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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung und ein Fahrzeug mit einer entsprechenden Vorrichtung.
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In elektrisch betriebenen Fahrzeugen werden zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen z.B. einer Hochvoltbatterie und einem Bordnetz üblicherweise sogenannte Schütze eingesetzt. Aus Gründen der Sicherheit und um eine Selbstentladung der Hochvoltbatterie zu vermeiden, besteht die Anforderung, die Hochvoltbatterie im inaktiven Zustand von dem Bordnetz zu trennen. Eine Trennung der elektrischen Verbindung soll ferner auch während des Betriebs - z.B. im Fehlerfall - möglich sein.
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Aus der
CN 2 01 985 046 U ist ein Schütz bekannt, welches einen Elektromotor zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung nutzt.
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Es stellt sich das technische Problem, eine Vorrichtung und ein Fahrzeug zu schaffen, welche die Sicherheit sowie die energetische Effizienz beim Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung verbessern.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung, umfassend:
- mindestens ein Kontaktelement zum Kontaktieren eines elektrischen Leiters,
- mindestens eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des mindestens einen Kontaktelements von einer Ruheposition in eine Kontaktposition,
- mindestens ein Arretierelement zum Arretieren des mindestens einen Kontaktelements in der Kontaktposition,
- mindestens einen Aktor zum Betätigen des mindestens einen Arretierelements,
- mindestens ein Federelement, wobei das mindestens eine Federelement in der Ruheposition entspannt ist und in der Kontaktposition vorgespannt ist,
wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, mit Hilfe der mindestens einen Antriebseinrichtung das mindestens eine Kontaktelement von der Ruheposition in die Kontaktposition zu bewegen, um die elektrische Verbindung in der Kontaktposition herzustellen, wobei die Vorrichtung ferner dazu ausgebildet ist, mit Hilfe des mindestens einen Aktors die Arretierung des mindestens einen Kontaktelements zu lösen, wobei sich das mindestens eine Kontaktelement aufgrund der Vorspannung des mindestens einen Federelements von der Kontaktposition zurück in die Ruheposition bewegt, um die elektrische Verbindung zu trennen.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Vorrichtung gemäß einer in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsform. Das Fahrzeug kann z.B. ein PKW, ein LKW oder ein Kraftrad sein. Das Fahrzeug kann alternativ ein Schienen-, Luftfahrt- oder Wasserfahrzeug sein. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Selbstverständlich treffen die im Folgenden für die Vorrichtung genannten technischen Effekte und Vorteile ebenso auf das Fahrzeug zu.
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Die Vorrichtung hat mehrere technische Effekte und Vorteile. Zum einen muss die Antriebseinrichtung nach der Arretierung des Kontaktelements keine Antriebskraft aufbringen, um das Kontaktelement in der Kontaktposition zu halten. Dies verbessert die energetische Effizienz, da die Antriebseinrichtung in der Kontaktposition z.B. stromlos geschaltet werden kann. Zum anderen verbessert die Vorrichtung die Sicherheit beim Trennen der elektrischen Verbindung, da das Kontaktelement aufgrund des vorgespannten Federelements schnell aus der Kontaktposition zurück in die Ruheposition bewegt werden kann. Hierbei wird die Antriebseinrichtung für das Lösen der Arretierung nicht benötigt, da die Arretierung mit Hilfe des Aktors gelöst wird. Die Vorrichtung hat zum Vorteil, dass die elektrische Verbindung reversibel hergestellt und getrennt werden kann und eine Notabschaltung z.B. auch unter Last möglich ist.
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Die Vorrichtung ist insbesondere Teil eines Fahrzeugbordnetzes. Die Vorrichtung kann z.B. zwischen einer Hochvoltbatterie und einem Verbraucher des Fahrzeugs angeordnet sein. Der Verbraucher kann z.B. ein Traktionsmotor des Fahrzeugs sein. Die Vorrichtung kann auch als Schütz oder Schalter bezeichnet werden. Die Vorrichtung dient z.B. zum Ein- oder Ausschalten des Verbrauchers. In der Kontaktposition ist die elektrische Verbindung hergestellt, so dass z.B. der Verbraucher in der Kontaktposition mit Strom aus der Hochvoltbatterie versorgt werden kann. Die Kontaktposition kann daher auch als Einschaltposition bezeichnet werden. In der Ruheposition ist die elektrische Verbindung hingegen getrennt, sodass z.B. der Verbraucher in der Ruheposition nicht mit Strom aus der Hochvoltbatterie versorgt werden kann und die Hochvoltbatterie von dem Bordnetz entkoppelt ist. Die Ruheposition kann daher auch als Ausschaltposition bezeichnet werden.
