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Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherung mit einem pyrotechnischen Trennelement zur Trennung eines in einem elektrischen Schaltkreis geschalteten elektrischen Leiters nach Anspruch 1.
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In einem elektrisch betriebenen Fahrzeug kann zwischen einer Hochvolt-Traktionsbatterie und einem Hochvolt-Bordnetz ein pyrotechnisches Trennelement als Überstromsicherung zwischengeschaltet sein. Dieses kann in Fehlerfällen (zum Beispiel Crash, Überstrom, Kurzschluss) aktiviert werden, um zum Beispiel eine Batterieabschaltung zu erzielen. Ein solches pyrotechnisches Trennelement ist beispielhaft aus der
EP 1 469 564 B1 , aus der
DE 10 2011 014 023 A1 , aus der
DE 10 2009 047 439 A1 oder aus der
DE 10 2012 214 835 A1 bekannt.
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Die
DE 10 2014 107 853 A1 und
DE 10 2016 124 176 A1 beschreiben ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen. Die
DE 20 2006 020 172 U1 offenbart einen Stromunterbrecher für elektrische Versorgungsleitungen, insbesondere Energieleitungen oder Batteriekabel, von Kraftfahrzeugen. Die
DE 199 60 597 A1 beschäftigt sich mit einer Sicherheitseinrichtung zum Schutz eines an eine elektronische Schaltungsanordnung angeschlossenen elektrischen Verbrauchers und die
DE 25 14 976 A1 offenbart ein pyrotechnisches Trennelement zum Lösen von mit Schraubenbolzen oder anderen Bolzen durchgeführten Verbindungen von Maschinenteilen mit einer im Element installierten Treib- oder Sprengladung.
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Üblicherweise wird das pyrotechnische Material des Trennelementes im Fehlerfall aktiv über ein Stromsignal angesteuert. Das Stromsignal wird über, vom elektrischen Leiter separate Zündleitungen direkt in das pyrotechnische Material übertragen, um eine Zündung des pyrotechnischen Materials einzuleiten.
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In bestimmten Fehlerfällen, zum Beispiel bei Überstrom oder Kurzschluss, ist eine solche aktive Ansteuerung aufgrund von diversen Einschränkungen und Aufwänden für Sensierung und Ansteuerung durch Elektronik nicht die favorisierte Lösung. Daher sind allgemein auch gattungsgemäße Sicherungskonzepte für eine passive Auslösung des pyrotechnischen Materials bekannt. Hierbei ist das pyrotechnische Material des Trennelementes in wärmeleitender Verbindung mit dem elektrischen Leiter sowie für eine passive Zündung ausgelegt, bei der im Sicherungsfall der elektrische Leiter das pyrotechnische Material bis auf eine Auslösetemperatur erwärmt. Bei Erreichen der Auslösetemperatur zündet das pyrotechnische Material, um die Trennung des elektrischen Leiters einzuleiten.
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Bei der passiven Auslösung des pyrotechnischen Materials wird üblicherweise das pyrotechnische Material im Produktionsprozess als eine zähflüssige Paste auf die Solltrennstelle des elektrischen Leiters direkt aufgebracht. Von daher erfolgt eine direkte Handhabung/Umgang mit pyrotechnischem Material während des Produktionsprozesses. Für die Hersteller ergeben sich wegen zusätzlicher Anforderungen hinsichtlich Qualifikation der Mitarbeiter sowie Sicherheitsvorkehrungen in der Produktion kostenintensive und aufwendige Zusatzmaßnahmen. Außerdem reagieren pyrotechnische Materialien in der Regel sehr empfindlich auf Feuchtigkeit, so dass sie während der Produktion und dem Betrieb der pyrotechnischen Trennelemente davor zu schützen sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Sicherung bereitzustellen, bei der das pyrotechnische Material fertigungstechnisch einfach sowie betriebssicher auf den elektrischen Leiter applizierbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß wird auf eine direkte Auftragung des pyrotechnischen Materials als Paste auf die Solltrennstelle des elektrischen Leiters verzichtet, was fertigungstechnisch sowie mit Bezug auf Sicherheitsvorkehrungen aufwendig ist. Vielmehr wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das Trennelement als ein separat montierbares Bauteil ausgebildet, das einen Ladungsträger aufweist, mittels dem das pyrotechnische Material nach außen hermetisch dicht eingekapselt ist. Von daher ist die Handhabung des gegenüber äußeren Einflüssen äußerst empfindlichen pyrotechnischen Materials wesentlich vereinfacht, da keine Sicherheitsanforderungen für den direkten Umgang mit dem pyrotechnischen Material zu berücksichtigen sind. Das mittels des Ladungsträgers eingekapselte pyrotechnische Material kann unter Zwischenlage einer Trägerwand des Ladungsträgers auf den elektrischen Leiter montiert werden. Die Trägerwand des Ladungsträgers kann bevorzugt aus einem wärmeleitenden Vollmaterial ausgebildet sein, die innenseitig den mit dem pyrotechnischen Material gefüllten Hohlraum begrenzt und außenseitig in unmittelbarer Anlage mit einer Anlagenfläche des elektrischen Leiters ist. Erfindungsgemäß ist das pyrotechnische Material für eine passive Auslösung ausgelegt, bei der im Sicherungsfall der elektrische Leiter das pyrotechnische Material bis zu der Auslösetemperatur erwärmt, um durch Zündung des pyrotechnischen Materials die Trennung des elektrischen Leiters einzuleiten. Entsprechend ist das mittels des Ladungsträgers eingekapselte pyrotechnische Material nach außen elektrisch vollständig entkoppelt, das heißt ohne elektrischem Kontakt zu Zündleitungen eines Zünd-Stromkreises.
