EP3834221B1 - Schaltvorrichtung zum gesteuerten schalten einer elektrischen verbindung und verfahren zum gesteuerten schalten einer elektrischen verbindung - Google Patents

Schaltvorrichtung zum gesteuerten schalten einer elektrischen verbindung und verfahren zum gesteuerten schalten einer elektrischen verbindung Download PDF

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EP3834221B1
EP3834221B1 EP18759025.2A EP18759025A EP3834221B1 EP 3834221 B1 EP3834221 B1 EP 3834221B1 EP 18759025 A EP18759025 A EP 18759025A EP 3834221 B1 EP3834221 B1 EP 3834221B1
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EP
European Patent Office
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state
blocking element
power terminal
connection element
connection
Prior art date
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EP3834221A1 (de
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Reinhold HAMMERL
Jörg Lippmann
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Lisa Draexlmaier GmbH
Original Assignee
Lisa Draexlmaier GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/16—Magnetic circuit arrangements
    • H01H50/18—Movable parts of magnetic circuits, e.g. armature
    • H01H50/32—Latching movable parts mechanically
    • H01H50/321—Latching movable parts mechanically the mechanical latch being controlled directly by the magnetic flux or part of it
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/16—Magnetic circuit arrangements
    • H01H50/18—Movable parts of magnetic circuits, e.g. armature
    • H01H50/32—Latching movable parts mechanically

Definitions

  • the present invention relates to a switching device for the controlled switching of an electrical connection. Furthermore, the present invention relates to a corresponding method.
  • the present invention is described below mainly in connection with electrical connections in vehicles. However, it goes without saying that the present invention can be used in any application in which electrical connections must be securely closed and disconnected.
  • the electric motors in such vehicles can be operated with voltages of up to 800 V or more. Accordingly, batteries are installed as energy stores in such vehicles, which have high nominal voltages of up to 800 V and more.
  • contactors In order to be able to safely switch the currents in the vehicle on and off, for example in the event of a fault, so-called contactors are usually used. These contactors can use a spring-loaded armature with a contact bridge, which is pressed by an electromagnet against the spring force onto corresponding connection terminals and thereby electrically connects them to one another.
  • the electrical contact In the de-energized state of the electromagnet, the electrical contact is kept open by the spring preload of the armature.
  • the cumulative mass inertia of the armature and the contact bridge can be sufficient to overcome the spring force and close the contact.
  • the contactors for the positive voltage branch and the negative voltage branch are usually installed with different axis directions, so that both contactors do not close at the same time. This type of assembly leads to an increased assembly effort.
  • the WO 2005/059939 A1 discloses an electromagnetic switching device.
  • the DE 196 25 657 A1 discloses an electric lifting armature magnet.
  • the WO 2012 / 033 262 A1 discloses an electrical power switching device.
  • the EP 2 960 923 A1 discloses a switching arrangement.
  • a switching device according to the invention for the controlled switching of an electrical connection is described in claim 1.
  • the high-voltage contactors can close unintentionally under the right conditions, which leads to increased effort during assembly and production.
  • the present invention is based on the finding that the installation of high-voltage contactors in electric vehicles could be simplified if the high-voltage contactors were better protected against the effects of acceleration or vibration.
  • the present invention therefore provides the switching device which is protected against accidental closing due to acceleration or vibration.
  • a positive power connection and a negative power connection can be electrically connected to one another or electrically separated from one another in a controlled manner via a connecting element.
  • the connecting element can thus be switched between a first state and a second state.
  • the connecting element couples the positive power connection to the negative power connection.
  • the positive power terminal is electrically disconnected from, or not connected to, the negative power terminal.
  • the connecting element can have an armature, for example, which is prestressed by a spring, so that it assumes the position of the second state without further activation.
  • the connecting element can also have a magnetic coil, for example, which generates a magnetic field when actuated appropriately and moves the armature into the position of the first state. Consequently, if the coil is de-energized, the spring-loaded armature automatically moves back to the second state position.
  • the switching device provides the blocking element which, in a non-activated state, blocks the connecting element in the second state. In an actuated state, on the other hand, the blocking element releases the connecting element.
  • the non-actuated state of the blocking element denotes a state in which the blocking element is not actuated. For example, there is no active control signal for the blocking element. In the activated state, on the other hand, the blocking element is activated. So there is a control signal at the blocking element.
  • the control signal can be in the form of a control voltage or a control current, for example.
  • a control signal can also be present in the non-driven state, for example, but which characterizes the non-driven state.
  • a control signal can, for example, be a digital control signal which, by way of example only, can identify the non-driven state by a logical "0" and the driven state by a logical "1".
  • control inputs can be provided for the connecting element and the blocking element, even if they are not explicitly mentioned here. These control inputs can be controlled by external units, such as control units in vehicles, in order to control the blocking element and switch the connection element between the first state and the second state.
  • the connecting element By blocking or locking the connecting element, the connecting element cannot move out of the second state even in the case of strong accelerations or vibrations. The electrical connection between the positive power terminal and the negative power terminal is thus safely blocked.
  • the switching device or several switching devices When installing or assembling the switching device or several switching devices, e.g. in a positive voltage branch and a negative voltage branch, it is therefore not necessary to pay attention to the installation direction of the switching devices. Consequently, the switching devices can be installed side by side in the same direction. This enables very efficient and fast assembly, which can also be automated with the help of robots, for example.
  • the blocking element for blocking the connecting element can engage in the connecting element in a form-fitting manner and block it.
  • a form-fitting connection means that the locking element or a component or element of the locking element engages in a form-fitting manner in the connecting element or a component or element of the connecting element.
  • the positive connection cannot be released by excessive forces. The locking of the connecting element is therefore permanently ensured.
  • the form-fitting connection can be produced, for example, by a pawl, a locking lug, a pin or the like, which engages in a corresponding recess or undercut of the connecting element.
  • a non-positive connection can be established, for example, with a type of clutch, such as a slipping clutch.
  • the blocking element can have a movably mounted blocking element, which can be moved into the path of travel of the connecting element and/or out of the path of travel of the connecting element in a controlled manner.
  • the blocking element can be designed, for example, as a pawl, a detent, a pin, a piston or the like.
  • the blocking element can be moved into or out of the path of travel of the connecting element by an actuator, e.g.
  • the blocking element can be moved into the travel path of the connecting element, ie into a corresponding recess or undercut. The connecting element is thus blocked in the second state.
  • the blocking element In order to release the connecting element, the blocking element can be moved out of the travel path, ie the recess or undercut.
  • the Connection element is thus no longer blocked and can change to the first state. It goes without saying that a further actuator can be provided for the connecting element.
  • the blocking element can be mounted in a spring-loaded manner and can be prestressed with a prestressing force in the direction of the travel path of the connecting element.
  • traveling of the connecting element is to be understood as the travel of that element which is movably mounted and changes its position when changing from the first state to the second state or back, in order to establish the electrical contact between the positive power connection and the negative power connection Establish or interrupt the power connection.
  • the biasing force moves the blocking element to the non-energized state position.
  • the blocking element blocks the connecting element. Consequently, no active control is necessary to prevent the electrical connection between the positive power connection and the negative power connection.
  • the direction of movement of the blocking element can, for example, be orthogonal to the travel path of the connecting element or the corresponding component of the connecting element.
  • the blocking element can have an actuator which can be designed to move the blocking element out of the travel path of the connecting element in an actuated state.
  • the actuator can be any type of electrically controllable actuator which can move the blocking element.
  • Such an actuator can be a coil, for example.
  • Other possible forms for actuators are, for example, electric motors such as servos or the like.
  • elements made of bimetal can be used, which heat up and deform when energized.
  • the actuator can be a reversible actuator.
  • a reversible actuator is to be understood as meaning that the actuator does not actively brake or block the blocking element in the de-energized or non-actuated state.
  • a blocking element prestressed by a spring force can consequently be pressed or moved into its rest position by the spring force when the actuator is not activated.
  • the blocking element can be designed in such a way that, in the non-activated state, it enables the connecting element to change from the first state to the second state.
  • the first state of the connection element characterizes the state of the switching element in which the positive power connection and the negative power connection are electrically coupled to one another.
  • the second state characterizes the state of the switching element in which the positive power connection and the negative power connection are not electrically coupled to one another, ie no current flow is possible.
  • the blocking element or the blocking element can positively engage in the connecting element in the non-activated state. A movement of the connecting element into the first state is consequently prevented.
