Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter zum Trennen eines Strompfads, insbesondere in Hochvolt-Strompfaden in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz.

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Schaltelementen für Fahrzeugbordnetze beschrieben. Die Erfindung kann aber in jeder Anwendung genutzt werden, in der elektrische Lasten geschaltet werden.

Wenn beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses in einem Antriebssystem ein hoher Stromfluss durch einen Schalter eines Fahrzeugbordnetzes fließt, kann eine Kontaktstelle durch eine aufgrund des Stromflusses bewirkte Lorentzkraft und/oder Engekraft in der Kontaktstelle ungewollt geöffnet werden.

Wenn die Kontaktstelle bei einem großen Stromfluss geöffnet wird, entsteht ein Schaltlichtbogen an einer Trennstelle zwischen den zwei zuvor verbundenen Enden des Schalters. Der Schaltlichtbogen setzt eine große Energiemenge frei, die zu Schäden an dem Schalter führen kann.

Um solche Schäden zu verhindern, sollte bestenfalls vermieden werden, dass ein mit hohem Stromfluss betriebener Schalter unbeabsichtigt öffnet. Ergänzend sollte angestrebt werden, dass die Zeit, in der der Schaltlichtbogen brennt, reduziert werden kann, indem beispielsweise ein Spannungsabfall im Schaltlichtbogen größer gemacht wird als eine zur Verfügung stehende elektrische Spannung zwischen den Enden. Der Spannungsabfall kann beispielsweise vergrößert werden, indem eine Länge des Schaltlichtbogens verlängert wird. Dies kann beispielsweise über einen Luftstrom beziehungsweise Gasstrom erreicht werden, der den Schaltlichtbogen ablenkt. Dadurch wird der Schaltlichtbogen verlängert und der Spannungsabfall im Schaltlichtbogen so weit erhöht, dass der Schaltlichtbogen erlischt.

Beschreibung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel einen zuverlässig schaltenden elektrischen Schalter zum Trennen eines Strompfads bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.

Es wird ein elektrischer Schalter zum Trennen eines Strompfads vorgestellt, wobei der Schalter eine Hinleitung mit einer Trennstelle zum Trennen des Strompfads aufweist, wobei an der Trennstelle ein zumindest einseitig bewegliches Schaltglied zum Öffnen und/oder Schließen der Trennstelle in der Hinleitung angeordnet ist, wobei das Schaltglied in einer Geschlossenstellung auf einer beweglichen Seite eine Kontaktstelle zu der Hinleitung aufweist, wobei der Schalter ferner eine an einem Ende der Hinleitung elektrisch leitend mit der Hinleitung verbundene Rückleitung aufweist, wobei eine im Wesentlichen antiparallel beabstandete Anordnung von Hinleitung und Rückleitung zumindest im Bereich der Trennstelle dazu ausgebildet ist, eine bei stromtragendem Strompfad aufgrund einer lokalen Lorentzkraft in der Hinleitung und dem Schaltglied und/oder einer Engekraft in der Kontaktstelle auf das Schaltglied wirkende Kraft durch eine von der Rückleitung auf das Schaltglied wirkende Lorentzkraft zumindest teilweise zu kompensieren.

Unter einem Strompfad kann ein durchgehend elektrisch leitender Pfad zwischen einer Stromquelle und einem Verbraucher verstanden werden. Die Stromquelle kann beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs sein. Der Verbraucher kann beispielsweise ein Antriebsmotor des Elektrofahrzeugs sein. An einem Schalter kann der Strompfad geöffnet und unterbrochen beziehungsweise getrennt werden. Der Schalter kann unter Verwendung von elektrischen Schnittstellen in den Strompfad integriert sein. Die Schnittstellen können als Terminals bezeichnet werden. An den Terminals können elektrische Leiter mit einem großen Leitungsquerschnitt angeschlossen werden. Im Schalter kann der Strompfad durch Stromschienen ausgebildet sein. Stromschienen können massive Streifen aus elektrisch leitendem Material sein. Eine Hinleitung kann von einer Eingangsschnittstelle des Schalters in ein Gehäuse des Schalters hinein führen. Eine Rückleitung kann aus dem Gehäuse des Schalters zu einer Ausgangsschnittstelle des Schalters führen. An einem der Eingangsschnittstelle gegenüberliegenden Ende der Hinleitung kann die Hinleitung elektrisch leitend mit der Rückleitung verbunden sein. Die Rückleitung kann im Wesentlichen antiparallel zu der Hinleitung zurück zu der Ausgangsschnittstelle verlaufen.

Bei einem Stromfluss durch die Hinleitung und die Rückleitung fließt der Strom in der Hinleitung und der Rückleitung in entgegengesetzte bzw. antiparallele Richtungen. Durch den Stromfluss verursachte elektromagnetische Kräfte, insbesondere auf das Schaltglied wirkende Kräfte, wie die Lorentzkraft und/oder die Holm ^' sche Engekraft heben sich aufgrund des entgegengesetzten verursachenden Stromflusses im Wesentlichen auf.

Eine Trennstelle kann eine zum Trennen des Strompfads vorgesehene Stelle der Hinleitung sein. Die Rückleitung kann im Gehäuse des Schalters im Bereich der Trennstelle parallel zu der Hinleitung verlaufen. Die Rückleitung kann dabei in einem konstanten Abstand zur Hinleitung angeordnet sein. Der Abstand zwischen der Hinleitung und der Rückleitung beeinflusst die kompensierende Lorentzkraft. Der Abstand kann entsprechend einer erwarteten Stromstärke auf dem Strompfad gewählt werden.

