen Schalter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im normalen Betrieb;
Fig.3 den pyrotechnischen Schalter der Fig. 2 nach dem Auslösen;
Fig.4 einen pyrotechnischen Schalter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel im normalen Betrieb;
Fig.5 den pyrotechnischen Schalter der Fig. 4 nach dem Auslösen;
Fig.6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zwischenkreis- Entladungssystems im normalen Betrieb;
Fig.7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Zwischenkreis- Entladungssystems nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters. Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Au sf ü h ru ng sf orm e n beschränkt.
In Fig. 2 ist ein pyrotechnischer Schalter 10 zur Abschaltung und Verbindung elektrischer Stromkreise nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der pyrotechnische Schalter 10 umfasst einen ersten elektrischen Leiter 1 1 , einen zweiten elektrischen Leiter 12 und einen dritten elektrischen Leiter 13. Die elektrischen Leiter 1 1 , 12 und 13 sind in einem Gehäuse 17 des pyrotechnischen Schalters 10 angeordnet. Das Gehäuse 17 weist einen Hohlraum auf, in dem ein Zündelement 16 angeordnet ist.
In einem normalen Betriebszustand des pyrotechnischen Schalters 10 (in Fig. 1 gezeigter Zustand) sind der erste elektrische Leiter 1 1 und der zweite elektrische Leiter 12 elektrisch miteinander verbunden. Eine Solltrennstelle 14 des pyrotechnischen Schalters 10 verbindet ein Ende des ersten elektrischen Leiters 1 1 mit einem Ende des zweiten elektrischen Leiters 12. Der dritte elektrische Leiter 13 ist im normalen Betriebszustand des pyrotechnischen Schalters 10 elektrisch getrennt vom zweiten elektrischen Leiter 12 und dem dritten elektrischen Leiter 13. In einem normalen Betriebszustand können Ströme zwischen dem ersten elektrischen Leiter 1 1 und dem zweiten elektrischen Leiter 12 über die Solltrennstelle 14 fließen.
Ferner weist der pyrotechnische Schalter 10 einen Trennbolzen 15 auf, der nach dem Auslösen des Zündelements 16 die Solltrennstelle 14 zwischen dem ersten elektrischen Leiter 11 und dem zweiten elektrischen Leiter 12 durchtrennen kann. Vorzugsweise ist der Trennbolzen 15 elektrisch isolierend. Eine Stirnfläche des Trennbolzens 15 umfasst einen kegelförmigen Teil.
Sobald das Zündelement 16 durch die Steuereinheit 18 ausgelöst wird, erzeugt das Zündelement 16 einen Druck. Der Druck bewirkt, dass sich der Trennbolzen 15 nach oben bewegt und den ersten elektrischen Leiter 1 1 an der Solltrennstelle 14 vom zweiten elektrischen Leiter 12 trennt.
Die elektrischen Leiter 1 1 , 12 und 13 bestehen aus Metall, z.B. aus Kupfer, das unter Druck bzw. Krafteinwirkung deformiert werden kann. Die Spitze des kegelförmigen Teils des Trennbolzens 15 drückt das Ende des zweiten elektrischen Leiters 12 weg von dem Ende des ersten elektrischen Leiters 11. so dass die Solltrennstelle 14 nach dem Auslösen des Zündelements 16 unterbrochen wird. In Fig. 3 ist der pyrotechnische Schalter 10 der Fig.2 in einem ausgelösten Zustand gezeigt. Das Zündelement 16 weist eine Zündpille mit dem pyrotechnischen Zündmaterial und zwei Steuerkontakten auf. Wenn in der Zündpille ein Strom über die Steuerleitung eingespeist wird, zündet die Zündpille das Zündmaterial. Über der Zündpille mit dem Zündmaterial ist der bewegliche Trennbolzen 15 angebracht, der sich wegen des Druckstiegs im Hohlraum des Gehäuses 17 in Richtung der Solltrennstelle 14 bewegt. Der Trennbolzen 15 drückt das Ende des zweiten elektrischen Leiters 12 weg von dem Ende des ersten elektrischen Leiters 11. Da das Material des elektrischen Leiter 12 durch Trennbolzen 15 deformiert, d.h. nach oben gebogen wird, wird die Solltrennstelle 14 durchgetrennt. Der zwischen den elektrischen Leitern 1 1 und 12 fließende Strom wird daher unterbrochen.
