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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Zwar kann generell eine solche Vorrichtung, die dem Schutz vor Berührungen mit spannungsführenden Teilen in einem Zugangsbereich zu einem elektrischen System dient grundsätzlich überall da eingesetzt werden, wo die Gefahr besteht, dass auch mit dem elektrischen System nicht vertraute Personen den Zugangs- oder Anschlussbereich, wie den Anschluss- oder Klemmenkasten, öffnen. Im Besonderen ist dies jedoch bei den neuartigen Hybridantrieben von Straßenfahrzeugen der Fall, die in Fahrzeugwerkstätten gewartet und gegebenenfalls repariert werden müssen.
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Bei derartigen Hybridantrieben muss zur Vermeidung hoher Ströme der bis zu einer Spannung von 50 Volt als sicher geltende Spannungsbereich verlassen werden, so wird insbesondere bei Nutzfahrzeugen und Bussen wegen der hier notwendigen höheren Antriebsleistungen mit Spannungen von mehr als 600 Volt gearbeitet.
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Wegen dieser Erhöhung der Versorgungsspannung wird ein Schutz vor direkter und indirekter Berührung spannungsführender Teile notwendig, der im Wartungs- und Reparaturfall das Servicepersonal in den Fahrzeugwerkstätten vor den Gefahren eines elektrischen Schlages schützt. Insbesondere muss dem Umstand Rechnung getragen werden, dass sich das heute vorhandene Werkstattpersonal mit den aufgezeigten Gefahren noch nicht auskennt solange nicht entsprechende Ausbildungsprogramme absolviert worden sind.
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In Fahrzeug-Hybrid-Antriebssystemen können gefährliche Spannungen aus folgenden Quellen stammen: Es sind Stromspeicher vorhanden, die nicht nur aus dem Batteriesystem oder Brennstoffzellen bestehen. Insbesondere kommen hierfür geladene Kondensatoren, wie Doppelschicht-Kondensatoren in Betracht, die im Gleichspannungszwischenkreis des Umrichtersystems zwischen der Drehstrommaschine und den Gleichspannungs-Akkumulatoren eingesetzt werden. Auch im ausgeschalteten Zustand des Antriebssystems können höhere Spannungen noch längere Zeit gespeichert bleiben und stellen eine potentielle Gefährdung dar, sobald servicebedingte oder reparaturbedingte Eingriffe in das System vorgenommen werden müssen. Diese Gefährdung muss auch dann beherrscht werden, wenn beispielsweise nach einem Unfall das System beschädigt ist und Defekte aufweist. Es kann sich um Isolationsdefekte im Energiespeicher, um Isolationsdefekte im Antriebswechselrichter oder im übrigen Antriebssystem handeln, auch kommen ausgefallene oder kurzgeschlossene Schütze oder Relais zu den Akkumulatoren hin oder Unterbrechungen oder Wackelkontakte in Betracht, letztere können eine Entladung der Zwischenkreiskondensatoren verhindern.