Der Schalter kann zum mehrmaligen Öffnen und Schließen ausgebildet sein. Das Schaltglied kann zum Öffnen und/oder Schließen der Trennstelle ausgebildet sein. Der Schalter kann einen Aktor zum Antreiben des Schaltglieds aufweisen. Das Schaltglied kann als beidseitig bewegliche Schaltbrücke ausgeführt sein. Dabei kann sich das Schaltglied parallel zu der Rückleitung erstrecken und in einer Richtung quer zu der Rückleitung zu der Hinleitung hin bzw. von der Hinleitung weg bewegt werden. Dabei sind beide Enden des Schaltglieds bewegbar, vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Hinleitung. Alternativ kann das Schaltglied als Schaltzunge einseitig fest mit der Hinleitung verbunden sein. Eine zweite Seite der Schaltzunge kann beweglich sein. Das Schaltglied kann über ein Gelenk mit der Hinleitung verbunden sein. Das Schaltglied kann auch ein bewegliches Ende der Hinleitung sein.

Das Schaltglied kann zwischen einer Geschlossenstellung und einer Offenstellung bewegt werden. In der Geschlossenstellung ist der Strompfad an der Kontaktstelle geschlossen. In der Offenstellung ist der Strompfad getrennt. Das bewegliche Ende des Schaltglieds kann in der Geschlossenstellung seitlich an dem Ende der Hinleitung anliegen.

Eine Länge des Schaltglieds in Erstreckungsrichtung des Schaltglieds und ein Abstand zwischen dem Schaltglied und der Rückleitung in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Schaltglieds können derart bemessen sein, dass die aufgrund der lokalen Lorentzkraft und/oder der Engekraft auf das Schaltglied an der Kontaktstelle wirkende Kraft durch die bei stromtragendem Strompfad in der Rückleitung bewirkte Lorentzkraft bei einer durch den stromtragendem Strompfad fließenden Stromstärke, für die der Schalter ausgelegt ist, zu zumindest 50% kompensiert wird. Alternativ kann die wirkende Kraft zu zumindest 70%, zu zumindest 90%, vollständig kompensiert oder sogar überkompensiert werden.

Indem die als Levitation kraft, d.h. abhebend auf das Schaltglied wirkenden Kräfte wie die lokale Lorentzkraft und/oder die Holm'sche Engekraft zumindest zu einem signifikanten Teil durch die mithilfe der Rückleitung erzeugte Lorentzkraft kompensiert werden, kann ein Risiko, dass der Schalter bei hohen Stromstärken ungewollte öffnet und dabei eventuell durch eine Bildung von Lichtbögen Schaden nimmt, reduziert werden.

Das Schaltglied kann an der Kontaktstelle an einer hin zu der Rückleitung gerichteten Seite lösbar an der Hinleitung anliegen. Durch das Anliegen auf der zur Rückleitung gerichteten Seite kann das Schaltglied durch die von der Rückleitung auf das Schaltglied wirkende Lorentzkraft gegen die Hinleitung gedrückt werden. So wirken die Engekraft beziehungsweise die lokale Lorentzkraft zwischen Hinleitung und Schaltglied und die von der Rückleitung auf das Schaltglied wirkende Lorentzkraft in entgegengesetzte Richtungen. Das Schaltglied kann zum Öffnen der Trennstelle in einen Zwischenraum zwischen der Hinleitung und der Rückleitung beweglich sein. Durch das Öffnen in den Zwischenraum hinein kann das Schaltglied durch die Lorentzkraft der Rückleitung gegen die Hinleitung gedrückt werden. So kann die Lorentzkraft der Rückleitung die lokale Lorentzkraft und/oder die Engekraft kompensieren.

Der Schalter kann einen Aktor zum Heranführen des Schaltglieds an und/oder Wegbewegen des Schaltglieds von der Kontaktstelle aufweisen. Anders ausgedrückt kann der Aktor das Schaltglied aktiv zwischen der Offenstellung und der Geschlossenstellung bewegen. Zum Heranführen oder Wegbewegen kann eine in einem Federspeicher des Aktors gespeicherte Federkraft verwendet werden. Der Aktor kann zum Wegbewegen oder Heranführen entgegen der Federkraft wirken. Das Schaltglied kann selbst als die Kontaktstelle geschlossen haltendes oder offen haltendes Federelement wirken. Beim Bewegen des Schaltglieds aus einer Ruhelage heraus kann das Schaltglied elastisch verformt werden.

Das Schaltglied kann als beidseitig bewegliche Schaltbrücke ausgebildet sein. Die Schaltbrücke kann im Wesentlichen parallel zu der Rückleitung ausgerichtet sein. Die Schaltbrücke kann im Bereich entgegengesetzter Enden je eine Kontaktstelle aufweisen. Durch die im Wesentlichen parallele Ausrichtung kann die Lorentzkraft von der Rückleitung im Wesentlichen vollständig auf das Schaltglied wirken.

Der Schalter kann eine Löscheinrichtung zum Löschen des beim Trennen der stromtragenden Trennstelle resultierenden Schaltlichtbogens aufweisen. Die Löscheinrichtung kann ein im Regelbetrieb stromloses Sicherungselement in einem Sekundärpfad zu dem Strompfad aufweisen. Das Sicherungselement kann zwischen einen Anschluss zu einer ersten Seite der Trennstelle und eine Sekundärelektrode des Sekundärpfads geschaltet sein. Die Sekundärelektrode kann im Bereich einer zweiten Seite der Trennstelle angeordnet sein und im Regelbetrieb von dem Strompfad elektrisch isoliert sein. Der Sekundärpfad kann einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen als der Schaltlichtbogen. Die Sekundärelektrode kann in einem durch den Schaltlichtbogen ionisierten Bereich angeordnet sein. Dadurch kann der elektrische Stromfluss zur Sekundärelektrode kommutieren und durch das Sicherungselement zur anderen Seite der Trennstelle abfließen. Das Sicherungselement kann ansprechen, wenn der Stromfluss größer als ein Auslösewert des Sicherungselements ist. Das Sicherungselement kann beispielsweise eine Schmelzsicherung sein. In der Schmelzsicherung zündet beim Überschreiten des Auslösewerts ein Lichtbogen, der durch aufschmelzenden Sand in der Sicherung gelöscht wird. Bis das Sicherungselement auslöst, ist der vorherige Pfad des Schaltlichtbogens wieder deionisiert. So kann der Schaltlichtbogen nicht erneut zünden.