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Der elektrische Leiter kann z.B. eine elektrische Leitung von der Hochvoltbatterie zu dem Verbraucher ausbilden oder ein Teil einer solchen elektrischen Leitung sein. Der elektrische Leiter kann insbesondere als ein Phasenleiter oder Neutralleiter ausgebildet sein, wenn der geleitete Strom z.B. Wechselstrom ist.
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Das Kontaktelement kann als eine Kontaktbrücke ausgebildet sein. Das Kontaktelement kann in der Kontaktposition z.B. zwei freie Enden des elektrischen Leiters elektrisch miteinander verbinden, um die elektrische Verbindung herzustellen. Das Kontaktelement kann in der Kontaktposition Teil der elektrischen Verbindung sein. Alternativ kann das Kontaktelement in der Kontaktposition einen Teil des elektrischen Leiters derart anordnen - z.B. durch eine Verformung des elektrischen Leiters - dass die elektrische Verbindung zwischen den freien Enden des elektrischen Leiters hergestellt wird, ohne dass das Kontaktelement Teil der elektrischen Verbindung ist. In diesem Fall kann das Kontaktelement als ein sogenannter Klappanker ausgebildet sein.
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Die Antriebseinrichtung kann als ein Elektromotor, insbesondere als ein Schrittmotor oder Servomotor ausgebildet sein. Mit Hilfe des Schrittmotors oder des Servomotors kann eine besonders genaue Positionierung des Kontaktelements erreicht werden. Der Servomotor ermöglicht insbesondere eine besonders hohe Einschaltgeschwindigkeit - d.h. eine besonders hohe Geschwindigkeit bei der Bewegung des Kontaktelements von der Ruheposition in die Kontaktposition. Die Antriebseinrichtung kann mit einer Niederspannung, insbesondere einer 12 Volt-Spannung, betrieben werden. Die Antriebseinrichtung kann das Kontaktelement z.B. über ein Getriebe antreiben. Mittels des Getriebes kann z.B. eine Rotationsbewegung der Antriebseinrichtung in eine lineare Bewegung des Kontaktelements umgewandelt werden. Das Getriebe kann z.B. mindestens ein Zahnrad und mindestens eine Zahnstangen aufweisen. Das Zahnrad kann z.B. auf einer Welle der Antriebseinrichtung angeordnet sein, wobei zwischen dem Zahnrad und dem Kontaktelement die Zahnstange angeordnet ist. Das Kontaktelement und die Zahnstange können auch ein zusammenhängendes Bauteil ausbilden. Das Getriebe kann insbesondere als zweistufiges Getriebe ausgebildet sein. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.
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Das Federelement ist insbesondere mechanisch federnd ausgebildet. Das Federelement kann z.B. eine Spiralfeder sein oder umfassen. Alternativ kann das Federelement pneumatisch oder magnetisch federnd ausgebildet sein. Auch andere Federmechanismen sind möglich. Das Federelement kann mit Hilfe der Antriebseinrichtung vorgespannt werden. Das Federelement ist insbesondere dazu ausgebildet, potentielle Energie in Form der Vorspannung zu speichern, um diese beim Lösen der Arretierung in die Bewegung des Kontaktelements von der Kontaktposition in die Ruheposition umzuwandeln. Das Federelement kann z.B. zwischen dem Kontaktelement oder der Zahnstange und einer Stütze der Vorrichtung angeordnet sein.