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Für den Umgang mit bereits fertig verarbeiteten und gekapselten pyrotechnischen Bauteilen gelten erheblich geringere Anforderungen hinsichtlich der Qualifikation des Personals und Sicherheitsvorkehrungen in der Produktion als im direkten Umgang mit pyrotechnischen Material.
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Der Erfindungskern besteht also darin, dass das pyrotechnische Material nicht im Produktionsprozess direkt auf die Solltrennstelle des pyrotechnischen Trennelementes aufgebracht wird. Stattdessen wird eine pyrotechnische Auslöseeinheit als fertig verarbeitetes Bauteil eingesetzt. Dieses wird von einem Pyrotechnik-Lieferanten an den Hersteller des pyrotechnischen Trennelementes geliefert, dass dieser wie eine Zündpille nur noch montieren muss.
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Diese montierbare pyrotechnische Auslöseeinheit besteht aus einem Trägermaterial, auf das das pyrotechnische Material aufgebracht ist. Das Trägermaterial besteht idealerweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmekapazität, so dass bei Überströmen/Kurzschlüssen eine schnelle Energieübertragung auf das pyrotechnische Material und damit schnelle Auslösung gewährleistet ist. Die Auslöseeinheit ist an die Geometrie des Leiters (zum Beispiel Stromschiene, Rohr) angepasst und kann durch verschiedene Verbindungstechniken auf dem Leiter befestigt werden.
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Das pyrotechnische Material kann durch ein Abdeckmaterial abgedeckt sein, so dass das pyrotechnische Material vor äußeren Einflüssen, zum Beispiel Feuchtigkeit, geschützt ist.
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Das Abdeckmaterial kann so gestaltet sein, dass es bei Zündung des pyrotechnischen Materials zerstört oder geöffnet wird und dadurch eine optionale, zweite Zündladung aktiviert wird (zum Beispiel eine Zündpille für die aktive Zündung), durch die dann die Trennung des Strompfades erfolgt.
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Nachfolgend sind relevante Erfindungsaspekte detailliert erläutert: So kann in einer technischen Umsetzung das pyrotechnische Trennelement zumindest zweiteilig aus dem Ladungsträger und einem Deckteil ausgebildet sein, zwischen denen das pyrotechnische Material eingekapselt ist. Der Ladungsträger ist dabei als ein bauteilsteifes sowie formstabiles Strukturteil ausgebildet, das mit einer äußeren Montagefläche am elektrischen Leiter anbindbar ist. Der Ladungsträger ist bevorzugt so ausgelegt, das er auch nach Aktivierung des pyrotechnischen Materials zerstörungsfrei bleibt. Vor diesem Hintergrund kann der Ladungsträger aus einem Metall-Werkstoff gefertigt sein, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine geringe Wärmekapazität aufweist, etwa Aluminium oder dergleichen.
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Demgegenüber kann das Deckteil in der Nichtgebrauchslage des pyrotechnischen Trennelementes das pyrotechnische Material vor äußeren Einflüssen, etwa Feuchtigkeit oder dergleichen, schützen und im Gegensatz zum Ladungsträger eine reduzierte Bauteilsteifigkeit sowie Formstabilität aufweisen. Das Deckteil kann so ausgelegt sein, dass es den Zündvorgang nicht beeinträchtigt. Entsprechend ist es bevorzugt, wenn das Deckteil bei der Zündung des pyrotechnischen Materials zerstört wird.
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In einer ersten Ausführungsvariante kann der elektrische Leiter aus einem Rundmaterial gefertigt sein. Das pyrotechnische Trennelement kann in diesem Fall zumindest teilweise ringförmig geschlossen sein und in einem Montagevorgang auf einen Außenumfang des elektrischen Leiters, insbesondere durch Aufpressen oder Aufschrumpfen, aufbringbar sein.
