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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung zum Brandschutz somit Personenschutz.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen Elektromotor, der die gesamte oder einen Teil der Antriebsleistung liefert.
In Hybridfahrzeugen wird ein Teil der, bei Elektrofahrzeugen die gesamte Antriebsleistung mit einem Elektromotor erzeugt. Die elektrische Energie muss mittels Leistungselektronik auf die für den elektrischen Antriebsmotor passende Spannung und Frequenz umgewandelt werden. Dafür werden leistungsstarke Gleichstromsteller und Wechselrichter verwendet, welche bei Hybridfahrzeugen die Energie bei Generatorbetrieb des Motors auch zur Zwischenspeicherung in Akkumulatoren oder Doppelschicht-Kondensatoren aufbereiten. Die unter Hochspannung stehenden Komponenten werden häufig auf geringstem Raum im jeweiligen Gehäuse angeordnet, um Platz einzusparen. Daraus folgt, dass aufgrund kleiner Abstände bzw. durch Metallsplitter, Flitter oder andere mögliche leitfähige Verunreinigungen ein Lichtbogen bzw. Störlichtbogen entstehen kann. Ebenfalls besteht bei Nichteinhaltung der Luft- & Kriechstrecken oder durch Brückenbildung mit metallischen Spänen eine Gefahr für Mensch und Leben durch gefährliche Spannungen >60V d.c., >30V a.c..
Auch durch Feuchtigkeit und ungewollte Betauung kann ein Lichtbogen oder Personengefahr durch Hochspannung entstehen.
Ein Störlichtbogen oder auch Fehlerlichtbogen ist in der elektrischen Energietechnik ein technisch unerwünscht auftretender Lichtbogen zwischen elektrischen Anlagenteilen. Bei ungenügendem Abstand oder ungenügender Isolation zwischen zwei elektrischen Potenzialen kann es zu einem ungewollten Spannungsüberschlag kommen, in dessen Verlauf ein Lichtbogen entsteht. Dieser Spannungsüberschlag kann auch in einem elektrischen Bauteil selber entstehen, weil sich die Kontakte zu langsam trennen, oder die Isolationsschicht zwischen den stromführenden Teilen ihrer Isolierfähigkeit beraubt wurde.
Die Lichtbögen, die bei Spannungsüberschlag entstehen, setzen in der Regel die Lebensdauer des Bauteils massiv herab und können es im schlimmsten Fall auch zerstören. Lichtbögen sind bei Hochspannung führenden Bauteilen eine erhebliche Gefahr.
Im Niederspannungsbereich können Störlichtbögen infolge von Störstellen in elektrischen Leitungen auftreten, meist Leitungsschäden wie z.B. beschädigte Isolation infolge von Leitungsquetschungen oder zu geringe Biegungsradien bei elektrischen Leitungen. Hier können Kriechströme durch Verschmutzungen und Ablagerungen entstehen, die sich in einem Störlichtbogen entzünden. Auch bei losen Kontakten bei nicht korrekt montierten Bauteilen oder durch abgeknickte Leitungen können Störlichtbögen beispielsweise durch ionisierte Gase zwischen den losen Leitungsenden entstehen. Auf Leiterplatten, besonders häufig in Schaltnetzteilen, richten Überschläge erheblichen Schaden an, weil sich das Leitermaterial (Kupfer) auf dem Leiterplattenmaterial als Metalldampfschicht niederschlägt und Kriechstrecken überbrückt. Als Vorsorgemaßnahme dienen Lötaugen mit Hohlniet, dickere Kupferschichten, mit Draht verstärkte Leiterzüge, gekammerte Gehäuse sowie reichlich dimensionierte Kriechstrecken. Dem steht die Miniaturisierung aufgrund des geringen Bauraums wie z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen entgegen. Lichtbögen müssen somit unbedingt vermieden bzw. für den Fall, dass es zur Lichtbogenbildung kommt, rasch gelöscht werden.
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Durch die große Lichtbogenleistung und hohe Temperatur des Lichtbogens kommt es neben der starken Lichtwirkung zu einem lauten Knall und brennbare Gegenstände in unmittelbarer Umgebung können Feuer fangen. Es besteht Brandgefahr.
