DE102013005439A1 - Safety device for securing electric current path in electrical system of e.g. hybrid vehicle, has overload relays that are connected with shift element over mechanical coupling for interruption of current paths - Google Patents
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Abstract
Die Sicherungseinrichtung dient zur Absicherung zumindest eines elektrischen Strompfades insbesondere eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges und weist einen Einspeisepfad (4) als ersten Strompfad sowie zumindest einen Lastpfad (6) als weiteren Strompfad auf. Zur Absicherung der Strompfade (4, 6) gegenüber einem elektrischen Kurzschluss sowie gegenüber einem Überstrom ist ein Kurzschlussauslöser (8, 18) sowie in Reihe hierzu ein Überstromauslöser (10A, 10B) angeordnet, die jeweils über eine mechanische Kopplung mit einem Schalelement (12) zur Unterbrechung zumindest eines der Strompfade (4, 6) verbunden sind. Hierdurch ist eine zuverlässige Abschaltung der Strompfade (4, 6) im Bedarfsfall erzielt.The safety device serves to protect at least one electrical current path, in particular an electrical system of a motor vehicle, and has an infeed path (4) as the first current path and at least one load path (6) as a further current path. To protect the current paths (4, 6) against an electrical short circuit and against an overcurrent, a short circuit release (8, 18) and an overcurrent release (10A, 10B) are arranged in series, each of which is mechanically coupled to a switching element (12) to interrupt at least one of the current paths (4, 6). In this way, a reliable shutdown of the current paths (4, 6) is achieved if necessary.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sicherungseinrichtung zur Absicherung zumindest einer elektrischen Leitung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention relates to a securing device for securing at least one electrical line of a vehicle electrical system of a motor vehicle with the features of
Zum Schutz von Verbrauchern aber insbesondere auch von elektrischen Leitungen beispielsweise innerhalb eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges sind allgemein Sicherungen erforderlich. Diese müssen zum Einen zuverlässig bei sowohl einem Kurzschlussstrom als auch bei einem Überstrom (Überlast) zuverlässig auslösen. Unter Überströme werden Ströme ab dem 1,5 bis 2-fachen des jeweiligen Nennstroms verstanden, für den die jeweilige elektrische Leitung ausgebildet ist.For the protection of consumers but especially of electrical lines, for example, within an electrical system of a motor vehicle fuses are generally required. On the one hand, these must reliably trigger both a short-circuit current and an overcurrent (overload) reliably. Overcurrents are understood to be currents from 1.5 to 2 times the respective rated current for which the respective electrical line is formed.
Aus der
Aus der
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei einem elektrischen Bordnetz eines Kraftfahrzeuges im Bedarfsfall eine zuverlässige Abschaltung eines Strompfades sicher zu stellen.Proceeding from this, the invention has the object, especially in an electrical system of a motor vehicle in case of need to ensure a reliable shutdown of a current path.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Sicherungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese dient allgemein der Absicherung zumindest einer elektrischen Leitung eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug und umfasst einen Einspeisepfad als einen ersten Strompfad sowie zumindest einen, vorzugsweise mehrere Lastpfade als weitere Strompfade. Der Einspeisepfad ist mit einer Stromquelle, insbesondere Batterie verbindbar und im eingebauten Zustand auch verbunden. Die verschiedenen Lastpfade sind im eingebauten Zustand jeweils mit Verbraucher-Lastkreisen verbunden. Zur Sicherung gegenüber einem elektrischen Kurzschluss sowie gegenüber einer Überlast ist sowohl ein Kurzschlussauslöser als auch ein in Reihe hierzu geschalteter Überlastauslöser angeordnet, welcher jeweils über eine mechanische Kopplung mit einem Schaltelement zur Unterbrechung zumindest eines der Strompfade verbunden ist.The object is achieved according to the invention by a safety device with the features of
Über die Reihenschaltung der beiden Auslöseelemente in den jeweiligen Strompfad wird ein zuverlässiges Auslösen und Trennen des Strompfades auch für unterschiedliche Überlast-Fälle sichergestellt, nämlich sowohl bei Kurzschlüssen mit extrem hohen Strömen als auch bei Überströmen, die lediglich im Bereich von beispielsweise dem 1,5 bis 3-fachen des Nennstroms liegen. Die Auslöser selbst sind dabei nicht als Trennelemente ausgebildet, sondern stehen über die mechanische Kopplung mit einem Schaltelement in Verbindung, welches daher mechanisch im Auslösefall mit Hilfe des jeweiligen Auslösers betätigt wird. Dadurch erfolgt auch eine räumliche Trennung zwischen Auslöseelement und Trenn- oder Schaltelement. Die beiden Auslöser sind dabei insbesondere als rein passiv wirkende Elemente ausgebildet, die unmittelbar in den Strompfad eingebunden und damit im Betriebsfall stromdurchflossen sind. Für die Auslösung ist daher keine aktive Ansteuerung erforderlich. Diese erfolgt auf rein passivem Wege.About the series connection of the two tripping elements in the respective current path reliable triggering and disconnecting the current path is ensured even for different overload cases, namely both short circuits with extremely high currents as well as overcurrents, only in the range of for example 1.5 to 3 times the rated current. The triggers themselves are not designed as separating elements, but are connected via the mechanical coupling with a switching element in connection, which is therefore actuated mechanically in the triggering case with the help of the respective trigger. As a result, there is also a spatial separation between the triggering element and the separating or switching element. The two triggers are designed in particular as purely passively acting elements, which are integrated directly into the current path and thus current flowing through in the operating case. For triggering, therefore, no active control is required. This takes place in a purely passive way.
