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Die
Erfindung betrifft eine Schutzanordnung für ein Bordnetz
eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Batterien
für Fahrzeuganwendungen, insbesondere für Hybridanwendungen,
bestehen aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen,
welche sich meist mit einer zugehörigen Elektronik und
Vorrichtungen zur Kühlung in einem gemeinsamen Batteriegehäuse
befinden. Zur elektrischen Trennung der Batterie von einem Fahrzeugstromkreis,
d. h. vom Bordnetz des Fahrzeuges, ist ein elektrischer Schalter
(= auch Hauptschalter oder Hauptschütz genannt) vorgesehen.
Derartige Schalter sind insbesondere automatisch, z. B. bei einem Unfall
des Fahrzeuges, betätigbar. Nachteilig ist, dass hohe auftretende
Kurzschlussströme eine Verschweißung der elektrischen
Kontaktelemente des Schalters verursachen, so dass bei einem Unfall
keine oder eine zu langsame Trennung der Batterie vom Bordnetz stattfindet.
Deshalb sind Schalter bekannt, welche zusätzlich manuell,
z. B. auch bei Wartungsarbeiten am Fahrzeug, betätigbar
sind.
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Ein
derartiger elektrischer Schalter ist aus der
US 005 300 905 A1 bekannt,
wobei dieser sowohl mechanisch oder manuell als auch elektrisch
oder automatisch betätigbar bzw. auslösbar ist.
Der Schalter umfasst dabei einen Verriegelungsstift und ein Schaltergehäuse,
in welchem eine Handhabe zur Betätigung des Schalters und
feste sowie bewegliche elektrische Kontakte angeordnet sind. Der
Schalter kann beispielsweise zur Trennung einer elektrischen Last
von einer Energiequelle, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie,
in einem Bordnetz eines Fahrzeuges vorgesehen sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schutzanordnung
für ein Bordnetz eines Fahrzeuges mit einer in einem Batteriegehäuse
angeordneten Batterie und einem in einem Schaltergehäuse
angeordneten Schalter anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schutzanordnung
gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schutzanordnung für
ein Bordnetz eines Fahrzeuges ist eine Batterie in einem Batteriegehäuse
angeordnet. Die Schutzanordnung umfasst weiterhin einen in einem Schaltergehäuse
angeordneten Schalter zu einer elektrischen Verbindung und Trennung
der Batterie vom Bordnetz und/oder zur elektrischen Trennung von
Polkontakten der Batterie, wobei der Schalter eine erste Baueinheit
zu einer elektromechanischen Öffnung von Kontaktelementen
umfasst. Erfindungsgemäß ist eine zweite Baueinheit
zu einer redundanten mechanischen Öffnung der elektrischen
Kontaktelemente vorgesehen. Durch die redundante Ausführung
des Öffnungsmechanismus ist durch die Möglichkeit
einer voneinander unabhängigen Öffnung der Kontaktelemente
eine erhöhte Öffnungssicherheit erzielbar.
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Zu
einer einfachen und zuverlässigen Betätigung der
zweiten Baueinheit sind zumindest ein internes, in dem Schaltergehäuse
angeordnetes Übertragungselement und zumindest ein externes,
außerhalb des Schaltergehäuses angeordnetes Übertragungselement
vorgesehen.
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In
Weiterbildungen der Erfindung sind das externe Übertragungselement
und das interne Übertragungselement an einem Verbindungselement
mechanisch verbunden. Dabei ist das Verbindungselement insbesondere
eine Öffnung im Schaltergehäuse oder ein elastischer
Abschnitt des Schaltergehäuses, wobei das interne Übertragungselement
an dem Verbindungselement vorzugsweise abgedichtet angeordnet ist.
Dadurch ist in gewinnbringender Weise ein Eindringen von Flüssigkeiten
und Fremdkörpern in das Schaltergehäuse vermeidbar.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das interne Übertragungselement
ein elastischer Stopfen, ein Federelement oder ein Druckstift, so
dass mittels des externen Übertragungselementes in einfacher
Art und Weise eine Druckkraft auf das interne Übertragungselement
ausführbar ist.
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Das
externe Übertragungselement ist gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung automatisch und/oder manuell betätigbar,
wobei mittels der manuellen Betätigung in vorteilhafter
Weise stets eine Notöffnung des Schalters möglich
ist.
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Um
eine einfache, kostengünstige und zuverlässige
Anordnung zur Betätigung des internen Übertragungselementes
zu erzielen, ist das externe Übertragungselement vorzugsweise
als ein Seilzug, ein Gestänge und/oder Federelement ausgebildet.