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Das Arretierelement kann als eine Metallfeder mit Arretierpin ausgebildet sein. Das Arretierelement kann aus ferromagnetischem Material bestehen oder dieses aufweisen. In der Kontaktposition kann das Arretierelement, insbesondere der Arretierpin, in eine dafür vorgesehene Rastkerbe einrasten, um die Arretierung des Kontaktelements herzustellen. Die Position des Arretierelements nach dem Einrasten kann auch als Rastposition des Arretierelements bezeichnet werden. Beispielsweise kann das Kontaktelement oder die Zahnstange die Rastkerbe aufweisen. In der Ruheposition kann das Kontaktelement oder die Zahnstange z.B. relativ zu dem Arretierelement versetzt angeordnet sein, sodass das Arretierelement nicht in die Rastkerbe einrasten kann. Auch andere Mechanismen der Arretierung sind möglich.
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Der Aktor kann als eine elektromagnetische Spule ausgebildet sein. Insbesondere kann die elektromagnetische Spule in Verbindung mit dem Arretierelement, weiter insbesondere mit dem zuvor erläuterten ferromagnetischen Material, elektromagnetisch interagieren. Der Aktor kann mit einer Niederspannung, insbesondere einer 12 Volt-Spannung, betrieben werden. Der Aktor kann das Arretierelement über eine Aktorkraft betätigen. Die Aktorkraft kann insbesondere eine elektromagnetische Aktorkraft sein. Der Aktor weist insbesondere eine geringere Leistungsaufnahme als die Antriebseinrichtung auf. Die zum Betätigen des Arretierelements benötigte Aktorkraft kann z.B. geringer als eine zum Bewegen des Kontaktelements benötigte Antriebskraft der Antriebseinrichtung sein. Der Aktor kann daher kleiner dimensioniert sein.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, dass der mindestens eine Aktor die Arretierung über eine Aktorkraft herstellt und aufrechterhält, wobei die Arretierung erst gelöst wird, wenn der mindestens eine Aktor das mindestens eine Arretierelement nicht mehr über die Aktorkraft betätigt. Auf diese Weise kann die Arretierung nur hergestellt und aufrechterhalten werden, wenn der Aktor die Aktorkraft aufbringen kann. Dies erhöht die Sicherheit, da im Fehlerfall - z.B. bei Ausfall der Stromzufuhr des Aktors - die Arretierung erst gar nicht hergestellt werden kann oder aber die Arretierung sofort gelöst wird und die elektrische Verbindung sicher getrennt wird. Die Vorrichtung ist somit insbesondere dazu ausgebildet, dass der mindestens eine Aktor die Arretierung ohne die Aktorkraft löst.
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In einer Ausführungsform ist zwischen der mindestens einen Antriebseinrichtung und dem mindestens einen Kontaktelement mindestens ein Getriebe angeordnet, wobei das mindestens eine Getriebe ein variables Übersetzungsverhältnis aufweist. Mit Hilfe des Getriebes kann z.B. eine Antriebskraft und eine Antriebsgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung in eine Stellkraft und eine Stellgeschwindigkeit übersetzt werden. Durch das variable Übersetzungsverhältnis kann das Federelement effektiv vorgespannt werden. Aufgrund des variablen Übersetzungsverhältnisses können die Stellkraft und die Stellgeschwindigkeit z.B. entlang eines Stellwegs variiert werden. Der Stellweg kann z.B. der Weg des Kontaktelements von der Ruheposition in die Kontaktposition sein oder zumindest ein Teilweg entlang dieses Wegs sein. Durch das variable Übersetzungsverhältnis kann die Stellkraft z.B. in Abhängigkeit einer Rückstellkraft des Federelements variiert werden. Ein Verlauf der Rückstellkraft des Federelements entlang des Stellwegs kann nichtlinear sein und z.B. aus Versuchen vorbekannt sein. Um das variable Übersetzungsverhältnis zu ermöglichen, kann ein Abstand der Zähne zueinander z.B. entlang der Zahnstange variieren. Dies kann auch als Zahnteilung bezeichnet werden - wobei ein hoher Zahnabstand zu einer geringen Zahnteilung und geringer Zahnabstand zu einer hohen Zahnteilung führt. Das variable Übersetzungsverhältnis kann sich insbesondere entlang des Stellwegs stetig verändern.