  • the electrical connection between the positive power connection and the negative power connection should be safely separated if, for example, the activation of the switching device fails.
  • the blocking element or the blocking element it may be necessary to move this out of the path of travel of the connecting element.
  • Blockade element are performed such that the movement of the connecting element remains possible in the second state, so even in the non-driven state of the blocking element.
  • corresponding active surfaces e.g. surfaces that are inclined relative to one another (e.g. inclined to the direction of movement of the connecting element), on the connecting element and/or on the blocking element.
  • the connecting element and the blocking element can slide along one another on such effective surfaces.
  • the connecting element can move the blocking element against the spring force, which prestresses the blocking element. If the connecting element is then in the second state, the blocking element or the blocking element can slide back into the non-actuated state.
  • the connecting element has a spring-loaded armature which has a contact bridge for connecting the positive power connection and the negative power connection at a first end and which has an undercut, in particular a mushroom head, at a second end.
  • the spring force is configured to pull the armature into the second state in which the positive power terminal and the negative power terminal are electrically isolated from each other.
  • the blocking element has a spring-loaded pawl, which is pretensioned by the spring force in the direction of the mushroom head and positively contacts and blocks the mushroom head in the non-actuated state of the blocking element and the second state of the connecting element.
  • the blocking element has an electromagnet or a magnetic coil, which can be designed to pull the pawl out of the path of travel of the mushroom head in the activated state.
  • the connecting element can be designed similar to an armature, for example, as used in conventional high-voltage relays. However, such anchors have no way of fixing them.
  • the armature of the switching device according to the present invention can be provided with an undercut.
  • an undercut for example, in the form of a Mushroom head is used for the form-fitting fixation of the anchor by the blocking element. If the blocking element engages in the undercut, it reliably prevents the anchor from moving.
  • An electrical actuator e.g. an electromagnet or a magnetic coil, can be provided for both the connecting element and the blocking element.
  • the armature can be moved into the first position via such an electromagnet when the electromagnet is activated.
  • the spring force automatically moves it to the second position when the electromagnet is not actuated.
  • the pawl is moved out of the traversing path of the armature when the corresponding electromagnet is actuated and is moved into the traversing path of the armature by the spring force when it is not actuated, in order to prevent its movement into the first state.
  • the mushroom head can be designed in such a way that a tip of the mushroom head moves past the pawl when the armature moves from the first state to the second state and an outer surface of the mushroom head that is inclined relative to the direction of movement pushes the pawl back when the pawl is in the non-driven state.
  • one end of the anchor is designed as a mushroom head, it tapers from the undercut towards the end.
  • the conical outer surface of the mushroom head consequently forms an inclined surface to the direction of movement of the armature. Consequently, when moving from the first position to the second position, this inclined surface can slide along the pawl and push it back. If the outer circumference of the mushroom head passes the pawl, it can move back into the non-actuated position and positively blocks the armature.
  • This configuration of the armature with a mushroom head consequently enables the armature to be moved into the second position even when the pawl is not actuated.
  • the switching device can have a state sensor, which can be designed to detect the state of the connecting element and/or the blocking element and to output a corresponding sensor signal.
  • the state sensor can be embodied as a mechanical sensor, e.g., a switch-based sensor, or as a non-contact sensor, e.g., a Hall sensor or the like.
  • the position of the blocking element can be detected and the connection element can be actuated or an error detected accordingly. Additionally or alternatively, the position of the connecting element can also be detected.
  • the information about the states of the blocking element and/or the connecting element can be transmitted, for example, to a control unit which generates the control signals for the blocking element and the connecting element.
  • the switching device can have control electronics, which can be designed to control the connecting element and/or the blocking element based on corresponding input signals.
  • the control electronics can have a passive circuit, which has, for example, capacitors, diodes, inductors and the like. Control signals to the actuator of the blocking element or the actuator of the connecting element can be forwarded to the respective actuator via the control electronics. Consequently, such a circuit can be used to suppress overvoltages and other interference, for example, and clean control signals can be forwarded to the actuator of the blocking element or the actuator of the connecting element.
  • Voltage signals for example, can be used as input signals for the control electronics, that is to say a signal with a predetermined voltage value for controlling the respective actuator.
  • a separate input signal can be provided for each of the actuators.
  • the signals from the status sensor can be output directly by the latter.
  • the control electronics can have signal processing for the sensor signals and output them.
  • control electronics can have a single signal input via which a single control signal for closing the electrical connection between the positive power connection and the negative power connection is provided.
  • control electronics can generate two signals from the individual control signal, one of which in each case controls the actuator of the blocking element or the actuator of the connecting element.
  • control electronics in this embodiment can have a delay element which delays the signal for the actuator of the connecting element compared to the signal for the actuator of the blocking element. This ensures that the connecting element is released before its actuator is activated.
  • a capacitor circuit for example, can be provided as a delay element, which delays the voltage rise of the signal for the actuator of the connecting element. It goes without saying that a digital circuit can also be provided as an alternative.
  • control electronics can have a digital control unit, e.g. a controller.
  • a digital control unit can, for example, control the actuator of the blocking element or the actuator of the connecting element and evaluate the signals of the status sensor for this purpose.
  • Analog control signals, as described above, or digital control signals can serve as the input signal for the control electronics.
  • Digital control signals can be serial or parallel digital signals, for example.
  • the control electronics can have a bus interface via which digital signals can be exchanged.
  • a bus interface can be designed, for example, as a CAN interface, a LIN interface, a FlexRay interface, a network interface or the like.
  • the digital control unit can consequently receive control signals and, based on the sensor signals, control the actuator of the blocking element or the actuator of the connecting element. Furthermore, the digital control unit can output corresponding status information via the digital interface, which can be evaluated by a control unit in a vehicle, for example.
  • figure 1 12 shows a block diagram of a switching device 100.
  • the switching device 100 has a positive power connection 101 and a negative power connection 102.
  • FIG. Furthermore, the switching device 100 has a connecting element 103 and a blocking element 104 .
  • the connector 103 is shown in a second state in which it does not couple the positive power terminal 101 and the negative power terminal 102 together. If the connecting element 103 is placed or moved into a first state (indicated by an arrow), the two stamps of the connecting element 103 each lie on the positive power connection 101 and the negative power connection 102 and establish an electrical connection between them.
  • the connecting element 103 has a recess 105 at the end opposite the power connections 101 , 102 .
  • one end of locking element 104 lies in recess 105 and blocks movement of connecting element 103.
  • the blocking element 104 In order to establish the electrical connection between the positive power connection 101 and the negative power connection 102, the blocking element 104 must consequently be removed from the travel path of the connecting element 103 (indicated by an arrow). Although in figure 1 not shown explicitly, it goes without saying that an actuator can be provided for the blocking element 104, which can be controlled in order to remove or withdraw the blocking element 104 from the travel path of the connecting element 103.
  • the connecting element 103 can be brought into the first position by a further (not explicitly shown) actuator, so that the power terminals 101, 102 are electrically coupled to one another.
  • FIG 2 shows a plan view of a further switching device 200, in which the individual elements are arranged in the housing 208.
  • Blocking element formed by a pawl 210, which is biased by two springs 211, 212 in the direction of an abutment 213.
  • the armature 216 of the connecting element protrudes through a recess in the pawl 210 between the counter bearing 213 and the springs 211 , 212 .
  • the armature 216 has a mushroom head 217 at its end. In figure 2 it can be seen that an edge of the pawl 210 protrudes into an undercut of the mushroom head 217 . A movement of the armature 216 downwards, ie into the image plane, is consequently prevented by the pawl 210 in a form-fitting manner.
  • a magnetic coil 214 is also arranged in the switching device 200 in such a way that, when energized, it pulls the pawl 210 out of the travel path or the undercut of the mushroom head 217 and thus releases the mushroom head 217 . If the magnetic coil 214 is energized, then by appropriate activation of the magnetic coil 225 (see figure 3 ) the armature 216 can be moved to the first position.
  • Connection terminals 218 , 219 , 220 , 221 are provided for controlling the magnetic coil 214 or the magnetic coil 225 .
  • the magnetic coils 214, 225 can be controlled directly via these connection terminals 218, 219, 220, 221.
  • the connection terminals 218, 219, 220, 221 can also be coupled to control electronics (not shown separately). The control electronics can then control the magnetic coils 214, 225 in accordance with the control signals received.
  • the switching device 200 also has a status sensor 215 .
