DE102009023801A1

DE102009023801A1 - Sicherungsvorrichtung mit pyrotechnischer Sicherung

Info

Publication number: DE102009023801A1
Application number: DE200910023801
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Dipl.-Ing. Virgin (FH); Hassan Dipl.-Ing. Kablaoui (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Es soll eine schnelle und sanfte Abschaltung einer Hochvolt-Batterie im Kurzschlussfall und optional Zellschutz mit Abschaltung gewährleistet werden können. Dazu wird eine Sicherungsvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises mit einer pyrotechnischen Sicherung (3, 4) und einer Schmelzsicherung (1), die parallel zu der pyrotechnischen Sicherung (3, 4) geschaltet ist, bereitgestellt. Der Schmelzsicherung (1) ist ein Vorwiderstand (2) vorgeschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises mit einer pyrotechnischen Sicherung und einer Schmelzsicherung, die parallel zu der pyrotechnischen Sicherung geschaltet ist. Speziell zielt die vorliegende Erfindung auf eine Hochvolt-Trennung (HV-Trennung) insbesondere von Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) im Kurzschlussfall. Optional kann die Sicherungsvorrichtung auch für den Zellschutz und eine Abschaltung verwendet werden. Vorzugsweise soll eine schnelle und sanfte Abschaltung gewährleistet werden können.
Bekannt ist beispielsweise das Abschalten einer Stromquelle durch eine Schmelzsicherung. Eine Schmelzsicherung kann jedoch im Normalbetrieb bei zu hoher Strombelastung altern. Dadurch ändert sich die Sicherungseigenschaft in der Regel negativ.
Aus dem Dokument US 2008/0137253 A1 ist eine Sicherungsvorrichtung bekannt, die ein Schmelzelement und parallel dazu eine pyrotechnische Sicherung besitzt. Die Sicherungsvorrichtung dient insbesondere für Kraftfahrzeuge und speziell für Kabel, die hohe Ströme führen.
Weiterhin beschreibt das Dokument DE 199 15 594 A1 ein kompensiertes Sicherungselement für elektrische Anlagen zur Absicherung von mindestens einem Verbraucheranschluss. Das Sicherungselement besitzt mindestens eine Schmelzsicherung und mindestens eine Kaltleitersicherung. Die gegenläufigen Kennlinien der Schmelzsicherung und der Halbleitersicherung kompensieren sich und ermöglichen dadurch ein zuverlässigeres Auslöseverhalten des Sicherungselements. Das Sicherungselement ist besonders geeignet für elektrische Anlagen in Fahrzeugen.
Ferner offenbart die Druckschrift DE 10 2006 007 960 A1 eine Fahrzeugmotor-Steuervorrichtung für einen Elektro-Fahrzeug-Motor. Die Steuereinrichtung umfasst mindestens ein elektronisches Schaltelement mit mindestens einem pyrotechnischem Anzünder, welcher in Abhängigkeit eines Unfallwarnsignals auslösbar ist. Eine derartige Steuervorrichtung kann für eine Fahrzeugbatterie verwendet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine schnelle und sanfte Abschaltung einer Hochvolt-Batterie im Kurzschlussfall sowie optional Zellschutz und Abschaltung ermöglichen zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es wird also eine Sicherungsvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises mit einer pyrotechnischen Sicherung und einer Schmelzsicherung, die parallel zu der pyrotechnischen Sicherung geschaltet ist, bereitgestellt. Ein Vorwiderstand ist vor die Schmelzsicherung geschaltet. Damit wird der Strom durch die Schmelzsicherung während des Normalbetriebs reduziert und der Alterungsprozess der Schmelzsicherung wird verlangsamt. Damit kann die Lebensdauer der gesamten Sicherungsvorrichtung erhöht werden.
Vorteilhafterweise besitzt die pyrotechnische Sicherung zwei pyrotechnische Sicherungselemente in Serie. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der ohmsche Widerstand der pyrotechnischen Sicherung mindestens um den Faktor 10 kleiner ist als der Ohmsche Widerstand der Serienschaltung von Schmelzsicherung und Vorwiderstand. Insbesondere kann der Vorwiderstand einen Ohmschen Widerstand von 1 mOhm besitzen. Speziell kann ein Kraftfahrzeug mit einer Hochvolt-Batterie, an die eine derartige Sicherungsvorrichtung geschaltet ist, bereitgestellt werden. Die Sicherungsvorrichtung dient dann zum Trennen der Hochvolt-Batterie oder eines Teils davon von dem übrigen Stromkreis im Kurzschlussfall oder bei Überlast.
Die vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung wiedergibt und
2 eine abgewandelte Sicherungsvorrichtung.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Wie bereits erwähnt soll mit der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung eine Absicherung von HV-Batterien gegen einen Kurzschluss und optional gegen Überlastung der Zellen gewährleistet werden können.
