WO2024008406A1 - Multikontakt-schaltschütz zur stromführung und strombegrenzung - Google Patents

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WO2024008406A1
WO2024008406A1 PCT/EP2023/065949 EP2023065949W WO2024008406A1 WO 2024008406 A1 WO2024008406 A1 WO 2024008406A1 EP 2023065949 W EP2023065949 W EP 2023065949W WO 2024008406 A1 WO2024008406 A1 WO 2024008406A1
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contactor
unit
stationary
electrical system
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PCT/EP2023/065949
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Florian Pritscher
Philipp LEUNER
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/64—Driving arrangements between movable part of magnetic circuit and contact

Definitions

  • Multi-contact contactor for current management and current limitation
  • the invention relates to a contactor for an on-board electrical system of a motor vehicle for electrically interconnecting on-board electrical system components of the on-board electrical system.
  • the contactor has a stationary contact unit for electrically connecting to the at least two vehicle electrical system components and a movable contact unit, which is in contact with the stationary contact unit in a closed state of the contactor and is at least partially separated from the stationary contact unit in an open state of the contactor.
  • the on-board electrical system has an actuation unit for switching the contactor by transferring the movable contact unit between the closed and the open state.
  • the invention also relates to an on-board electrical system for a motor vehicle.
  • vehicle electrical systems in particular high-voltage on-board electrical systems, for electrically powered motor vehicles.
  • vehicle electrical systems have vehicle electrical system components, for example an electrical energy storage device, an electrical machine, power electronics, etc., which can be electrically connected to one another via electrical lines.
  • Contactors can be arranged in these lines to interrupt the line and thus to disconnect the vehicle electrical system components.
  • These contactors are designed in particular for switching high loads, which is why complex measures are often taken to prevent contacts of the contactors from welding when closing the contactor or to reduce arcs when opening the contactor in order to ensure long-term functionality of the contactors.
  • Such measures include, for example, the provision of arc quenching chambers or embedding the contactor in a vacuum chamber or in a protective gas atmosphere. If the line is disconnected due to an overcurrent flowing over the line, for example a short-circuit current due to a defect in one of the on-board electrical system components, the contactors can also be destroyed due to levitation. It is the object of the present invention to provide a simple solution by means of which undesirable conditions when switching a contactor of a motor vehicle, for example arcs and a tendency to weld between contacts of the contactor, can at least be reduced.
  • a contactor according to the invention for an on-board electrical system of a motor vehicle is used for electrically interconnecting on-board electrical system components of the on-board electrical system.
  • the contactor has a stationary contact unit for electrically connecting to the at least two vehicle electrical system components and a movable contact unit, which is in contact with the stationary contact unit in a closed state of the contactor and is at least partially separated from the stationary contact unit in an open state of the contactor .
  • the contactor has an actuation unit for switching the contactor by transferring the movable contact unit between the closed and the open states.
  • the movable contact unit has at least a first contact element for guiding a current flowing through the movable contact unit in the closed state of the contactor and at least a second contact element for guiding and limiting the current during switching.
  • a first electrical contact formed between the stationary contact unit and the at least one first contact element has a first contact resistance and a second electrical contact formed between the stationary contact unit and the at least one second contact element has a higher second contact resistance.
  • the actuation unit is designed to transfer the at least one first contact element and the at least one second contact element between the closed and open states at a time offset from one another, so that only the at least one second contact element is temporarily in contact with the stationary contact unit to limit the current during switching.
  • the invention also includes an on-board electrical system for a motor vehicle having at least two on-board electrical system components and at least one contactor according to the invention.
  • the on-board electrical system is in particular a high-voltage on-board electrical system and has high-voltage components, for example a traction battery, an inverter, an electrical machine, a charger for charging the traction battery, etc.
  • the vehicle electrical system components are connected to one another via electrical lines, for example.
  • At least one contactor is arranged in at least one of the lines, which is designed to electrically connect the vehicle electrical system components in the closed state and to conduct a current via the line and to interrupt the line in the open state and thus to electrically isolate the vehicle electrical system components.
  • the contactor has the stationary contact unit, which is connected to the vehicle electrical system components.
  • the stationary contact unit has two stationary, separated, non-contact contact elements, in particular in the form of contact rails, with each vehicle electrical system component being connected to a stationary contact element, for example via a respective line section of the line.
  • the movable contact unit is designed to electrically connect or disconnect the stationary contact elements and thus the vehicle electrical system components.
  • the contactor is open, the movable contact unit is arranged at a distance from at least one of the two stationary contact elements, for example via an air gap.
  • the movable contact unit is arranged adjacent to both stationary contact elements.
  • the movable contact unit is moved by the actuating unit of the contactor, in particular moved linearly with respect to the stationary contact unit.
  • the actuation unit has a drive element and a force transmission element, the drive element being designed to move the force transmission element that is mechanically connected to the movable contact unit in order to switch the contactor.
  • the drive element has, for example, an electromagnet, which can be energized by integrating it into a circuit.
  • the force transmission element can be, for example, a tie rod.
  • the contactor is designed as a multiple contact system.
  • the movable contact unit has two different, movable contact elements, which are in time-delayed contact with the stationary contact unit during switching.
  • the at least one first contact element is a current-carrying contact element, which is designed to at least largely conduct the current via the contactor in the closed state.