  • the status sensor 215 is used to detect the position of the pawl 210. It goes without saying that the status sensor 215 can also detect the position of the armature 216 in addition or as an alternative.
  • the information about the position of the pawl 210 can be transmitted to the control electronics mentioned above, for example. This information can be processed there or, for example, transmitted to a control unit. Alternatively, this information can also be output directly via the connection terminals 218, 219, 220, 221.
  • connection terminals 218, 219, 220, 221 for example, one connection terminal can be the ground connection, another connection terminal can be the data line of the status sensor 215, another connection terminal can be the control line for the magnetic coil 214 and one the control line for the magnetic coil 225.
  • a control unit or control unit can establish the electrical connection between the power connections 201, 202 (see figure 3 ) consequently close by first energizing solenoid 214 to move pawl 210 out of travel of armature 216. The control unit then activates the magnetic coil 225 in order to press the armature 216 onto the power connections (see e.g figure 3 ).
  • figure 3 shows a sectional view of the switching device 200 along the in figure 2 section "E" shown.
  • the housing 208 is divided by an intermediate wall 209 so that two chambers 206, 207 are formed.
  • the power connections 201, 202 are on the side of the first chamber 206 opposite the intermediate wall 209.
  • the armature 216 is movably mounted with a contact bridge 223, with a spring 224 being arranged between the contact bridge 223 and the intermediate wall 209 and the armature 216 encloses.
  • the spring 224 can also be referred to as a so-called bounce spring 224 .
  • the rebound spring 224 may be encased in a rectangular metal housing.
  • This metal housing can be firmly attached to the armature 216 and have elongated hole recesses at the level of the contact bridge 223 . Noses located on the contact bridge 223 can engage in these elongated holes.
  • the contact bridge 223 is therefore not permanently connected to the armature, but rather has about 2 mm of play in the longitudinal direction of the armature via the lugs running in the elongated holes. It is preloaded in the housing by the buffer spring. This design prevents or at least dampens the chattering of the contacts that occurs when the contacts close under high current loads.
  • a magnetic coil 225 is arranged around the armature 216 in the second chamber 207 .
  • An armature biasing spring which in figure 3 is not shown for reasons of simplification, can be accommodated in the second chamber 207 with the magnetic coil 225 .
  • This armature biasing spring may enclose the armature 216 within the solenoid 225 and be separated from the solenoid 225 by a protective sleeve.
  • the magnetic coil 225 is designed in such a way that it presses the armature 216 or the contact bridge 223 onto the power connections 201, 202 when it is energized. If the magnetic coil 225 is not energized, the contact bridge 223 is consequently automatically withdrawn and the electrical contact between the power connections 201, 202 is interrupted.
  • the mushroom head 217 can also be seen at the end of the armature 216, which is positively fixed by the pawl 210 in the illustrated second state of the armature 216.
  • the mushroom head 217 is conical and has a cone angle of 70°.
  • the underside of the cone 226 forms a ring around the shaft 227 of the armature 216.
  • the pawl 210 has a surface as an abutment 228 for the underside of the cone 226. In the non-activated state of the magnetic coil 214, the underside of the cone 226 and the counter bearing 228 consequently overlap, so that a movement of the armature 216 in the direction of the counter bearing 228 is positively blocked.
  • the pawl 210 also has an inclined surface 229 which extends from the end of the counter bearing 228 in such a way that it forms an active surface pair with the outer surface of the mushroom head 217 . If the armature 216 is in the first state and the pawl 210 is in the non-actuated state, the outer surface of the mushroom head 217 lies above the inclined surface 229. If the energization of the magnet coil 225 is now interrupted, it is moved the armature 216 returns to the second position (e.g., due to the force generated by the armature biasing spring mentioned above).
  • figure 5 shows a flow chart of an embodiment of a method for the controlled switching of an electrical connection.
  • a blocking element 104 is actuated to release a connecting element 103 in order to close the electrical connection.
  • the connecting element 103 is controlled into a first state. In this first state, the positive power terminal 101, 201 and the negative power terminal 102, 202 are electrically coupled to each other.
  • a third step S3 of moving the connecting element 103 is placed in a second state in which the positive power connection 101, 201 and the negative power connection 102, 202 are electrically separated from one another.
  • a fourth step S4 of ending activation of blocking element 104 is ended.
  • step S4 can take place before step S3.
  • the blocking element 104 can positively engage in the connecting element 103 and block it without being actuated.
  • a movably mounted blocking element of the blocking element 104 can be moved out of the travel path of the connecting element 103 when the control S3 is activated. Without activation, the blocking element is moved into the travel path of the connecting element 103 .
  • the blocking element can be spring-mounted, for example, and can be prestressed with a prestressing force in the direction of the travel path of the connecting element 103 .
  • a corresponding actuator 214 of the blocking element 104 can, for example, move the blocking element out of the travel path of the connecting element 103 in an actuated state. In the non-activated state, however, the blocking element can nevertheless enable the connecting element 103 to change from the first state to the second state.
  • the state of the connecting element 103 and/or the blocking element 104 can be detected with a state sensor 215 and a corresponding sensor signal can be output.
  • control electronics can control the connecting element 103 and/or the blocking element 104 based on corresponding input signals.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum gesteuerten Schalten einer elektrischen Verbindung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren.
    • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit elektrischen Verbindungen in Fahrzeugen beschrieben. Es versteht sich aber, dass die vorliegende Erfindung in jeder Anwendung eingesetzt werden kann, in welcher elektrische Verbindungen sicher geschlossen und getrennt werden müssen.
  • In modernen Fahrzeugen wird versucht, den Kraftstoffverbrauch bzw. die lokalen Emissionen der Fahrzeuge zu reduzieren. Eine Möglichkeit die Emissionen der Fahrzeuge zu reduzieren besteht darin, den Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor zu unterstützen, sog. Plug-In Hybrid, oder durch einen Elektromotor zu ersetzen, sog. Elektrofahrzeug.
  • Die Elektromotoren in solchen Fahrzeugen können mit Spannungen von bis zu 800 V oder mehr betrieben werden. Entsprechend werden in solchen Fahrzeugen auch Batterien als Energiespeicher verbaut, die hohe Nennspannungen von bis zu 800 V und mehr aufweisen.
  • Um die Ströme im Fahrzeug, z.B. im Fehlerfall, sicher zu- und abschalten zu können, werden üblicherweise sog. Schütze eingesetzt. Diese Schütze können einen federbelasteten Anker mit einer Kontaktbrücke aufweisen, welche durch einen Elektromagneten entgegen der Federkraft auf entsprechende Anschlussterminals gedrückt wird und diese dadurch elektrisch miteinander verbindet.
  • Im unbestromten Zustand des Elektromagneten wird der elektrische Kontakt von der Federvorspannung des Ankers offengehalten. Im Fall ungünstig gerichteter Krafteinwirkung, insbesondere in Ankerrichtung, kann die kumulierte Massenträgheit des Ankers und der Kontaktbrücke ausreichen, um die Federkraft zu überwinden und den Kontakt zu schließen. Deshalb werden die Schütze für den positiven Spannungszweig und den negativen Spannungszweig üblicherweise mit unterschiedlichen Achsrichtungen verbaut, so dass beide Schütze nicht gleichzeitig schließen. Diese Art der Montage führt zu einem erhöhten Montageaufwand.
  • Die WO 2005 / 059939 A1 offenbart ein elektromagnetisches Schaltgerät. Die DE 196 25 657 A1 offenbart einen elektrischen Hubankermagneten. Die WO 2012 / 033 262 A1 offenbart eine elektrische Stromschaltvorrichtung. Die EP 2 960 923 A1 offenbart eine Schaltanordnung.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel den Montageaufwand für Schütze zu reduzieren.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
  • Eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung zum gesteuerten Schalten einer elektrischen Verbindung, ist in Anspruch 1 beschrieben.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum gesteuerten Schalten einer elektrischen Verbindung ist in Anspruch 10 beschrieben.
  • Wie oben bereits erläutert, kann es bei üblichen Hochvoltschützen z.B. in Elektrofahrzeugen unter entsprechenden Voraussetzungen zu einem ungewollten Schließen der Hochvoltschütze kommen, was zu erhöhtem Aufwand bei der Montage bzw. Produktion führt.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Montage von Hochvoltschützen in Elektrofahrzeugen vereinfachen ließe, wenn die Hochvoltschütze gegen die Einflüsse von Beschleunigungen bzw. Vibrationen besser geschützt wären.