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Das
externe Übertragungselement ist weiterhin zu der automatischen
Betätigung in Abhängigkeit von mittels zumindest
einer fahrzeugseitigen Erfassungseinheit erfassten Signalen steuerbar,
wobei die Erfassungseinheit insbesondere einen Geschwindigkeitssensor
und/oder einen Beschleunigungssensor umfasst. Somit ist in besonders
gewinnbringender Weise beispielsweise bei einem Unfall des Fahrzeuges
eine automatische Abtrennung der Batterie vom Bordnetz durchführbar,
so dass z. B. an beschädigten Bordnetzabschnitten auftretende
elektrische Lichtbögen verhindert und somit eine Brandgefahr minimiert
wird.
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Alternativ
oder zusätzlich ist das externe Übertragungselement
zu der automatischen Betätigung mit Karosserieelementen
des Fahrzeuges verbunden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft,
dass die Batterie ohne vorherige Auswertung von Signalen kurzfristig
vom Bordnetz trennbar ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist der Schalter in dem Batteriegehäuse
angeordnet. Dadurch sind der Schalter bzw. dessen in dem Schaltergehäuse
angeordnete Komponenten zusätzlich durch das Batteriegehäuse
geschützt.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist der Schalter so angeordnet, dass
er beim Ausbau der Batterie (z. B. durch einen unter Federvorspannung stehenden
Stift, der sich am fahrzeugfesten Batteriehalter abstützt)
die Batterie vom Bordnetz trennt,
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Gemäß einer
gewinnbringenden Weiterbildung der Erfindung ist zur Erhöhung
einer Transportsicherheit eine Transportbox zum Transport der Batterie
derart ausgeführt, dass ein in dem Transportgehäuse
angeordnetes Kontaktelement das interne Übertragungselement
und/oder das externe Übertragungselement betätigt.
Durch die daraus resultierende dauerhafte Betätigung der
zweiten Baueinheit während eines Transports sind die Polkontakte
der Batterie derart dauerhaft elektrisch trennbar, dass Kurzschlüsse
der Batterie vermeidbar sind.
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In
einer Ausgestaltung der Batterie ist der Schalter ein Schütz,
so dass die Batterie auch bei großen elektrischen Lasten,
beispielsweise in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug,
sicher vom Bordnetz des Fahrzeuges trennbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
ein Blockschaltbild einer Schutzanordnung in einem Teilabschnitt
eines Bordnetzes eines Fahrzeuges mit einer Batterie und einem Schalter,
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2 schematisch
einen Aufbau des Schalters gemäß 1,
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3A schematisch
ein als elastischer Stopfen ausgebildetes internes Übertragungselement,
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3B schematisch
ein als Federelement ausgebildetes internes Übertragungselement,
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3C schematisch
ein als Druckstift ausgebildetes internes Übertragungselement,
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4A schematisch
einen mittels eines mechanischen externen Übertragungselementes
betätigten Schalter,
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4B schematisch
einen mittels eines als Federelement ausgeführten externen Übertragungselementes
betätigten Schalter, und
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5 schematisch
ein in einem Batteriegehäuse angeordneten Schalter.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 stellt
ein Blockschaltbild einer Schutzanordnung 1 in einem Teilabschnitt
eines Bordnetzes 2 eines nicht näher dargestellten
Fahrzeuges, beispielsweise ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellenfahrzeug,
mit einer Batterie 3 und einem Schalter 4 dar.
Mittels des Schalters 4 ist die Batterie 3 von
dem Bordnetz 2 trennbar, wobei der Schalter 4 vorzugsweise
vor einer Hauptverteilung 5 der elektrischen Energie, d.
h. vor allen elektrischen Lasten, angeordnet ist.
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2 zeigt
ein mögliches Ausführungsbeispiel des Schalters 4 gemäß 1,
wobei dieser eine in einem Schaltergehäuse 4.1 angeordnete
erste Baueinheit 4.2 zu einer elektromechanischen Öffnung
von elektrischen Kontaktelementen 4.3 umfasst und erfindungsgemäß eine
zweite Baueinheit 4.4 zu einer redundanten mechanischen Öffnung
der elektrischen Kontaktelemente 4.3 vorgesehen ist.
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Ist
der Schalter 4 beispielsweise als elektrischer Schütz
ausgebildet, so halten eine oder mehrere nicht näher dargestellte
Federelemente eine Kontaktbrücke 4.5 in einer
Position oberhalb der Kontaktelemente 4.3. Zur Herstellung
einer elektrischen Verbindung ist die erste elektromagnetisch betriebene
Baueinheit 4.2 derart mit einem elektrischen Strom beaufschlagbar,
dass die Kontaktbrücke 4.5 aufgrund magnetischer
Kräfte angezogen wird und auf die Kontaktelemente 4.3 pressbar
ist.
