DE102009038168A1

DE102009038168A1 - Stromüberbrückungselement zum lösbaren Schließen eines Stromkreises

Info

Publication number: DE102009038168A1
Application number: DE102009038168A
Authority: DE
Inventors: Ricarda Hilse; Hans-Georg Schweiger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: DE102009038168A8; DE102009038168B4

Abstract

Stromüberbrückungselement (100) zum lösbaren Schließen eines Stromkreises, insbesondere innerhalb eines Stromkreises eines Energiespeichers für ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug, das Stromüberbrückungselement aufweisend ein Grundelement, welches ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, und ein Schraubverbindungselement, welches derart ausgestaltet ist, dass eine Schraubverbindung zwischen dem Grundelement und einer Stromleitung des Stromkreises schließbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromüberbrückungselement zum lösbaren Schließen eines Stromkreises, insbesondere eines Stromkreises innerhalb eines Energiespeichers für ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum lösbaren Schließen eines Stromkreises, insbesondere eines Stromkreises innerhalb eines Energiespeichers für ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug.
Moderne Kraftfahrzeuge können auch als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeuge ausgestaltet werden, das bedeutet als Fahrzeuge, die ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter beziehungsweise Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter beziehungsweise Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, das heißt ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung.
Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik, allgemein Hybridcontroller genannt. Er regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll. Die Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Bereitstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers beziehungsweise zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie, das heißt dem regenerativen Bremsen. Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
Als Energielieferanten und Speicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid-, Zink/Luft- oder Lithium/Luft, Lithium/Polymer oder Lithium-Ionen-Zellen nutzen. Die Zelle ist in den meisten Fällen in einem gasdichten Metallgehäuse untergebracht. Eine spezielle Möglichkeit der Ausführung bei Lithium-Ionen-Zellen besteht in Form eines Softpacks. Dieser besteht aus der Batteriezelle, welche von einer Folie, typischerweise eine Aluminiumverbundfolienverpackung, umgeben ist.
Eine wichtige Anforderung an diese Speicher ist es, ein Optimum des Produktes aus Spannung und Strom für eine geforderte Leistung zu finden. In diese Optimierungsbetrachtung gehen Material- und Kostenaspekte ein. Man findet, dass für das vorgesehene Anwendungsfeld eine Systemauslegung weder auf hohe Spannungen noch auf hohe Ströme zielführend ist. Typische Spannungsbereiche für eine optimale Systemauslegung liegen zwischen 100–1000 Volt (V) Maximalspannung, die resultierenden Ströme können im Pulsbetrieb 400 Ampere (A), für besondere Extremanwendungen und für höhere Temperaturbereiche sogar bis zu 550 A erreichen. Kontinuierliche Ströme liegen im Bereich von 80–100 A, können aber gegebenenfalls anwendungsspezifisch auch noch höher liegen. Eine Herabsetzung dieser Ströme zu Gunsten höherer Spannungen ist wie bereits erwähnt aus konstruktiven und kostenbedingten Gründen mit deutlich mehr Aufwand als eine konsequente Systemauslegung auf diese Ströme verbunden.
Im Fehlerfall können Kurzschlussströme größer 4000 Ampere auftreten. Aus Sicherheitsgründen ist es bei Reparaturen, Wartungen oder beispielsweise auch beim Transport äußerst wichtig, den Stromkreis des Speichers zu öffnen. Um eine eventuelle Gefahr für das Wartungspersonal auszuschließen, ist es wichtig den Speicher potentialfrei zu schalten. Das bedeutet, zwischen dem Minus- und dem Pluspol des Speichers darf keine Spannung anliegen. Um den Stromkreis der Hochvoltbatterie zu öffnen, gibt es verschiedene Arten von sogenannten Wartungstrennern. Diese können ein Teil des Stromkreises der Batterie sein. Wenn sie entfernt werden, fehlt somit ein Teil des Stromkreises, und es besteht keine Gefahr für das Arbeiten unter Spannung, da der Speicher vor dem Wiedereinschalten gesichert ist. Am sichersten ist es, wenn sich der Wartungstrenner am Gehäuse des Energiespeichers befindet und ein Öffnen des Speichers erst möglich ist wenn der Wartungstrenner sicher entfernt wurde. Ein Arbeiten innerhalb des Speichers ist ohne gezogenen Wartungstrenner nicht möglich.