  • Die vorliegende Erfindung sieht daher die Schaltvorrichtung vor, welche gegen ein ungewolltes Schließen auf Grund von Beschleunigungen oder Vibrationen geschützt ist.
  • Dazu können in der Schaltvorrichtung ein positiver Leistungsanschluss und ein negativer Leistungsanschluss über ein Verbindungselement gesteuert elektrisch miteinander verbunden werden oder elektrisch voneinander getrennt werden.
  • Das Verbindungselement kann also zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umgeschaltet werden. Dabei koppelt das Verbindungselement in dem ersten Zustand den positiven Leistungsanschluss mit dem negativen Leistungsanschluss. In dem zweiten Zustand des Verbindungselements ist der positive Leistungsanschluss elektrisch von dem negativen Leistungsanschluss getrennt bzw. nicht mit diesem verbunden.
  • Das Verbindungselement kann beispielsweise einen Anker aufweisen, der durch eine Feder vorgespannt wird, so dass er ohne eine weitere Ansteuerung die Position des zweiten Zustands einnimmt. Das Verbindungselement kann ferner z.B. eine Magnetspule aufweisen, welche bei entsprechender Ansteuerung ein Magnetfeld erzeugt und den Anker in die Position des ersten Zustands bewegt. Wird die Bestromung der Spule unterbrochen, bewegt sich der federvorgespannte Anker folglich automatisch zurück in die Position des zweiten Zustands.
  • Ein ungewolltes Umschalten des Verbindungselements aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand, also ein ungewolltes Schließen der elektrischen Verbindung, wird durch die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung vermieden. Dazu sieht die Schaltvorrichtung das Sperrelement vor, welches in einem nicht-angesteuerten Zustand das Verbindungselement in dem zweiten Zustand blockiert. In einem angesteuerten Zustand gibt das Sperrelement das Verbindungselement dagegen frei.
  • Der nicht-angesteuerte Zustand des Sperrelements bezeichnet dabei einen Zustand, in welchem keine Ansteuerung des Sperrelements vorhanden ist. Es liegt also z.B. kein aktives Steuersignal für das Sperrelement an. Im angesteuerten Zustand dagegen ist eine Ansteuerung des Sperrelements vorhanden. Es liegt also ein Steuersignal an dem Sperrelement an. Das Steuersignal kann z.B. als eine Steuerspannung oder ein Steuerstrom ausgebildet sein.
  • Es versteht sich, dass je nach Art des Steuersignals z.B. auch im nicht-angesteuerten Zustand ein Steuersignal vorhanden sein kann, welches aber den nicht-angesteuerten Zustand kennzeichnet. Ein solches Steuersignal kann z.B. ein digitales Steuersignal sein, welches lediglich beispielhaft den nicht-angesteuerten Zustand durch eine logische "0" und den angesteuerten Zustand durch eine logische "1" kennzeichnen kann.
  • Es versteht sich, dass für das Verbindungselement und das Sperrelement Steuereingänge vorgesehen sein können, auch wenn diese hier nicht explizit erwähnt werden. Diese Steuereingänge können durch externe Einheiten, wie z.B. Steuergeräte in Fahrzeugen angesteuert werden, um das Sperrelement anzusteuern und das Verbindungselement zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand umzuschalten.
  • Mit Hilfe der Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen dem positiven Leistungsanschluss und dem negativen Leistungsanschluss sichergestellt werden.
  • Durch das Blockieren oder Verriegeln des Verbindungselements kann sich das Verbindungselement auch bei starken Beschleunigungen oder Vibrationen nicht aus dem zweiten Zustand herausbewegen. Die elektrische Verbindung zwischen dem positiven Leistungsanschluss und dem negativen Leistungsanschluss wird folglich sicher blockiert.
  • Beim Verbau bzw. der Montage der Schaltvorrichtung bzw. mehrerer Schaltvorrichtungen, z.B. in einem positiven Spannungszweig und einem negativen Spannungszweig, muss folglich nicht auf die Einbaurichtung der Schaltvorrichtungen geachtet werden. Folglich können die Schaltvorrichtungen gleichsinnig nebeneinander eingebaut werden. Dies ermöglicht eine sehr effiziente und schnelle Montage, die z.B. auch automatisiert mit Hilfe von Robotern erfolgen kann.
  • Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
  • In einer Ausführungsform kann das Sperrelement zum Sperren des Verbindungselements formschlüssig in das Verbindungselement eingreifen und dieses blockieren.
  • Eine formschlüssige Verbindung bedeutet, dass das Sperrelement bzw. ein Bauteil oder Element des Sperrelements formschlüssig in das Verbindungselement bzw. ein Bauteil oder Element des Verbindungselements eingreift. Im Gegensatz zu einer ebenfalls möglichen kraftschlüssigen Verbindung, kann die formschlüssige Verbindung nicht durch übermäßige Kräfte gelöst werden. Die Verriegelung des Verbindungselements ist folglich dauerhaft sichergestellt.
  • Die formschlüssige Verbindung kann z.B. durch eine Klinke, eine Rastnase, einen Stift oder dergleichen hergestellt werden, welche in eine entsprechende Ausnehmung oder Hinterschneidung des Verbindungselements eingreift.
  • Eine kraftschlüssige Verbindung kann z.B. durch eine Art Kupplung, wie z.B. eine Rutschkupplung, hergestellt werden.
  • In einer Ausführungsform kann das Sperrelement ein beweglich gelagertes Blockadeelement aufweisen, welches gesteuert in den Verfahrweg des Verbindungselements hineinbewegbar und/oder aus dem Verfahrweg des Verbindungselements herausbewegbar ist.
  • Das Blockadeelement kann z.B. als eine Klinke, eine Rastnase, ein Stift, ein Kolben oder dergleichen ausgebildet sein.
  • Im Betrieb der Schaltvorrichtung kann das Blockadeelement durch einen Aktor, z.B. eine Spule, einen Motor wie z.B. einen Servomotor oder dergleichen, in den Verfahrweg des Verbindungselements hinein oder aus diesem heraus bewegt werden.
  • Befindet sich das Verbindungselement im zweiten Zustand, kann das Blockadeelement in den Verfahrweg des Verbindungselements, also in eine entsprechende Ausnehmung oder Hinterschneidung gefahren werden. Das Verbindungselement ist somit in dem zweiten Zustand blockiert.
  • Um das Verbindungselement zu lösen, kann das Blockadeelement aus dem Verfahrweg, also der Ausnehmung oder Hinterschneidung, herausbewegt werden. Das Verbindungselement ist somit nicht mehr blockiert und kann in den ersten Zustand wechseln. Es versteht sich, dass für das Verbindungselement ein weiterer Aktor vorgesehen sein kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Blockadeelement gefedert gelagert sein und mit einer Vorspannkraft in Richtung des Verfahrwegs des Verbindungselements vorgespannt sein.
  • Unter dem Begriff "Verfahrweg des Verbindungselements" ist der Verfahrweg desjenigen Elements zu verstehen, welches beweglich gelagert ist und bei einem Wechsel von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand bzw. zurück seine Position ändert, um den elektrischen Kontakt zwischen dem positiven Leistungsanschluss und dem negativen Leistungsanschluss herzustellen oder zu unterbrechen.
  • Die Vorspannkraft bewegt das Blockadeelement in die Position des nicht-angesteuerten Zustands. In dem nicht-angesteuerten Zustand blockiert das Sperrelement das Verbindungselement. Es ist folglich keine aktive Ansteuerung nötig, um die elektrische Verbindung zwischen dem positiven Leistungsanschluss und dem negativen Leistungsanschluss zu verhindern.
  • Um das Blockadeelement aus dem Verfahrweg des Verbindungselements zu bewegen, ist folglich eine aktive Ansteuerung des Sperrelements nötig. Zum Schließen der elektrischen Verbindung zwischen dem positiven Leistungsanschluss und dem negativen Leistungsanschluss ist es folglich notwendig, zuerst das Sperrelement aktiv anzusteuern und danach das Verbindungselement anzusteuern, so dass dieses in den ersten Zustand wechselt.
  • Es versteht sich, dass die Bewegungsrichtung des Blockadeelements z.B. orthogonal zum Verfahrweg des Verbindungselements bzw. des entsprechenden Bauteils des Verbindungselements liegen kann.
  • In noch einer Ausführungsform kann das Sperrelement einen Aktor aufweisen, welcher ausgebildet sein kann, in einem angesteuerten Zustand das Blockadeelement aus dem Verfahrweg des Verbindungselements zu bewegen.