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Alternativ dazu kann der elektrische Leiter eine Stromschiene sein, die im Querschnitt ein Flachprofil aufweist. In diesem Fall kann das Trennelement plattenförmig mit einer ebenflächigen Kontaktfläche ausgebildet werden, die in Anlageverbindung, zum Beispiel in Klebverbindung mit der Stromschiene bringbar ist.
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Nach der passiven Zündung des pyrotechnischen Materials erfolgt im Bereich der Solltrennstelle des elektrischen Leiters ein Druckaufbau in Folge explosionsartig expandierender Abbrandgase. Dadurch werden Wirkflächen an der Solltrennstelle des elektrischen Leiters mit Überdruck beaufschlagt, um den elektrischen Leiter mechanisch zu trennen.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer Schnittdarstellung eine elektrische Sicherung mit einem pyrotechnischen Trennelement, das an einem elektrischen Leiter verbaut ist;
- 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des pyrotechnischen Trennelementes der elektrischen Sicherung;
- 3 eine Schnittdarstellung entlang der Querschnittsebene aus der 1; und
- 4 eine Ansicht, anhand der ein Zusammenbau der elektrischen Sicherung veranschaulicht ist; und
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der 1 ist eine elektrische Sicherung für einen elektrischen Leiter 1 gezeigt, der über elektrische Kontaktstellen 8, 10 in einem nicht dargestellten elektrischen Schaltkreis geschaltet ist. Der elektrische Leiter 1 weist ein Rohrprofil mit in Längsrichtung unterschiedlich großer Profilquerschnitte auf, die unterschiedliche Funktionen erfüllen: So bilden die Profilquerschnitte eine Solltrennstelle 3, die in der 1 als eine Ringnut realisiert ist, und zwar mit einem, eine geringe Restbodendicke aufweisenden Nutboden 5 sowie mit davon radial nach außen hochgezogenen Nutseitenwänden 7. In der Ringnut 3 ist ein ringförmiges pyrotechnisches Trennelement 4 angeordnet, in dem ein pyrotechnisches Material 6 nach außen hermetisch dicht eingekapselt ist. Das pyrotechnische Trennelement 4 ist in wärmeleitender Verbindung mit dem Nutboden 5 und für eine passive Auslösung ausgelegt, bei der im Sicherungsfall der elektrische Leiter das im Trennelement 4 eingekapselte pyrotechnische Material 6 bis auf eine Auslösetemperatur erwärmt. In diesem Fall zündet das pyrotechnische Material 6, um eine Trennung des elektrischen des elektrischen Leiters 1 am Nutboden 5 zu erzielen.
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An die Ringnut 3 schließt sich materialeinheitlich und einstückig ein durchmessergroßer Kolbenabschnitt 9 an. Dieser begrenzt auf seiner der Ringnut 3 abgewandten Seite eine Ring-Hohlkammer 11, in die der Kolbenabschnitt 9 bei Zündung des pyrotechnischen Trennelementes 4 hinein beschleunigt wird, und zwar unter mechanischer Trennung des Leiters 1 an den mit geringer Restbodendicke ausgebildeten Nutboden. Auf diese Weise wird der Strompfad im elektrischen Leiter unterbrochen.
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Die Ring-Hohlkammer 11 ist radial innen durch einen Stauchrohrabschnitt 13 begrenzt, der sich an den Kolbenabschnitt 9 anschließt, und radial außen durch ein hülsenförmiges Sicherungsgehäuse 15 begrenzt, das über zwischengeordnete Kunststoffelemente 17 dichtend auf dem Außenumfang des elektrischen Leiters 1 abgestützt ist. Gemäß der 1 ist das in der 1 auf der rechten Seite (das heißt rechts der Ringkammer 11) positionierte Kunststoffelement 17 zweiteilig ausgeführt mit einem inneren Teil und einem äußeren Teil. Das innere Teil des Kunststoffelements 17 stellt die Abdichtung Richtung Gehäuse 15 und Kolbenabschnitt 9 sicher und bewegt sich bei Zündung des pyrotechnischen Materials mit dem Kolbenabschnitt 9 mit. Das äußere Teil des Kunststoffelements 17 bleibt dagegen ortsfest positioniert.
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Der Stauchrohrabschnitt 13 geht an seinem, vom Kolbenabschnitt 9 gegenüberliegenden Ende in eine flanschartig ausgeweitete Begrenzungswand 19 des elektrischen Leiters 1 über, der im weiteren Verlauf mit seiner Kontaktstelle 8 aus dem Sicherungsgehäuse 15 herausgeführt ist. Der Stauchrohrabschnitt 13 begrenzt radial innen eine Ölkammer 21, die im Normalfall flüssigkeitsdicht geschlossen ist. Bei der oben erwähnten Beschleunigung des Kolbenabschnittes 9 reißt die Ölkammer 21 auf, so dass austretendes Öl (insbesondere Silikonöl) einen beim Trennvorgang sich an der Solltrennstelle 3 bildenden Lichtbogen löscht.