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Zu
einer Trennung der Kontaktelemente 4.3 ist die erste Baueinheit 4.2 von
ihrer Stromversorgung trennbar, so dass die Kontaktbrücke 4.5 durch die
Federkraft von den Kontaktelementen 4.3 abgehoben wird.
Diese Trennung kann beispielsweise bei einem Unfall automatisch
erfolgen, indem mehrere nicht näher dargestellte Sensoren
einer Erfassungseinheit, z. B. Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungssensoren
des Fahrzeuges, den Unfall detektieren und ein Signal zur Stromunterbrechung
ausgeben. Zusätzlich besteht die Möglichkeit,
dass die Auslösung des Schalters 4, beispielsweise
mittels der Betätigung eines Druckschalters, manuell erfolgt.
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Mittels
der zweiten Baueinheit 4.4 ist eine redundante Öffnung
der Kontaktelemente 4.3 möglich, unabhängig
von einem Aktivierungszustand der ersten Baueinheit 4.2,
die Kontaktbrücke 4.5 mechanisch anzuheben, d.
h. die elektrischen Kontaktelemente 4.3 zu trennen. Somit
ist auch bei einer Fehlfunktion der ersten Baueinheit 4.2 eine
sichere Trennung der Kontaktelemente 4.3 des Schalters 4 möglich.
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Zu
einer Betätigung der zweiten Baueinheit 4.4 sind
zumindest ein internes, in dem Schaltergehäuse 4.1 angeordnetes Übertragungselement 4.6 und
ein externes, außerhalb des Schaltergehäuses 4.1 angeordnetes Übertragungselement 4.7 vorgesehen.
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Dabei
sind das externe Übertragungselement 4.7 und das
interne Übertragungselement 4.6 an einem Verbindungselement
V derart mechanisch verbunden, dass mittels des externen Übertragungselementes 4.7 eine
Druckkraft auf das interne Übertragungselement 4.6 ausübbar
ist. Durch diese ausgeübte Druckkraft ist die Kontaktbrücke 4.5 anhebbar,
so dass die Kontaktelemente 4.3 elektrisch getrennt sind.
Das Verbindungselement V ist insbesondere als Öffnung im
Schaltergehäuse 4.1 ausgeführt.
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3A zeigt
ein als elastischen Stopfen ausgebildetes internes Übertragungselement 4.6, welches
in dem als Öffnung ausgeführten Verbindungselement
V abgedichtet angeordnet ist und die von außerhalb mittels
des externen Übertragungselementes 4.7 eingeleitete
Druckkraft auf die Kontaktbrücke 4.5 überträgt.
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Alternativ
kann das interne Übertragungselement 4.6 gemäß dem
in 3B dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung auch als ein Federelement ausgebildet sein, wobei
das Verbindungselement V vorzugsweise ein elastischer Abschnitt
des Schaltergehäuses 4.1 ist, so dass die Druckkraft
mittels des externen Übertragungselementes 4.7 über den
Abschnitt des Schaltergehäuses 4.1 auf das interne Übertragungselement 4.6 übertragbar
ist und die Kontaktbrücke 4.5 die elektrischen
Kontakte 4.3 trennt.
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3C stellt
eine weitere Ausführungsform des internen Übertragungselementes 4.6 dar,
wobei dieses als Druckstift ausgebildet ist. Das Verbindungselement
V ist hierbei eine Öffnung, so dass die Druckkraft mittels
des externen Übertragungselementes 4.7 direkt
auf das interne Übertragungselement 4.6 übertragbar
ist, wobei dieses, d. h. der Druckstift, zum Schutz vor eindringenden
Fremdstoffen und Feuchtigkeit abgedichtet ausgeführt ist.
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4A zeigt
schematisch einen in einem Batteriegehäuse 3.1 der
Batterie 3 angeordneten Schalter 4, der mittels
eines mechanischen externen Übertragungselementes 4.7 betätigbar
ist. Hierbei ist, wie bereits beschrieben, eine Druckkraft auf das interne Übertragungselement 4.6 ausübbar,
so dass die Kontaktelemente 4.3 trennbar sind.