  • Der Aktor kann jede Art von elektrisch ansteuerbarem Aktor sein, welcher das Blockadeelement bewegen kann. Ein solche Aktor kann z.B. eine Spule sein. Weitere mögliche Formen für Aktoren sind z.B. Elektromotoren, wie Servos, oder dergleichen. Ferner können Elemente aus Bimetall genutzt werden, die sich bei Bestromung erhitzen und verformen.
  • Insbesondere kann der Aktor ein reversibler Aktor sein. Unter einem reversiblen Aktor ist zu verstehen, dass der Aktor im stromlosen bzw. nicht-angesteuerten Zustand das Blockadeelement nicht aktiv bremst oder blockiert. Ein durch eine Federkraft vorgespanntes Blockadeelement kann folglich im nicht-angesteuerten Zustand des Aktors durch die Federkraft in seine Ruhelage gedrückt bzw. bewegt werden.
  • In einer Ausführungsform kann das Blockadeelement derart ausgebildet sein, dass es im nicht-angesteuerten Zustand einen Wechsel des Verbindungselements aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand ermöglicht.
  • Der erste Zustand des Verbindungselements kennzeichnet den Zustand des Schaltelements, in welchem der positive Leistungsanschluss und der negative Leistungsanschluss elektrisch miteinander gekoppelt sind. Der zweite Zustand kennzeichnet den Zustand des Schaltelements, in welchem der positive Leistungsanschluss und der negative Leistungsanschluss elektrisch nicht miteinander gekoppelt sind, also kein Stromfluss möglich ist.
  • Wie oben bereits erwähnt, kann das Sperrelement bzw. das Blockadeelement im nicht-angesteuerten Zustand formschlüssig in das Verbindungselement eingreifen. Eine Bewegung des Verbindungselements in den ersten Zustand wird folglich verhindert.
  • Es soll aber die elektrische Verbindung zwischen dem positiven Leistungsanschluss und dem negativen Leistungsanschluss sicher getrennt werden, wenn z.B. die Ansteuerung der Schaltvorrichtung ausfällt. Dazu kann es je nach Ausführung des Sperrelements bzw. des Blockadeelements nötig sein, dieses aus dem Verfahrweg des Verbindungselements zu bewegen. Alternativ müssen das Verbindungselement und das Sperrelement bzw.
  • Blockadeelement derart ausgeführt werden, dass die Bewegung des Verbindungselements in den zweiten Zustand weiterhin möglich bleibt, also auch im nicht-angesteuerten Zustand des Sperrelements.
  • Dies kann z.B. durch das Vorsehen entsprechender Wirkflächen, z.B. zueinander schräger Flächen (z.B. schräg zur Bewegungsrichtung des Verbindungselements), am Verbindungselement und/oder an dem Sperrelement sichergestellt werden. An solchen Wirkflächen können das Verbindungselement und das Sperrelement aneinander entlang gleiten. So kann z.B. das Verbindungselement das Sperrelement entgegen der Federkraft, welche das Sperrelement vorspannt, bewegen. Befindet sich das Verbindungselement dann im zweiten Zustand, kann das Sperrelemente bzw. das Blockadeelement in den nicht-angesteuerten zurückgleiten.
  • Das Verbindungselement weist einen federbelasteten Anker auf, welcher an einem ersten Ende eine Kontaktbrücke zum Verbinden des positiven Leistungsanschlusses und des negativen Leistungsanschlusses aufweist, und welcher an einem zweiten Ende eine Hinterschneidung, insbesondere einen Pilzkopf, aufweist. Die Federkraft ist so ausgebildet, den Anker in den zweiten Zustand zu ziehen, in welchem der positive Leistungsanschluss und der negative Leistungsanschluss elektrisch voneinander getrennt sind. Das Sperrelement weist eine federbelastete Klinke auf, welche durch die Federkraft in Richtung des Pilzkopfs vorgespannt ist und im nicht-angesteuerten Zustand des Sperrelements und dem zweiten Zustand des Verbindungselements den Pilzkopf formschlüssig kontaktiert und blockiert. Das Sperrelement weist einen Elektromagneten bzw. eine Magnetspule auf, welche ausgebildet sein kann, im angesteuerten Zustand die Klinke aus dem Verfahrweg des Pilzkopfs zu ziehen.
  • Das Verbindungselement kann z.B. ähnlich einem Anker ausgebildet sein, wie er in herkömmlichen Hochvolt-Relais eingesetzt wird. Allerdings weisen solche Anker keine Möglichkeit auf, diese zu fixieren.
  • Folglich kann der Anker der Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Hinterschneidung versehen sein. Eine solche Hinterschneidung z.B. in Form eines Pilzkopfes dient der formschlüssigen Fixierung des Ankers durch das Sperrelement. Greift das Sperrelement in die Hinterschneidung ein, verhindert es sicher eine Bewegung des Ankers.
  • Sowohl für das Verbindungselement als auch das Sperrelement kann jeweils ein elektrischer Aktor, z.B. ein Elektromagnet bzw. eine Magnetspule, vorgesehen sein.
  • Der Anker kann über einen solchen Elektromagneten bei Ansteuerung des Elektromagneten in die erste Position bewegt werden. Durch die Federkraft wird er bei nicht-Ansteuerung des Elektromagneten automatisch in die zweite Position bewegt.
  • Für die Klinke gilt, dass diese bei Ansteuerung des entsprechenden Elektromagneten aus dem Verfahrweg des Ankers bewegt wird und bei nicht-Ansteuerung durch die Federkraft in den Verfahrweg des Ankers bewegt wird, um dessen Bewegung in den ersten Zustand zu verhindern.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Pilzkopf derart ausgebildet sein, dass sich eine Spitze des Pilzkopfs bei einer Bewegung des Ankers von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand an der Klinke vorbei bewegt und eine zur Bewegungsrichtung schräge Außen-Oberfläche des Pilzkopfs die Klinke zurückschiebt, wenn sich die Klinke im nicht-angesteuerten Zustand befindet.
  • Wird das eine Ende des Ankers als Pilzkopf ausgeführt, verjüngt sich dieses ausgehend von der Hinterschneidung zum Ende hin. Die kegelförmige Außenoberfläche des Pilzkopfs bildet folglich eine zur Bewegungsrichtung des Ankers schräge Fläche. Bei einer Bewegung aus der ersten Position in die zweite Position kann diese schräge Fläche folglich an der Klinke entlang gleiten und diese zurückschieben. Passiert der äußere Umfang des Pilzkopfs die Klinke, kann diese wieder in die nicht-angesteuerte Position verfahren und blockiert den Anker formschlüssig.
  • Diese Ausgestaltung des Ankers mit Pilzkopf ermöglicht es dem Anker folglich, auch bei nicht-angesteuerter Klinke in die zweite Position zu verfahren.
  • In noch einer Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung einen Zustandssensor aufweisen, welcher ausgebildet sein kann, den Zustand des Verbindungselements und/oder des Sperrelements zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal auszugeben.
  • Der Zustandssensor kann als ein mechanischer Sensor, z.B. ein schalter-basierter Sensor, oder als ein kontaktloser Sensor, z.B. ein Hallsensor oder dergleichen, ausgebildet sein.
  • Mit einem solchen Zustandssensor kann z.B. die Position des Sperrelements detektiert werden und die Ansteuerung des Verbindungselements bzw. eine Fehlererkennung entsprechend vorgenommen werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Position des Verbindungselements erfasst werden. Die Informationen über die Zustände des Sperrelements und/oder des Verbindungselements können z.B. an eine Steuereinheit übermittelt werden, welche die Steuersignale für das Sperrelement und das Verbindungselement erzeugt.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung eine Ansteuerelektronik aufweisen, welche ausgebildet sein kann, basierend auf entsprechenden Eingangssignalen das Verbindungselement und/oder das Sperrelement anzusteuern.
  • Die Ansteuerelektronik kann eine passive Schaltung aufweisen, welche z.B. Kondensatoren, Dioden, Spulen und dergleichen aufweist. Steuersignale an den Aktor des Sperrelements bzw. den Aktor des Verbindungselements können über die Ansteuerelektronik an den jeweiligen Aktor weitergeleitet werden. Folglich können mit einer solchen Schaltung z.B. Überspannungen und andere Störungen unterdrückt werden, und bereinigte Steuersignale an den Aktor des Sperrelements bzw. den Aktor des Verbindungselements weitergeleitet werden.