Da die beiden Kontakte der Batterie potentialfrei ausgeführt sind, führt die Trennung durch einen Wartungstrenner zu einer Potentialtrennung der HV (Hochvolt) Anschlüsse der Batterie. Dadurch wird die Gefahr eines elektrischen Schlags durch das Berühren der Batteriepole sicher vermieden.
Bisher bekannte Wartungstrenner sind Steckverbindungen. Es ist allerdings nicht selbsterklärend, wie diese zu öffnen beziehungsweise zu handhaben sind. Daher besteht eine mögliche ernsthafte Gefährdung durch eventuelle Fehlbedienung. Die bisherigen Wartungstrenner sind alle über eine komplizierte Hebeltechnik zu entfernen. Dabei muss ein Hebel erst in eine Richtung gedrückt werden, anschließend dieser nach hinten/vorn gezogen werden, um ihn dann nach oben/unten hinaus zu entfernen. Diese Technik muss bekannt sein und mehrfach angewendet worden sein, um sicherzustellen, dass bei der Benutzung des Wartungstrenners dieser nicht beschädigt wird und keine Fehlbedienung vorliegt, durch die eine ernsthafte Gefährdung der bedienenden Person entstehen könnte. Die Hauptaufgabe eines Wartungstrenners ist es, die Batterie in kleinere Spannungseinheiten aufzuteilen und den Stromkreis der Hochvoltbatterie zu unterbrechen, so das zwischen dem Minus- und dem Plus-Pol der Batterie keine Spannung mehr anliegt..
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die zum einen eine sichere Unterbrechung eines Stromkreises in einem Energiespeicher gewährleistet wird und durch die zum anderen dieser Stromkreis wieder geschlossen werden kann. Dies führt zu einer hohen Arbeitssicherheit des Bedienpersonals bei der sicheren Trennung des Stromkreises im Speicher für eventuelle Wartungszwecke im und am Speicher bzw. Fahrzeug.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Stromüberbrückungselement zum lösbaren Schließen eines Stromkreises, insbesondere eines Stromkreises innerhalb eines Energiespeichers für ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug, bereitgestellt, wobei das Stromüberbrückungselement ein Grundelement, welches ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, und ein Schraubverbindungselement aufweist, welches derart ausgestaltet ist, dass eine Schraubverbindung zwischen dem Grundelement und einer Stromleitung des Stromkreises schließbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum lösbaren Schließen eines Stromkreises, insbesondere eines Stromkreises innerhalb eines Energiespeichers für ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug, bereitgestellt, wobei das Verfahren das Schließen einer Schraubverbindung zwischen einem Grundelement, welches ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, eines Stromüberbrückungselements und einer Stromleitung eines Stromkreises durch ein Schraubverbindungselement aufweist.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Stromüberbrückungselement für einen Energiespeicher, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, (zum Beispiel in einem Automobil bzw. Kraftfahrzeug) geschaffen, welches einen Stromkreis, insbesondere einen Stromkreis in einem Energiespeicher, lösbar schließt. Der Stromkreis kann somit sowohl geschlossen als auch wieder unterbrochen beziehungsweise geöffnet werden, um eine Wartung zu ermöglichen. Bevorzugt kann der zu schließende beziehungsweise zu unterbrechende Stromkreis Teil eines Energiespeichers bzw. einer Hochvoltbatterie, sein. Er kann beispielsweise am Gehäuseangebracht sein und zusätzlich ein Öffnen des Speichers unter Last verhindern. Als Energiespeicher und insbesondere als Energiespeicher für Elektrofahrzeuganwendungen können sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid-, Zink/Luft- oder Lithium/Luft, Lithium/Polymer- oder Lithium-Ionen-Zellen verwendet werden. Die Zelle kann in einem gasdichten Metallgehäuse untergebracht sein. Lithium-Ionen-Zellen können auch in Form eines Softpacks ausgebildet sein. Dieser kann aus der Batteriezelle, welche von einer Folie, typischerweise eine Aluminiumverbundfolienverpackung, umgeben ist, bestehen.