  • the movable contact elements can, for example, be designed as contact bridges that can be moved with respect to the stationary contact rails.
  • the movable contact unit can have two first, current-carrying contact bridges and a load-switching second contact bridge arranged between the two first current-carrying contact bridges.
  • the force transmission element of the actuation unit can be designed, for example, as a fork-shaped tie rod, with one prong of the fork-shaped tie rod being connected to one of the movable contact elements.
  • the stationary contact unit can have two contact bolts, with one contact bolt each being electrically and mechanically connected to a contact rail and protruding from the contact rail in the direction of the movable contact unit.
  • the contact bolts for example, penetrate the respective contact rail, with a respective head of the bolts protruding in the direction of the movable contact unit and forming a contact surface for the second contact bridge.
  • the two first contact bridges are in contact with the contact rails to form the first electrical contact and the contact bolts are in contact with the second contact bridge to form the second electrical contact.
  • the current limitation when closing the contactor serves to reduce a tendency to weld, in particular to prevent welding, of the stationary and movable contact units.
  • the current limitation when opening the contactor serves to reduce arcing between the stationary and movable contact units and to prevent destruction of the contactor as a result of overcurrent-related levitation. Therefore, the actuating unit is designed to first bring the at least one second contact element into contact with the stationary contact unit when closing the contactor and to first release the at least one first contact element from the stationary contact unit when opening the contactor.
  • the at least one second, load-switching contact element is designed to lead when closing the contactor and to lag when opening the contactor to the at least one first, current-carrying contact element.
  • the associated electrical contacts are designed to form the at least one first contact element as a current-carrying contact element and to form the at least one second contact element as a load-switching contact element different contact resistances or contact resistances between the respective contact element and the stationary contact unit.
  • the first contact resistance formed between the stationary contact unit and the at least one first contact element is smaller than the second contact resistance between the stationary contact unit and the at least one second contact element. Both contact resistances are designed to be low-resistance. For example, the first contact resistance is in the microohm range, while the first contact resistance is in the milliohm range.
  • a surface of the at least one first contact element can have a first material and a surface of the at least one second contact element can have a second material.
  • the at least one first contact element and the at least one contact element can consist of different materials or alloys or have different surface coatings.
  • the first material can be copper and the second material can be steel.
  • the at least one first contact element Due to the lower contact resistance, the at least one first contact element carries the majority of the current in the closed state of the contactor.
  • the at least one first contact element is first released from the stationary contact unit and the current commutates completely to the second contact element that is still in contact, which limits the current due to the higher contact resistance.
  • the second contact element is also detached from the stationary contact unit, with the reduced current at least reducing the risk of arcing or preventing the movable contact unit from levitation when the contactor is opened as a result of an overcurrent flowing through the contactor.
  • the at least one second contact element When the contactor is closed, the at least one second contact element is first brought into contact with the stationary contact unit and limits the current, which, when the at least one first contact element is subsequently contacted, commutates to the at least one first contact element, which takes over the current conduction in the closed state of the contactor.
  • the actuating unit has a spring device, via which the at least one second contact element is mounted closer to the stationary contact unit in the open state of the contactor than the at least one first contact element, in order to protect the at least one second contact element when the contactor is closed to bring the at least one first contact element into contact with the stationary contact unit, and via which the at least one second contact element is pressed against the stationary contact unit for longer than the at least one first contact element when the contactor is opened in the closed state of the contactor, in order to reach the at least one first The contact element must be released earlier from the stationary contact unit when the contactor is opened.
  • the spring device has at least one first compression spring for pressing the at least one first contact element onto the stationary contact unit and at least one second compression spring for pressing the at least one second contact element onto the stationary contact unit, wherein in the open state of the contactor the at least one first compression spring is a first Length and the at least one second compression spring has a second length that is larger than the first length.
  • the compression springs serve, on the one hand, to provide good contact between the movable contact elements and the stationary contact unit in the closed state, and, on the other hand, due to the different spring lengths, to enable time-delayed contacting.
  • FIG. 1 a contactor 1 for an on-board electrical system of a motor vehicle, not shown here, for electrically connecting and galvanically separating on-board electrical system components of the on-board electrical system.
  • the contactor 1 is arranged in a line connecting the vehicle electrical system components.
  • the contactor 1 has a stationary contact unit 2 and a movable contact unit 3.
  • the stationary contact unit 2 has two stationary contact elements 4a, 4b, wherein each stationary contact element 4a, 4b can be connected to an on-board electrical system component via a line section of the electrical line.
  • Each stationary contact element 4a, 4b has a contact rail 5a, 5b and a contact bolt 6a, 6b electrically and mechanically connected to the contact rail 5a, 5b.
  • the contact unit 3 which is movable with respect to the stationary contact unit 2, here has two first, movable contact elements 7a, 7b in the form of first contact bridges 8a, 8b and a second movable contact element 9 in the form of a second contact bridge 10.
  • the second contact bridge 10 is arranged here between the two first contact bridges 8a, 8b.
  • the movable contact elements 7a, 7b, 9 can be moved together by an actuation unit of the contactor 1, not shown here. In the open state of the contactor 1 shown here, an air gap 11 is formed between the movable contact elements 7a, 7b, 9 and the stationary contact elements 4a, 4b.
  • the first movable contact elements 7a, 7b, 9 are arranged adjacent to the stationary contact elements 4a, 4b.