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In einer Ausführungsform variiert das Übersetzungsverhältnis des mindestens einen Getriebes, insbesondere beim Herstellen einer elektrische Verbindung, von gering zu hoch. Dies verkürzt eine zum Herstellen der elektrischen Verbindung benötigte Zeitdauer - diese Zeitdauer kann auch als Einschaltzeit bezeichnet werden. Durch den geringen Wert des Übersetzungsverhältnisses zu Beginn des Stellwegs kann eine hohe Stellgeschwindigkeit bei entsprechend geringer Stellkraft erreicht werden. Zum Ende des Stellwegs kann die Rückstellkraft des Federelements jedoch zunehmen, sodass in diesem Bereich des Stellwegs aufgrund des hohen Werts des Übersetzungsverhältnisses die Stellkraft zunimmt und die Stellgeschwindigkeit entsprechend abnimmt. Das geringe Übersetzungsverhältnis kann z.B. durch eine geringe Zahnteilung erreicht werden. Das hohe Übersetzungsverhältnis kann z.B. durch eine hohe Zahnteilung erreicht werden. Selbstverständlich kann das Übersetzungsverhältnis beim Trennen der elektrischen Verbindung von hoch zu gering variieren.
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In einer Ausführungsform ist zwischen der mindestens einen Antriebseinrichtung und dem mindestens einen Kontaktelement mindestens eine Kontaktfeder angeordnet, wobei die mindestens eine Kontaktfeder in der Kontaktposition derart vorgespannt ist, dass das mindestens eine Kontaktelement den elektrischen Leiter mit einer Kontaktkraft kontaktiert. Durch die Kontaktfeder kann eine definierte Kontaktkraft erzeugt werden, sodass die elektrische Verbindung mit einem besonders geringen Kontaktwiderstand hergestellt werden kann. Dies reduziert elektrische Verluste in dem elektrischen Leiter und verbessert somit die energetische Effizienz. Die Kontaktfeder kann z.B. als Spiralfeder ausgebildet sein. Die Kontaktfeder kann z.B. zwischen der Antriebseinrichtung oder der Zahnstange und dem Kontaktelement angeordnet sein. Die Kontaktfeder kann mit Hilfe der Antriebseinrichtung vorgespannt werden. Die Kontaktkraft kann z.B. einen Wert von 10 Newton bis 20 Newton aufweisen. Beispielsweise kann die Kontaktfeder in der Kontaktposition die Kontaktkraft auf das Kontaktelement ausüben, wobei das Kontaktelement mit der Kontaktkraft z.B. auf die freien Enden des elektrischen Leiters gedrückt wird.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, das mindestens eine Kontaktelement mit Hilfe der mindestens einen Antriebseinrichtung von der Kontaktposition in die Ruheposition zu bewegen, um die elektrische Verbindung zu trennen. Auf diese Weise besteht einerseits eine Rückfalloption zum Trennen der elektrischen Verbindung, z.B. im Fall eines Bruchs des Federelements. Andererseits kann die Antriebseinrichtung das Trennen der elektrischen Verbindung zusätzlich unterstützen, z.B. als eine zusätzliche Trennkraft zur Rückstellkraft des Federelements. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es zu Mikroverschweißungen zwischen dem elektrischen Leiter und dem Kontaktelement kommt, die durch die zusätzliche Trennkraft aufgebrochen werden können. Die Antriebseinrichtung kann das Kontaktelement durch eine Bewegung von der Kontaktposition in die Ruheposition bewegen, die der Bewegung von der Ruheposition in die Kontaktposition entgegengerichtet ist.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens ein Blechpaket und/oder mindestens einen Blasmagneten zur Lichtbogenlöschung auf. Auf diese Weise kann ein Lichtbogen, der beim Trennen der elektrischen Verbindung z.B. zwischen dem elektrischen Leiter und dem Kontaktelement entstehen kann, sicher und effizient gelöscht werden. Das Blechpaket und/oder der Blasmagnet kann/können an das mindestens eine Kontaktelement angrenzend angeordnet sein. Das Blechpaket kann eine Mehrzahl von Blechen aufweisen. Auf diese Weise kann der bei der Stromtrennung entstehende Lichtbogen in mehrere Teillichtbögen aufgespalten werden. Das Blechpaket kann ein elektrisch leitendes und/oder ein wärmeleitendes Material, insbesondere mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1400°C, aufweisen. Auf diese Weise kann dem Lichtbogen möglichst viel Energie entzogen werden. Durch die Aufspaltung des Lichtbogens im Blechpaket kann dieser gelöscht werden und somit seine schädliche Wirkung verlieren. Der Blasmagnet kann als eine elektromagnetische Spule oder als ein Permanentmagnet ausgebildet sein. Mit Hilfe des Blasmagneten kann ein Magnetfeld erzeugt werden. Der Blasmagnet ist insbesondere derart angeordnet, dass das erzeugte Magnetfeld senkrecht zu einem Lichtbogen wirkt, der sich zwischen dem elektrischen Leiter und dem Kontaktelement bildet. Insbesondere kann der Blasmagnet relativ zu dem Blechpaket derart angeordnet sein, dass der Lichtbogen durch das Magnetfeld in das Blechpaket getrieben wird. Dies löscht den Lichtbogen besonders effizient.