Das Stromüberbrückungselement kann ein Grundelement, welches ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, und ein Schraubverbindungselement aufweisen, welches derart ausgestaltet ist, dass eine Schraubverbindung zwischen dem Grundelement und einer Stromleitung des Stromkreises schließbar ist. Das Grundelement kann als ein Teil des Stromkreises ausgebildet sein. Durch die Schraubverbindung kann das Stromüberbrückungselement sowohl den Stromkreis des Energiespeichers unterbrechen, als auch schließen. Auf diese Weise kann eine sichere Wartung ermöglicht werden, ohne dass die bedienende Person gefährdet wird. Des Weiteren ist eine Schraubverbindung selbst erklärend und kann nur schwierig falsch bedient werden.
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen des Schaltungsüberbrückungselements beschrieben. Diese gelten auch für das Verfahren.
Die Stromleitung kann eine Stromschiene sein. Unter einer Stromleitung ist eine elektrische Leitung zum Transport von elektrischer Ladung zu verstehen. Üblicherweise ist diese Teil eines elektrischen Stromkreises. Wenn dieser Stromkreis geschlossen ist und eine Stromquelle aufweist, fließt durch die Stromleitung ein elektrischer Strom. Unter einer Stromschiene kann eine starre elektrische Leitung verstanden werden.
Das Schraubverbindungselement kann mit einem Splint, einem Halter oder einer anderen mechanischen Blockiereinrichtung oder einer Lackschicht sicherbar sein. Durch eine solche Sicherung kann ein Verdrehen oder Verschieben des Schraubverbindungselements verhindert werden, solange keine Unterbrechung des Stromkreises gewünscht ist. Des Weiteren kann durch eine solche Sicherung ein Verrutschen des Schraubverbindungselements in Bezug auf das Grundelement verhindert werden.
Das Stromüberbrückungselement kann einen Interlock-Kontakt aufweisen, der mit dem Schraubverbindungselement verbunden ist. Der Interlock-Kontakt kann am Ende des Schraubverbindungselements oder in dem Schraubverbindungselement angeordnet sein. Des Weiteren könnte der Interlock-Kontakt auch zwischen dem Grundelement und der Stromleitung des Stromkreises angeordnet sein. Der Interlock-Kontakt kann bevorzugt ein voreilender Interlock sein, welcher mit den Schützen des Stromkreises verbunden ist. Dieser sorgt dafür, dass im Falle des Abmontierens beziehungsweise des Lösens des Wartungstrenners beziehungsweise des Stromüberbrückungselements die Schütze aufgehen, um einen eventuell auftretenden Lichtbogen zu verhindern.
Da im Gegensatz zu einem gesteckten Wartungstrenner die Zeitdauer bei einem geschraubten Wartungstrenner erheblich länger ist, bis die HV Verbindung unterbrochen ist, besteht für die Elektronik hinreichend Zeit, um einen möglichen Stromfluss zu unterbrechen und die Bildung eines Lichtbogens im Wartungstrenner zu vermeiden.
Durch voreilende Interlock-Kontakte kann des Weiteren beim Unterbrechen des Stromkreises ein Fehler erkannt und das Gerät beziehungsweise der Stromkreis abgeschaltet werden, um einen möglichen Lichtbogen zu verhindern.
