ELEKTRISCHEN STROMKREISES

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten eines elektrischen Stromkreises, insbesondere für elektrische Leistungen von 500 Watt bis hin zu 10 Megawatt. Die Erfindung kommt insbesondere in einer elektrischen Zuführung von einem elektrischen Energiespeicher zum Zwischenkreis einer elektrischen Antriebsvorrichtung eines wenigstens teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs zum Einsatz.

Solche Vorrichtungen dienen zum definierten und schnellen Trennen von elektrischen Starkstromkreisen im Notfall. Dabei besteht die Anforderung an eine derartige Schaltvorrichtung darin, dass dessen Auslösung und Unterbrechungsfunktion selbst ohne Wartung noch bis zu 20 Jahren zuverlässig gewährleistet sein muss. Des Weiteren darf von einem solchen Schaltkreis kein zusätzliches Gefahrpotential von Heißgas, Partikeln oder durch Ruhe im abgeschalteten Stromkreis indizierte Spannung, ausgehen. Ein mögliches Einsatzgebiet in der Kraftfahrzeug-Technik ist das definierte Trennen der Bordverkabelung von der Autobatterie kurz nach einem Unfall, um Zündquellen und Hineinfunken von Plasma zu vermeiden, die entstehen, wenn beispielsweise Kabelisolationen während eines Unfalls aufgescheuert wurden oder lose Kabelenden gegeneinander oder gegen Bleche drücken und aufscheuern. Läuft bei einem Unfall gleichzeitig Benzin aus, so können solche Zündquellen zündfähige Benzin- Luft-Gemische entzünden, die sich beispielsweise unter der Motorhaube sammeln. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die elektrische Abtrennung einer Baugruppe vom Bordnetz für den Fall eines Kurzschlusses in der betreffenden Baugruppe, beispielsweise in einer elektrischen Standheizung. Aus dem Stand der Technik sind pyrotechnische Sicherungen bzw. Trennvorrichtungen bekannt, um hohe Ströme zu schalten.

Die DE 44 381 57 C1 betrifft eine pyrotechnische Trennvorrichtung mit einer Treibladung, deren Gase auf ein Wirkteil wirken, das in einem Gehäuse frei längs beweglich ist. Das Wirkteil speichert die in den Treibgasen erzeugte Energie und wirkt dann frei fliegend auf das zu durchtrennende Material ein. Beim Durchtreten des Materials gibt das Wirkteil die gespeicherte Energie wieder ab.

Die WO 03/067621 A1 betrifft ein elektrisches Schaltglied, insbesondere zum Schalten hoher Ströme, mit einem Gehäuse, welches eine Kontakteinheit umfasst, wobei die Kontakteinheit zwei ortsfest mit dem Gehäuse verbundene oder damit einstückig ausgebildete Anschlusskontakte für das Zuführen und Abführen eines zu schaltenden elektrischen Stroms aufweist und wobei die ersten beiden Anschlusskontakte im Ausgangszustand des Schaltglieds innerhalb des Gehäuses elektrisch leitend verbunden sind, mit einem im Gehäuse vorgesehenen, aktivierbarem Material, wel- ches nach dem Aktivieren einen Gasdruck zur Beaufschlagung der Kontakteinheit erzeugt, wobei die elektrisch leitende Verbindung durch die Beaufschlagung mit dem Gasdruck aufgetrennt wird, wobei die Kontakteinheit ein relativ zu den ortsfesten Anschlusskontakten unter der Beaufschlagung des erzeugten Gasdrucks bewegbares Kontaktelement umfasst, welches durch die Beaufschlagung mit dem er- zeugten Gasdruck in Richtung der Achse der Kontakteinheit aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt wird, in welcher die elektrische Verbindung über die Kontakteinheit unterbrochen ist.

Die WO 99/54904 betrifft eine Vorrichtung zum Auftrennen eines elektrischen Stromkreises, insbesondere für hohe Stromstärken, mit einem Gehäuse, in welchem wenigsten ein elektrisches Leiterelement vorgesehen ist, welches einen Trennbereich aufweist und welches so in den aufzutrennenden Stromkreis einschaltbar ist, dass der aufzutrennende Stromkreis über das Leiterelement verläuft, und mit ihm o- der am Gehäuse vorgesehen aktivierbaren Mitteln zur Erzeugung eines Auslösedrucks, welcher unmittelbar auf den Trennbereich und/oder über eine Ausgangsstel- lung den Trennbereich beaufschlagenden Treibspiegel auf den Trennbereich wirkt, wobei der Trennbereich und/oder der Treibspiegel so ausgebildet sind, dass nach einem Aktivieren der Mittel der Trennbereich vollständig aufgetrennt oder ausgebrochen oder der Querschnitt des Trennbereichs reduziert wird.