Die Sekundärelektrode kann mit zumindest einer Zinke eines benachbart zu der Trennstelle angeordneten Löschkamms verbunden sein. Die zumindest zwei Zinken des Löschkamms können im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein, elektrisch voneinander getrennt sein und über eine Öffnungsweite der Trennstelle verteilt angeordnet sein. Ein Löschkamm kann mehrere Zinken aufweisen. Die Zinken können unterschiedlich lang sein. Beispielsweise können die äußeren Zinken des Löschkamms länger sein als die inneren Zinken des Löschkamms. Der Schaltlichtbogen kann auf den Löschkamm überspringen, da der Weg über den Löschkamm einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als der ursprüngliche Schaltlichtbogen. Der Schaltlichtbogen kann im Löschkamm auf mehrere Teillichtbögen aufgeteilt werden. Die Teillichtbögen können in den Löschkamm hineinwandern. Die Sekundärelektrode kann insbesondere mit einer mittleren Zinke des Löschkamms verbunden sein. Die mittlere Zinke kann die kürzeste Zinke sein. Die Sekundärelektrode kann einen Pfad für den Stromfluss durch den Schaltlichtbogen bereitstellen, der einen geringeren Widerstand aufweist, als ein Pfad an der Sekundärelektrode vorbei beziehungsweise über die restlichen Zinken. Der Stromfluss folgt dem Weg des geringsten Widerstands. Wenn sich der Stromfluss durch den Sekundärpfad etabliert hat, verlöschen die abgeschnittenen Teillichtbögen. Anschließend unterbricht das Sicherungselement im Sekundärpfad den Stromfluss vollständig.

Die Zinken des Löschkamms können als im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Platten ausgebildet sein. Eine Vorderkante der Platten kann beabstandet zu dem Strompfad im Bereich der Trennstelle angeordnet sein. Im Wesentlichen kann die Vorderkante parallel zu dem Strompfad ausgerichtet sein. Durch plattenförmige Zinken können die Teillichtbögen über eine Fläche der Platten wandern und sich voneinander entfernen. Dadurch können erloschene Teillichtbögen schwerer wieder zünden.

Der Schalter kann zumindest einen Blasmagneten aufweisen. Der Blasmagnet kann benachbart zu der Trennstelle angeordnet sein. Der Blasmagnet kann dazu ausgebildet sein, den Schaltlichtbogen aus der Trennstelle abzulenken. Ein Blasmagnet kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein. Der Blasmagnet kann in mehrere Teilmagnete unterteilt sein. Teilmagnete können ihr Magnetfeld gegenseitig verstärken und/oder homogenisieren. Der Blasmagnet kann so ausgerichtet sein, dass sein Magnetfeld im Bereich der Trennstelle im Wesentlichen homogen ist. Das Magnetfeld lenkt die durch den Stromfluss durch den Schaltlichtbogen bewegten Ladungsträger und die ionisierten Teilchen im Bereich des Schaltlichtbogens seitlich ab. Durch die Ablenkung wird eine Länge des Schaltlichtbogens vergrößert und so der Spannungsabfall im Schaltlichtbogen erhöht. Der Blasmagnet kann den Schaltlichtbogen in Richtung der Sekundärelektrode ablenken. Bei Verwendung eines Blasmagneten kann eine Feldstärke des Magnetfelds im Bereich des Schaltglieds bei der Festlegung des Abstands zwischen der Hinleitung und der Rückleitung berücksichtigt werden.

Der Schalter kann ein bewegliches, in die geöffnete Trennstelle einschiebbares, elektrisch isolierendes Element und einen Aktor zum Bewegen des Elements aufweisen. Das Element kann ein Formstück sein, das Ausschnitte für die Komponenten der Trennstelle aufweist.

Das Element kann die Komponenten so im Wesentlichen umschließen. Durch das Umschließen wird die durch den Schaltlichtbogen zu überbrückende Strecke wesentlich vergrößert. Ein erneutes Zünden eines neuen Schaltlichtbogens kann so verhindert werden. Zusätzlich sind die Komponenten der Trennstelle in den Ausschnitten fixiert, wodurch der geöffnete Zustand der Trennstelle auch bei Erschütterungen sicher erhalten bleibt.

Kurze Figurenbeschreibung

Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Schalters gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fign. 2a bis 2c Darstellungen eines Schalters mit einem einschiebbaren Element gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine Darstellung eines Schalters mit einer Löscheinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fign. 4a und 4b Darstellungen eines Löschens eines Schaltlichtbogens an einem Schalter gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 eine Darstellung eines Schalters mit einem Schneidkeil und einer Löscheinrichtung; und

Fign. 6a und 6b Darstellungen eines Löschens eines Schaltlichtbogens an einem Schalter mit einem Schneidkeil.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Detaillierte Beschreibung

Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den Figuren 1-6 als Referenz beibehalten.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Schalters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter 100 ist dazu ausgebildet einen Strompfad 102 wiederholt zu trennen und zu schließen. Der Schalter ist zum Schalten von KFZ-Hochvoltspannung mit entsprechend hohen elektrischen Stromflüssen ausgelegt und weist dementsprechend groß dimensionierte Leitungsquerschnitte aus elektrisch leitendem Material, angepasste Materialstärken elektrisch isolierenden Materials sowie die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken auf. KFZ- Hochvoltspannung kann bis zu einem Kilovolt betragen. Beispielsweise kann die Spannung im Hochvolt Bordnetz bei 400 bis 600V oder 800 bis 1000V liegen. Dabei können insbesondere im Kurzschlussfall hohe Ströme fließen. Beispielsweise kann der maximale Kurzschlussstrom bis 15kA betragen. Je nach Innenwiderstand der Batterie kann der Kurzschlussstrom bis 30kA betragen.