  • the movable first contact bridges 8a, 8b are arranged adjacent to the contact rails 5a, 5b and the movable second contact bridge 10 is arranged adjacent to the contact bolts 6a, 6b.
  • the first movable contact elements 7a, 7b are current-carrying contact elements and, in the closed state, carry the current via the contactor.
  • the second movable contact element 9 is a load-switching contact element and serves to limit the current when switching, i.e. when opening or closing, the contactor 1.
  • a first contact resistance between the first movable contact elements 7a, 7b and the stationary contact unit 2 is smaller than a second contact resistance between the second movable contact element 9 and the stationary contact unit 2.
  • the movable contact elements 7a, 7b, 9 can consist of different materials and thus have different internal resistances.
  • the current is limited by the second transition resistance and thus a reduced arc development at the time of disconnection by first moving the first movable contact bridges when the contactor 1 is opened 8a, 8b are released or separated from the contact rails 5a, 5b and the second movable contact bridge 10 remains in contact with the contact bolts 6a, 6b for a short time.
  • the purely current-carrying contact bridges 5a, 5b open the electrical contact by levitation and the current commutates to the load-switching contact bridge 10, whose internal resistance limits the current to such an extent that the contact does not lift.
  • the current is also limited by the second contact resistance and thus reduced arc development by first bringing the movable second contact bridge 10 into contact with the contact bolts 6a, 6b when the contactor 1 is closed and a short time later the first movable contact bridges 8a, 8b are brought into contact with the contact rails 5a, 5b.
  • This time-delayed contact, for example in the millisecond range, of the movable contact elements 7a, 7b, 9 with the stationary contact unit 2 when switching the contactor 1 can be provided purely mechanically by the second, movable contact element 9 in the open state by means of a spring device, not shown here is stored closer to the stationary contact elements 4a, 4b than the first movable contact elements 7a, 7b.
  • the current-carrying contact bridges 8a, 8b have a first distance A1 to the contact rails 5a, 5b and the second, load-switching contact bridge 10 has a second distance A2 to the contact bolts 6a that is smaller than the first distance A1, 6b on.
  • first contact bridges 8a, 8b can be connected, for example, to a first compression spring and the second contact bridge 10 can be connected to a second compression spring, the first compression springs having a shorter length than the second compression spring in the unloaded, open state of the contactor 1.
  • the compression springs also serve to press the contact bridges 8a, 8b, 10 in the closed state onto the stationary contact elements 4a, 4b and, when opening the contactor 1, to press the second contact bridge 10 against the contact bolts 6a, 6b longer than the first contact bridges 8a, 8b the contact rails 5a, 5b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltschütz (1) zum Verschalten von Bordnetzkomponenten eines Bordnetzes, aufweisend: • - eine ortsfeste Kontakteinheit (2) zum elektrischen Verbinden mit den Bordnetzkomponenten; • - eine bewegliche Kontakteinheit (3), • - eine Betätigungseinheit zum Schalten des Schaltschützes(l) durch Überführen der beweglichen Kontakteinheit (3) zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand; wobei • - die bewegliche Kontakteinheit (3) zumindest ein erstes Kontaktelement (7a, 7b) zum Führen eines Stroms und zumindest ein zweites Kontaktelement (9) zum Führen und Begrenzen des Stroms während des Schaltens aufweist, wobei ein zwischen der ortsfesten Kontakteinheit (2) und dem zumindest einen ersten Kontaktelement (7a, 7b) gebildeter erster elektrischer Kontakt einen niedrigeren Übergangswiderstand aufweist als ein zwischen der ortsfesten Kontakteinheit (2) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (9) gebildeter zweiter elektrischer Kontakt, und • - die Betätigungseinheit dazu ausgelegt ist, die Kontaktelemente (7a, 7b, 9) zeitversetzt zueinander zwischen dem geschlossenen und geöffneten Zustand zu überführen, sodass zur Strombegrenzung während des Schaltens zeitweise nur das zumindest eine zweite Kontaktelement (9) mit der ortsfesten Kontakteinheit (2) in Kontakt steht.