Die Sicherungseinrichtung ist vorzugsweise in einen Leistungsverteiler integriert, welcher eingangsseitig den Einspeisepfad und ausgangsseitig mehrere Lastpfade aufweist. Der Leistungsverteiler umfasst dabei vorzugsweise eine als Stanzblech ausgebildete Stromverteilerschiene, welche mehrere Abgangslaschen zur Ausbildung der Lastpfade aufweist. Durch die Integration in den Leistungsverteiler selbst ist eine kompakte, integrierte Ausgestaltung erzielt und die Anordnung von zusätzlichen Sicherungselementen ist nicht erforderlich. Ein derartiger Leistungsverteiler ist üblicherweise in einer sogenannten Vorsicherungsdose innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet, welche unmittelbar einer Batterie des Kraftfahrzeugs nachgeschaltet ist, und über den die Strom- und Leistungsverteilung auf unterschiedliche Lastströme innerhalb des Kraftfahrzeugs erfolgt. Die einzelnen Lastpfade sind dabei beispielsweise für Nennströme von einigen hundert Ampere ausgebildet.The securing device is preferably integrated in a power distributor, which has on the input side the feed path and on the output side a plurality of load paths. The power distributor preferably comprises a power distribution rail designed as a stamped sheet metal, which has a plurality of outgoing straps for forming the load paths. The integration into the power distributor itself is a compact, integrated design achieved and the arrangement of additional security elements is not required. Such a power distributor is usually arranged in a so-called Vorsicherungsdose within the motor vehicle, which is directly downstream of a battery of the motor vehicle, and via which the power and power distribution is carried out to different load currents within the motor vehicle. The individual load paths are designed, for example, for rated currents of a few hundred amperes.
Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist zumindest ein Auslöser, insbesondere der Kurzschlussauslöser, und bevorzugt beide Auslöser unmittelbar in den Einspeisepfad eingebunden. Es erfolgt daher eine zentrale Abschaltung der Stromversorgung im Auslösefall.According to an expedient embodiment, at least one trigger, in particular the short-circuit release, and preferably both triggers are integrated directly into the feed path. There is therefore a central shutdown of the power supply in the event of triggering.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die beiden Auslöser vorzugsweise mit dem gleichen, gemeinsamen Schaltelement mechanisch gekoppelt. Dieses ist daher jeweils durch einen der beiden Auslöser unabhängig von dem andren Auslöser aktivierbar, so dass eine Trennung des Strompfads erfolgt. Das Schaltelement braucht daher nur einmal ausgebildet zu sein, wodurch der schaltungstechnische Aufwand gering gehalten ist. Dies ist insbesondere beim Trennen von sehr hohen Strömen von Vorteil, da das Schaltelement sehr robust ausgebildet sein muss. Das Schaltelement ist beispielsweise als sogenannte Schnappscheibe ausgebildet.According to a preferred embodiment, the two triggers are preferably mechanically coupled to the same, common switching element. This is therefore activated by one of the two triggers independently of the other trigger, so that a separation of the current path takes place. The switching element therefore only needs to be formed once, whereby the circuit complexity is kept low. This is particularly advantageous when separating very high currents, since the switching element must be made very robust. The switching element is designed for example as a so-called snap disk.