Der Schalter 100 weist ein erstes Terminal 104 als Eingangsschnittstelle und ein zweites Terminal 106 als Ausgangsschnittstelle auf. Die Terminals 104, 106 sind auf der gleichen Seite des Schalters 100 angeordnet, da der Schalter 100 eine Hinleitung 108 von dem ersten Terminal 104 in den Schalter 100 und eine parallel dazu angeordnete Rückleitung 110 aus dem Schalter 100 zurück zu dem zweiten Terminal 106 aufweist. Die Hinleitung 108 und die Rückleitung 110 verlaufen damit in einem innerhalb eines engen Toleranzbereichs konstanten Abstand durch den Schalter 100. Die Hinleitung 108 und die Rückleitung 110 sind an einer von den Terminals 104, 106 abgewandten Seite miteinander elektrisch leitend verbunden.

Die Terminals 104, 106 sind hier als Verlängerungen der Hinleitung 108 beziehungsweise der Rückleitung 110 ausgeführt. Die Hinleitung 108, die Rückleitung 110 und die Verbindung zwischen den beiden sind als massive Stromschienen aus elektrisch leitendem Vollmaterial, wie beispielsweise Kupfer ausgeführt. Die Terminals 104, 106 weisen je einen Durchbruch für ein Verbindungsmittel zum Verbinden des Schalters 100 mit dem Strompfad auf.

In der Hinleitung 108 ist eine T rennstelle 112 des Schalters 100 angeordnet. Hier ist die Trennstelle 112 durch ein beidseitig bewegliches Schaltglied 114 ausgebildet. Das Schaltglied 114 ist mechanisch mit einem Aktor 116 gekoppelt. Das Schaltglied 114 ist als massive Schaltbrücke ausgebildet und weist an zwei gegenüberliegenden Endbereichen Kontaktflächen 118 auf, mit denen das Schaltglied an den freien Enden der Hinleitung 108 anliegt. Die Schaltbrücke weist im Wesentlichen den gleichen Leitungsquerschnitt wie die Hinleitung 108 auf.

Das Schaltglied 114 ist hier in einem Zwischenraum 120 zwischen der Hinleitung 108 und der Rückleitung 110 angeordnet. Zum Trennen der Trennstelle 112 wird das Schaltglied 114 von der Hinleitung 108 weg weiter in den Zwischenraum 120 bewegt. Die Kontaktflächen 118 sind als Kontaktplättchen ausgeführt, um bei geschlossenem Schalter 100 eine erhöhte Flächenpressung für einen anforderungsgerechten elektrischen Kontakt beziehungsweise geringen Übergangswiderstand zwischen dem Schaltglied 114 und der Hinleitung 108 zu erreichen.

Bei geschlossenem Schalter 100 ist der Strompfad 102 geschlossen und es kann Strom durch den Schalter 100 fließen. Durch den Stromfluss resultiert an den Kontaktstellen 118 eine lokale Lorentzkraft und/oder Engekraft 122, die das Schaltglied 114 von der Hinleitung 108 abheben will. Durch den in der entgegengesetzten Richtung fließenden Stromfluss durch die parallele Rückleitung 110 wird ebenfalls eine Lorentzkraft 124 erzeugt, die entgegengesetzt zu der Lorentzkraft und/oder Engekraft 122 gerichtet ist. Die Lorentzkraft 124 und die Lorentzkraft und/oder Engekraft 122 heben sich im Wesentlichen gegenseitig auf. Die Lorentzkraft 124 ist dabei im Wesentlichen von der Stromstärke in der Rückleitung 110 und dem Abstand zwischen der Hinleitung 108 und der Rückleitung 110 abhängig.

In einem Ausführungsbeispiel sind in dem Zwischenraum 120 zwei Blasmagnete 126 angeordnet. Die Blasmagnete 126 sind rechts und links des Schaltglieds 114 angeordnet.

Die Blasmagnete 126 sind dabei so ausgerichtet, dass sich ihre Magnetfelder im Bereich des Schaltglieds 114 gegenseitig verstärken. Der Nordpol des einen Blasmagneten 126 weist dabei auf den Südpol des anderen Blasmagneten 126. Zusätzlich ergibt sich so ein homogenes Magnetfeld zwischen den Blasmagneten 126.

Fign. 2a bis 2c zeigen Darstellungen eines Schalters 100 mit einem einschiebbaren Element 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in Fig. 1. Die Darstellung in Fig. 2a entspricht im Wesentlichen der Darstellung in Fig. 1. Im Gegensatz dazu ist der Schalter 100 mit geöffneter Trennstelle 112 dargestellt.

Das Schaltglied 114 ist durch den Aktor 116 in den Zwischenraum 128 gezogen worden. Die Kontaktstellen 118 sind kontaktfrei. In die geöffnete Trennstelle 112 ist das Element 200 durch einen nicht dargestellten weiteren Aktor von der Seite eingeschoben worden. Das Element 200 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Keramikmaterial. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird kein Blasmagnet verwendet, um die kompensierende Lorentzkraft nicht zu beeinflussen.

