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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Unterbrechen oder zum Herstellen einer elektrischen Verbindung.
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Nach dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen eine durch einen Leiter gebildete elektrische Verbindung durch Zünden einer pyrotechnischen Mischung unterbrochen wird. Durch das Zünden der pyrotechnischen Mischung wird ein hinreichend starker Gasdruck erzeugt oder hinreichend viel thermische Energie freigesetzt, so dass der Leiter zerstört wird. Dadurch kann jedoch auch ein Brand ausgelöst werden. Außerdem kommt es dabei zu einem Knall.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Unterbrechen oder zum Herstellen einer elektrischen Verbindung angegeben werden, bei denen die Brandgefahr erheblich vermindert ist sowie die Entstehung eines starken Knalls vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7 sowie 9 bis 13.
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Nach Maßgabe der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen die elektrische Verbindung bildenden Leiter und ein in der Nähe des Leiters angeordnetes durch Wärmezufuhr aufblähbares Material, wobei zumindest ein Teilbereich des Leiters durch ein irreversibles Aufblähen des aufblähbaren Materials derart bewegbar und/oder verformbar ist, dass die elektrische Verbindung unterbrochen oder hergestellt wird.
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Unter einem aufblähbaren Material wird ein Material verstanden, dessen Volumen vergrößert werden kann. Das Aufblähen, d. h. die Volumenvergrößerung, ist dabei durch Wärmezufuhr einleitbar. Das Aufblähen erfolgt beim Erreichen einer Aktivierungstemperatur. Die Aktivierungstemperatur liegt vorteilhafterweise im Bereich von etwa 100°C bis etwa 200°C. Vorzugsweise liegt die Aktivierungstemperatur zwischen 140°C und 160°C.
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Das Aufblähen wird weiterhin als irreversibel bezeichnet, weil das aufblähbare Material nach dem Aufblähen selbst bei einer Beendigung der Wärmezufuhr bzw. bei einer Kühlung aufgebläht bleibt. Es kann jedoch zu einer geringfügigen Verringerung des Volumens nach der Beendigung der Wärmezufuhr bzw. bei Kühlung kommen.
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Vorzugsweise kann sich das Volumen des aufblähbaren Materials zumindest verzehnfachen. Besonders bevorzugt wird ein aufblähbares Material, dessen Volumen sich zumindest verhundertfachen kann. Im Sinne der Erfindung ist das Aufblähen von einer Explosion, die z. B. beim Zünden einer pyrotechnischen Mischung erfolgt, abzugrenzen. Beim aufblähbaren Material vergrößert sich das Volumen, das das Material als Festkörper einnimmt. Davon zu unterscheiden ist ein explosives Material, das plötzlich eine größere Energiemenge insbesondere in Form von thermischer Energie freisetzen kann und dabei einen hoher Gasdruck erzeugen kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in zwei zueinander alternativen Ausgestaltungen auftreten. Sie ist entweder so ausgestaltet, dass eine ursprünglich bestehende elektrische Verbindung durch das Aufblähen des aufblähbaren Materials unterbrochen werden kann, oder sie ist so ausgestaltet, dass eine ursprünglich nicht bestehende elektrische Verbindung durch das Aufblähen des aufblähbaren Materials hergestellt werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Kraft zum Unterbrechen bzw. Herstellen der elektrischen Verbindung durch das aufblähbare Material aufgebracht. Dabei wird weder ein hoher Gasdruck erzeugt, noch eine größere Menge an thermischer Energie freigesetzt. Somit kann das Entstehen eines starken Knalls verhindert werden sowie die Brandgefahr erheblich vermindert werden. Da das Aufblähen irreversibel ist, bleibt die elektrische Verbindung auch bei einer Beendigung der Wärmezufuhr bzw. bei einer Kühlung dauerhaft unterbrochen bzw. hergestellt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das aufblähbare Material Blähgraphit. Blähgraphit weist eine Schichtstruktur wie Graphit auf, wobei zwischen einzelnen Schichten Fremdmoleküle eingelagert sind. Blähgraphit zeichnet sich durch eine besonders große Volumenzunahme beim Aufblähen aus. Die Volumenzunahme des Blähgraphits kann bei der Herstellung auf einen Faktor zwischen 8 und 400 eingestellt werden. Vorzugsweise liegt der Faktor zwischen 20 und 150.