Nach dem Durchtrennen der Solltrennstelle 14 drückt der Trennbolzen 15 den zweiten elektrischen Leiter 12 weiter in der Richtung des dritten elektrischen Leiters 13, so dass nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters 10 der zweite elektrischen Leiter 12 und der dritte elektrischen Leiter 13 miteinander verbunden sind.
Der Trennbolzen 15 drückt das Ende des ersten elektrischen Leiters 1 1 weg von der Solltrennstelle 14. Im ausgelösten Zustand des pyrotechnischen Schalters 10 ist der erste elektrische Leiter 1 1 elektrisch getrennt von dem zweiten elektrischen Leiter 12 und dem dritten elektrischen Leiter 13. Wegen der Irreversibilität des pyrotechnischen Schalters 10 kann die Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Leiter 11 und dem zweiten elektrischen Leiter 12 nicht wieder hergestellt werden. Im zweiten Zustand, d.h. nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters 10, ist der zweite elektrische Leiter 12 mit dem dritten elektrischen Leiter 13 verbunden. In diesem Zustand kann ein Strom zwischen dem zweiten elektrischen Leiter 12 und dem dritten elektrischen Leiter 13 fließen.
Der Trennbolzen 15 kann beispielsweise durch ein viskoses Material, z.B. Gel oder öl, mit einer
Schubeinrichtung ersetzt werden. Das viskose Material befindet sich in einem abgeschlossenen
Raum, der auf einer Seite durch den verbundenen ersten und zweiten elektrischen Leitern 11 und
12 und auf der anderen Seite durch die Schubeinrichtung geschlossen ist. Nach dem Auslösen bzw. Zünden des Zündelements 16 schiebt die Schubeinrichtung wegen eines Druckstiegs in der
Richtung des viskosen Materials. Das viskose Material drückt daher die Solltrennstelle 14, so dass der zweite elektrische Leiter 12 vom ersten elektrischen Leiter 1 1 weggedrückt wird und die
Solltrennstelle 14 durch das viskose Material unterbrochen wird. Nach dem Durchtrennen der Solltrennstelle 14 drückt das viskose Material den zweiten elektrischen Leiter 12 weiter in der Richtung des dritten elektrischen Leiters 13, so dass nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters 10 der zweite elektrischen Leiter 12 und der dritte elektrischen Leiter 13 miteinander verbunden sind.
Erfindungsgemäß kann der Hochvoltspeicher im Millisekunden Bereich nach dem Auslösen vom Fahrzeug getrennt werden. Des Weiteren stellt der pyrotechnische Schalter 10 nach dem Auslösen eine neue Verbindung zwischen dem zweiten elektrischen Leiter 12 und dem dritten elektrischen Leiter 13 her.
In Fig. 4 und Fig. 5 ist ein pyrotechnischer Schalter 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
In Fig. 4 ist der pyrotechnische Schalter 20 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem normalen Betriebszustand gezeigt. Der pyrotechnische Schalter 20 umfasst einen ersten elektrischen Leiter 21 , einen zweiten elektrischen Leiter 22 und einen dritten elektrischen Leiter 23. Der erste elektrische Leiter 21 weist einen Hohlraum auf, in dem ein Zündelement 26 angeordnet ist.