  • Als Eingangssignale der Ansteuerelektronik können z.B. Spannungssignale dienen, also ein Signal mit einem vorgegebenen Spannungswert zum Ansteuern des jeweiligen Aktors. Dabei kann für jeden der Aktoren ein separates Eingangssignal bereitgestellt werden.
  • Es versteht sich, dass die Signale des Zustandssensors von diesem direkt ausgegeben werden können. Alternativ kann die Ansteuerelektronik eine Signalverarbeitung für die Sensorsignale aufweisen und diese ausgeben.
  • In einer Ausführungsform kann die Ansteuerelektronik einen einzelnen Signaleingang aufweisen, über welchen ein einzelnes Steuersignal zum Schließen der elektrischen Verbindung zwischen dem positiven Leistungsanschluss und dem negativen Leistungsanschluss bereitgestellt wird.
  • In einer solchen Ausführungsform kann die Ansteuerelektronik aus dem einzelnen Steuersignal zwei Signale erzeugen, von welchen jeweils eines den Aktor des Sperrelements bzw. den Aktor des Verbindungselements ansteuert. Insbesondere kann die Ansteuerelektronik in dieser Ausführungsform ein Verzögerungsglied aufweisen, welches das Signal für den Aktor des Verbindungselements gegenüber dem Signal für den Aktor des Sperrelements verzögert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Verbindungselement freigegeben wird, bevor dessen Aktor angesteuert wird. Als Verzögerungselement kann z.B. eine Kondensatorschaltung vorgesehen werden, welche den Spannungsanstieg des Signals für den Aktor des Verbindungselements verzögert. Es versteht sich, dass alternativ auch eine digitale Schaltung vorgesehen werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Ansteuerelektronik eine digitale Steuereinheit, z.B. einen Kontroller, aufweisen. Eine solche digitale Steuereinheit kann z.B. die Ansteuerung des Aktors des Sperrelements bzw. des Aktors des Verbindungselements vornehmen und dazu die Signale des Zustandssensors auswerten. Als Eingangssignal der Ansteuerelektronik können analoge Steuersignale, wie oben beschrieben, oder digitale Steuersignale dienen.
  • Digitale Steuersignale können z.B. serielle oder parallele digitale Signale sein. Insbesondere kann die Ansteuerelektronik eine Busschnittstelle aufweisen, über welche digitale Signale ausgetauscht werden können. Eine solche Busschnittstelle kann z.B. als eine CAN-Schnittstelle, eine LIN-Schnittstelle, eine FlexRay-Schnittstelle, eine Netzwerkschnittstelle oder dergleichen ausgebildet sein.
  • Die digitale Steuereinheit kann folglich Steuersignale empfangen und basierend auf den Sensorsignalen den Aktor des Sperrelements bzw. den Aktor des Verbindungselements steuern. Ferner kann die digitale Steuereinheit entsprechende Statusinformationen über die digitale Schnittstelle ausgeben, welche z.B. von einem Steuergerät in einem Fahrzeug ausgewertet werden können.
    • Kurze Figurenbeschreibung
  • Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
    Figur 2
    eine Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
    Figur 3
    eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung gemäß Figur 2,
    Figur 4
    eine Detailansicht eines Ankers eines Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung gemäß Figur 2, und
    Figur 5
    ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltvorrichtung 100. Die Schaltvorrichtung 100 weist einen positiven Leistungsanschluss 101 und einen negativen Leistungsanschluss 102 auf. Ferner weist die Schaltvorrichtung 100 ein Verbindungselement 103 und ein Sperrelement 104 auf.
  • Das Verbindungselement 103 ist in einem zweiten Zustand gezeigt, in welchem es den positiven Leistungsanschluss 101 und den negativen Leistungsanschluss 102 nicht miteinander koppelt. Wird das Verbindungselement 103 in einen ersten Zustand versetzt bzw. bewegt (durch einen Pfeil angedeutet), liegen die zwei Stempel des Verbindungselements 103 jeweils auf dem positiven Leistungsanschluss 101 bzw. dem negativen Leistungsanschluss 102 auf und stellen eine elektrische Verbindung zwischen diesen her.
  • Das Verbindungselement 103 weist an dem den Leistungsanschlüssen 101, 102 gegenüberliegenden Ende eine Ausnehmung 105 auf. In dem dargestellten Zustand liegt ein Ende des Sperrelements 104 in der Ausnehmung 105 und blockiert eine Bewegung des Verbindungselements 103.
  • Um die elektrische Verbindung zwischen dem positiven Leistungsanschluss 101 und dem negativen Leistungsanschluss 102 herzustellen, muss folglich das Sperrelement 104 aus dem Verfahrweg des Verbindungselements 103 entfernt werden (durch einen Pfeil angedeutet). Obwohl in Figur 1 nicht explizit dargestellt, versteht sich, dass ein Aktor für das Sperrelement 104 vorgesehen sein kann, der angesteuert werden kann, um das Sperrelement 104 aus dem Verfahrweg des Verbindungselements 103 zu entfernen bzw. zurückzuziehen.
  • Nachdem eine Bewegung des Verbindungselements 103 freigegeben ist, kann durch einen weiteren (nicht explizit dargestellten) Aktor das Verbindungselement 103 in die erste Position gebracht werden, sodass die Leistungsanschlüsse 101, 102 miteinander elektrisch gekoppelt werden.
  • Es versteht sich, dass die spezifische Ausführung der Leistungsanschlüsse 101, 102, des Verbindungselements 103, des Sperrelements 104 von dem hier gezeigten abweichen kann. In den Figuren 2 - 4 wird eine mögliche Ausgestaltung der Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
  • Figur 2 zeigt eine Aufsicht einer weiteren Schaltvorrichtung 200, bei der die einzelnen Elemente in dem Gehäuse 208 angeordnet sind. In der Schaltvorrichtung 200 wird das Sperrelement durch eine Klinke 210 gebildet, welche durch zwei Federn 211, 212 in Richtung eines Gegenlagers 213 vorgespannt wird. Zwischen dem Gegenlager 213 und den Federn 211, 212 ragt der Anker 216 des Verbindungselements durch eine Ausnehmung in der Klinke 210 hindurch.
  • Der Anker 216 weist an dessen Ende einen Pilzkopf 217 auf. In Figur 2 ist zu sehen, dass eine Kante der Klinke 210 in eine Hinterschneidung des Pilzkopfs 217 hineinragt. Eine Bewegung des Ankers 216 nach unten, also in die Bildebene hinein, wird folglich durch die Klinke 210 formschlüssig verhindert.
  • In der Schaltvorrichtung 200 ist ferner eine Magnetspule 214 derart angeordnet, dass diese bei Bestromung die Klinke 210 aus dem Verfahrweg bzw. der Hinterschneidung des Pilzkopfs 217 herauszieht und damit den Pilzkopf 217 freigibt. Ist die Magnetspule 214 bestromt, kann folglich durch entsprechende Ansteuerung der Magnetspule 225 (siehe Figur 3) der Anker 216 in die erste Position verfahren werden.
  • Zur Ansteuerung der Magnetspule 214 bzw. der Magnetspule 225 sind Anschlussterminals 218, 219, 220, 221 vorgesehen. Über diese Anschlussterminals 218, 219, 220, 221 können z.B. die Magnetspulen 214, 225 direkt angesteuert werden. Alternativ können die Anschlussterminals 218, 219, 220, 221 auch mit einer Steuerelektronik (nicht separat dargestellt) gekoppelt sein. Die Steuerelektronik kann dann die Magnetspulen 214, 225 entsprechend der empfangenen Steuersignale ansteuern.
  • Die Schaltvorrichtung 200 weist ferner einen Zustandssensor 215 auf. Der Zustandssensor 215 dient der Erfassung der Position der Klinke 210. Es versteht sich, dass der Zustandssensor 215 zusätzlich oder alternativ auch die Position des Ankers 216 erfassen kann.
  • Die Information über die Position der Klinke 210 kann z.B. an die oben erwähnte Steuerelektronik übermittelt werden. Dort kann diese Information verarbeitet oder z.B. an ein Steuergerät übermittelt werden. Alternativ kann diese Information auch direkt über die Anschlussterminals 218, 219, 220, 221 ausgegeben werden.