Der Interlock-Kontakt kann des Weiteren in dem Schraubverbindungselement angeordnet sein, wobei, sobald sich das Schraubverbindungselement um ein paar Millimeter bewegt, die Schütze aufgeschaltet werden, um einen eventuell auftretenden Lichtbogen zu verhindern.
Das Stromüberbrückungselement kann Steckverbindungen aufweisen, die mit dem Stromkreis verbindbar sind und die derart eingerichtet sind, dass sie bei einem Lösen der Schraubverbindung von dem Stromkreis lösbar bzw. trennbar sind. Durch diese Steckverbindungen kann eine weitere Sicherung gegen Verdrehen und falsche Bedienung geschaffen werden.
Das Stromüberbrückungselement kann bügelförmig ausgestaltet sein. Auf diese Weise kann ein besseres Angreifen des Stromüberbrückungselements erreicht werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromüberbrückungselements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromüberbrückungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3a und 3b zeigen eine schematische Darstellung eines Stromüberbrückungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromüberbrückungselements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Stromüberbrückungselement 100 weist ein Grundelement 101 auf, das aus mehreren Einzelteilen besteht. Die Teile des Grundelements werden aus verschiedenen Stromschienen gebildet. Das Stromüberbrückungselement 100 weist des Weiteren ein Schraubverbindungselement 102 auf. Dieses Schraubverbindungselement ist mit dem Grundelement verbunden, wobei Teile des Schraubverbindungselements innerhalb des Grundelements angeordnet sind. Über die Stromschienen beziehungsweise das Grundelement fließt der Strom. Das Grundelement ist nach außen isoliert. Sobald das Schraubverbindungselement, das in diesem Fall aus zwei Teilen besteht und einen T-förmigen Griff aufweist, betätigt wird, und dadurch die Schraubverbindung zwischen dem Grundelement, dem Schraubverbindungselement und einer Stromleitung eines Stromkreises gelöst wird, wird die obere Stromschiene 101a, die Teil des Grundelements ist, entfernt, und somit der Stromfluss unterbrochen.
Am Ende des Schraubverbindungselements oder auch zwischen den Stromschienen ist ein voreilender Interlock, welcher mit den Schützen verbunden ist, vorgesehen. Dieser sorgt dafür; dass im Falle der Abmontierung des Stromüberbrückungselements 100 die Schütze aufgehen, um einen eventuell auftretenden Lichtbogen zu verhindern.
Bei der in 2 gezeigten schematischen Darstellung eines Stromüberbrückungselements 100 weist das Stromüberbrückungselement ein Schraubverbindungselement 102 auf, das nur aus einem Teil besteht. Zusätzlich weist das Stromüberbrückungselement Steckverbindungen 103 auf, die zwischen Teilen des Grundelements 101 angeordnet sind. Diese Steckverbindungen werden ebenfalls bei einem Lösen der Schraubverbindung unterbrochen.
Das Schraubverbindungselement besteht üblicherweise aus einem Teil mit Innengewinde und einem Teil mit Außengewinde. Es kann ein Schraubverbindungselement oder mehrere Schraubverbindungselemente vorgesehen sein. Des Weiteren können ein oder mehrere Steckverbindungen vorgesehen sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der Interlock-Kontakt 104 in dem Teil des Grundelements, der mit dem Schraubverbindungselement 102 verbunden ist. Sobald sich das Schraubverbindungselement um ein paar Millimeter bewegt, werden die Schütze aufgeschaltet, um auch in diesem Fall einen eventuell auftretenden Lichtbogen zu verhindern. Sobald die Schraubverbindung gelöst ist, werden die Steckverbindungen aus der Stromschiene, die auch ein Kabel sein kann, entfernt, und der Stromfluss ist unterbrochen.
Das Ausführungsbeispiel in den 3a und 3b zeigt ein Stromüberbrückungselement 100, das als ein Bügel ausgebildet ist, aus einer Front- und einer Seitenansicht. Dieses Stromüberbrückungselement weist dieselben Elemente wie die in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele auf.