In Fig. 2b ist das Element 200 mir Aussparungen 202 für die Enden der Hinleitung 108 und das Schaltglied 114 dargestellt. Auch die Kontaktplättchen der Kontaktstellen 118 sind in den Aussparungen 202 abgebildet. In Fig. 2a sind die Enden und das Schaltglied 114 in den Aussparungen 202 angeordnet. Durch die Aussparungen ist eine Relativposition des Schaltglieds 114 zu der Hinleitung 108 gesichert und ein versehentliches Schließen der Trennstelle 112 durch das in der Trennstelle 112 angeordnete Element 200 ausgeschlossen. Das Element 200 stellt sicher, dass der Schalter 100 geöffnet bleibt, auch wenn der Schalter 100 starken Erschütterungen ausgesetzt ist und/oder der Aktor 116 versagt. In Fig. 2c ist der weitere Aktor 204 dargestellt. Hier ist der weitere Aktor 204 gerade dabei, das Element 200 in die geöffnete Trennstelle 112 einzuschieben.

Mit anderen Worten zeigen die Fign 1 bis 2 einen Schalter mit einer Kompensation der Levitationskraft. Dabei geht es um das Zusammenspiel zwischen Hochvolt-Schütz und Hochvolt-Sicherung in Hochvolt-Schaltboxen von Elektro- und Hybridfahrzeugen (BEV & PHEV).

Bei großen Kurzschlussströmen soll das Schütz geschlossen bleiben und eine insbesondere in Reihe zum Schütz geschaltete Sicherung soll die Unterbrechung des Stroms übernehmen. Wenn allerdings aufgrund der im Schütz vorherrschenden elektromagnetischen Kräfte, insbesondere der Lorentzkraft und der Holm’schen Engekraft, sich die Schaltkontakte ungewollt öffnen, bevor die Sicherung auslöst, so kann es zur Explosion des Schützes kommen. Weiterhin begrenzen die dann im Schütz entstehenden Lichtbögen aufgrund ihres Spannungsfalls den Kurzschlussstrom, was das Auslösen der Schmelzsicherung verzögert. Die Sicherung löst aus, wenn ihr Schmelzintegral (I ² t-Wert) erreicht ist.

Die hier vorgestellte Geometrie der Stromführung führt zu einer Kompensation der Lorentz- und Engekraft. Dadurch wirkt nunmehr nur noch die durch eine Feder erzeugte und gewünschte Kontaktkraft. Zusätzlich kann der entstehende Lichtbogen durch Einschieben eines elektrischen Isolators beispielsweise aus Keramik gelöscht werden.

Blasmagnete können zur Löschung des Lichtbogens verwendet werden. Diese erzeugen ein Magnetfeld, welches quer zur Bewegungsrichtung der Elektronen in den Lichtbögen orientiert ist, wodurch die Elektronen auf eine Kreisbahn abgelenkt werden. Hierdurch verlängert sich die Lichtbogenstrecke, die proportional zur Lichtbogenspannung ist. Blasmagnete können eine zusätzliche Lorentzkraft erzeugen, die auf die Schaltbrücke wirkt, wodurch sich die Levitationsgrenze, bei der es zur Abhebung der Schaltkontakte kommt, reduziert.

Durch den hier vorgestellten Ansatz ergibt sich eine Steigerung der Systemsicherheit, da das Schütz in einem geschlossenen Zustand verbleibt, nicht explodiert, sondern maximal verschweißt. Eine in Reihe geschaltete Schmelzsicherung mit einem größeren Sicherungsnennwert kann verwendet werden, da die Robustheit des Schützes erhöht wird. So können die zukünftig sehr wahrscheinlich weiter steigenden Ladeströme bewältigt werden. Der hier vorgestellte Schalter weist deutlich erhöhte Levitationsgrenzen im Vergleich zu bekannten Schützen auf, ohne eine wesentliche Vergrößerung der Komponente. Als Levitationsgrenze kann beispielsweise mehr als acht Kiloampere erreicht werden.

Bei dem hier vorgestellten Schalter sind die Stromschienen so angeordnet, dass die Lorentzkraft auf die Schaltbrücke, verursacht durch die zusätzliche untere Stromschiene, diese andrückt. Dazu ist die untere Stromschiene genau so beabstandet, dass sich die elektromagnetischen Kräfte kompensieren. Die kompensierende Lorentzkraft kann durch

F _L = B(l, d) x L ^* I mit dem Strom I, der vektoriellen Länge der Schaltbrücke L sowie der magnetischen Flussdichte B(l, d) an der Stelle der Schaltbrücke, die abhängig vom Strom sowie dem Abstand d zur unteren Stromschiene ist, beschrieben werden.

Durch geeignete Wahl der Parameter d und L lässt sich die äußere Lorentzkraft so einstellen, dass diese die lokale Lorentz- und Engekraft an den beiden Kontaktstellen kompensiert.

Um beim Öffnen der Kontakte unter Strom den entstehenden Schaltlichtbogen löschen zu können, können Magnete verwendet werden. Diese zwingen die Elektronen aufgrund Ihrer Magnetfeldrichtung, welche quer zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger ist, auf eine Kreisbahn. So wird die Lichtbogenlänge vergrößert, bis der Lichtbogen schließlich abreißt. Das Magnetfeld der Magnete durchsetzt jedoch auch die Schaltbrücke und verstärkt so die abstoßend wirkende Lorentzkraft.