  • Von den vier Anschlussterminals 218, 219, 220, 221 kann z.B. ein Anschlussterminal die Masseverbindung sein, ein weiteres Anschlussterminal kann die Datenleitung des Zustandssensors 215 sein, ein weiteres Anschlussterminal kann die Steuerleitung für die Magnetspule 214 und eines die Steuerleitung für die Magnetspule 225 sein.
  • Ein Steuergerät bzw. eine Steuereinheit (nicht explizit dargestellt) kann die elektrische Verbindung zwischen den Leistungsanschlüssen 201, 202 (siehe Figur 3) folglich schließen, indem sie zuerst die Magnetspule 214 ansteuert, um die Klinke 210 aus dem Verfahrweg des Ankers 216 zu fahren. Danach steuert das Steuergerät die Magnetspule 225 an, um den Anker 216 auf die Leistungsanschlüsse zu pressen (siehe z.B. Figur 3).
  • Figur 3 zeigt eine Schnittansicht der Schaltvorrichtung 200 entlang des in Figur 2 gezeigten Schnitts "E". In der Schnittansicht ist zu erkennen, dass das Gehäuse 208 durch eine Zwischenwand 209 geteilt wird, sodass zwei Kammern 206, 207 gebildet werden. Auf der der Zwischenwand 209 gegenüberliegenden Seite der ersten Kammer 206 liegen die Leistungsanschlüsse 201, 202. In der ersten Kammer 206 ist der Anker 216 mit einer Kontaktbrücke 223 beweglich gelagert, wobei eine Feder 224 zwischen Kontaktbrücke 223 und Zwischenwand 209 angeordnet ist und den Anker 216 umschließt. Die Feder 224 kann auch als sogenannte Prellfeder 224 bezeichnet werden.
  • Bauteile, welche in einem Schütz üblicherweise vorhanden sind, werden in Figur 3 der Übersichtlichkeit halber vereinfacht im Sinne eines Wirkschaltbildes dargestellt. Die Prellfeder 224 kann daher in einer Ausführungsform in ein rechteckiges Metallgehäuse eingehaust sein. Dieses Metallgehäuse kann fest am Anker 216 angebracht sein und auf Höhe der Kontaktbrücke 223 Langlochaussparungen aufweisen. An der Kontaktbrücke 223 befindliche Nasen können in diese Langlöcher eingreifen. Die Kontaktbrücke 223 ist in dieser Ausführungsform also nicht durchgängig fest mit dem Anker verbunden, sondern hat über die in den Langlöchern laufenden Nasen ca. 2 mm Spielraum in Ankerlängsrichtung. Dabei wird sie im Gehäuse durch die Prellfeder vorgespannt. Mit dieser Konstruktion wird das beim Schließen der Kontakte unter hoher Strombelastung auftretende Prellen der Kontakte verhindert bzw. zumindest gedämpft.
  • In der zweiten Kammer 207 ist eine Magnetspule 225 um den Anker 216 herum angeordnet. Eine Ankervorspannfeder, die in Figur 3 aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt ist, kann in der zweiten Kammer 207 mit der Magnetspule 225 untergebracht sein. Diese Ankervorspannfeder kann den Anker 216 innerhalb der Magnetspule 225 umschließen und von der Magnetspule 225 durch eine Schutzhülse getrennt sein.
  • Die Magnetspule 225 ist derart ausgebildet, dass sie den Anker 216 bzw. die Kontaktbrücke 223 auf die Leistungsanschlüsse 201, 202 presst, wenn sie bestromt wird. Wird die Magnetspule 225 nicht bestromt, wird die Kontaktbrücke 223 folglich automatisch zurückgezogen und der elektrische Kontakt zwischen den Leistungsanschlüssen 201, 202 unterbrochen.
  • In der Schnittansicht der Figur 3 ist ferner am Ende des Ankers 216 der Pilzkopf 217 zu erkennen, der in dem dargestellten zweiten Zustand des Ankers 216 durch die Klinke 210 formschlüssig fixiert wird.
  • Der Ausschnitt, welcher den Pilzkopf 217 zeigt, ist in Figur 4 vergrößert dargestellt. Es versteht sich, dass die gezeigten Abmessungen, Winkel und anderen Maße lediglich ein Ausführungsbeispiel beschreiben und dass in anderen Ausführungsbeispielen andere Maße möglich sind.
  • In Figur 4 ist zu erkennen, dass der Pilzkopf 217 kegelförmig ausgebildet ist und einen Kegelwinkel von 70° aufweist. Die Kegelunterseite 226 bildet einen Ring um den Schaft 227 des Ankers 216. Ferner ist zu erkennen, dass die Klinke 210 eine Fläche als Gegenlager 228 für die Kegelunterseite 226 aufweist. Im nicht angesteuerten Zustand der Magnetspule 214 überlappen sich folglich die Kegelunterseite 226 und das Gegenlager 228, so dass eine Bewegung des Ankers 216 in Richtung des Gegenlagers 228 formschlüssig blockiert wird.
  • Die Klinke 210 weist ferner eine schräge Fläche 229 auf, welche sich ausgehend von dem Ende des Gegenlagers 228 derart erstreckt, dass sie mit der Außenoberfläche des Pilzkopfs 217 ein Wirkflächenpaar bildet. Befindet sich der Anker 216 im ersten Zustand und die Klinke 210 im nicht-angesteuerten Zustand, liegt die Außenoberfläche des Pilzkopfs 217 über der schrägen Fläche 229. Wird nun die Bestromung der Magnetspule 225 unterbrochen, bewegt sich der Anker 216 zurück in die zweite Position (beispielsweise auf Grund der durch die oben erwähnte Ankervorspannfeder erzeugten Kraft). Dabei gleiten die Außenoberfläche des Pilzkopfs 217 und die schräge Fläche 229 aneinander vorbei, wobei die Klinke entgegen der Federvorspannung aus dem Verfahrweg des Ankers 216 bzw. des Pilzkopfs 217 gedrückt wird. Passiert die Kegelunterseite 226 die Kante des Gegenlagers 228 bewegt die Federvorspannung die Klinke 210 zurück in Ihre Ausgangsposition.
  • Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den Figuren 1-4 als Referenz beibehalten.
  • Figur 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum gesteuerten Schalten einer elektrischen Verbindung.
  • In einem ersten Schritt S1 des Ansteuerns wird, um die elektrische Verbindung zu schließen, ein Sperrelement 104 zum Freigeben eines Verbindungselements 103 angesteuert. In einem zweiten Schritt S2 des Versetzens S2 wird das Verbindungselement 103 in einen ersten Zustand gesteuert. In diesem ersten Zustand werden der positive Leistungsanschluss 101, 201 und der negative Leistungsanschluss 102, 202 elektrisch miteinander gekoppelt.
  • Um die elektrische Verbindung zu trennen, wird in einem dritten Schritt S3 des Versetzens das Verbindungselement 103 in einen zweiten Zustand versetzt, in welchem der positive Leistungsanschluss 101, 201 und der negative Leistungsanschluss 102, 202 elektrisch voneinander getrennt sind. In einem vierten Schritt S4 des Beendens wird eine Ansteuerung des Sperrelements 104 beendet.
  • Es versteht sich, dass z.B. bei einem Stromausfall oder einem Ausfall des ansteuernden Geräts, der Schritt S4 vor dem Schritt S3 stattfinden kann.
  • Um ein sicheres Verriegeln des Verbindungselements 103 sicherzustellen, kann das Sperrelement 104 ohne eine Ansteuerung formschlüssig in das Verbindungselement 103 eingreifen und dieses blockieren.
  • Beim Ansteuern S3 kann ein beweglich gelagertes Blockadeelement des Sperrelements 104 aus dem Verfahrweg des Verbindungselements 103 herausbewegt werden. Ohne Ansteuerung wird das Blockadeelement in den Verfahrweg des Verbindungselements 103 hineinbewegt.