Aktuell wird die Leistungselektronik eines E-Fahrzeuges (z.B. der Spannungswandler, der die DC-Spannung der Batterie auf die AC-Spannung der E-Maschine anpasst) in einem Alu-Druckguss-Gehäuse verbaut. Bei möglichen Überschlägen mit Lichtbogenbildung und anschließendem Brand, bleibt der gefährliche Brand zwar im Alu-Druckguss-Gehäuse eingesperrt, hingegen sind diese Gehäusearten aufwendig und teuer. Weiterhin können vom Gehäuse abgelöste Metallspäne - wie oben erwähnt - die enthaltene Elektronik zerstören oder sogar Gefahr für Mensch und Leben bei Ausbildung von Kurzschlüssen darstellen.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einer Vorrichtung, durch die der Brandschutz gewährleistet werden kann und die zudem kostengünstig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass der Brandschutz gewährleistet werden kann und die Vorrichtung zudem kostengünstig herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ist dazu eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen, die ein Gehäuse mit mindestens einem stromführenden Element umfasst, wobei das stromführende Element im Gehäuseinneren angeordnet ist und von dem Gehäuse umschlossen wird. Das Gehäuse ist aus Kunststoff-Spritzguss gefertigt und ist von einer Brandschutzkapsel vollständig umschlossen. Das Kunststoff-Spritzguss-Gehäuse kann im Gegensatz zum einem Alu-Druckguss-Gehäuse deutlich kostengünstiger gefertigt werden. Des Weiteren müssen keine Sicherheitsabstände zum Gehäuse eingehalten werden, was einen kompakten Bau ermöglicht. Physikalische Eigenschaften bzgl. benötigter Wärmeleitfähigkeit lassen sich durch geeignete Zusatzstoffe erreichen.
Der Brandschutz wird gewährleistet, indem um das zentrale Gehäuse aus Kunststoff ein einfaches aber sicheres dichtes Metallgehäuse als Brandschutzkapsel gelegt wird. Diese Brandschutzkapsel ermöglicht einen Schutz im Falle eines Brandes und gewährleistet die Einhaltung der EMV-Vorgabe (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit).
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Vorteilhafterweise ist die Brandschutzkapsel feuerfest verschlossen. Entsprechend kann ein Brandherd, der sich innerhalb der Brandschutzkapsel ausbreitet, nicht nach außen ausbreiten und das Umfeld gefährden.
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Um dem Innendruck, der sich im Falle eines Brandes ausbildet, entgegen wirken zu können, ist die Brandschutzkapsel vorteilhafterweise aus Metall gefertigt. Durch die im Falle eines Brandes entstehenden Gase baut sich ein starker Innendruck innerhalb der Brandschutzkapsel auf. Dieser kann durch die Metallausführung der Brandschutzkapsel wirkungsvoll eingedämmt werden.
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Für den Fall, dass sich innerhalb der Brandschutzkapsel ein Brand entwickelt und der Innendruck einen Wert erreicht, der die Brandschutzkapsel zum Bersten bringen könnte, weist die Brandschutzkapsel vorteilhafterweise mindestens ein Druckausgleichselement auf. Über dieses Druckausgleichselement kann übermäßiger Innendruck ausgeglichen werden, indem das Druckausgleichselement bei vorgegebenem Berstdruck öffnet.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Druckausgleichselement ein Überdruckventil ist. Dieses Ventil öffnet bei zu starkem Innendruck und lässt die entstandenen Gase in den Außenbereich des Gehäuses.
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Vorteilhafterweise ist das Druckausgleichselement eine Berstscheibe. Berstscheiben sind Drucksicherungen, die einen Behälter oder ein System vor schädigendem Über- oder Unterdruck schützen, indem eine Einmal-Membran zerbirst. Berstscheiben sind eine Art Sollbruchstelle. Entsprechend wird das Gehäuse somit mit einer Art Sollbruchstelle versehen, die bei definiertem Druck öffnet.