Um ein zuverlässiges Trennen trotz der hohen Schaltströme von bis zu mehreren hundert Ampere zu gewährleisten, umfasst das Schaltelement vorzugsweise einen in Trennrichtung mechanisch vorgespannten Schaltkontakt. Die erforderliche Trennenergie zum Lösen der Schaltkontakte des Schaltelements ist daher bereits insbesondere über ein Federelement gespeichert. Die Trennkraft zum Trennen der Schaltkontakte braucht daher nicht über die mechanische Kopplung ausgeübt zu werden. Zweckdienlicherweise ist die mechanische Kopplung mit einem Arretierelement verbunden, welches im normalen Betriebsfall die Trennung des vorgespannten Schaltkontakts blockiert. Insbesondere wird eine Feder blockiert, so dass diese nicht auf den Schaltkontakt in Trennrichtung einwirkt. Im Auslösefall braucht daher über die mechanische Kopplung nur dieses Arretierelement gelöst zu werden, so dass aufgrund der mechanischen Vorspannung die Schaltkontakte des Schaltelements getrennt werden. Nach dem Auslösen (Abschalten) kann eine Rückstellung wahlweise per Hand oder über eine externe Steuerung vorgenommen werden.In order to ensure a reliable separation despite the high switching currents of up to several hundred amperes, the switching element preferably comprises a mechanically biased in the separation direction switching contact. The required separation energy for releasing the switching contacts of the switching element is therefore already stored in particular via a spring element. The separation force for separating the switching contacts therefore need not be exercised via the mechanical coupling. Conveniently, the mechanical coupling is connected to a locking element, which blocks the separation of the biased switching contact in normal operation. In particular, a spring is blocked, so that it does not act on the switching contact in the separating direction. When triggered, therefore, only this locking element needs to be released via the mechanical coupling, so that due to the mechanical bias the switching contacts of the switching element are disconnected. After triggering (switching off), a reset can be made either manually or via an external control.
Ergänzend zu dem rein passiven Auslösen der beiden Auslöser ist zumindest einer und sind vorzugsweise beide Auslöser auch aktiv ansteuerbar, um das Auslösen herbeizuführen bzw. zu unterstützen. Hierzu ist insbesondere eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche ein Steuersignal an ein Steuerelement übermittelt, welches letztendlich den passiv wirkenden Auslöser beeinflusst, so dass dieser auslöst und damit über die mechanische Kopplung das Schaltelement betätigt. Durch diese Ergänzung besteht die Möglichkeit, innerhalb des Bordnetzes weitere Sensoren vorzusehen, welche beispielsweise ergänzend das Bordnetz im Hinblick auf unzulässige Betriebszustände überwachen und im Bedarfsfall ein entsprechendes Auslösesignal an die Steuerung übermitteln. Insbesondere bei nur geringen Überströmen ist dies von Vorteil, um ein Auslösen des Überstromauslösers zu beschleunigen und somit Leitungsschäden zu vermeiden.In addition to the purely passive triggering of the two triggers is at least one and are preferably both triggers also actively controlled to bring about triggering or support. For this purpose, in particular, a control device is provided, which transmits a control signal to a control, which ultimately affects the passive acting trigger so that it triggers and thus actuates the switching element via the mechanical coupling. By this addition, it is possible to provide additional sensors within the electrical system, which for example, in addition to monitor the electrical system in terms of inadmissible operating conditions and, if necessary, transmit a corresponding trigger signal to the controller. In particular, with only slight overcurrents, this is advantageous in order to accelerate triggering of the overcurrent release and thus to avoid line damage.
Der Kurzschlussauslöser weist gemäß einer zweckdienlich Ausgestaltung eine Auslösespule auf, die in einen der Strompfade, insbesondere in den Einspeisepfad eingebunden und im Betrieb stromdurchflossen ist. Weiterhin ist im inneren der Auslösespule ein beweglicher Anker angeordnet, welcher im Kurzschlussfall, also bei einer kurzfristigen, deutlichen Änderung des Stroms im Strompfad, ausgelenkt wird. Der Anker selbst steht wiederum über ein mechanisches Koppelelement mit dem Schalter zur Ausbildung der mechanischen Kopplung in Verbindung, um diesen auszulösen. Hierdurch wird zur Erfassung eines Kurzschlussstromes auf bewährte, passive Standard-Bauteile zurückgegriffen.The short-circuit release has according to an expedient embodiment, a trip coil, which is incorporated into one of the current paths, in particular in the feed path and current flows through during operation. Furthermore, a movable armature is arranged in the interior of the tripping coil, which is deflected in the event of a short circuit, that is to say in the case of a short-term, marked change in the current in the current path. The armature itself is in turn connected via a mechanical coupling element to the switch for forming the mechanical coupling in conjunction to trigger this. As a result, proven, passive standard components are used to detect a short-circuit current.