Description

Multikontakt-Schaltschütz zur Stromführung und Strombegrenzung
Die Erfindung betrifft ein Schaltschütz für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum elektrischen Verschalten von Bordnetzkomponenten des Bordnetzes. Das Schaltschütz weist eine ortsfeste Kontakteinheit zum elektrischen Verbinden mit den zumindest zwei Bordnetzkomponenten sowie eine bewegliche Kontakteinheit auf, welche in einem geschlossenen Zustand des Schaltschützes mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt steht und in einem geöffneten Zustand des Schaltschützes zumindest teilweise von der ortsfesten Kontakteinheit separiert ist. Außerdem weist das Bordnetz eine Betätigungseinheit zum Schalten des Schaltschützes durch Überführen der beweglichen Kontakteinheit zwischen dem geschlossen und dem geöffneten Zustand auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze, insbesondere Hochvoltbordnetze, für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge. Solche Bordnetze weisen Bordnetzkomponenten, beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher, eine elektrische Maschine, eine Leistungselektronik, etc. auf, welche über elektrische Leitungen elektrisch miteinander verbunden sein können. In diesen Leitungen können zum Unterbrechen der Leitung und damit zum Trennen der Bordnetzkomponenten Schaltschütze angeordnet sein. Diese Schaltschütze sind insbesondere zum Schalten von hohen Lasten ausgebildet, weswegen oftmals aufwändige Maßnahmen zum Verhindern eines Verschweißens von Kontakten der Schaltschütze beim Schließen des Schaltschützes oder zum Reduzieren von Lichtbögen beim Öffnen des Schaltschützes ergriffen werden, um eine dauerhafte Funktionstüchtigkeit der Schaltschütze zu gewährleisten. Solche Maßnahmen sind beispielsweise das Vorsehen von Lichtbogen-Löschkammern oder das Einbetten des Schaltschützes in eine Vakuumkammern bzw. in eine Schutzgasatmosphäre. Beim Trennen der Leitung wegen eines über die Leitung fließenden Überstroms, beispielsweise eines Kurzschlussstroms infolge eines Defekts einer der Bordnetzkomponenten, kann es außerdem zur Zerstörung der Schaltschütze durch Levitation kommen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Lösung bereitzustellen, mittels welcher unerwünschte Zustände beim Schalten eines Schaltschützes eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Lichtbögen und Verschweißneigung zwischen Kontakten des Schaltschützes, zumindest reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltschütz sowie ein Bordnetz mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Ein erfindungsgemäßes Schaltschütz für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs dient zum elektrischen Verschalten von Bordnetzkomponenten des Bordnetzes. Das Schaltschütz weist eine ortsfeste Kontakteinheit zum elektrischen Verbinden mit den zumindest zwei Bordnetzkomponenten und eine bewegliche Kontakteinheit, welche in einem geschlossenen Zustand des Schaltschützes mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt steht und in einem geöffneten Zustand des Schaltschützes zumindest teilweise von der ortsfesten Kontakteinheit separiert ist, auf. Außerdem weist das Schaltschütz eine Betätigungseinheit zum Schalten des Schaltschützes durch Überführen der beweglichen Kontakteinheit zwischen dem geschlossen und dem geöffneten Zustand auf.
Die bewegliche Kontakteinheit weist zumindest ein erstes Kontaktelement zum Führen eines über die bewegliche Kontakteinheit fließenden Stroms im geschlossenen Zustand des Schaltschützes und zumindest ein zweites Kontaktelement zum Führen und Begrenzen des Stroms während des Schaltens auf. Ein zwischen der ortsfesten Kontakteinheit und dem zumindest einen ersten Kontaktelement gebildeter erster elektrischer Kontakt weist einen ersten Übergangswiderstand und ein zwischen der ortsfesten Kontakteinheit und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement gebildeter zweiter elektrischer Kontakt weist einen höheren zweiten Übergangswiderstand auf. Die Betätigungseinheit ist dazu ausgelegt, das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine zweite Kontaktelement zeitversetzt zueinander zwischen dem geschlossenen und geöffneten Zustand zu überführen, sodass zur Strombegrenzung während des Schaltens zeitweise nur das zumindest eine zweite Kontaktelement mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt steht.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest zwei Bordnetzkomponenten sowie zumindest ein erfindungsgemäßes Schaltschütz. Das Bordnetz ist insbesondere ein Hochvoltbordnetz und weist Hochvoltkomponenten, beispielsweise einen Traktionsakkumulator, einen Inverter, eine elektrische Maschine, ein Ladegerät zum Laden des Traktionsakkumulators, etc., auf. Die Bordnetzkomponenten sind beispielsweise über elektrische Leitungen miteinander verbunden. In zumindest einer der Leitungen ist zumindest ein Schaltschütz angeordnet, welches dazu ausgelegt ist, im geschlossenen Zustand die Bordnetzkomponenten elektrisch zu verbinden und einen Strom über die Leitung zu führen und im geöffneten Zustand die Leitung zu unterbrechen und damit die Bordnetzkomponenten galvanisch zu trennen.
Dazu weist das Schaltschütz die ortsfeste Kontakteinheit auf, welche mit den Bordnetzkomponenten verbunden ist. Beispielsweise weist die ortsfeste Kontakteinheit zwei ortsfeste, voneinander separierte, nicht in Kontakt stehende Kontaktelemente, insbesondere in Form von Kontaktschienen, auf, wobei jeweils eine Bordnetzkomponente, beispielsweise über jeweils einen Leitungsabschnitt der Leitung, mit jeweils einem ortsfesten Kontaktelement verbunden ist. Die bewegliche Kontakteinheit ist dazu ausgelegt, die ortsfesten Kontaktelemente und damit die Bordnetzkomponenten elektrisch zu verbinden oder zu trennen. Im geöffneten Zustand des Schaltschützes ist die bewegliche Kontakteinheit, beispielsweise über einen Luftspalt, beabstandet zu zumindest einem der zwei ortsfesten Kontaktelementen angeordnet. Im geschlossenen Zustand des Schaltschützes ist die bewegliche Kontakteinheit anliegend an beiden ortsfesten Kontaktelementen angeordnet.
Zum Schalten, also zum Schließen oder Öffnen, des Schaltschützes wird die bewegliche Kontakteinheit von der Betätigungseinheit des Schaltschützes bewegt, insbesondere linear bezüglich der ortsfesten Kontakteinheit verfahren. Dazu weist die Betätigungseinheit ein Antriebselement und ein Kraftübertragungselement auf, wobei das Antriebselement dazu ausgelegt ist, das mit der beweglichen Kontakteinheit mechanisch verbundene Kraftübertragungselement zum Schalten des Schaltschützes zu verfahren. Das Antriebselement weist beispielsweise einen Elektromagneten auf, welcher durch Einbinden in einen Stromkreis bestrombar ist. Das Kraftübertragungselement kann beispielsweise ein Zuganker sein.