Um dies zu vermeiden, weist der Schalter in Fig. 2 keine Blasmagnete auf. Die Löschung des Lichtbogens erfolgt durch Einschieben eines Körpers, der aus einem elektrischen Isolator (z.B. Keramik) gefertigt ist. Dieser dringt in die Kontaktstelle ein und verlängert anschließend den Lichtbogen stark, bis er abreißt.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Schalters 100 mit einer Löscheinrichtung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in den Figuren 1 und 2. Zusätzlich dazu weist der Schalter 100 als die Löscheinrichtung 300 einen im Regelbetrieb stromlosen Sekundärpfad 302 zu dem Strompfad 102 auf. In dem Sekundärpfad 302 ist ein Sicherungselement 304 angeordnet. Das Sicherungselement 304 ist hier eine Schmelzsicherung. Ein erstes Ende des Sicherungselements 304 ist auf einer ersten Seite der Trennstelle 112 mit dem Strompfad 102 elektrisch leitend verbunden. Ein zweites Ende des Sicherungselements 304 ist elektrisch leitend mit einer Sekundärelektrode 306 verbunden. Die Sekundärelektrode 306 ist im Regelbetrieb elektrisch isoliert von dem Strompfad 102 angeordnet. Hier ist die Sekundärelektrode 306 seitlich neben der Trennstelle 112 angeordnet.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Sekundärelektrode 306 mit einer mittleren Zinke 308 eines Löschkamms 310 verbunden. Der Löschkamm 310 weist hier fünf Zinken 308 auf, die über eine Öffnungsweite der Trennstelle 112 verteilt angeordnet sind. Die Zinken 308 sind voneinander elektrisch isoliert. Die äußeren Zinken 308 des Löschkamms 310 sind länger als die inneren Zinken 308 des Löschkamms 310. Die mittlere Zinke 308 ist die kürzeste Zinke 308 und damit am weitesten von der Trennstelle 112 entfernt.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Sekundärelektrode 306 über das Sicherungselement 304 mit der Rückleitung 110 verbunden und verkürzt so den Sekundärpfad 302. Hier ist ein einzelner Blasmagnet 126 seitlich neben der Trennstelle 112 angeordnet. Dadurch verlaufen Feldlinien des Magnetfelds bogenförmig durch die Trennstelle 112. Der Blasmagnet 126 ist jedoch wesentlich länger als das Schaltglied 114, sodass das Magnetfeld im Bereich der Trennstelle 112 im Wesentlichen homogen ist.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Zinken 308 des Löschkamms 310 als Platten ausgeführt. Die Platten sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Jede der Platten weist einen im Wesentlichen konstanten Abstand zu dem Strompfad 102 auf.

Anders ausgedrückt weist der hier dargestellte Schalter 100 eine Hinleitung 108 mit einer Trennstelle 112 zum Trennen eines Strompfads 102 auf, wobei an der Trennstelle 112 ein zumindest einseitig bewegliches Schaltglied 114 zum Öffnen und/oder Schließen der Trennstelle 112 in der Hinleitung 108 angeordnet ist, wobei das Schaltglied 114 in einer Geschlossenstellung auf einer beweglichen Seite eine Kontaktstelle 118 zu der Hinleitung 108 aufweist, wobei der Schalter 100 eine Löscheinrichtung 300 zum Löschen eines beim Trennen der stromtragenden Trennstelle 112 resultierenden Schaltlichtbogens aufweist, wobei die Löscheinrichtung 300 ein im Regelbetrieb stromloses Sicherungselement 304 in einem Sekundärpfad 302 zu dem Strompfad 102 aufweist, wobei das Sicherungselement 304 zwischen einen Anschluss zu einer ersten Seite der Trennstelle 112 und eine Sekundärelektrode 306 des Sekundärpfads 302 geschaltet ist, wobei die Sekundärelektrode 306 im Bereich einer zweiten Seite der Trennstelle 112 angeordnet ist und im Regelbetrieb von dem Strompfad 102 elektrisch isoliert ist, wobei der Schalter 100 ferner einen benachbart zu der Trennstelle 112 angeordneten Löschkamm mit zumindest zwei Zinken 308 aufweist, wobei die Zinken 308 möglicherweise im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, elektrisch voneinander getrennt sind und über eine Öffnungsweite der Trennstelle 112 verteilt angeordnet sind, wobei die Sekundärelektrode 306 mit zumindest einer der Zinken 308 verbunden ist.

Fign. 4a und 4b zeigen Darstellungen eines Löschens eines Schaltlichtbogens 400 an einem Schalter 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in Fig. 3. In Fig. 4a ist der Schalter 100 gerade unter Verwendung des nicht dargestellten Aktors geöffnet worden. In der Kontaktstelle 118 hat der Schaltlichtbogen 400 zwischen der Hinleitung 108 und dem Schaltglied 114 gezündet. Der Blasmagnet 126 hat den Schaltlichtbogen 400 in den Löschkamm 310 geblasen. Dadurch hat sich der Schaltlichtbogen 400 in fünf Teillichtbögen 402 aufgeteilt. Die Teillichtbögen 402 verlaufen dabei von der Hinleitung 108 zur nächstgelegenen Zinke 308, von dort von Zinke 308 zu Zinke 308, wobei die kürzeste, mittlere Zinke 308 übersprungen wird, und von der letzten Zinke 308 zum Schaltglied 114. In jedem Teillichtbogen 402 fällt dabei Spannung ab und schwächt den Schaltlichtbogen 400.

In Fig. 4b ist der Schaltlichtbogen 400 auf die mittlere Zinke 308 und damit auf die Sekundärelektrode 306 übergesprungen, da an der Sekundärelektrode 306 das elektrische Potenzial der Rückleitung 110 direkt anliegt. Die Teillichtbögen 402 zu den weiteren Zinken 308 sind erloschen. Durch den Überschlag auf die Sekundärelektrode 306 übersteigt der Stromfluss im Sekundärpfad 302 eine Ansprechschwelle des Sicherungselements 304 und es löst aus. Durch das ausgelöste Sicherungselement 304 wird der Stromfluss unterbrochen, der Schaltlichtbogen 400 erlischt und die Trennstelle 112 ist getrennt.