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens ein weiteres Kontaktelement zum Kontaktieren eines weiteren elektrischen Leiters, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, dass mit Hilfe der mindestens einen Antriebseinrichtung das mindestens eine Kontaktelement und das mindestens eine weitere Kontaktelement angetrieben wird. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Antriebseinrichtung eine elektrische Verbindung an zwei separaten elektrischen Leitern hergestellt werden. Insbesondere kann die elektrische Verbindung mit Hilfe der Antriebseinrichtung an beiden Leitern gleichzeitig hergestellt oder getrennt werden. Das mindestens eine Kontaktelement kann in diesem Fall auch als das mindestens eine erste Kontaktelement bezeichnet werden. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung ein Zahnrad aufweisen, welches das erste Kontaktelement über eine erste Zahnstange und das weitere Kontaktelement über eine weitere Zahnstange antreibt. Der elektrische Leiter kann im Betrieb ein höheres elektrisches Potential als der weitere elektrische Leiter aufweisen. Die Vorrichtung kann ferner umfassen:
- mindestens ein weiteres Arretierelement zum Arretieren des mindestens einen weiteren Kontaktelements in einer weiteren Kontaktposition,
- mindestens einen weiteren Aktor zum Betätigen des mindestens einen weiteren Arretierelements,
- mindestens ein weiteres Federelement, wobei das mindestens eine weitere Federelement in einer weiteren Ruheposition entspannt ist und in der weiteren Kontaktposition vorgespannt ist.
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Die Vorrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, mit Hilfe der mindestens einen Antriebseinrichtung das mindestens eine weitere Kontaktelement aus der weiteren Ruheposition in die weitere Kontaktposition zu bewegen, um die elektrische Verbindung herzustellen. Weiter kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, mit Hilfe des mindestens einen weiteren Aktors die Arretierung des mindestens einen weiteren Kontaktelements zu lösen, wobei sich das mindestens eine weitere Kontaktelement aufgrund der Vorspannung des mindestens einen weiteren Federelements von der weiteren Kontaktposition zurück in die weitere Ruheposition bewegt, um die elektrische Verbindung zu trennen.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, dass mit Hilfe des mindestens einen Arretierelements das mindestens eine Kontaktelement und das mindestens eine weitere Kontaktelement arretiert wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Arretierung beider Kontaktelemente gleichzeitig hergestellt und gelöst werden kann. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, dass mit Hilfe des mindestens einen Aktors die Arretierung des mindestens einen Kontaktelements und des mindestens einen weiteren Kontaktelements gelöst wird. Das Arretierelement kann sich z.B. über beide Kontaktelemente oder die im Getriebe genutzten Zahnstangen erstrecken, um beide Kontaktelemente gleichzeitig arretieren zu können. Das Arretierelement kann in diesem Fall als eine Arretierbrücke ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung in einer Kontaktposition,
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung in einer Ruheposition und
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines zweistufigen Getriebes der Vorrichtung.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines als PKW ausgebildeten Fahrzeugs 200 mit einer Vorrichtung 100 zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Hochvoltbatterie 210 des Fahrzeugs 200 und einem Traktionsmotor 220 des Fahrzeugs 200.
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Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 100 befindet sich in einer Kontaktposition, d.h. die elektrische Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie 210 und dem Traktionsmotor 220 ist hergestellt.