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Zudem weist die elektrische Sicherung eine von dem pyrotechnischen Trennelement 7 funktional getrennte aktive Zündeinrichtung 23 auf, die über elektrische Zündleitungen 25 mit einem Stromsignal ansteuerbar ist. Die Aktivierung der Zündeinrichtung 23 über das Stromsignal erfolgt zum Beispiel im Crashfall. Demgegenüber erfolgt die passive Auslösung des pyrotechnischen Trennelementes 4 bei einem Kurzschluss oder einem Überströmen im Leiter 1.
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Nachfolgend wird anhand der 1 bis 3 der Aufbau des pyrotechnischen Trennelementes 7 beschrieben: Demzufolge ist das Trennelement 4 zweiteilig aus einem ringförmigen Ladungsträger 27 und einem außenumfangsseitigen Deckteil 29 ausgebildet, zwischen denen das pyrotechnische Material 6 eingekapselt ist. Der Ladungsträger 27 ist geschlossen ringförmig aus Aluminium gefertigt und weist einen glattzylindrischen Innenumfang 31 (4) auf, der in der 2 auf den durchmesserreduzierten Nutboden 5 der Solltrennstelle 3 aufgepresst ist. Auf der Außenseite des ringförmigen Ladungsträgers 27 ist das pyrotechnische Material 6 zum Beispiel als eine Paste aufgetragen, die zwischen dem Deckteil 29 und dem Ladungsträger 27 eingekapselt ist. Das Deckteil 29 ist im Vergleich zum Ladungsträger 27 biegeschlaff ausgeführt, zum Beispiel als eine Schutzfolie, die bei der Zündung des pyrotechnischen Materials 6 zerstört oder geöffnet wird, um eine einwandfreie Zündung des pyrotechnischen Materials 6 zu ermöglichen. Das Deckteil 29 kann an seinen seitlichen Rändern 39 (2) beispielhaft auf dem Ladungsträger 27 aufgeklebt sein.
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Sofern an den elektrischen Leiter 1 ein Kurzschluss oder ein Überstrom anliegt, wird der elektrische Leiter 1 erwärmt. Die Wärmeenergie wird in Wärmeleitung über den Ladungsträger 27 auf das pyrotechnische Material 6 übertragen. Sobald das pyrotechnische Material 6 eine Auslösetemperatur erreicht, entzündet sich das pyrotechnische Material 6. Nach der Zündung des pyrotechnischen Materials 6 erfolgt schlagartig ein Druckaufbau in Folge explosionsartig expandierender Abbrandgase, mit dem die in Axialrichtung gegenüberliegenden Nutseitenwänden 7 der Solltrennstelle 3 mit entgegen gerichteten Trennkräften beaufschlagt werden, um den elektrischen Leiter 1 am Nutboden 5 geringer Restbodendicke auseinander zu reißen.
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Im Unterschied zur Erfindung ist im Stand der Technik das pyrotechnische Material 6 nicht in einem als separaten Bauteil ausgeführten Trennelement eingekapselt, sondern ist das pyrotechnische Material 6 als eine Paste unmittelbar auf dem Nutboden 5 der Solltrennstelle 3 aufgetragen.
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Anhand der 4 ist ein Zusammenbauvorgang beschrieben: Demzufolge ist das Trennelement 4 als eine separates Bauteil bereitgestellt. Der elektrische Leiter ist in der 5 noch aufgeteilt in zwei voneinander separate Leiterteile 35, 37, die im Bereich des Nutbodens 5 voneinander getrennt sind. In einem ersten Montageschritt M (4) wird das ringförmige Trennelement 4 auf den am Leiterteil 37 ausgebildeten Nutboden 5 aufgesteckt. Anschließend wird in einem zweiten Montageschritt eine freie Randkante 39 des Nutbodens mit dem anderen Leiterteil 35 verbunden, zum Beispiel durch eine Schweiß- oder Lötverbindung.
Alternativ zu den 1 bis 4 ist in der 5 der elektrische Leiter nicht aus einem Rundmaterial ausgebildet, sondern als eine Stromschiene, die im Querschnitt ein Flachprofil aufweist. Das Trennelement 4 ist entsprechend nicht ringförmig, sondern plattenförmig mit einer ebenflächigen Kontaktfläche ausgebildet, die in Anlageverbindung, zum Beispiel in Klebverbindung, mit der Stromschiene ist.