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Leiter einstückig ausgebildet. Der einstückige Leiter kann durch das Aufblähen des aufblähbaren Materials unterbrochen werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Leiter zur Ausbildung der elektrischen Verbindung form-, kraft- und/oder stoffschlüssig mit einem weiteren Leiter verbunden. Hier kommen die beiden Alternativen in Betracht: Entweder kann eine bestehende form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung des Leiters mit einem weiteren Leiter durch das Aufblähen des aufblähbaren Materials aufgebrochen werden und dadurch die elektrische Verbindung unterbrochen werden. Oder es besteht zunächst keine Verbindung des Leiters mit dem weiteren Leiter. Durch das Aufblähen des aufblähbaren Materials kann eine form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung des Leiters mit dem weiteren Leiter erzeugt und dadurch die elektrische Verbindung hergestellt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein elektrisches und/oder ein pyrotechnisches Heizelement, mit welchem Wärme zum aufblähbaren Material zuführbar ist. Vorteilhafterweise besteht eine gute Wärmeleitung zwischen dem Heizelement und dem aufblähbaren Material. Die durch das Heizelement erzeugte Wärme wird im Wesentlichen vollständig dem aufblähbaren Material zugeführt. Dazu kann das Heizelement unmittelbar am aufblähbaren Material anliegen. Das aufblähbare Material kann beispielsweise mit einer Wärmeleitpaste am Heizelement angeklebt sein. Das Heizelement kann zusätzlich an seinen dem aufblähbaren Material abgewandten Seiten thermisch abisoliert sein. Die bei einem pyrotechnischen Heizelement verwendete pyrotechnische Mischung kann wesentlich schwächer ausgelegt sein als eine herkömmlicherweise zur Unterbrechung von Leitern verwendete pyrotechnische Mischung. Dadurch kann das Entstehen eines starken Knalls verhindert werden sowie die Brandgefahr erheblich vermindert werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Schneidvorrichtung, wobei die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass die Schneidvorrichtung infolge eines Aufblähens des aufblähbaren Materials derart verschoben wird, dass sie den Leiter durchtrennt und dadurch die elektrische Verbindung unterbricht. Die Schneidvorrichtung ist vorteilhafterweise aus einem nichtleitenden Material gebildet. Die Schneidvorrichtung ermöglicht eine Konzentration der Kraft des sich aufblähenden aufblähbaren Materials auf einen bestimmten Bereich des Leiters. Der Leiter kann somit zielgerichtet in dem bestimmten Bereich unterbrochen werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Polaufnahme zum Verbinden mit einem Pol einer Starterbatterie. Die Vorrichtung kann damit als Polverbinder z. B. in einem PKW verwendet werden und eine elektrische Verbindung zwischen einem Verbraucher, insbesondere einem Hochstromverbraucher, und der Starterbatterie bereitstellen. Bei einem Unfall kann das aufblähbare Material durch Wärmezufuhr zum Aufblähen gebracht werden. Das sich aufblähende aufblähbare Material unterbricht die elektrische Verbindung zwischen dem Verbraucher und der Starterbatterie. Durch das Unterbrechen der elektrischen Verbindung können infolge eines Unfalls auftretende Kurzschlüsse und Brände vermieden werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann z. B. in einem Elektroauto verwendet werden. In einem Elektroauto sind in der Regel mehrere Batterien zu Batteriemodulen zusammengeschlossen. Beim Ausfall einer oder mehrerer Batterien ergibt sich die Notwendigkeit, die elektrische Verbindung zu den ausgefallenen Batterien zu unterbrechen. Um das Elektroauto weiterhin mit den funktionstüchtigen Batterien betreiben zu können, ist es erforderlich, eine elektrische Verbindung zwischen den noch funktionstüchtigen Batterien unter Überbrückung der ausgefallenen Batterien herstellen zu können. Zur Verbindung aufeinanderfolgender Batterien können jeweils erfindungsgemäße Vorrichtungen in der Ausgestaltung vorgesehen sein, dass sie zunächst jeweils eine elektrische Verbindung zwischen den Batterien bereitstellen. Eine ausgefallene Batterie kann dann durch Aufblähen des aufblähbaren Materials in den sie mit den benachbarten Batterien verbindenden erfindungsgemäßen Vorrichtungen von diesen elektrisch getrennt werden. Weitere erfindungsgemäße Vorrichtungen können Bypässe zwischen nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Batterien bereitstellen. Die Bypässe bilden zunächst keine elektrische Verbindung aus. Durch Aufblähen des aufblähbaren Materials kann ein Bypass eine elektrische Verbindung zwischen zwei nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Batterien zur Überbrückung einer oder mehrerer ausgefallener und von den übrigen Batterien getrennter Batterien herstellen.