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Bei
dem externen Übertragungselement 4.7 handelt es
sich insbesondere um ein Gestänge oder einen Seilzug. Diese
sind vorzugsweise derart direkt mit nicht näher dargestellten
Karosserieteilen des Fahrzeuges verbunden, dass bei einem Unfall
und einer Deformierung der Karosserieteile automatisch eine Kraft
in das externe Übertragungselement 4.7 und über
dieses in das interne Übertragungselement 4.7 einleitbar
ist, so dass die Kontaktelemente 4.3 des Schalters 4 trennbar
sind.
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Alternativ
oder zusätzlich ist das externe Übertragungselement 4.7 mit
einer nicht näher dargestellten Auslösevorrichtung
verbunden, welche wiederum, wie auch die erste Baueinheit 4.2,
aufgrund von mittels der Sensoren erfassten Daten des Fahrzeuges
eine Kraft in das externe Übertragungselement 4.7 einleitet.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass die Auslösung
des externen Übertragungselementes 4.7, beispielsweise
mittels der Betätigung eines Druckschalters, manuell erfolgt.
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4B stellt
eine alternative Ausführungsform des externen Übertragungselementes 4.7 dar, wobei
dieses als elektrisch oder mechanisch betätigtes Federelement
ausgebildet ist.
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Das
Federelement ist im geschlossenen Zustand der Kontaktelemente 4.3 vorgespannt.
Zur Einleitung der Druckkraft in das interne Übertragungselement 4.6 ist
eine nicht näher dargestellte Verriegelungseinheit des
Federelementes lösbar.
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Bei
der mechanischen Betätigung des Federelementes, d. h. zum
Lösen der Verriegelungseinheit, ist dieses mit einem Auslöseelement 7,
vorzugsweise mit einem Gestänge oder einem Seilzug, mechanisch
verbunden, welches mit den Karosserieteilen des Fahrzeuges gekoppelt
ist. Bei einer Verformung der Karosserieteile ist somit mittels
des Auslöseelementes 7 die Verriegelungseinheit
lösbar und über das Federelement die Druckkraft
in das interne Übertragungselement 4.6 einleitbar.
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Bei
der elektrischen Betätigung des Federelementes ist bei
einem erfassten Unfall des Fahrzeuges ein elektrisches Signal erzeugbar,
aufgrund dessen die Verriegelungseinheit des Federelementes lösbar
ist. Zur Übertragung des elektrischen Signals ist die Auslöseeinheit 7 beispielsweise
als elektrischer Leiter ausgeführt, der mit einem Motor
oder einer magnetischen Anordnung zur Betätigung des Verriegelungselementes
verbunden ist.
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In 5 ist
eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
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Dabei
ist der in dem Batteriegehäuse 3.1 der Batterie 3 angeordnete
Schalter 4 zusammen mit diesem in einem Transportgehäuse 8 angeordnet,
wobei in dem Transportgehäuse 8 ein Kontaktelement 8.1 zu
einer dauerhaften Betätigung des internen Übertragungselementes 4.6 und/oder
des externen Übertragungselementes 4.7 vorgesehen
ist.
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Als
Kontaktelement 8.1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Druckstift am Boden des Transportgehäuses 8 vorgesehen,
mittels dem bei einer Fixierung der Batterie 3 in dem Transportgehäuse 8 die
Druckkraft auf das externe Übertragungselement 4.7 ausübbar
ist. Somit sind vorzugsweise während des gesamten Transportes
eine oder mehrere nicht näher dargestellte elektrische Verbindungen
zwischen in der Batterie 3 vorhandenen Einzelzellen und
Polkontakten der Batterie 3 unterbrochen, so dass ein elektrischer
Kurzschluss zwischen den Polkontakten vermeidbar ist.
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Weiterhin
ist denkbar, dass das interne Übertragungselement 4.6 und/oder
das externe Übertragungselement 4.7 derart ausgeführt
sind, dass bei einer Demontage der Batterie 3 aus dem Fahrzeug
automatisch eine Trennung der Kontaktelemente 4.3 des Schalters 4 erfolgt,
so dass die Polkontakte der Batterie 3 spannungslos sind.
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- 1
- Schutzanordnung
- 2
- Bordnetz
- 3
- Batterie
- 3.1
- Batteriegehäuse
- 4
- Schalter
- 4.1
- Schaltergehäuse
- 4.2
- Erste
Baueinheit
- 4.3
- Kontaktelement
- 4.4
- Zweite
Baueinheit
- 4.5
- Kontaktbrücke
- 4.6
- Internes Übertragungselement
- 4.7
- Externes Übertragungselement
- 5
- Hauptverteilung
- 6
- Batteriegehäuse
- 7
- Auslöseelement
- V
- Verbindungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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