Zur aktiven Kurzschluss-Auslösung besteht die Möglichkeit der Ansteuerung dieser Auslösespule über eine induktive Einkopplung über eine weitere Spule. In bevorzugter Ausgestaltung jedoch vorzugsweise ergänzend ein aktiv ansteuerbarer Kurzschlussauslöser angeordnet. Dieser ist vorzugsweise ebenfalls über eine mechanische Kopplung mit dem Schaltelement verbunden. Er weist insbesondere den gleichen Auslösemechanismus wie der passive Kurzschlussauslöser auf und umfasst wie dieser insbesondere eine Steuerspule mit Anker, welcher mechanisch mit dem Schaltelement (
Der Überstromauslöser ist zweckdienlicherweise als ein thermischer Auslöser ausgebildet, welcher passiv aufgrund der bei einem Überstrom auftretenden Erwärmung der elektrischen Leitung auslöst. Zweckdienlicherweise ist hierzu in den Strompfad ein Bimetall eingebunden, welches ebenfalls wiederum über ein Koppelelement mechanisch zur Ausbildung der mechanischen Kopplung mit dem Schaltelement verbunden ist. Dieses Bimetall ist dabei vorzugsweise fest, also untrennbar in den Strompfad eingebunden. Der Strompfad über den Auslöser, also über das Bimetall, bleibt daher selbst im Auslösefall bestehen. Die Trennung des Strompfades erfolgt ausschließlich über das zum thermischen Auslöseelement getrennte angeordnetes Schaltelement.The overcurrent release is expediently designed as a thermal release, which causes passive due to the occurring in an overcurrent heating of the electrical line. Conveniently, for this purpose, a bimetal is incorporated in the current path, which in turn is also connected via a coupling element mechanically to form the mechanical coupling with the switching element. This bimetal is preferably fixed, so inseparably involved in the current path. The current path via the trigger, ie via the bimetal, thus remains even in the event of tripping. The separation of the current path takes place exclusively via the switching element arranged separately for the thermal tripping element.
In bevorzugter Weiterbildung sind in zumindest einem und vorzugsweise in allen Lastpfaden weitere thermische Auslöser zusätzlich zu dem vorzugsweise im Einspeisepfad angeordneten Auslöser integriert. Dadurch kann eine zuverlässige Einzelabsicherung eines jeweiligen Lastpfades vor Überströmen sichergestellt sein.In a preferred development, further thermal triggers are integrated in at least one and preferably in all load paths in addition to the triggers preferably arranged in the feed path. As a result, a reliable individual protection of a respective load path against overcurrents can be ensured.
Zweckdienlicherweise sind einige, vorzugsweise alle der weiteren thermischen Auslöser jeweils mechanisch mit dem Schaltelement gekoppelt. Neben dem thermischen Auslöser im Einspeisepfad kann das Schaltelement daher auch über einen jeden der einzelnen weiteren thermischen Auslöser in den einzelnen Lastpfaden abgeschaltet werden. Bei Auftreten eines Fehlers in einem der Lastpfade erfolgt daher ein zentrales Abschalten über das gemeinsame Schaltelement.Conveniently, some, preferably all of the other thermal triggers are each mechanically coupled to the switching element. In addition to the thermal trigger in the feed path, the switching element can therefore be switched off via each of the individual further thermal triggers in the individual load paths. If an error occurs in one of the load paths, therefore, a central shutdown via the common switching element takes place.
In alternativer Ausgestaltung wird über die weiteren thermischen Auslöser jeweils lediglich der einzelne Lastpfad getrennt. Vorzugsweise sind die weiteren thermischen Auslöser hierzu selbst als Schaltelemente ausgebildet. Die thermischen Auslöser sind hierbei insbesondere als Bimetall ausgebildet, welches an einem beweglichen Ende selbst einen Schaltkontakt zum Trennen des Strompfades aufweist. Das Schaltelement kann auch als sogenannte Schnappscheibe ausgebildet sein. In an alternative embodiment, only the individual load path is separated via the further thermal triggers. For this purpose, the further thermal releases themselves are preferably designed as switching elements. The thermal releases are in this case designed in particular as a bimetal, which itself has a switching contact for disconnecting the current path at a movable end. The switching element can also be designed as a so-called snap disk.
Zumindest einen, vorzugsweise mehreren oder allen thermischen Auslösern ist zur Herbeiführung des Auslösens jeweils ein ansteuerbares Heizelement zugeordnet. Über das Heizelement lässt sich daher das Bimetall erwärmen und damit die Auslösefunktion herbeiführen. Auch hierdurch wird eine aktive Steuerung des ansonsten passiven Auslöseelements ermöglicht.At least one, preferably several or all of the thermal triggers are each assigned a drivable heating element for the purpose of triggering. The bimetal can therefore be heated via the heating element, thus bringing about the tripping function. This also allows active control of the otherwise passive triggering element.