Das Schaltschütz ist als ein Mehrfachkontaktsystem ausgebildet. Dazu weist die bewegliche Kontakteinheit zwei unterschiedliche, bewegliche Kontaktelemente auf, welche beim Schalten zeitversetzt mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt stehen. Das zumindest eine erste Kontaktelement ist dabei ein stromführendes Kontaktelement, welches dazu ausgelegt ist, im geschlossenen Zustand zumindest größtenteils den Strom über das Schaltschütz zu führen. Das zumindest eine zweite Kontaktelement ist lastschaltend ausgebildet und begrenzt beim Öffnen und Schließen den Strom über das Schaltschütz.
Die beweglichen Kontaktelemente können beispielsweise als bezüglich der ortsfesten Kontaktschienen verschiebliche Kontaktbrücken ausgebildet sein. Beispielsweise kann die bewegliche Kontakteinheit zwei erste, stromführende Kontaktbrücken und eine zwischen den zwei ersten stromführenden Kontaktbrücken angeordnete, lastschaltende zweite Kontaktbrücke aufweisen. Das Kraftübertragungselement der Betätigungseinheit kann beispielsweise als gabelförmiger Zuganker ausgebildet sein, wobei jeweils ein Zinken des gabelförmigen Zugankers mit jeweils einem der beweglichen Kontaktelemente verbunden ist. Die ortsfeste Kontakteinheit kann zwei Kontaktbolzen aufweisen, wobei jeweils ein Kontaktbolzen mit einer Kontaktschiene elektrisch und mechanisch verbunden ist und in Richtung der beweglichen Kontakteinheit an der Kontaktschiene absteht. Die Kontaktbolzen durchdringen beispielsweise die jeweilige Kontaktschiene, wobei ein jeweiliger Kopf der Bolzen in Richtung der beweglichen Kontakteinheit ragt und eine Kontaktfläche für die zweite Kontaktbrücke ausbildet. Im geschlossenen Zustand stehen die zwei ersten Kontaktbrücken unter Ausbildung des ersten elektrischen Kontaktes mit den Kontaktschienen in Kontakt und die Kontaktbolzen stehen unter Ausbildung des zweiten elektrischen Kontaktes mit der zweiten Kontaktbrücke in Kontakt.
Die Strombegrenzung beim Schließen des Schaltschützes dient zum Reduzieren einer Verschweißneigung, insbesondere zum Verhindern eines Verschweißens, der ortsfesten und der beweglichen Kontakteinheit. Die Strombegrenzung beim Öffnen des Schaltschützes dient zum Reduzieren einer Lichtbogenbildung zwischen der ortsfesten und der beweglichen Kontakteinheit sowie zum Verhindern einer Zerstörung des Schaltschützes infolge einer überstrombedingten Levitation. Daher ist die Betätigungseinheit dazu ausgelegt, beim Schließen des Schaltschützens zuerst das zumindest eine zweite Kontaktelement mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt zu bringen und beim Öffnen des Schaltschützes zuerst das zumindest eine erste Kontaktelement von der ortsfesten Kontakteinheit zu lösen. Anders ausgedrückt ist das zumindest eine zweite, lastschaltende Kontaktelement beim Schließen des Schaltschützes voreilend und beim Öffnen des Schaltschützes nacheilend zu dem zumindest einen ersten, stromführenden Kontaktelement ausgebildet.
Zum Ausbilden des zumindest einen ersten Kontaktelementes als stromführendes Kontaktelement und zum Ausbilden des zumindest einen zweiten Kontaktelementes als lastschaltendes Kontaktelementes weisen die zugehörigen elektrischen Kontakte zwischen dem jeweiligen Kontaktelement und der ortsfesten Kontakteinheit unterschiedliche Übergangswiderstände bzw. Kontaktwiderstände auf. Der zwischen der ortsfesten Kontakteinheit und dem zumindest einen ersten Kontaktelement ausgebildete erste Übergangswiderstand ist dabei kleiner als der zweite Übergangswiderstand zwischen der ortsfesten Kontakteinheit und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement. Beide Übergangswiderstände sind dabei niederohmig ausgebildet. Beispielsweise liegt der erste Übergangswiderstand im Mikroohmbereich, während der erste Übergangswiderstand im Milliohmbereich liegt. Beispielweise kann zum Bereitstellen der unterschiedlichen Übergangswiderstände eine Oberfläche des zumindest einen ersten Kontaktelements ein erstes Material aufweisen und eine Oberfläche des zumindest einen zweiten Kontaktelementes ein zweites Material aufweisen. Das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine Kontaktelement können aus unterschiedlichen Materialien oder Legierungen bestehen oder unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen aufweisen. Beispielsweise kann das erste Material Kupfer und das zweite Material Stahl sein.