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Nach Maßgabe der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines die elektrische Verbindung bildenden Leiters und eines in der Nähe des Leiters angeordneten, durch Wärmezufuhr aufblähbaren Materials,
Zuführen von Wärme zum aufblähbaren Material, so dass sich das aufblähbare Material irreversibel aufbläht und zumindest ein Teilbereich des Leiters durch das Aufblähen derart bewegt und/oder verformt wird, dass die elektrische Verbindung unterbrochen oder hergestellt wird.
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Beim Zuführen der Wärme ist die Wärmemenge so zu bemessen, dass das aufblähbare Material zumindest auf die Aktivierungstemperatur aufgeheizt wird. Die Aktivierungstemperatur liegt vorteilhafterweise im Bereich von etwa 100°C bis etwa 200°C, vorzugsweise zwischen 140°C und 160°C. Vorteilhafterweise erreicht der Blähgraphit innerhalb von weniger als 10 s nach dem Beginn der Wärmezufuhr die Aktivierungstemperatur, vorzugsweise innerhalb von weniger als einer Sekunde nach dem Beginn der Wärmezufuhr. Vorteilhafterweise wird die elektrische Verbindung durch das Aufblähen des aufblähbaren Materials innerhalb von weniger als 10 s nach dem Erreichen der Aktivierungstemperatur unterbrochen bzw. hergestellt, vorzugsweise innerhalb von weniger als einer Sekunde nach dem Erreichen der Aktivierungstemperatur.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Zuführen der Wärme durch Betätigen eines Schalters und/oder durch Öffnen oder Schließen einer Steckverbindung ausgelöst.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrische Verbindung unterbrochen oder hergestellt, indem eine form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung getrennt oder erzeugt wird. Es kommen zwei Alternativen in Betracht: Entweder kann eine bestehende form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung durch das Aufblähen des aufblähbaren Materials aufgebrochen werden und dadurch die elektrische Verbindung unterbrochen werden. Oder es besteht zunächst keine elektrische Verbindung. Durch das Aufblähen des aufblähbaren Materials kann eine form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung erzeugt und dadurch die elektrische Verbindung hergestellt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Zuführen der Wärme durch ein elektrisches und/oder ein pyrotechnisches Heizelement.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Zuführen der Wärme durch eine exotherme Festkörperreaktion unter Erzeugung von Feststoffen, Gasen und/oder Dämpfen. Die reagierenden Festkörper liegen vorteilhafterweise unmittelbar am aufblähbaren Material an, so dass die bei der Festkörperreaktion entstehende Wärme möglichst vollständig dem aufblähbaren Material zugeführt wird. Die erzeugten Feststoffe, Gase und/oder Dämpfe können die Aufblähbewegung des aufblähbaren Materials unterstützen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Zuführen der Wärme durch einen das aufblähbare Material durchlaufenden elektrischen Strom. Eine Voraussetzung dafür ist, dass das aufblähbare Material zumindest in einer bestimmten Richtung leitfähig ist. Blähgraphit besitzt wie Graphit eine Schichtstruktur, die eine fast metallische Leitfähigkeit entlang der Schichten aufweist, senkrecht zu den Schichten jedoch kaum leitfähig ist. Somit können am Blähgraphit Kontakte derart angebracht werden, dass ein Stromfluss entlang der Schichten erzeugt werden kann. Sobald der Blähgraphit durch den Stromfluss auf die Aktivierungstemperatur aufgeheizt ist, erfolgt das Aufblähen des Blähgraphits. Beim Aufblähen wird die Schichtstruktur des Blähgraphits zerstört. Entsprechend verliert der Blähgraphit seine Leitfähigkeit.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt schematisch die als Polverbinder 1 ausgestaltete erfindungsgemäße Vorrichtung. Der Polverbinder 1 umfasst einen Leiter 2, ein leitfähiges Verbindungsteil 3, ein Heizelement 4 sowie ein Stück Blähgraphit 5.