Aufgrund der hohen zu schaltenden Ströme besteht die Gefahr, dass beim Trennen der Kontakte des Schaltelements ein Lichtbogen entsteht. Zweckdienlicherweise ist daher dem Schaltelement, vorzugsweise jedem Schaltelement, jeweils eine auch als Funkenlöschstrecke bezeichnete Vorrichtung zur Löschung derartiger Lichtbögen zugeordnet. Insbesondere gilt dies für das Schaltelement, welches mit dem Kurzschlussauslöser und dem thermischen Auslöser im Einspeisepfad gekoppelt ist. Ergänzend sind zweckdienlicherweise derartige Vorrichtungen auch bei den als Schaltelemente ausgebildeten thermischen Auslösern in den einzelnen Lastpfaden ausgebildet.Due to the high currents to be switched, there is the danger that an arc results when the contacts of the switching element are disconnected. Conveniently, therefore, the switching element, preferably each switching element, each associated with a device referred to as a spark extinguishing path for deleting such arcs. In particular, this applies to the switching element which is coupled to the short-circuit release and the thermal release in the feed path. In addition, such devices are expediently also formed in the form of switching elements thermal triggers in the individual load paths.
Zur Verringerung der Gefahr eines Lichtbogens und insbesondere zur Reduzierung der Belastung der Schaltkontakte des Schaltelements ist das Schaltelement selbst vorzugsweise als ein mehrpoliger Kontakt ausgebildet. Die einzelnen Kontaktpole sind dabei in einer Reihenschaltung angeordnet, so dass ein Spannungsteiler gebildet ist. Dies führt zu geringeren (Lichtbogen-)Spannungen.To reduce the risk of an arc and in particular to reduce the load on the switching contacts of the switching element, the switching element itself is preferably designed as a multi-pole contact. The individual contact poles are arranged in a series connection, so that a voltage divider is formed. This leads to lower (arc) voltages.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS. These show in simplified representations:
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, like-acting parts are provided with the same reference numerals.
Die in den Figuren dargestellte Sicherungseinrichtung ist insgesamt in einem gestrichelt dargestellten Leistungsverteiler
Die Sicherungseinrichtung umfasst jeweils eine Auslösespule
Der Auslösespule
Der thermische Auslöser
Der thermische Auslöser
Ergänzend zu dem ersten thermischen Auslöser
Bei den Ausführungsbeispielen der
Das Schaltelement
In einer alternativen Ausgestaltung werden als Schaltelemente
Das Schaltelement
Das Schaltelement
Bei den in
In die
Die Wirkungsweise der Sicherungseinrichtung ist wie folgt:
Im Normalfall fließt durch die Auslösespule
Im Falle eines Kurzschlusses, bei dem der Strom im Einspeisepfad
Normally flows through the trip coil
In the case of a short circuit, where the current in the
Eine derartige Abschaltung lässt sich auch mit Hilfe der Steuerspule
Im Falle eines Überstroms erfolgt die Trennung zumindest von einem der Pfade
Allgemein führt ein Überstrom zu einer Erwärmung in den thermischen Auslösern
Aufgrund der Federvorspannung wird im Auslösefall das Schaltelement
Die in den
Mit Hilfe des Heizelements
Die Erfindung wurde anhand eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes beschrieben, ist jedoch auch für andere Anwendungsfälle allgemein in elektrischen Anlagen, beispielsweise der Photovoltaik, geeignet.The invention has been described with reference to a motor vehicle electrical system, but is also suitable for other applications in general in electrical systems, such as photovoltaics.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Leistungskabelpower cables
- 44
- Einspeisepfadfeeding path
- 66
- Lastpfadload path
- 88th
- Auslösespuletrip coil
- 10A10A
- erster thermischer Auslöserfirst thermal trigger
- 10B10B
- weiterer thermischer Auslöseranother thermal trigger
- 1212
- Schaltelementswitching element
- 1414
- Ankeranchor
- 16A, B, C16A, B, C
- mechanische Koppelelementemechanical coupling elements
- 1818
- Steuerspulecontrol coil
- 2020
- weiteres Schaltelementanother switching element
- 2222
- Federelementspring element
- 2424
- Schaltkontaktswitching contact
- 2626
- Vorrichtung zur LichtbogenlöschungDevice for arc extinguishing
- 2828
- Heizelementheating element
- 3030
- weiterer Schaltkontaktanother switching contact
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1155919 B1 [0004] EP 1155919 B1 [0004]
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