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Die Vorrichtung 100 umfasst ein als Kontaktbrücke ausgebildetes Kontaktelement 10 zum Kontaktieren eines elektrischen Leiters 60. Der elektrische Leiter 60 verbindet z.B. einen Minuspol (durch Minuszeichen gekennzeichnet) der Hochvoltbatterie 210 mit einem Anschluss (nicht dargestellt) des Traktionsmotors 220 elektrisch. Der elektrische Leiter 60 weist zwei freie Enden 61, 62 auf, welche mittels des Kontaktelements 10 kontaktiert werden, um die elektrische Verbindung herzustellen.
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Die Vorrichtung 100 umfasst ferner ein weiteres Kontaktelement 11 zum Kontaktieren eines weiteren elektrischen Leiters 70. Der elektrische Leiter 70 verbindet z.B. einen Pluspol (durch Pluszeichen gekennzeichnet) der Hochvoltbatterie 210 mit einem Anschluss (nicht dargestellt) des Traktionsmotors 220 elektrisch.
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Mit Hilfe einer als Schrittmotor ausgebildeten Antriebseinrichtung 20 können die Kontaktelemente 10, 11 von einer Ruheposition in die Kontaktposition bewegt werden, um die elektrische Verbindung herzustellen.
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Zwischen der Antriebseinrichtung 20 und den Kontaktelementen 10, 11 ist ein Getriebe angeordnet. Das Getriebe weist ein Zahnrad 90 und zwei Zahnstangen 91, 93 auf. Das Zahnrad 90 ist z.B. auf einer Welle der Antriebseinrichtung 20 angeordnet. Zwischen dem Zahnrad 90 und den Kontaktelementen 10, 11 sind die Zahnstangen 91, 93 angeordnet. Mittels des Getriebes kann somit eine Rotationsbewegung der Antriebseinrichtung 20 in eine lineare Bewegung der Kontaktelemente 10, 11 umgewandelt werden.
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Durch die lineare Bewegung der Kontaktelemente 10, 11 von der Ruheposition in die Kontaktposition werden zwei als Spiralfedern ausgebildete Federelemente 50, 51 der Vorrichtung 100 vorgespannt. Die Federelemente 50, 51 sind zwischen den jeweiligen Zahnstangen 91, 93 und zugehörigen Stützen 105, 106 angeordnet. Die Funktion der Federelemente 50, 51 wird im Folgenden noch näher erläutert.
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Das Getriebe weist insbesondere ein variables Übersetzungsverhältnis auf (nicht dargestellt), um z.B. eine Stellkraft der Kontaktelemente 10, 11 in Abhängigkeit einer Rückstellkraft der Federelemente 50, 51 zu variieren.
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In der Kontaktposition werden die Kontaktelemente 10, 11 jeweils durch ein als Metallfeder ausgebildetes Arretierelement 30, 31 der Vorrichtung 100 arretiert, sodass die Kontaktelemente 10, 11 in der Kontaktposition positioniert bleiben und die Antriebseinrichtung 20 stromlos geschaltet werden kann. Hierzu rasten die Arretierelemente 30, 31 z.B. jeweils mit einem Arretierpin (in Fig. 1 das jeweilige freie Ende der Arretierelemente 30, 31) in eine dafür vorgesehene Rastkerbe 92, 94 ein. Diese Position der Arretierelemente 30, 31 kann auch als Rastposition der Arretierelemente 30, 31 bezeichnet werden. Die Rastkerben 92, 94 können in den jeweiligen Zahnstangen 91, 93 vorgesehen sein.
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Um die in Fig. 1 gezeigten Arretierelemente 30, 31 zu betätigen, umfasst die Vorrichtung 100 zwei als Spulen ausgebildete Aktoren 40, 41. Die Arretierelemente 30, 31 können durch das Betätigen in die Rastposition einrasten (dies ist in Fig. 1 dargestellt). Die Aktoren 40, 41 können die jeweilige Arretierung der Kontaktelemente 10, 11 somit über eine elektromagnetische Aktorkraft betätigen und auf diese Weise die Arretierung herstellen und aufrechterhalten. Insbesondere hält die Aktorkraft die Arretierelemente 30, 31 solange in der Rastposition wie die Hochvoltbatterie 210 elektrisch mit dem Traktionsmotor 220 verbunden sein soll. Die als Metallfedern ausgebildeten Arretierelemente 30, 31 sind während der Arretierung somit mit einer Rückstellkraft vorgespannt. Die Arretierung kann gelöst werden, indem die Aktoren 40, 41 nicht mehr bestromt werden und somit die Arretierpins der Arretierelemente 30, 31 nicht mehr in die Rastkerbe gedrückt werden. Die Rückstellkraft der als Metallfedern ausgebildeten Arretierelemente 30, 31 lässt die Arrteripins dann aus den Rastkerben 92, 94 ausrasten. Die Arretierung der Kontaktelemente 10, 11 wird somit mit Hilfe der Aktoren 40, 41 hergestellt und mit Hilfe der Rückstellkraft der Arretierelemente 30, 31 gelöst. Es ist auch eine umgekehrte Wirkweise möglich, in welcher die Arretierung der Kontaktelemente 10, 11 mit Hilfe der Rückstellkraft der Arretierelemente 30, 31 hergestellt wird und mit Hilfe der Aktoren 40, 41 gelöst wird.