Im normalen Betriebszustand des pyrotechnischen Schalters 20 sind der erste elektrische Leiter
21 und der zweite elektrische Leiter 22 miteinander verbunden. Eine Solltrennstelle 24 des pyrotechnischen Schalters 20 verbindet ein Ende des ersten elektrischen Leiters 21 mit einem Ende des zweiten elektrischen Leiters 22. Der dritte elektrische Leiter 23 ist im normalen Betriebszustand des pyrotechnischen Schalters 20 elektrisch getrennt von dem zweiten elektrischen Leiter 22 und dem dritten elektrischen Leiter 23. In einem normalen Betriebszustand können Ströme zwischen dem ersten elektrischen Leiter 21 und dem zweiten elektrischen Leiter
22 über die Solltrennstelle 24 fließen.
Sobald das Zündelement 26 ausgelöst wird, erzeugt das Zündelement 26 einen Druckstieg. Der zweite elektrische Leiter 22 wird wegen des Druckstiegs weg von dem ersten elektrischen Leiter 21 gedrückt.
In Fig. 5 ist der pyrotechnische Schalter 20 der Fig. 4 in einem ausgelösten Zustand gezeigt. Das
Teil 28, z.B. eine faltbare Hülse, des elektrischen Leiters 22 kann durch eine darauf ausgeübte
Kraft in einer Längsrichtung des zweiten elektrischen Leiters 22 verschoben oder komprimiert oder„gefaltet" werden, so dass die Solltrennstelle 24 nach dem Auslösen des Zündelements 26 unterbrochen wird. Das Zündelement 26 weist eine Zündpille mit dem pyrotechnischen Zündmaterial und zwei Steuerkontakten auf. Wenn in die Zündpille ein Strom über die Steuerleitung eingespeist wird, zündet die Zündpille das Zündmaterial. Der erste elektrische Leiter 21 drückt das Ende des zweiten elektrischen Leiters 22 weg vom Ende des ersten elektrischen Leiters 21. Da das Teil 28 des elektrischen Leiters 12 verschoben bzw. komprimiert bzw. gefaltet ist, ist die Solltrennstelle 24 durchtrennt. Die elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Leitern 21 und 22 ist daher unterbrochen.
Nach dem Durchtrennen der Solltrennstelle 24 wird das Teil 28 des zweiten elektrischen Leiters 12 durch den von der Explosion des pyrotechnischen Zündmaterials des Zündelements 26 erzeugten Druck in Längsrichtung des zweiten elektrischen Leiters 22 weg von dem elektrischen Leiter 21 gefaltet, so dass nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters 20 der zweite elektrische Leiter 22 und der dritte elektrische Leiter 23, wie in Fig. 5 dargestellt, elektrisch miteinander verbunden sind.
Im ausgelösten Zustand des pyrotechnischen Schalters 20 ist der erste elektrische Leiter 21 elektrisch getrennt von dem zweiten elektrischen Leiter 22 und dem dritten elektrischen Leiter 23. Wegen der Irreversibilität des pyrotechnischen Schalters 20 kann die Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Leiter 21 und dem zweiten elektrischen Leiter 22 nicht wieder hergestellt werden. Im Zustand nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters 20 ist der zweite elektrische Leiter 22 mit dem dritten elektrischen Leiter 23 verbunden. In diesem Zustand Fall kann ein Strom zwischen dem zweiten elektrischen Leiter 22 und dem dritten elektrischen Leiter 23 fließen.
Da der Hohlraum, in dem das Zündelement 26 angeordnet ist, in dem ersten elektrischen Leiter 21 vorgesehen ist und ein Trennbolzen für den pyrotechnischen Schalter 20 nicht benötigt ist, können die Kosten sowie der Bauraum des pyrotechnischen Schalters 20 weiter reduziert werden.