Zur Abschaltung wird eine Parallelschaltung aus einer HV-Schmelzsicherung 1 in Reihe mit einem Hochleistungsvorwiderstand 2 und einer pyrotechnischen Sicherung 3, 4 aus dem Pkw-Bereich verwendet. Die Anschlusskontakte 5, 6 der Sicherungsvorrichtung besitzen einen möglichst großen effektiven Querschnitt von z. B. 50 mm². Gegebenenfalls ist der gesamten Sicherungsanordnung an einem Anschlusskontakt 5 ein Messshunt 7 vorgeschaltet, der durch eine Elektronik 8 ausgewertet werden kann.
Der Innenwiderstand der Schmelzsicherung 1 beträgt beispielsweise 0,035 mOhm. Ihre Spannungsfestigkeit liegt vorzugsweise bei 750 V. Der Vorwiderstand 2 besitzt beispielsweise einen Ohmschen Widerstand von 1 mOhm. Der Ohmsche Widerstand beider pyrotechnischer Sicherungselemente 3 und 4 zusammen beträgt hier 0,095 mOhm. Der Widerstand in dem Zweig der Schmelzsicherung 1 beträgt somit etwas mehr als 1 mOhm, während der Widerstand in dem pyrotechnischen Zweig etwas weniger als 0,1 mOhm beträgt. Demnach ist der Ohmsche Widerstand in dem Zweig der Schmelzsicherung 1 um mehr als den Faktor 10 höher als in dem pyrotechnischen Zweig. Dies hat zur Folge, dass im normalen Betriebsfall die Stromstärke des durch die pyrotechnischen Sicherungselemente 3, 4 hindurchfließenden Stroms 9 wesentlich höher ist als die Stromstärke des durch die Schmelzsicherung 1 hindurchfließenden Stroms 10. Aufgrund dieser verminderten Stromstärke durch die Schmelzsicherung 1 im normalen Betriebsfall ist der Alterungsprozess dieser Schmelzsicherung 1 vermindert.
Um, wie erwähnt, eine Belastung der Schmelzsicherung 1 durch Betriebsströme zu vermeiden, ist der Vorwiderstand 2 vor die Schmelzsicherung 1 geschaltet. Dieser Vorwiderstand 2 ist hinsichtlich seines Ohmschen Widerstands und seiner Leistung so auszulegen, dass er auf die maximalen Kurzschlussströme, Induktivitäten im Gesamtsystem und die Widerstände von Schmelzsicherung 1 und pyrotechnischer Sicherung 3, 4 abgestimmt ist.
Die Sicherungen müssen von der Auslösecharakteristik so beschaffen sein, dass nach Auslösung der pyrotechnischen Sicherung 3, 4 ein Auslösen der Schmelzsicherung 1 trotz Vorwiderstand 2 gewährleistet wird.
Da die pyrotechnische Sicherung 3, 4 alleine nicht in der Lage ist, hohe Ströme bei gleichzeitig hoher Spannung zu unterbrechen (Lichtbogen), übernimmt die eigentliche Trennung des HV-Kreises die Schmelzsicherung 1.
Die Elektronik 8 dient der Überwachung der Ströme und Spannungen einer HV-Batterie und löst im Kurzschlussfall beziehungsweise auch im Überlastungsfall die pyrotechnische Sicherung 3, 4 aus. Zu berücksichtigen dabei sind auch EMV-Störungen und Störungen durch Starkströme, die durch Umrichter verursacht werden und mit dem integrierten Messshunt 7 zu messen sind. Nach dem Auslösen der pyrotechnischen Sicherung 3, 4 ergibt sich ein erhöhter Strom durch die Schmelzsicherung 1. Dadurch trennt auch die Schmelzsicherung 1 und ein etwaiger Lichtbogen wird gelöscht. Mit dieser Löschung des Lichtbogens wird ein sanftes Abklingen des Stroms erreicht, das mit der Trennung des Hauptstromkreises durch die pyrotechnische Sicherung eingeleitet wurde.
Abhängig von der Spannungslage kann die pyrotechnische Sicherung auch nur ein einziges pyrotechnisches Sicherungselement 3 oder mehrere in Reihe geschaltete pyrotechnische Sicherungselemente umfassen. In 2 ist der Fall dargestellt, dass die Sicherungsvorrichtung ein einziges pyrotechnisches Sicherungselement 3 besitzt. Die übrigen Elemente entsprechen denen des Beispiels von 1.
In vorteilhafter Weise kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Sicherungsvorrichtung eine Erhöhung der Trennfähigkeit von pyrotechnischen Sicherungen im Kurzschlussfall erreicht werden. Außerdem können innere Schmelzsicherungen eingesetzt werden, ohne dass eine starke thermische Alterung zu befürchten wäre.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2008/0137253 A1 [0003]
- DE 19915594 A1 [0004]
- DE 102006007960 A1 [0005]

Claims

Sicherungsvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises mit – einer pyrotechnischen Sicherung (3, 4) und – einer Schmelzsicherung (1), die parallel zur pyrotechnischen Sicherung (3, 4) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schmelzsicherung (1) ein Vorwiderstand (2) vorgeschaltet ist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Sicherung (3, 4) zwei pyrotechnische Sicherungselemente in Serie aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Ohmsche Widerstand der pyrotechnischen Sicherung (3, 4) mindestens um den Faktor 10 kleiner ist als der Ohmsche Widerstand der Serienschaltung von Schmelzsicherung (1) und Vorwiderstand (2).
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwiderstand (2) einen Ohmschen Widerstand von 1 mOhm hat.
Kraftfahrzeug mit einer Hochvolt-Batterie, an die eine Sicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche so geschaltet ist, dass die Sicherungsvorrichtung im Kurzschlussfall oder bei Überlast die Hochvoltbatterie oder einen Teil davon von dem übrigen Stromkreis trennt.