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Im Falle eines Gehäusebrandes, bei dem das Kunststoff-Spritzguss-Gehäuse zu brennen beginnt, ist in einem Hohlraum zwischen Gehäuse und Brandschutzkapsel ein Löschmittel vorgesehen. Mittels dieses Löschmittels kann der Gehäusebrand gelöscht werden. Bei dem Löschmittel handelst es sich vorzugsweise um Trocken- oder Flüssiglöschmittel.
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Weiterhin ist in dem Hohlraum zwischen Gehäuse und Brandschutzkapsel ein Kühlmittel vorgesehen. Durch das Kühlmittel kann sowohl einer Erwärmung des Kunststoff-Spritzguss-Gehäuses entgegen gewirkt werden oder alternativ sogar ein Brandherd vorteilhafterweise gelöscht werden.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass in dem Hohlraum zwischen Gehäuse und Brandschutzkapsel zumindest ein feuchtigkeitsabsorbierender Stoff vorgesehen ist. Durch diesen feuchtigkeitsabsorbierenden Stoff (z.B. Silicagel) kann Feuchtigkeit, die z.B. Kurzschlüsse ermöglicht, aus dem Gehäuse entfernt werden und ein Trocknungsprozess bewirkt werden.
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Vorteilhafterweise ist die Brandschutzkapsel verschweißt, vernietet, verschraubt oder verbördelt. Die Verschlussart wird je nach resultierender Dichtigkeit der Brandschutzkapsel und den mit der Verschlussart entstehenden Kosten vorteilhaft gewählt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges und Sicherheitsvorrichtung;
- 2: eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung mit dem Gehäuse und der Brandschutzkapsel.
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 21 mit einer Sicherheitsvorrichtung 10. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11. Im Gehäuseinneren 18 ist ein stromführendes Element 12 angeordnet. Bei dem stromführenden Element 12 kann es sich um beliebige Elektronikbauteile / - elemente handeln (z.B. Leistungselektronik, DCDC-Wandler, etc.), die von dem Gehäuse 11 umschlossen werden bzw. sich im Gehäuse 11 befinden. Die Sicherheitsvorrichtung 10 ist mit einer Batterie 22 und einem Elektromotor 20 verbunden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung 10. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11, in dessen Gehäuseinneren 18 ein stromführendes Element 12 (eine Leistungselektronik, ein DCDC Wandler, etc.) angeordnet ist. Das Gehäuse 11 ist aus Kunststoff gefertigt, vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellt (Kunststoff-Spritzguss-Gehäuse). Das Gehäuse 11 wird von einer Brandschutzkapsel 14 vollständig umschlossen. Die Brandschutzkapsel 14 ist vorzugsweise aus Metall gefertigt (Metallgehäuse) und ist feuerfest verschlossen. Die Brandschutzkapsel 14 verfügt über mindestens ein Druckausgleichselement 15. Dieses kann als Überdruckventil oder Berstscheibe ausgeführt sein. Bricht ein Brand im Gehäuseinneren 18 des Gehäuses 11 aus und steigt der Druck entsprechend an, kann im schlimmsten Fall über das Überdruckventil oder die Berstscheibe ein Druckausgleich vorgenommen werden. Weiterhin ist in einem Hohlraum 16 zwischen Gehäuse 11 und Brandschutzkapsel 14 ein Löschmittel 17 vorgesehen. Das Löschmittel 17 kann bei vorherrschendem Brand zum Löschen des Brandes beitragen. Alternativ kann im Hohlraum 16 ein Kühlmittel vorgesehen sein, welches zur Kühlung des Gehäuses 11 dient. Des Weiteren ist es möglich, dass in dem Hohlraum 16 ein feuchtigkeitsabsorbierender Stoff 19 vorgesehen ist, über den Feuchtigkeit aus dem Hohlraum entfernt werden kann. Die Brandschutzkapsel 14 umfasst das Gehäuse 11 vollständig. Sie ist verschweißt, vernietet, verschraubt oder verbördelt. Auch Mischformen aus den vorgenannten Verschlusstechniken sind möglich.