Fig. 6 zeigt ein Zwischenkreis-Entladungssystem 100, das einen der oben beschriebenen pyrotechnischen Schalter 110 und einen Zwischenkreis mit einer Zwischenkreiskapazität 104 aufweist. Das Zwischenkreis-Entladungssystem 100 ist zwischen einer Hochvoltbatterie 105 und einer Hochvoltkomponente 106 angeschlossen. Der pyrotechnische Schalter 1 10 dient zum Durchtrennen der Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie 105 und dem Zwischenkreis bzw. der Hochvoltkomponente 106 sowie - in einem Notfall bzw. bei einem Unfall des Fahrzeugs - zum Schließen eines Entladekreises 104.
Der erste elektrische Leiter des pyrotechnischen Schalters 110 ist mit einer Hochvoltbatterie 105 verbunden. Der zweite elektrische Leiter des pyrotechnischen Schalters 1 10 ist mit einem ersten Anschluss der Zwischenkreiskapazität 104 verbunden. Die dritte elektrische Leiter des pyrotechnischen Schalters 1 10 ist mit einem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität 104 verbunden. Außerdem weist das Zwischenkreis-Entladungssystem 100 einen Entladewiderstand 103 auf. Der dritte elektrische Leiter des pyrotechnischen Schalters 110 ist über den Entladewiderstand 103 mit einem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität 104 verbunden.
Die Zwischenkreiskapazität 104 weist einen Wert von 0,5 mF bis zu 4 mF auf. Wenn dieser Wert größer als 4 mF ist, wird die Zwischenkreiskapazität deutlich teurer. Wenn dieser Wert kleiner als 0,5 mF ist, entstehen mehr hochfrequente Rippei, was die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beeinträchtigen können. Vorzugsweise weist die Zwischenkreiskapazität 104 einen Wert von 1 ,5 mF bis zu 3 mF auf.
Der Entladewiderstand 103 weist einen Wert von 0,2 Ohm bis zu 10 Ohm auf. Wenn dieser Wert größer als 10 Ohm ist, wird die Entladung vergleichsweise langsam. Wenn dieser Wert kleiner als 0.2 Ohm ist, wird der fließende Strom vergleichsweise groß. Vorzugsweise weist der Entladewiderstand 103 einen Wert von 1 Ohm bis zu 6 Ohm auf.
In einem normalen Betriebszustand der Hochvoltbatterie 105 verbindet der pyrotechnische Schalter 1 10 die Hochvoltbatterie 105 mit dem Zwischenkreis bzw. der Hochvoltkomponente 106. Der Stromkreis zwischen der Hochvoltbatterie 105 und dem Zwischenkreis ist kurzgeschlossen, so dass die Hochvoltbatterie 105 die Hochvoltkomponente 106 versorgt.
Bei einem Crash wird der pyrotechnische Schalter 1 10 durch ein Auslösesignal 102 aktiviert. Der pyrotechnische Schalter 110 trennt dann die Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie 105 und der Hochvoltkomponente 106. Wie oben erwähnt, kann in der Zwischenkreiskapazität 104 noch eine beträchtliche Energiemenge gespeichert sein, die aus Sicherheitsgründen abgebaut werden muss, d.h. die Zwischenkreiskapazität 104 muss entladen werden.
Fig. 7 zeigt das Zwischenkreis-Entladungssystem 100 mit dem pyrotechnische Schalter 1 10 in einem ausgelösten Zustand. Erfindungsgemäß schließt der pyrotechnische Schalter 1 10 die Zwischenkreiskapazitat 104 mit den Entladewiderstand 103 nach dem Durchtrennen der Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie 105 und der Hochvoltkomponente 106 an, d.h. im ausgelösten Zustand des pyrotechnischen Schalters 1 10 ist der erste Anschluss der Zwischenkreiskapazitat 104 mit dem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazitat 104 über den Entladewiderstand 103 verbunden. Daher ist ein Entladekreis 101 geschlossen, so dass die in der Zwischenkreiskapazität 104 gespeicherte Energie mittels des Entladekreises 101 über den Entladewiderstand 103 entladen werden kann.