Die vollisolierte Stromschiene, die Teil des Grundelements ist und die in jeder Abbildung waagerecht dargestellt ist, kann mit dem Schraubverbindungselement beziehungsweise dem Bügel aus 3a, 3b (beides ebenfalls vollisoliert) fest verbunden sein. Das gesamte System wird als Gesamtsystem Wartungstrenner betrachtet. Auf jedem Griff, beispielsweise ein T-Griff, es kann aber auch ein beliebiger Griff sein, des Schraubverbindungselements kann ein entsprechender Pfeil andeuten, in welche Richtung das System geöffnet wird. Somit ist dieser Wartungstrenner selbsterklärend, sicher und erfüllt seinen Zweck der sicheren Stromunterbrechung.
Das hierin beschriebene Stromüberbrückungselement beziehungsweise der Wartungstrenner kann durch eventuelle Fehlbedienung nicht zerstört werden, da eine Fehlbedienung auf Grund der Schraubverbindung eher unwahrscheinlich ist. Auf Grund der Schraubverbindung (bevorzugt mit einer zusätzlichen mechanischen Sicherung) ist dieser Wartungstrenner vibrationsfester als die bisherigen. Der Wartungstrenner ist daher auch leichter zu bedienen als die bisherigen Wartungstrenner, da diese Funktion selbsterklärend ist. Auf Grund der Schraubverbindung beziehungsweise der Gesamtkonstruktion ist dieser Wartungstrenner des Weiteren nicht so leicht zu beschädigen wie die bisherigen Wartungstrenner.
Der hier beschrieben Wartungstrenner beziehungsweise das Stromüberbrückungselement ist schraubbar, das bedeutet, er beinhaltet Schraubverbindungen, welche die Funktion des Wartungstrenners steuern. Ebenfalls beinhaltet dieses System einen voreilenden Interlock. Das heißt, beim Entfernen des Wartungstrenners wird über den integrierten Interlock-Kontakt das Steuergerät veranlasst; die Pilotlinie zu öffnen und damit die Schütze abfallen zu lassen. Der Stromkreis wird unterbrochen, damit das Auftreten eines Lichtbogens verhindert wird.

Claims

Stromüberbrückungselement (100) zum lösbaren Schließen eines Stromkreises, insbesondere eines Stromkreises innerhalb eines Energiespeichers für ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug, das Stromüberbrückungselement aufweisend: – ein Grundelement (101), welches ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, und – ein Schraubverbindungselement (102), welches derart ausgestaltet ist, dass eine Schraubverbindung zwischen dem Grundelement und einer Stromleitung des Stromkreises schließbar ist.
Stromüberbrückungselement (100) nach Anspruch 1, wobei die Stromleitung eine Stromschiene ist.
Stromüberbrückungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Schraubverbindungselement (102) mit einem Splint, einem Halter oder einer anderen mechanischen Blockiereinrichtung oder einer Lackschicht sicherbar ist.
Stromüberbrückungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Stromüberbrückungselement einen Interlock-Kontakt aufweist, der mit dem Schraubverbindungselement (102) verbunden ist.
Stromüberbrückungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Stromüberbrückungselement (100) Steckverbindungen (103) aufweist, die mit dem Stromkreis verbindbar sind und die derart eingerichtet sind, dass sie bei einem Lösen der Schraubverbindung von dem Stromkreis lösbar sind.
Stromüberbrückungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Stromüberbrückungselement bügelförmig ausgestaltet.
Verfahren zum lösbaren Schließen eines Stromkreises, insbesondere eines Stromkreises innerhalb eines Energiespeichers für ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug, das Verfahren aufweisend, Schließen einer Schraubverbindung zwischen einem Grundelement, welches ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, eines Stromüberbrückungselements und einer Stromleitung eines Stromkreises durch ein Schraubverbindungselement.