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Die zuvor erläuterte Vorspannung der Federelemente 50, 51 wird dazu genutzt, um die Kontaktelemente 10, 11 nach dem Lösen der Arretierung schnell von der Kontaktposition zurück in die Ruheposition zu bewegen. Für die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform, bei der die Aktoren 40, 41 bestromt bleiben, um die Arretierung aufrecht zu erhalten, muss zum Trennen der elektrischen Verbindung somit weder der Aktor 40, 41 noch die Antriebseinrichtung 20 bestromt werden. Dies erhöht die Sicherheit der Vorrichtung 100, da das Trennen der elektrischen Verbindung z.B. auch bei einem Ausfall der Stromzufuhr, z.B. durch Kabelbruch, funktioniert.
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Ferner ist zwischen der Antriebseinrichtung 20 und den Kontaktelementen 10, 11 jeweils eine als Spiralfeder ausgebildete Kontaktfeder 80, 81 angeordnet. In der Kontaktposition sind die Kontaktfedern 80, 81 zwischen den Zahnstangen 91, 93 und den Kontaktelementen 10, 11 derart vorgespannt, dass die Kontaktelemente 10, 11 die freien Enden 61, 62, 71, 72 der elektrischen Leiter 60, 70 jeweils mit einer definierten Kontaktkraft von z.B. 15 Newton kontaktieren. Dies verringert einen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den elektrischen Leitern 60, 70 und den jeweiligen Kontaktelementen 10, 11 derart, dass elektrische Verluste bei der Energieübertragung gering gehalten werden können.
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Die Kontaktelemente 10, 11 können auch mit Hilfe der Antriebseinrichtung 20 von der Kontaktposition in die Ruheposition bewegt werden, wenn die elektrische Verbindung z.B. mit einer zusätzlichen Trennkraft getrennt werden soll. Es kann beispielsweise vorkommen, dass zwischen den Kontaktelementen 10, 11 und den freien Enden 61, 62, 71, 72 der elektrischen Leiter 60, 70 Mikroverschweißungen entstehen. Die können mit der zusätzlichen Trennkraft der Antriebseinrichtung 20 aufgebrochen werden.
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Die Vorrichtung 100 kann ein Blechpaket (nicht dargestellt) und/oder einen Blasmagneten (nicht dargestellt) aufweisen, die etwaige Lichtbögen zwischen den freien Enden 61, 62, 71, 72 der elektrischen Leiter 60, 70 und den Kontaktelementen 10, 11 beim Trennen der elektrischen Verbindung löschen können. Dies schützt die Vorrichtung 100 vor Beschädigungen.
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Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 100 umfasst zudem ein Gehäuse 110, welches die zuvor erwähnten Komponenten der Vorrichtung 100 umhaust. Hierbei sind die mittels der Kontaktelemente 10, 11 kontaktierbaren freien Enden 61, 62, 71, 72 der elektrischen Leiter 60, 70 in dem Gehäuse 110 angeordnet. Das Gehäuse 110 weist vier elektrische Anschlüsse 111, 112, 113, 114 auf, um die Vorrichtung 100 in einem vormontierten Zustand in das Fahrzeug 200 einbauen zu können und die außerhalb der Vorrichtung liegenden Abschnitte der zwei elektrischen Leiter 60, 70 an die Anschlüsse 111, 112, 113, 114 anschließen zu können. Dies vereinfacht den Einbau der Vorrichtung 100 in das Fahrzeug 200 und vermeidet unnötige elektrische Leitungen innerhalb des Fahrzeug 200.