Die im Zwischenkreis gespeicherte Energie kann mittels des Zwischenkreis-Entladungssystems 100 mit dem erfindungsgemäßen pyrotechnischen Schalter innerhalb von z.B. 1 - 10 Millisekunden nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters entladen werden. Das Elektrofahrzeug kann folglich nach wenigen Millisekunden nach dem Auslösen des pyrotechnischen Schalters gefahrlos berührt werden.
Bezugszeichenliste
10 Pyrotechnischer Schalter
1 1 Erster elektrischer Leiter
12 Zweiter elektrischer Leiter
13 Dritter elektrischer Leiter
14 Solltrennstelle
15 Trennbolzen
16 Zündelement
17 Gehäuse
20 Pyrotechnischer Schalter
21 Erster elektrischer Leiter
22 Zweiter elektrischer Leiter
23 Dritter elektrischer Leiter
24 Solltrennstelle
26 Zündelement
28 Ein Teil des zweiten elektrischen Leiters
100 Zwischenkreis-Entladungssystem
101 Entladekreis
102 Auslösesignal 103 Entladewiderstand
104 Zwischenkreiskapazität
105 Hochvoltbatterie
106 Hochvoltkomponente
1 10 Pyrotechnischer Schalter

Claims

Patentansprüche
1. Pyrotechnischer Schalter (10, 20) zur Abschaltung und Herstellung elektrischer Stromkreise, umfassend
• einen ersten elektrischen Leiter (1 1 , 21 ),
• einen zweiten elektrischen Leiter (12, 22) und
• ein Zündelement (16, 26),
• wobei in einem ersten Zustand des pyrotechnischen Schalters (10, 20) der erste elektrische Leiter (1 1 , 21 ) und der zweite elektrische Leiter (12, 22) elektrisch miteinander verbunden sind,
• wobei eine Solltrennstelle (14, 24) zwischen dem ersten elektrischen Leiter (1 1 , 21 ) und dem zweiten elektrischen Leiter (12, 22) vorgesehen ist, wobei die Solltrennstelle (14, 24) getrennt wird, sobald das Zündelement (16, 26) ausgelöst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
• der pyrotechnische Schalter (10, 20) einen dritten elektrischen Leiter (13, 23) aufweist,
• wobei im ersten Zustand des pyrotechnischen Schalters (10, 20) der dritte elektrische Leiter (13, 23) elektrisch von dem ersten elektrischen Leiter (12, 22) und von dem zweiten elektrischen Leiter (1 1 , 21 ) getrennt ist und
• in einem zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters (10, 20) der dritte elektrische Leiter (13, 23) elektrisch mit dem zweiten elektrischen Leiter (12, 22) verbunden ist.
2. Pyrotechnischer Schalter (10, 20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der pyrotechnische Schalter (10, 20) ein Gehäuse (17) mit einem Hohlraum, in dem das Zündelement (16, 26) angeordnet ist, aufweist.
3. Pyrotechnischer Schalter (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündelement (16, 26) einen Druckstieg zur Durchtrennung der Solltrennstelle (14, 24) erzeugt, sobald das Zündelement (16, 26) ausgelöst ist.
4. Pyrotechnischer Schalter (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters (10, 20) der zweite elektrische Leiter (12, 22) und der dritte elektrische Leiter (13, 23) dadurch elektrisch miteinander verbunden sind, dass der zweite elektrische Leiter (12, 22) nach dem Durch trennen der Solltrennstelle (14, 24) gegen den dritten elektrischen Leiter (13, 23) gedrückt wird oder der dritte elektrische Leiter (13, 23) nach dem Durchtrennen der Solltrennstelle (14, 24) gegen den zweiten elektrischen Leiter (12, 22) gedrückt wird.
5. Pyrotechnischer Schalter (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters (10, 20) der erste elektrische Leiter (11. 21 ) elektrisch von dem zweiten elektrischen Leiter (12, 22) und von dem dritten elektrischen Leiter (13, 23) getrennt ist.