Die DE 44 30 284 B4 betrifft eine Sicherheitseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit ei- ner von wenigstens einem Unfallsensor beaufschlagbaren Abschalteinrichtung, durch die eine elektrische Energiequelle von einem Bord netz des Kraftfahrzeugs abtrennbar ist, und die ein treibenergiebeaufschlagbares Trennmittel aufweist, durch das ein zum Bord netz gehörender Stromleiter in einer zur Unterbrechung des Stromflusses führenden Weise auftrennbar ist, wobei als Trennmittel ein mit Treibenergie beaufschlagbarer und als Stromleiter wirksamer Sollbruchkörper vorgesehen ist. Wird eine pyrotechnische Trennvorrichtung des Stands der Technik einmal ausgelöst, so ist die durch diese ausgelöste Unterbrechung eines Stromkreises im Normalfall irreversibel. Beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug muss der Halter des Kraftfahrzeugs in der Folge im Allgemeinen eine Fachwerkstatt aufsuchen, welche die ausgelöste pyrotechnische Trennvorrichtung ersetzt. Betrifft die Unterbrechung ei- nes Stromkreises die Zuführung zwischen elektrischem Energiespeicher und dem Zwischenkreis mit einem elektrischen Antrieb, so kann das Fahrzeug im Allgemeinen nicht mehr mittels des elektrischen Antriebs bewegt werden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Schalten eines elektrischen Stromkreises bereitzustellen. Insbesondere ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb mit ausgelöster pyrotechnischer Trennvorrichtung wenigstens für einen Übergangszeitraum antreibbar zu machen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Schalten eines elektrischen Stromkreises nach Anspruch 1 , ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung nach An- spruch 5 und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht. Der Wortlaut der Ansprüche wird hiermit zum ausdrücklichen Bestandteil der Beschreibung gemacht.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten eines elektri- sehen Stromkreises, insbesondere für elektrische Leistungen von 500 Watt bis hin zu 10 Megawatt, welche vorzugsweise zwei, insbesondere vier, pyrotechnische Trennvorrichtungen, welche zwischen einem Anschlusspunkt und einem Verbraucher in Reihe geschaltet sind, um den elektrischen Stromkreis zu unterbrechen, aufweist. Die Vorrichtung weist vorzugsweise des Weiteren wenigstens eine Schließ- einrichtung, insbesondere drei Schließeinrichtungen, auf, wobei die Anzahl der Schließeinrichtungen weiter vorzugsweise kleiner als die Anzahl der pyrotechnischen Trennvorrichtungen ist und wobei jede Schließeinrichtung in einer Parallelschaltung zu jeweils einer einzigen pyrotechnischen Trennvorrichtung angeordnet ist, um die eine pyrotechnische Trennvorrichtung zu überbrücken und somit einen unterbrochenen elektrischen Stromkreis zu schließen.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahr- zeug oder Hybrid-Fahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schalten eines elektrischen Stromkreises, wobei diese Vorrichtung zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einem Verbraucher, insbesondere zwischen dem elektrischen Energiespeicher und einem Zwischenkreis angeordnet ist.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schalten eines elektrischen Stromkreises, wobei sich, nach einem Unterbrechen des Stromkreises durch Auslösen einer der wenigstens zwei pyrotechnischen Trennvorrichtungen bei einem definierten Ereignis, insbeson- dere in einer Notfallsituation, vorzugsweise folgende Arbeitsschritte anschließen:

Prüfen, ob das definierte Ereignis beendet ist; und

Schließen der wenigstens einen Schließeinrichtung, welche mit der ausgelösten pyrotechnischen Trennvorrichtung in einer Parallelschaltung angeordnet ist, um die ausgelöste pyrotechnische Trennvorrichtung zu überbrücken und somit den unterbrochenen elektrischen Stromkreis zu schließen; und/oder

Ausgeben einer Benachrichtigung bezüglich des Zustands der Vorrichtung, insbesondere einen Hinweis an einen Fahrer des Fahrzeugs.

Die im Nachfolgenden beschriebenen Merkmale und Vorteile des ersten Aspekts der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltungen gelten auch für den zweiten und dritten Aspekt der Erfindung sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen und umgekehrt.