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Das Verbindungsteil 3 weist eine erste 6a und eine zweite konische Ausnehmung 7a auf. Die erste konische Ausnehmung 6a mündet in einen Aufnahmeraum, in welchem das Heizelement 4 sowie das Stück Blähgraphit 5 aufgenommen sind. Vorzugsweise sind das Heizelement 4 sowie das Stück Blähgraphit 5 jeweils in den Aufnahmeraum eingepresst. Der Leiter 2 weist ein konisches Ende 6b auf, welches in die erste konische Ausnehmung 6a eingepresst ist. Das Verbindungsteil 3 ist mit der zweiten konischen Ausnehmung 7a an einem vorzugsweise auch konisch ausgestalteten Pol 7b einer Starterbatterie 8 angebracht. Der Pol 7b ist dabei in der zweiten konischen Ausnehmung 7a aufgenommen. Dadurch besteht ein elektrischer Kontakt zwischen dem Pol 7b und dem Verbindungsteil 3.
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Vorteilhafterweise weisen der Leiter 2 und das Verbindungsteil 3 zusätzlich eine isolierende Schutzschicht an ihrer Oberfläche auf. Die isolierende Schutzschicht ist am konischen Ende 6b bzw. an der ersten 6a und zweiten konischen Ausnehmung 7a nicht vorgesehen.
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Die Funktion des Polverbinders 1 ist Folgende:
Der Polverbinder 1 bildet eine elektrische Verbindung zwischen einem Verbraucher und der Starterbatterie 8. Dazu ist der Leiter 2 über das Verbindungsteil 3 mit dem Pol 7b leitfähig verbunden. Bei einem Unfall wird das Heizelement 4 beispielsweise durch den Unfall erfassende Sensoren aktiviert, so dass es dem Stück Blähgraphit 5 Wärme zuführt. Sobald die Temperatur des Blähgraphits 5 eine Aktivierungstemperatur von z. B. 150°C erreicht hat, kommt es zu einem irreversiblen Aufblähen des Blähgraphits 5. Aufgrund der Anordnung des Stücks Blähgraphit 5 erfolgt das Aufblähen zunächst nur in Öffnungsrichtung der ersten konischen Ausnehmung 6a. Dabei drückt der sich aufblähende Blähgraphit 5 das konische Ende 6b des Leiters 2 aus der ersten konischen Ausnehmung 6a heraus. Dadurch wird der elektrische Kontakt zwischen dem Leiter 2 und dem Verbindungsteil 3 unterbrochen. Infolgedessen wird auch die elektrische Verbindung zwischen dem Verbraucher und der Starterbatterie 8 unterbrochen. Vorzugsweise quillt der Blähgraphit 5 aus der ersten konischen Ausnehmung 6a heraus und drückt dabei den Leiter 2 vollständig aus der ersten konischen Ausnehmung 6a. Das Verschieben des Leiters 2 kann durch eine Haltevorrichtung (nicht dargestellt) begrenzt werden. Da das Aufblähen des Blähgraphits 5 weitgehend irreversibel ist, bleibt die elektrische Verbindung zwischen dem Verbraucher und der Starterbatterie 8 dauerhaft unterbrochen. Aufgeblähter Blähgraphit 5 ist elektrisch kaum leitfähig. Zusätzlich kann jedoch das Stück Blähgraphit 5 in ein isolierendes Material eingehüllt sein. Das isolierende Material ist vorzugsweise so elastisch ausgestaltet, dass es auch nach dem Aufblähen des Blähgraphits 5 diesen einhüllt und dabei elektrisch isoliert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Polverbinder
- 2
- Leiter
- 3
- Verbindungsteil
- 4
- Heizelement
- 5
- Blähgraphit
- 6a
- erste konische Ausnehmung
- 6b
- konisches Ende
- 7a
- zweite konische Ausnehmung
- 7b
- Pol
- 8
- Starterbatterie