Durch den niedrigeren Übergangswiderstand führt das zumindest eine erste Kontaktelement den Großteil des Stromes im geschlossenen Zustand des Schaltschützes. Beim Öffnen des Schaltschützes wird zuerst das zumindest eine erste Kontaktelement von der ortsfesten Kontakteinheit gelöst und der Strom kommutiert vollständig auf das noch kontaktierte zweite Kontaktelement, welches den Strom aufgrund des höheren Übergangwiderstandes begrenzt. Dann wird auch das zweite Kontaktelement von der ortsfesten Kontakteinheit gelöst, wobei durch den reduzierten Strom das Risiko einer Lichtbogenbildung zumindest reduziert wird bzw. eine Levitation der beweglichen Kontakteinheit beim Öffnen des Schaltschützes infolge eines über das Schaltschütz fließenden Überstroms verhindert wird. Beim Schließen des Schaltschützes wird zuerst das zumindest eine zweite Kontaktelement mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt gebracht und begrenzt den Strom, welcher beim darauffolgenden Kontaktieren des zumindest einen ersten Kontaktelementes auf das zumindest eine erste Kontaktelement kommutiert, welches die Stromführung im geschlossenen Zustand des Schaltschützes übernimmt.
Ein solches Schaltschütz mit integrierter Strombegrenzung ist besonders einfach ausgebildet und kann auf zuverlässige Weise Beschädigungen des Schaltschützes während der Schaltvorgänge des Schaltschützes verhindern. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Betätigungseinheit eine Federeinrichtung aufweist, über welche das zumindest eine zweite Kontaktelement im geöffneten Zustand des Schaltschützes näher an der ortsfesten Kontakteinheit gelagert ist als das zumindest eine erste Kontaktelement, um das zumindest eine zweite Kontaktelement beim Schließen des Schaltschützes vor dem zumindest einen ersten Kontaktelement mit der ortsfesten Kontakteinheit in Kontakt zu bringen, und über welche das zumindest eine zweite Kontaktelement beim Öffnen des Schaltschützes im geschlossenen Zustand des Schaltschützes länger an die ortsfeste Kontakteinheit angepresst ist als das zumindest eine erste Kontaktelement, um das zumindest eine erste Kontaktelement beim Öffnen des Schaltschützes früher von der ortsfesten Kontakteinheit zu lösen. Die Zeitverzögerung der Kontaktierung der beweglichen Kontakteinheit beim Schalten des Schaltschützes wird also rein mechanisch bereitgestellt. Beispielsweise weist die Federeinrichtung zumindest eine erste Druckfeder zum Anpressen des zumindest einen ersten Kontaktelementes an die ortsfest Kontakteinheit und zumindest eine zweite Druckfeder zum Anpressen des zumindest einen zweiten Kontaktelementes an die ortsfeste Kontakteinheit auf, wobei im geöffneten Zustand des Schaltschützes die zumindest eine erste Druckfeder eine erste Länge und die zumindest eine zweite Druckfeder eine im Vergleich zur ersten Länge größere zweite Länge aufweist. Die Druckfedern dienen einerseits dazu, im geschlossenen Zustand einen guten Kontakt zwischen den beweglichen Kontaktelementen und der ortsfesten Kontakteinheit bereitzustellen, und andererseits aufgrund der unterschiedlichen Federlängen dazu, das zeitversetzte Kontaktieren zu ermöglichen.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Schaltschütz vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bordnetz.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur Fig. 1 ein Schaltschütz 1 für ein hier nicht gezeigtes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum elektrischen Verbinden und galvanischen Trennen von Bordnetzkomponenten des Bordnetzes. Dazu wird das Schaltschütz 1 in einer die Bordnetzkomponenten verbindenden Leitung angeordnet. Das Schaltschütz 1 weist eine ortsfeste Kontakteinheit 2 sowie eine bewegliche Kontakteinheit 3 auf. Die ortsfeste Kontakteinheit 2 weist zwei ortsfeste Kontaktelemente 4a, 4b auf, wobei jeweils ein ortsfestes Kontaktelement 4a, 4b über einen Leitungsabschnitt der elektrischen Leitung mit einer Bordnetzkomponente verbunden werden kann. Jedes ortsfeste Kontaktelement 4a, 4b weist eine Kontaktschienen 5a, 5b sowie einen mit der Kontaktschiene 5a, 5b elektrisch und mechanisch verbundenen Kontaktbolzen 6a, 6b auf.
Die bezüglich der ortsfesten Kontakteinheit 2 bewegliche Kontakteinheit 3 weist hier zwei erste, bewegliche Kontaktelemente 7a, 7b in Form von ersten Kontaktbrücken 8a, 8b und ein zweites bewegliches Kontaktelement 9 in Form von einer zweiten Kontaktbrücke 10 auf. Die zweite Kontaktbrücke 10 ist hier zwischen den zwei ersten Kontaktbrücken 8a, 8b angeordnet. Die beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b, 9 sind gemeinsam von einer hier nicht gezeigten Betätigungseinheit des Schaltschützes 1 verfahrbar. Im hier gezeigten geöffneten Zustand des Schaltschützes 1 ist ein Luftspalt 11 zwischen den beweglichem Kontaktelementen 7a, 7b, 9 und den ortsfesten Kontaktelementen 4a, 4b ausgebildet. Im geschlossenen Zustand des Schaltschützes 1 sind die ersten beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b, 9 anliegend an den ortsfesten Kontaktelementen 4a, 4b angeordnet. Hier sind die beweglichen ersten Kontaktbrücken 8a, 8b anliegend an den Kontaktschienen 5a, 5b angeordnet und die bewegliche zweite Kontaktbrücke 10 ist anliegend an den Kontaktbolzen 6a, 6b angeordnet. Die ersten beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b sind dabei stromführende Kontaktelemente und führen im geschlossenen Zustand den Strom über das Schaltschütz. Das zweite bewegliche Kontaktelement 9 ist ein lastschaltendes Kontaktelement und dient zur Strombegrenzung beim Schalten, also beim Öffnen oder Schließen, des Schaltschützes 1. Dazu ist ein erster Übergangswiderstand zwischen den ersten beweglichen Kontaktelementen 7a, 7b und der ortsfesten Kontakteinheit 2 kleiner als ein zweiter Übergangswiderstand zwischen dem zweiten beweglichen Kontaktelement 9 und der ortsfesten Kontakteinheit 2. Beispielsweise können die beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b, 9 aus unterschiedlichen Materialien bestehen und somit unterschiedliche Innenwiderstände aufweisen.