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Aus dem Stand der Technik ist die US-Patentschrift
US 5 504 655 A bekannt. Diese offenbart eine Steckverbindung für ein Batteriekabel, mit der ein Batteriekabel eines Kraftfahrzeugs mit dem Motorcontroller eines Kraftfahrzeugs verbunden werden kann. Die gezeigte Steckverbindung verfügt über einen Kurzschlusskontakt, der dafür sorgt, dass ein Kondensator im Eingangskreis des Motorcontrollers entladen wird, wenn der Stecker von diesem abgezogen wird. Das Steckverbinderkabel sichert dabei gleichzeitig die Abdeckung des Motorcontrollers und verhindert, dass diese mit angeschlossener Spannungsversorgung abgezogen wird. Eine solche Lösung weist jedoch Nachteile auf. Zum einen hängt die Zugangsmöglichkeit zum Inneren des Motorcontrollers von dem abziehen des Spannungsversorgungskabels ab, was dazu führt, dass das Kabel auch bei solchen Eingriffen am Motorcontroller entfernt werden muss, die ansonsten in einfacherer Weise bei angeschlossenem Kabel hätten durchgeführt werden können, beispielsweise wenn die Spannungsversorgung durch einen Schalter entsprechend getrennt wird. Zum anderen bezieht sich die in D1 gezeigte Zwangsentladung nur auf Kapazitäten im Bereich der Spannungsversorgung des Motorcontrollers. Es ist nicht sichergestellt, dass gegebenenfalls andere elektrische oder elektronische Baugruppen unter der Abdeckung noch Spannungen führen, die eine Person bei Wartungsarbeiten gefährden könnten. Auch kann durch den internen Kurzschluss des Motorcontrollers nicht sichergestellt werden, dass die elektrischen bzw. elektronischen Baugruppen des Motorcontrollers wirklich ein neutrales elektrisches Potential erreichen. Es handelt sich vielmehr um eine interne symmetrische Entladung, die lediglich dazu führt, dass die kurzgeschlossenen Kontakte das gleiche elektrische Potential erreichen. Von diesem Restpotential kann jedoch immer noch eine Gefährdung von Personen ausgehen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die spannungsführenden Teile im Zugangsbereich des elektrischen Systems kurzgeschlossen werden, bevor der Zugang zu dem Zugangsbereich freigegeben wird.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit einer Vorrichtung gelöst, welche die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
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Für die erfindungsgemäße Lösung ist wesentlich, daß der Kurzschluß derjenigen Teile im Zugangsbereich, die Spannungen unterschiedlicher Polarität auch dann führen können, wenn das elektrische System außer Betrieb ist, zwangsläufig bei Verstellung des Betätigungsteils am Verschlußteil kurzgeschlossen werden, ohne daß darauf Einfluß genommen werden kann. So ist das Wartungspersonal beim Zugang zu dem Zugangsbereich, wie dem Anschluß- oder dem Klemmenkasten des elektrischen Systems, sicher vor gefährlichen Spannungen geschützt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 einen Schaltplan des elektrischen Teils eines Fahrzeug-Hybridantriebs,
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2 schematisch eine Vorrichtung zum Schutz vor Berührungen mit spannungsführenden Teilen in dem Anschlußbereich zu dem elektrischen Antriebssystem von 1 im inaktiven Zustand,
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3 die Vorrichtung nach 2 bei aktivem Kurzschluß,
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4 eine weitere Vorrichtung zum Schutz vor Berührungen mit spannungsführenden Teilen bei nicht aktivem Kurzschluß,
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5 die Vorrichtung gemäß 4 bei aktivem Kurzschluß und
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6 die Vorrichtung nach den 4 und 5 zu Beginn der Aufhebung des Kurzschlusses.
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Im einzelnen erkennt man in 1 einen Generator G oder einen Motor, der im Bremsbetrieb des betreffenden Fahrzeugs zugleich als Generator fungiert. Die elektrischen Anschlußleitungen des Generators G führen in einen Anschlußbereich A, in welchem weitere, nicht dargestellte Anschlußleitungen von Systemkomponenten zusammenlaufen. Dazu gehört ein Umrichter U, der räumlich getrennt vom Anschlußbereich A angeordnet ist. An die Gleichspannungsseite des Umrichters U schließt ein Gleichspannungskreis GK an, der den üblichen Glättungskondensator K aufweist. Am Gleichspannungskreis ist ein elektrischer Energiespeicher S angeschlossen, der in der Praxis räumlich getrennt von den übrigen Bauteilen des Antriebssystems angeordnet sein kann.
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Im Wartungs- oder Reparaturfall muß man Zugang zu den Anschlüssen der Komponenten des Antriebssystems nehmen, dies geschieht über den Anschlußbereich A, der über einen Zugangsbereich Z zugänglich ist. Bevor der Zugang zu dem Anschlußbereich A geöffnet wird, muß sichergestellt sein, daß in dem Anschlußbereich A Berührungen der Bedienungspersonen mit Bauteilen, die eine gefährliche Spannung führen können, ausgeschlossen sind. Solche menschengefährdende Spannungen können im Gleichspannungskreis GK insbesondere bei nicht entladenem Kondensator K auftreten. Ebenso können Fehler im elektrischen Energiespeicher S zu den gefährlichen Berührungsspannungen führen, wie auch Fehler in anderen Energiequelle oder in elektrischen Steuerungen des Antriebssystems.