6. Pyrotechnischer Schalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pyrotechnische Schalter (10) einen Trennbolzen (15) aufweist, der elektrisch isolierend ist.
7. Pyrotechnischer Schalter (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnfläche des Trennbolzens (15) einen kegelförmigen Teil aufweist, wobei der Trennbolzen (15) die Solltrennstelle (14) derart trennt, dass nach Auslösen des Zündelements (16) die Spitze des kegelförmigen Teils den zweiten elektrischen Leiter (12) von dem ersten elektrischen Leiter (1 1 ) wegdrückt und die Solltrennstelle (14) unterbricht.
8. Pyrotechnischer Schalter (20) nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündelement (26) in dem ersten elektrischen Leiter angeordnet oder in den ersten elektrischen Leiter (21 ) integriert ist, wobei bei einem Auslösen des Zündelements (26) die Solltrennstelle (24) getrennt wird und der zweite elektrische Leiter (22) von dem ersten elektrischen Leiter (21 ) weggedrückt wird.
9. Pyrotechnischer Schalter (20) nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass der pyrotechnische Schalter (10) ein viskoses Material aufweist, das zur Durchtrennung der Solltrennstelle (14, 24) dient, wobei das viskose Material nach Auslösen des Zündelements (16) den zweiten elektrischen Leiter (12) von dem ersten elektrischen Leiter (1 1 ) wegdrückt und die Solltrennstelle (14) unterbricht.
10. Zwischenkreis-Entladungssystem (100), insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenkreis-Entladungssystem (100) einen pyrotechnischen Schalter (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Zwischenkreis eines Hochvolt- Netzes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs aufweist, wobei der Zwischenkreis eine Zwischenkreiskapazität (104) aufweist; und
wobei der erste elektrische Leiter (11 , 21 ) des pyrotechnischen Schalters (1 10) mit einer Hochvoltbatterie (105) verbunden ist und der zweite elektrische Leiter (12, 22) des pyrotechnischen Schalters (1 10) mit einem ersten Anschluss der Zwischenkreiskapazität (104) verbunden ist und der dritte elektrische Leiter (13, 23) des pyrotechnischen Schalters (1 10) mit einem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität (104) verbunden ist.
11. Zwischenkreis-Entladungssystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
• im ersten Zustand des pyrotechnischen Schalters (1 10) die Hochvoltbatterie (105) über den ersten und den zweiten elektrischen Leiter (1 1 , 21 ; 12, 22) des pyrotechnischen Schalters (1 10) mit dem Zwischenkreis verbunden ist; und
• im zweiten Zustand des pyrotechnischen Schalters (1 10) der pyrotechnische Schalter (1 10) den ersten Anschluss der Zwischenkreiskapazität (104) mit dem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität (104) verbindet, um einen Entladekreis (101 ) zu schließen.
12. Zwischenkreis-Entladungssystem (100) nach einem der Ansprüche 10 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenkreis-Entladungssystem (100) einen Entladewiderstand (103) aufweist, wobei die dritte elektrische Leiter (12) des pyrotechnischen Schalters (1 10) über den Entladewiderstand (103) mit dem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskapazität (104) verbunden ist.
13. Zwischenkreis-Entladungssystem (100) nach einem der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass der pyrotechnische Schalter (1 10) durch ein Auslösesignal (102) des Elektro- oder Hybridfahrzeugs auslösbar ist.
14. Zwischenkreis-Entladungssystem (100) nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreiskapazität (104) einen Wert von 0,5 mF bis zu 4 mF aufweist.
15. Zwischenkreis-Entladungssystem (100) nach einem der Ansprüche 10 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladewiderstand (103) einen Wert von 0,2 Ohm bis zu 10 Ohm aufweist.
16. Eiektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug mit einem Zwischenkreis-Entladungssystem (100) nach einem der Ansprüche 10 - 15.
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