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Fig. 2 dient dem besseren Verständnis der Erfindung und zeigt im Gegensatz zu Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Fahrzeugs 200 mit einer Vorrichtung 100 zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Hochvoltbatterie 210 des Fahrzeugs 200 und einem Traktionsmotor 220, wobei sich die Vorrichtung 100 in einer Ruheposition befindet - d.h. die elektrische Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie 210 und dem Traktionsmotor 220 ist getrennt.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines zweistufigen Getriebes 95 der Vorrichtung 100.
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Mit Hilfe des zweistufigen Getriebe 95 kann ein variables Übersetzungsverhältnis erzeugt werden. Hierzu weist das zweistufige Getriebe 95 auf:
- ein Zahnrad 90, welches von der Antriebseinrichtung 20 angetrieben wird,
- zwei fest miteinander verbundene Zahnräder 96, 97 unterschiedlicher Größe,
- sowie eine Zahnstange 91 auf.
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Das Zahnrad 96 weist einen größeren Durchmesser auf als das Zahnrad 97. Die Zahnräder 96, 97 drehen sich aufgrund der festen Verbindung mit derselben Geschwindigkeit. Das Zahnrad 90 treibt über das große Zahnrad 96 das kleinere Zahnrad 97 an. Ferner ist der Durchmesser des Zahnrads 90 größer als der des Zahnrads 97.
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Die Zahnstange 91 weist einen ersten Zahnabschnitt 98 und einen zweiten Zahnabschnitt 99 auf. Zu Beginn eines Stellwegs greift das Zahnrad 90 gleichzeitig in das große Zahnrad 96 und in den ersten Zahnabschnitt 98 der Zahnstange 91 ein. In dem ersten Zahnabschnitt 98 der Zahnstange 91 sind die Zähne weit voneinander beabstandet, um ein niedriges Übersetzungsverhältnis zu erreichen. Hierdurch kann der Stellweg entlang des ersten Zahnabschnitts 98 zwar mit einer geringen Stellkraft, aber einer hohen Stellgeschwindigkeit zurückgelegt werden. Im weiteren Verlauf des Stellwegs endet der Eingriff des Zahnrads 90 in den ersten Zahnabschnitt 98 und das Zahnrad 90 treibt über das große Zahnrad 96 das kleine Zahnrad 97 an. Das kleine Zahnrad 97 wiederum greift in den zweiten Zahnabschnitt 99 der Zahnstange 91 ein. In dem zweiten Zahnabschnitt 99 sind die Zähne näher zueinander beabstandet, um ein hohes Übersetzungsverhältnis zu erreichen. Hierdurch kann der Stellweg entlang des ersten Zahnabschnitts 98 zwar mit einer geringeren Stellgeschwindigkeit, aber einer höheren Stellkraft zurückgelegt werden.
Bezugszeichenliste
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- 10
- Kontaktelement
- 11
- weiteres Kontaktelement
- 20
- Antriebseinrichtung
- 30
- Arretierelement
- 31
- weiteres Arretierelement
- 40
- Aktor
- 41
- weiterer Aktor
- 50
- Federelement
- 51
- weiteres Federelement
- 60
- elektrischer Leiter
- 61, 62
- freies Ende des elektrischen Leiters
- 70
- weiterer elektrischer Leiter
- 71, 72
- freies Ende des weiteren elektrischen Leiters
- 80
- Kontaktfeder
- 81
- weitere Kontaktfeder
- 90
- Zahnrad
- 91
- Zahnstange
- 92
- Rastkerbe
- 93
- weitere Zahnstange
- 94
- weitere Rastkerbe
- 95
- zweistufiges Getriebe
- 96
- großes Zahnrad
- 97
- kleines Zahnrad
- 98
- erster Zahnabschnitt
- 99
- zweiter Zahnabschnitt
- 100
- Vorrichtung
- 105, 106
- Stütze
- 110
- Gehäuse
- 111, ..., 114
- elektrischer Anschluss
- 200
- Fahrzeug
- 210
- Hochvoltbatterie
- 220
- Traktionsmotor