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1 zeigt weiter drei Kurzschlußkontakte 1, die mit denjenigen Leitungen verbunden sind, die eine elektrische Verbindung zu denjenigen Stellen im elektrischen Antriebssystem haben, an denen die gefährlichen Spannungen auftreten können. Die Kurzschlußkontakte 1 können gemeinsam mit einer Kurzschlußleitung, insbesondere einer Kurzschlußbrücke 2 verbunden werden. Entsprechende mechanische Vorrichtungen hierzu werden anhand der weiteren Zeichnungsfiguren nachstehend erörtert.
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In den 2 und 3 sind lediglich beispielhaft nur zwei der Kurzschlußkontakte 1 dargestellt, die sich in dem Anschlußbereich A befinden. Auch erkennt man die Kurzschlußbrücke 2, die in 2 inaktiv ist und nach 3 die Kurzschlußkontakte 1 kontaktiert, um den gewünschten Kurzschluß herzustellen. In der nicht kurzschließenden Position stützt sich die Kurzschlußbrücke 2 auf Widerlagern 3 ab, und sie wird in Richtung zu den Kurzschlußkontakten 1 hin von zumindest einer Druckfeder 4 beaufschlagt, die sich an einem Gestellteil 5 des betreffenden Fahrzeugs abstützt. Die Kurzschlußbrücke 2 ist mit dem Gestellteil 5 mittels einer Leitung 6 elektrisch verbunden.
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Der Zugang zu dem Anschlußbereich A vom Zugangsbereich Z aus ist mittels einem wegnehmbaren Verschlußteil 7 gesichert, bei dem es sich um eine Abdeckung eines Anschlußkastens handelt und das im nachfolgenden als Abdeckung 7 bezeichnet ist. So trennt die Abdeckung 7 den Anschlußbereich A von dem Zugangsbereich Z, von letzterem aus erfolgt die Betätigung der Kurzschlußbrücke 2. Dazu dient ein Schließteil 6 mit einem Betätigungsteil 8, und hierbei handelt es sich um eine Verriegelungsschraube mit einem Kopf, weswegen nachstehend das Schließteil als Verriegelungsschraube 6 und das Betätigungsteil als Kopf 8 bezeichnet ist. Die Verriegelungsschraube 6 sichert mit ihrem Kopf 8 die Abdeckung 7, folglich muß die Verriegelungsschraube 6 über den im Zugangsbereich Z befindlichen Kopf 8 betätigt werden, insbesondere gelöst werden, um die Abdeckung 7 entfernen zu können und den Zugang zum Anschlußbereich A zu ermöglichen. An einem feststehenden Gestellteil 9 ist eine Gewindeführung 10 in Gestalt einer Mutter angeordnet, in welcher die Verriegelungsschraube 6 mittels eines Außengewindes 6.1 aufgenommen ist. Damit die Abdeckung weggenommen werden kann ohne die Verriegelungsschraube 6 vollständig aus der Gewindeführung 10 herauszudrehen, ist in der Abdeckung 7 ein zu deren Rand hin offener Schlitz vorgesehen, durch den beim Verschieben der Abdeckung 7 die Verriegelungsschraube 6 in der in 3 gezeigten Position hindurchtritt. Hierbei greifen die Schlitzränder in eine Umfangsnut 6.1 der Verriegelungsschraube 6 ein. Der genannte Schlitz geht an seinem Innenende in eine Bohrung über, deren Durchmesser um ein Spielmaß größer als der der Verriegelungsschraube 6 ist, damit die Verriegelungsschraube 6 einen axialen Hub ausführen kann, ohne die Abdeckung 7 mitzunehmen. So hat der erwähnte Schlitz die Grundform eines Schlüssellochs. Anstelle der Verriegelungsschraube 6 kann auch ein anderes stangenförmiges Bauteil zum Einsatz kommen, welches in gleicher Weise wie die Verriegelungsschraube 6 in axialer Richtung bewegbar ist.