Die Erfindung beruht insbesondere auf dem Ansatz, zusätzlich zu einer pyrotechnischen Trennvorrichtung eine Schließeinrichtung vorzusehen, um einen parallel zur pyrotechnischen Trennvorrichtung verlaufenden parallelen Stromkreis zu schließen und damit die ausgelöste pyrotechnische Trennvorrichtung zu überbrücken. Hier- durch kann ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein elektrischer Antrieb in einem Fahrzeug, wenigstens für eine Übergangszeit weiter betrieben werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, um das Fahrzeug auf einen Standstreifen zu verbringen, um bis zur nächsten Fachwerkstatt zu fahren oder auch, um einen andern- falls nötigen Service nach dem Auslösen einer pyrotechnischen Trennvorrichtung hinauszuzögern bis eine Mehrzahl von pyrotechnischen Trennvorrichtungen ausgelöst wurde. Um in diesem zeitlich begrenzten Betrieb die Betriebssicherheit des Verbrauchers bzw. des Fahrzeugs, in welchem der Verbraucher verbaut ist, zu gewährleisten, weist die Vorrichtung vorzugsweise immer eine pyrotechnische Trennvor- richtung mehr auf, als Schließeinrichtungen vorhanden sind. Hierdurch ist der betroffene elektrische Stromkreis noch durch eine pyrotechnische Trennvorrichtung abgesichert.

Die erfindungsgemäße Lösung erhöht zum einen die Verkehrssicherheit eines elektrischen Fahrzeugs, da dieses nach einer Notfallsituation noch bewegt werden kann, beispielsweise aus einer exponierten Position im Verkehr nach einem Umfall. Des Weiteren können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Werkstattkosten verringert werden, beispielsweise wenn es sich bei dem Auslösen der pyrotechnischen Trennvorrichtung um eine Fehlauslösung handelt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die wenigstens eine Schließeinrichtung ein pyrotechnischer Schließer. Pyrotechnische Schließer haben eine sehr geringe Reaktionszeit und gewährleisten mithin ein schnelles Schließen eines durch eine Fehlauslösung betätigte pyrotechnische Trennvorrichtung unterbrochenen Stromkreises und damit einen zügigen Weiterbetrieb des Verbrauchers.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die wenigstens zwei pyrotechnischen Trennvorrichtungen im Normalzustand geschlossen und die wenigstens eine Schließeinrichtung ist im Normalzustand geöffnet. Ein Normalzustand im Sinne der Erfindung ist jener Zustand, in welchem die Vorrichtung im Normalbetrieb betrieben wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit wenigstens zwei Schließeinrichtungen und wenigstens drei pyrotechnischen Trenneinrichtungen wird ein Kontakt zwischen je zwei in Reihe geschalteten pyrotechnischen Trennvorrichtungen von einer ersten Parallelschaltung bestehend aus einem ersten pyrotechnischen Trennschalter und einer ersten Schließeinrichtung und einer zweiten Parallelschaltung bestehend aus einem zweiten pyrotechnischen Trennschalter und einer zweiten Schließeinrichtung gemeinsam genutzt. Hierdurch lässt sich eine besonders platzsparende Anordnung der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichen, indem die einzelnen Schaltungen mehrfach genutzt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist der An- Schlusspunkt mit dem Minuspol des elektrischen Energiespeichers verbunden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schließen sich nach einem Unterbrechen des Stromkreises durch Auslösen einer weiteren pyrotechnischen Trennvorrichtung vorzugsweise folgende Arbeitsschritte an:

Prüfen, ob das definierte Ereignis beendet ist; und

- Schließen wenigstens einer weiteren Schließeinrichtung, welche mit der weiteren ausgelösten pyrotechnischen Trennvorrichtungen in einer weiteren Parallelschaltung angeordnet ist, um die weitere ausgelöste pyrotechnische Trennvorrichtung zu überbrücken und somit den unterbrochenen elektrischen Stromkreis zu schließen; und/oder

- Ausgeben einer Benachrichtigung bezüglich des Zustands der Vorrichtung, insbesondere einen Hinweises an einen Fahrer des Fahrzeugs.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den Figuren. Es zeigen:

Figur 1 einen Stromkreis des Stands der Technik; Figur 2 eine teilweise schematische Darstellung einer Ausführungsform einer