Im Falle einer Lastabschaltung erfolgt eine Strombegrenzung durch den zweiten Überganswiderstand und somit im Trennzeitpunkt eine reduzierte Lichtbogenentwicklung, indem beim Öffnen des Schaltschützes 1 zuerst die ersten beweglichen Kontaktbrücken 8a, 8b von den Kontaktschienen 5a, 5b gelöst bzw. separiert werden und die zweite bewegliche Kontaktbrücke 10 noch kurzzeitig in Kontakt mit den Kontaktbolzen 6a, 6b bleibt. Auch im Falle eines über die Leitung fließenden Kurzschlussstromes, welcher ein Öffnen des Schaltschützes 1 zum Verhindern einer Zerstörung der Bordnetzkomponenten erforderlich macht, öffnen die rein stromführenden Kontaktbrücken 5a, 5b durch Levitation den elektrischen Kontakt und der Strom kommutiert auf die lastschaltende Kontaktbrücke 10, deren Innenwiderstand den Strom so weit begrenzt, dass kein Abheben des Kontaktes stattfindet. Somit kann ein mögliches Bersten des Schaltschützes 1 durch hohe Druckentwicklung aufgrund stehender Lichtbögen verhindert werden. Im Falle einer Zuschaltung auf eine kapazitive Last, beispielsweise einen Inverter, erfolgt ebenfalls eine Strom begrenzung durch den zweiten Übergangswiderstand und somit eine reduzierte Lichtbogenentwicklung, indem beim Schließen des Schaltschützes 1 zuerst die bewegliche zweite Kontaktbrücke 10 mit den Kontaktbolzen 6a, 6b in Kontakt gebracht wird und kurze Zeit später die ersten beweglichen Kontaktbrücken 8a, 8b mit den Kontaktschienen 5a, 5b in Kontakt gebracht werden.
Dieses zeitversetze, sich beispielsweise im Millisekundenbereich abspielende, Kontaktieren der beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b, 9 mit der ortsfesten Kontakteinheit 2 beim Schalten des Schaltschützes 1 kann rein mechanisch bereitgestellt werden, indem im geöffneten Zustand das zweite, bewegliche Kontaktelement 9 mittels einer hier nicht gezeigten Federeinrichtung näher an den ortsfesten Kontaktelementen 4a, 4b gelagert wird als die ersten beweglichen Kontaktelemente 7a, 7b. Hier weisen also im geöffneten Zustand des Schaltschützes 1 die stromführenden Kontaktbrücken 8a, 8b einen ersten Abstand A1 zu den Kontaktschienen 5a, 5b auf und die zweite, lastschaltende Kontaktbrücke 10 weist einen im Vergleich zum ersten Abstand A1 kleineren zweiten Abstand A2 zu den Kontaktbolzen 6a, 6b auf. Dazu können die ersten Kontaktbrücken 8a, 8b beispielsweise mit einer ersten Druckfeder verbunden sein und die zweite Kontaktbrücke 10 kann mit einer zweiten Druckfeder verbunden sein, wobei die ersten Druckfedern im unbelasteten, geöffneten Zustand des Schaltschützes 1 eine geringere Länge aufweisen als die zweite Druckfeder. Die Druckfedern dienen auch dazu, die Kontaktbrücken 8a, 8b, 10 im geschlossenen Zustand an die ortsfesten Kontaktelemente 4a, 4b anzupressen und beim Öffnen des Schaltschützes 1 die zweite Kontaktbrücke 10 länger an die Kontaktbolzen 6a, 6b anzupressen als die ersten Kontaktbrücken 8a, 8b an die Kontaktschienen 5a, 5b.