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Wie 3 veranschaulicht, ist beim Herausschrauben die Kurzschlußbrücke 2 der Verriegelungsschraube 6 aufgrund der Kraft der zumindest einen Druckfeder 4 nachgefolgt und hat sich an die Kurzschlußkontakte 1 angelegt, somit ist der Kurzschluß zwischen den Kurzschlußkontakten 1 aktiv. Zugleich sind die Kurzschlußkontakte 1 mit dem Fahrzeuggestell 5, wie dem Fahrzeugchassis, verbunden, so daß Fehlerspannungen und -ströme auch über das Fahrzeuggestell 5 abgeleitet werden können.
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Die 4–6 zeigen eine modifizierte Vorrichtung, die es verhindert, daß bei einer allmählichen Annäherung der Kurzschlußbrücke 2 an die Kurzschlußkontakte 1 bei daran anliegenden Spannungen unterschiedlicher Polarität über eine längere Zeit ein Lichtbogen ansteht. Die Verriegelungsschraube 6 ist hier so gestaltet, daß bei beginnendem Lösen bereits nach einer Teilumdrehung die Kurzschlußbrücke 2 von der Kraft der zumindest einen Feder 4 sich sprunghaft an die Kurzschlußkontakte 1 anlegt, so daß der Kurzschluß schlagartig eintritt.
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Hierzu weist die Verriegelungsschraube 6 an ihrem zu der Kurzschlußbrücke 2 hin liegenden Ende ein Kupplungsteil 11 auf, welches an der zum Ende der Verriegelungsschraube 6 hin liegenden Oberseite ein flaches, sich diametral erstreckendes und nach oben vorstehendes Aufnahmeteil 12 aufweist, welches in einem diametral sich erstreckenden Schlitz 13 am Ende der Verriegelungsschraube 6 aufgenommen werden kann. Stehen der Schlitz 13 der Verriegelungsschraube 6 und das Aufnahmeteil 12 rechtwinklig zueinander, wie es die Ausgangsposition in 4 veranschaulicht, dann wird über die Verriegelungsschraube 6 und das Vorsatzteil 11 die Kontaktbrücke 2 entgegen der Kraft der zumindest einen Feder 4 in Anlage an den Widerlagern 3 gehalten. Wird nun die Verriegelungsschraube 6 über den Schraubenkopf 8 um einen Winkel von 90° gedreht, fluchten das Aufnahmeteil 12 am Kupplungsteilteil 11 und der Schlitz 13 am Ende der Verriegelungsschraube 6 miteinander und das Aufnahmeteil 12 taucht in den Schlitz 13 ein. Dies geschieht mit Schnelligkeit über die Kraft der zumindest einen Feder 4 und die Kurzschlußbrücke 2, die das daran anliegende Kupplungsteil 11 nach oben hin schiebt. Die hiernach erreichte Lage zeigt 5.
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Das Kupplungsteil 11 ist in Achsrichtung der Verriegelungsschraube 6 an der Kontaktbrücke 2 drehbar gelagert. Zwischen dem Kupplungsteil 11 und der Kontaktbrücke 2 ist eine Rutschkupplung 14 vorgesehen, die es ermöglicht, aus der in 6 gezeigten Position die Kontaktbrücke 2 wieder in die inaktive Position gemäß 4 zurückführen zu können. Dazu muß die Verriegelungsschraube 6 soweit herausgedreht werden, bis das Aufnahmeteil 12 am Kupplungsteil 11 aus dem Schlitz 13 der Verriegelungsschraube 6 freigekommen ist. Hiernach wird die Verriegelungsschraube 6 in der Weise wieder eingedreht, daß sie mit ihrem Stirnende unter Reib- oder Formschluß auf der oberen Schmalseite des Aufnahmeteils 12 zum Aufsitzen kommt, ohne daß das Aufnahmeteil 12 in den Schlitz 13 der Verriegelungsschraube 6 eintaucht. Bei weiterem Drehen der Verriegelungsschraube 6 bis in ihre eingeschraubte Endlage wird über den Reib- oder Formschluß das Kupplungsteil 11 zusammen mit der Verriegelungsschraube 6 gedreht, wobei die Rutschkupplung 14 die Drehung des Kupplungsteils 11 in Relation zu der Kurzschlußbrücke 2 ermöglicht.