  • Das Blockadeelement kann z.B. gefedert gelagert werden und mit einer Vorspannkraft in Richtung des Verfahrwegs des Verbindungselements 103 vorgespannt sein. Ein entsprechender Aktor 214 des Sperrelements 104 kann z.B. in einem angesteuerten Zustand das Blockadeelement aus dem Verfahrweg des Verbindungselements 103 bewegen. Im nicht-angesteuerten Zustand kann das Blockadeelement aber dennoch einen Wechsel des Verbindungselements 103 aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand ermöglichen. Ferner kann mit einem Zustandssensor 215 der Zustand des Verbindungselements 103 und/oder des Sperrelements 104 erfasst werden und ein entsprechendes Sensorsignal ausgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Ansteuerelektronik basierend auf entsprechenden Eingangssignalen das Verbindungselement 103 und/oder das Sperrelement 104 ansteuern.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 100,200
    Schaltvorrichtung
    101, 201
    positiver Leistungsanschluss
    102, 202
    negativer Leistungsanschluss
    103
    Verbindungselement
    104
    Sperrelement
    105
    Ausnehmung
    206, 207
    Kammer
    208
    Gehäuse
    209
    Zwischenwand
    210
    Klinke
    211,212
    Feder
    213
    Gegenlager
    214
    Magnetspule
    215
    Zustandssensor
    216
    Anker
    217
    Pilzkopf
    218, 219, 220, 221
    Anschlussterminal
    E
    Schnittlinie
    223
    Kontaktbrücke
    224
    Feder
    225
    Magnetspule
    226
    Kegelunterseite
    227
    Schaft
    228
    Gegenlager
    229
    schräge Fläche
    S1, S2, S3, S4
    Verfahrensschritte

Claims (14)

  1. Schaltvorrichtung (100, 200) zum gesteuerten Schalten einer elektrischen Verbindung, mit einem positiven Leistungsanschluss (101, 201) und einem negativen Leistungsanschluss (102, 202),
    einem Verbindungselement (103), welches ausgebildet ist, steuerbar in einem ersten Zustand den positiven Leistungsanschluss (101, 201) und den negativen Leistungsanschluss (102, 202) elektrisch miteinander zu koppeln und in einem zweiten Zustand den positiven Leistungsanschluss (101, 201) und den negativen Leistungsanschluss (102, 202) elektrisch voneinander zu trennen, und
    einem Sperrelement (104), welches ausgebildet ist, in einem nicht-angesteuerten Zustand das Verbindungselement (103) im zweiten Zustand zu blockieren, und in einem angesteuerten Zustand das Verbindungselement (103) freizugeben,
    wobei das Verbindungselement (103) einen federbelasteten Anker (216) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anker an einem ersten Ende eine Kontaktbrücke (223) zum Verbinden des positiven Leistungsanschlusses (101, 201) und des negativen Leistungsanschlusses (102, 202) aufweist, und welcher an einem zweiten Ende eine Hinterschneidung, insbesondere einen Pilzkopf (217), aufweist, wobei die Federkraft ausgebildet ist, den Anker (216) in den zweiten Zustand zu bewegen, in welchem der positive Leistungsanschluss (101, 201) und der negative Leistungsanschluss (102, 202) elektrisch voneinander getrennt sind,
    wobei das Sperrelement (104) eine federbelastete Klinke (210) aufweist, welche durch die Federkraft in Richtung des Pilzkopfs (217) vorgespannt ist und ausgebildet ist, im nicht-angesteuerten Zustand des Sperrelements (104) den Pilzkopf (217) formschlüssig zu kontaktieren und zu blockieren, und
    wobei das Sperrelement (104) einen Elektromagneten aufweist, welcher ausgebildet ist, im angesteuerten Zustand die Klinke (210) aus dem Verfahrweg des Pilzkopfs (217) zu ziehen.
  2. Schaltvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1, wobei das Sperrelement (104) zum Sperren des Verbindungselements (103) formschlüssig in das Verbindungselement (103) eingreift und dieses blockiert.
  3. Schaltvorrichtung (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sperrelement (104) ein beweglich gelagertes Blockadeelement aufweist, welches gesteuert in den Verfahrweg des Verbindungselements (103) hineinbewegbar und/oder aus dem Verfahrweg des Verbindungselements (103) herausbewegbar ist.
  4. Schaltvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 3, wobei das Blockadeelement gefedert gelagert ist und mit einer Vorspannkraft in Richtung des Verfahrwegs des Verbindungselements (103) vorgespannt ist.
  5. Schaltvorrichtung (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche 3 und 4, wobei das Sperrelement (104) einen Aktor (214) aufweist, welcher ausgebildet ist, in einem angesteuerten Zustand das Blockadeelement aus dem Verfahrweg des Verbindungselements (103) zu bewegen.
  6. Schaltvorrichtung (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Blockadeelement derart ausgebildet ist, dass es im nicht-angesteuerten Zustand einen Wechsel des Verbindungselements (103) aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand ermöglicht.
  7. Schaltvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1, wobei der Pilzkopf (217) derart ausgebildet ist, dass sich eine Spitze des Pilzkopfs (217) bei einer Bewegung des Ankers (216) von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand an der Klinke (210) vorbei bewegt und eine zur Bewegungsrichtung schräge Außen-Oberfläche des Pilzkopfs (217) die Klinke (210) zurückschiebt, wenn sich die Klinke (210) im nicht-angesteuerten Zustand befindet.
  8. Schaltvorrichtung (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Zustandssensor (215), welcher ausgebildet ist, den Zustand des Verbindungselements (103) und/oder des Sperrelements (104) zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal auszugeben.
  9. Schaltvorrichtung (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Ansteuerelektronik, welche ausgebildet ist, basierend auf entsprechenden Eingangssignalen das Verbindungselement (103) und/oder das Sperrelement (104) anzusteuern.
  10. Verfahren zum gesteuerten Schalten einer elektrischen Verbindung, aufweisend die Schritte:
    Ansteuern (S1) eines Sperrelements (104) zum Freigeben eines Verbindungselements (103) und Versetzen (S2) des Verbindungselements (103) in einen ersten Zustand, in welchem ein positiver Leistungsanschluss (101, 201) und ein negativer Leistungsanschluss (102, 202) elektrisch miteinander gekoppelt werden, um die elektrische Verbindung zu schließen, und
    Versetzen (S4) des Verbindungselements (103) in einen zweiten Zustand, in welchem der positive Leistungsanschluss (101, 201) und der negative Leistungsanschluss (102, 202) elektrisch voneinander getrennt sind und Beenden (S3) der Ansteuerung des Sperrelements (104), um die elektrische Verbindung zu trennen, wobei das Verbindungselement (103) einen federbelasteten Anker (216) aufweist, welcher an einem ersten Ende eine Kontaktbrücke (223) zum Verbinden des positiven Leistungsanschlusses (101, 201) und des negativen Leistungsanschlusses (102, 202) aufweist, und welcher an einem zweiten Ende eine Hinterschneidung, insbesondere einen Pilzkopf (217), aufweist, wobei die Federkraft ausgebildet ist, den Anker (216) in den zweiten Zustand zu bewegen, in welchem der positive Leistungsanschluss (101, 201) und der negative Leistungsanschluss (102, 202) elektrisch voneinander getrennt sind,
    wobei das Sperrelement (104) eine federbelastete Klinke (210) aufweist, welche durch die Federkraft in Richtung des Pilzkopfs (217) vorgespannt ist und ausgebildet ist, im nicht-angesteuerten Zustand des Sperrelements (104) den Pilzkopf (217) formschlüssig zu kontaktieren und zu blockieren, und
    wobei das Sperrelement (104) einen Elektromagneten aufweist, welcher ausgebildet ist, im angesteuerten Zustand die Klinke (210) aus dem Verfahrweg des Pilzkopfs (217) zu ziehen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Sperrelement (104) ohne eine Ansteuerung formschlüssig in das Verbindungselement (103) eingreift und dieses blockiert.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-11,
    wobei ein beweglich gelagertes Blockadeelement des Sperrelements (104) beim Ansteuern aus dem Verfahrweg des Verbindungselements (103) herausbewegt wird und/oder ohne Ansteuerung in den Verfahrweg des Verbindungselements (103) hineinbewegt wird,
    wobei das Blockadeelement insbesondere gefedert gelagert wird und mit einer Vorspannkraft in Richtung des Verfahrwegs des Verbindungselements (103) vorgespannt wird, und wobei ein Aktor (214) des Sperrelements (104) in einem angesteuerten Zustand das Blockadeelement aus dem Verfahrweg des Verbindungselements (103) bewegt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12,
    wobei das Blockadeelement im nicht-angesteuerten Zustand einen Wechsel des Verbindungselements (103) aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand ermöglicht.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13,
    wobei mit einem Zustandssensor (215) der Zustand des Verbindungselements (103) und/oder des Sperrelements (104) erfasst wird und ein entsprechendes Sensorsignal ausgegeben wird; und/oder
    wobei eine Ansteuerelektronik basierend auf entsprechenden Eingangssignalen das Verbindungselement (103) und/oder das Sperrelement (104) ansteuert.
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