Claims

Patentansprüche Schaltschütz (1) für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum elektrischen Verschalten von Bordnetzkomponenten des Bordnetzes, aufweisend:
- eine ortsfeste Kontakteinheit (2) zum elektrischen Verbinden mit den Bordnetzkom ponenten ;
- eine bewegliche Kontakteinheit (3), welche in einem geschlossenen Zustand des Schaltschützes (1) mit der ortsfesten Kontakteinheit (2) in Kontakt steht und in einem geöffneten Zustand des Schaltschützes (1) zumindest teilweise von der ortsfesten Kontakteinheit (2) separiert ist,
- eine Betätigungseinheit zum Schalten des Schaltschützes(l) durch Überführen der beweglichen Kontakteinheit (3) zwischen dem geschlossen und dem geöffneten Zustand; dadurch gekennzeichnet, dass
- die bewegliche Kontakteinheit (3) zumindest ein erstes Kontaktelement (7a, 7b) zum Führen eines über die bewegliche Kontakteinheit (3) fließenden Stroms im geschlossenen Zustand des Schaltschützes (1) und zumindest ein zweites Kontaktelement (9) zum Führen und Begrenzen des Stroms während des Schaltens des Schaltschützes (1) aufweist, wobei ein zwischen der ortsfesten Kontakteinheit (2) und dem zumindest einen ersten Kontaktelement (7a, 7b) gebildeter erster elektrischer Kontakt einen ersten Übergangswiderstand und ein zwischen der ortsfesten Kontakteinheit (2) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (9) gebildeter zweiter elektrischer Kontakt einen höheren zweiten Übergangswiderstand aufweist, und
- die Betätigungseinheit dazu ausgelegt ist, das zumindest eine erste Kontaktelement (7a, 7b) und das zumindest eine zweite Kontaktelement (9) zeitversetzt zueinander zwischen dem geschlossenen und geöffneten Zustand zu überführen, sodass zur Strombegrenzung während des Schaltens zeitweise nur das zumindest eine zweite Kontaktelement (9) mit der ortsfesten Kontakteinheit (2) in Kontakt steht. Schaltschütz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit zum zeitversetzten Überführen dazu ausgelegt ist, beim Schließen des Schaltschützens (1) zum Verringern einer Verschweißneigung zuerst das zumindest eine zweite Kontaktelement (9) mit der ortsfesten Kontakteinheit (2) in Kontakt zu bringen und beim Öffnen des Schaltschützes (1) zum Reduzieren einer Lichtbogenbildung zuerst das zumindest eine erste Kontaktelement (7a, 7b) von der ortsfesten Kontakteinheit (2) zu lösen. Schaltschütz (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit eine Federeinrichtung aufweist, über welche das zumindest eine zweite Kontaktelement (9) im geöffneten Zustand des Schaltschützes (1) näher an der ortsfesten Kontakteinheit (2) gelagert ist als das zumindest eine erste Kontaktelement (7a, 7b) und beim Öffnen des Schaltschützes (1) länger an die ortsfeste Kontakteinheit (2) angepresst ist als das zumindest eine erste Kontaktelement (7a, 7b). Schaltschütz (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung zumindest eine erste Druckfeder zum Anpressen des zumindest einen ersten Kontaktelementes (7a, 7b) an die ortsfest Kontakteinheit (2) und zumindest eine zweite Druckfeder zum Anpressen des zumindest einen zweiten Kontaktelementes (9) an die ortsfeste Kontakteinheit (2) aufweist, wobei im geöffneten Zustand des Schaltschützes (1) die zumindest eine erste Druckfeder eine erste Länge und die zumindest eine zweite Druckfeder eine im Vergleich zur ersten Länge größere zweite Länge aufweist. Schaltschütz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit ein Antriebselement und ein Kraftübertragungselement in Form von einem gabelförmigen Zuganker aufweist, wobei jeweils ein Zinken des gabelförmigen Zugankers mit jeweils einem beweglichen Kontaktelement (7a, 7b, 9) verbunden ist und wobei das Antriebselement dazu ausgelegt ist, das Kraftübertragungselement zum Schalten des Schaltschützes (1) zu verfahren. Schaltschütz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der unterschiedlichen Übergangswiderstände eine Oberfläche des zumindest einen ersten Kontaktelements (7a, 7b) ein erstes Material aufweist und eine Oberfläche des zumindest einen zweiten Kontaktelementes (9) ein zweites Material aufweist. Schaltschütz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfeste Kontakteinheit (2) zwei ortsfeste Kontaktschienen (5a, 5b) aufweist, von welchen jeweils eine Kontaktschiene (5a, 5b) mit einer Bordnetzkomponente verbindbar ist, und das zumindest eine erste Kontaktelement (7a, 7b) als eine erste, bezüglich der ortsfesten Kontaktschienen (5a, 5b) verschiebliche Kontaktbrücke (8a, 8b) und das zumindest eine zweite Kontaktelement (9) als eine zweite, bezüglich der ortsfesten Kontaktschienen (5a, 5b) verschiebliche Kontaktbrücke (10) ausgebildet ist. Schaltschütz (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Kontakteinheit (3) zwei erste Kontaktbrücken (8a, 8b) und eine zwischen den zwei ersten Kontaktbrücken (8a, 8b) angeordnete zweite Kontaktbrücke (10) aufweist. Schaltschütz (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfeste Kontakteinheit (2) zwei Kontaktbolzen (6a, 6b) aufweist, wobei jeweils ein Kontaktbolzen (6a, 6b) mit einer Kontaktschiene (5a, 5b) elektrisch und mechanisch verbunden ist und in Richtung der beweglichen Kontakteinheit (3) an der jeweiligen Kontaktschiene (5a, 5b) absteht, wobei im geschlossenen Zustand die Kontaktbolzen (6a, 6b) mit der zweiten Kontaktbrücke (10) in Kontakt stehen und die Kontaktschienen (5a, 5b) mit den zwei ersten Kontaktbrücken (8a, 8b) in Kontakt stehen. Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit zumindest zwei Bordnetzkomponenten sowie zumindest einem Schaltschütz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit den zumindest zwei Bordnetzkomponenten elektrisch verbunden ist.
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