Vorrichtung zum Schalten eines elektrischen Stromkreises gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein Beispiel des Stands der Technik, in welchem eine pyrotechnische Trennvorrichtung bzw. ein pyrotechnischer Trennschalter im Negativzweig eines Stromkreises zwischen einem Minuspol eines elektrischen Energiespeichers (EES-), welcher mit einem Anschlusspunkt 4 verbunden ist und einem Anschlusspunkt 5 zu einem Minuspol eines Zwischenkreises ZK-, in welchem ein elektrischer Verbraucher angeordnet ist. Der dargestellte Stromkreis 2 entspricht einer Schaltung, wel- che beispielsweise zur Energieversorgung eines Elektroantriebs verwendet werden kann.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schalten eines elektrischen Stromkreises 2 dargestellt, welche in einem beispielhaften Stromkreis der Fig. 1 anstelle der Trennvorrichtung 3 angeordnet wird. Die dar- gestellte Ausführungsform weist vier pyrotechnische Trennvorrichtungen 3a, 3b, 3c, 3d auf, welche zwischen dem Anschlusspunkt 4 und dem Kontaktpunkt 5 zu einem Verbraucher in Reihe geschaltet sind. Jeder der pyrotechnischen Trennvorrichtungen 3a, 3b, 3c, 3d kann den Stromkreis 2 durch eine pyrotechnische Reaktion, welche durch einen Stern dargestellt wird, trennen, indem ein als ein Wirkteil bzw.

Trennmittel, insbesondere ein Keil (dargestellt als Dreieck), durch den Stromkreis 2 getrieben wird. Der Stromkreis 2 lässt sich an dieser Stelle nicht mehr schließen, ohne die jeweilige pyrotechnische Trennvorrichtung 3a, 3b, 3c, 3d, welche ausgelöst wurde, zu ersetzen. Dieses Ersetzen ist im Allgemeinen nur durch einen Fachmann, bei einem Kraftfahrzeug durch eine Fachwerkstatt, möglich. Erfindungsgemäß ist einem der drei pyrotechnischen Trennvorrichtungen 3a, 3b, 3c jeweils in einer Parallelschaltung eine Schließeinrichtung 6a, 6b, 6c zugeordnet. Während die pyrotechnischen Trennvorrichtungen 3a, 3b, 3c, 3d im Normalzustand, d.h. im Normalbetrieb des Stromkreises 2, einen geschlossenen elektrischen Schalter darstellen, stellen die Schließeinrichtungen 6a, 6b, 6c einen geöffneten elektri- sehen Schalter dar.

Wird nun beispielsweise die pyrotechnische Trennvorrichtung 3a ausgelöst, um aus Sicherheitsaspekten den elektrischen Stromkreis 2 eines elektrischen Energiespeichers (EES) zu trennen, so kann dieser Stromkreis 2 in der Folge wieder dargestellt werden, indem die Schließeinrichtung 6a aktiviert bzw. geschlossen wird. Der Schaltkreis 2 verläuft danach über die der pyrotechnischen Trennvorrichtung 3a zugeordnete Parallelschaltung mit der Schließeinrichtung 6a. Die Schließeinrichtung 6a kann, wie dargestellt, als pyrotechnischer Schließer ausgestaltet sein, alternativ kann diese jedoch als Schaltrelais ausgeführt sein. Tritt in der Folge ein zweiter sicherheitskritischer Zustand auf, so kann der Stromkreis 2 beispielsweise durch die pyrotechnische Trennvorrichtung 3b unterbrochen werden. Diese Unterbrechung kann wiederum mit einer Schließeinrichtung 6b überbrückt werden. Dementspre- chend kann eine weitere Unterbrechung des Stromkreises 2 durch die pyrotechnische Trennvorrichtung 3c mit einer Schließeinrichtung 6c überbrückt werden.

Die pyrotechnische Trennvorrichtung 3d dient als letzte Sicherheitseinrichtung, welche den Stromkreis 2 unterbricht und nicht mehr überbrückt werden kann. Spätestens, wenn die pyrotechnische Trennvorrichtung 3c bzw. jede andere vorletzte in- takte pyrotechnische Trennvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ausgelöst wurde, sollte ein Fahrer eines Fahrzeugs, in welchem die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebaut ist, aufgefordert werden, eine Fachwerkstatt aufzusuchen, um die Sicherheitseinrichtungen erneuern zu lassen bzw. prüfen zu lassen, warum sicherheitsrelevante Unterbrechungen des Stromkreises 2 auftreten.

Bezugszeschenliste

Vorrichtung 1

Schaltkreis 2

pyrotechnische Trennvorrichtung 3; 3a, 3b, 3c, 3d Anschlusspunkt 4

Kontaktpunkt 5

Schließeinrichtung 6a, 6b, 6c