Mit anderen Worten zeigen die Fign 3 und 4 einen Schalter mit Lichtbogenweiche in einem Löschkamm. Das hier vorgestellte Schütz kann größere Kurzschlussströme abschalten. Dabei wird die Lichtbogenweiche zum Löschen des Lichtbogens verwendet. Die Lichtbogenweiche ist in einen sogenannten Löschkamm oder Lichtbogen-Kamm integriert. Das Prinzip eines solchen Löschkamms beruht auf dem Effekt der Verlängerung der Lichtbogenstrecke sowie dem initialen Spannungsfall eines Lichtbogens von ca. 10 bis 20 V. Durch eine Luftströmung oder Magnete wird der Lichtbogen in den Löschkamm hineingetrieben. Im hinteren Teil des Löschkamms befindet sich die Sekundärelektrode der Lichtbogenweiche. Diese kann auch als Anschluss an eine Lamelle des Kamms ausgeführt sein. Durch den geringeren Widerstand des Sekundärpfads im Vergleich zum gestörten Primärpfad über den gesamten Löschkamm fließt ein Großteil des Stroms anschließend über diesen Pfad. In dem Sicherungselement der Lichtbogenweiche schmilzt durch den Strom eine Engstelle, wodurch ein Lichtbogen in diesem Element entsteht. Dieser wird von dem Sicherungselement, das bspw. mit Sand gefüllt sein kann, ebenfalls gelöscht. Damit ist der Pfad unterbrochen und galvanisch getrennt.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Schalter die in Fig. 1 dargestellte spezielle Stromschienengeometrie auf, um den Effekt der Levitation zu kompensieren. Da für die Funktion des Löschkamms Blasmagnete benötigt werden, lassen sich die elektromagnetischen Kräfte nicht vollständig eliminieren, jedoch stark reduzieren. Hierdurch wird die Levitationsgrenze signifikant erhöht.

Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Steigerung der Systemsicherheit erreicht, da das Schütz durch den Löschkamm größere Ströme trennen kann. Hierdurch wird der unsichere Zustand, der durch das Zusammenspiel von Schütz und in Reihe geschalteter Sicherung entstehen kann, eliminiert. Hintergrund ist, dass die Auslösezeit der Sicherung durch den charakteristischen I ² t-Wert bestimmt wird. Je geringer also der Strom, desto länger benötigt die Sicherung, bis ihr Schmelzintegral erreicht wird. Da die Aufheizung der Engstelle bei geringeren Strömen zusätzlich weniger adiabatisch ist, verlängert sich die Auslösezeit zusätzlich. Kann die Schaltgrenze des Schützes nun erhöht werden, ist die Auslösezeit der Sicherung deutlich reduziert.

In Fig. 3 ist das Schütz mit der in einen Löschkamm integrierten Lichtbogenweiche dargestellt. Dabei ist ein Magnet seitlich zur Schaltkammer angeordnet. Dieser Magnet kann auch wie in Fig. 1 unterbrochen sein, sodass die Anordnung zwei Magnete beinhaltet. Der Blasmagnet erzeugt ein Magnetfeld in der Schaltkammer, welches quer zur Stromrichtung der Elektronen im Lichtbogen ausgerichtet ist, wodurch diese ausgelenkt werden und in Richtung des Löschkamms getrieben werden. Wenn die Blasmagnete rechts und links der Schaltkammer angeordnet sind, entsteht ein sehr homogenes Magnetfeld im Inneren der Schaltkammer. Die Blasmagnete könnten auch als Elektromagnete ausgeführt sein.

In Fig. 4 ist die Ablenkung der Elektronen auf eine Kreisbahn gut zu erkennen. Durch die Einwirkung des Kamms wird der Lichtbogen in mehrere Teile aufgeteilt. Jeder Teil führt zu einer initialen Lichtbogenspannung von 10 bis 20 V abhängig vom Material des Kamms, sodass die Lichtbogenspannung stufenweise erhöht wird. Dies reicht für normale Überströme zum Erlöschen des Lichtbogens aus. Dabei reißt der Lichtbogen kurz nach Eintritt in den Löschkamm ab und der Strom wird unterbrochen. Die Lichtbogenweiche bleibt in diesem Fall inaktiv.

Bei sehr hohen zu trennenden Kurzschlussströmen erreicht die „Wolke“ aus ionisiertem Gas im Lichtbogenkamm die Sekundärelektrode der Lichtbogenweiche, die über eine Überstromschutzeinrichtung mit dem anderen Potential verbunden ist, sodass zwischen dem Lichtbogenfußpunkt auf dem Schütz und der Sekundärelektrode eine Potentialdifferenz vorliegt. Der Lichtbogen kommutiert zu dieser Sekundärelektrode, sodass der Anteil des Primärlichtbogens zur Schaltbrücke erlischt. Ist das Schmelzintegral der Überstromschutzeinrichtung / Sicherungselement erreicht, zündet in dieser einen Lichtbogen, wodurch in der Folge der Strompfad unterbrochen wird.

In einem Ausführungsbeispiel ist der Schütz mit der Lichtbogenweiche im Löschkamm mit dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip der Kompensation der Levitationskraft kombiniert. Dabei beeinflusst das zusätzliche Magnetfeld der Permanentmagnete / Blasmagnete die Lorentzkraft stromunabhängig. Die Stromschienen sind dabei so angeordnet, dass die Lorentzkraft verursacht durch die Leiterschleife auf die Schaltbrücke schließend wirkt. Die Schaltbrücke bewegt sich im Magnetfeld der unteren Stromschiene B(l, d) und im Magnetfeld der Blasmagnete BL. Für die resultierende Lorentzkraft gilt:

F _L = B(l, d) x L ^* I + B _L x L ^* I mit dem Strom I und der Länge der Schaltbrücke L (vektoriell). L ist dabei so definiert, dass es positiv ist, wenn der Strom in L Richtung fließt. B _x x L beschreibt das Kreuzprodukt der jeweiligen Magnetfeldkomponente mit der Länge der Kontaktbrücke (vektoriell). Durch geeignete Wahl der Parameter d und L lässt sich die äußere Lorentzkraft so einstellen, dass diese die lokale Lorentz- und Engekraft an den beiden Kontaktstellen zu einem großen Teil kompensiert. Durch die Wirkung der Blasmagnete wird die kompensierende Kraft je nach Stromrichtung reduziert oder verstärkt. Da das Magnetfeld der Blasmagnete nicht vom Strom I abhängt, lässt sich mit dieser Anordnung ein Gleichgewicht der abstoßendend und andrückend auf die Schaltbrücke wirkenden elektromagnetischen Kräfte nur für einen bestimmten Stromwert erreichen.

Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Schalters 100 mit einem Schneidkeil 500 und einer Löscheinrichtung 300. Der Schalter 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in Fig. 3. Im Gegensatz dazu ist der Schalter 100 nur einmalig zum sicheren Trennen des Strompfads 102 verwendbar und wird dabei kontrolliert zerstört. Aufgrund dessen weist der Schalter 100 an der Trennstelle 112 kein Schaltglied auf. Anstelle des Schaltglieds verläuft ein massiver elektrischer Leiter 502 durch die Trennstelle 112. Der Schneidkeil 500 ist auf die Trennstelle 112 ausgerichtet. Zum Antreiben des Schneidkeils 500 weist der Schalter 100 ebenfalls den Aktor 116 auf. Der Aktor 116 ist hier im Gegensatz zu Fig. 1 eine elektrisch zündbare Sprengkapsel. Aufgrund der Verwendung der Zündkapsel als Aktor 116 kann der Schalter 100 als Pyrofuse bezeichnet werden und als steuerbare Überstromschutzeinrichtung verwendet werden.

Wie in Fig. 3 weist die Löscheinrichtung 300 den im Regelbetrieb stromlosen Sekundärpfad 302 auf. Im Sekundärpfad 302 sind ebenso das Sicherungselement 304 und die Sekundärelektrode 306 angeordnet. Der Sekundärpfad 302 ist auf der ersten Seite der Trennstelle 112 mit dem Strompfad 102 verbunden. Die Sekundärelektrode 306 ist im Bereich der gegenüberliegenden zweiten Seite der Trennstelle 112 angeordnet, aber beabstandet zum Strompfad 102 angeordnet.

Zwischen dem Strompfad 102 und dem Sekundärpfad 302 ist ein Widerlager 504 für den Schneidkeil 500 angeordnet. Das Widerlager 504 ist von dem Schneidkeil 500 aus gesehen hinter der Trennstelle 112 angeordnet und dazu ausgebildet, den Schneidkeil 500 nach dem Durchtrennen der Trennstelle 112 aufzufangen. Beim Auffangen kann der Schneidkeil 500 in das Widerlager 504 eindringen und stecken bleiben.

Der Leiter 502 weist an der Trennstelle 112 eine Verjüngung 506 auf. Die Verjüngung ist dabei eine Sollbruchstelle des Leiters 502 und weist einen verringerten Leitungsquerschnitt auf. Der Leitungsquerschnitt ist dabei jedoch weiterhin ausreichend, um die anforderungsgemäße elektrische Last zu übertragen.

Der Schalter 100 weist keine Rückleitung auf, da bei dem massiven durchgehenden Leiter 502 keine Kompensation der Lorentzkraft beziehungsweise der Engekraft erforderlich ist bzw. solche Kräfte bei der angegebenen Schaltergeometrie nicht oder lediglich vernachlässigbar auftreten.

Anders ausgedrückt weist der hier gezeigte Schalter 100 zum Trennen eines Strompfads 102 an einer Trennstelle 112 einen an der Trennstelle 112 zerstörbaren elektrischen Leiter 502 auf. Auf die Trennstelle 112 ist ein durch einen Aktor 116 antreibbarer Schneidkeil 500 ausgerichtet. Der Schalter 100 weist eine Löscheinrichtung 300 zum Löschen eines beim Trennen der stromtragenden Trennstelle 112 resultierenden Schaltlichtbogens auf. Die Löscheinrichtung 300 weist ein im Regelbetrieb stromloses Sicherungselement 304 in einem Sekundärpfad 302 zu dem Strompfad 102 auf. Das Sicherungselement 304 ist zwischen einen Anschluss zu einer ersten Seite der Trennstelle 112 und eine Sekundärelektrode 306 des Sekundärpfads 302 geschaltet. Die Sekundärelektrode 306 ist im Bereich einer zweiten Seite der Trennstelle 112 angeordnet und ist im Regelbetrieb von dem Strompfad 102 elektrisch isoliert.

Fign. 6a und 6b zeigen Darstellungen eines Löschens eines Schaltlichtbogens 400 an einem Schalter 100. Der Schalter 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in Fig. 5. In Fig. 6a ist die Sprengkapsel durch ein elektrisches Signal eines Steuergeräts gezündet worden und hat den Schneidkeil 500 an der Trennstelle 112 durch den Leiter 502 getrieben. Durch die plötzliche Trennung des Strompfads wird der Schaltlichtbogen 400 in der Trennstelle 112 aufgezogen. Hier brennt der Schaltlichtbogen 400 noch durch einen verbleibenden Spalt 600 zwischen dem Schneidkeil 500 und dem Widerlager 504, da der Schneidkeil 500 das Widerlager 504 auf seiner Trajektorie noch nicht erreicht hat.

In Fig. 6b hat der Schneidkeil 500 das Widerlager 504 erreicht und ist in das Widerlager 504 eingedrungen. Der Schneidkeil 500 steckt in dem Widerlager 504 fest. Dadurch hat sich der Spalt geschlossen und der Schaltlichtbogen 400 hat zu der Sekundärelektrode 306 kommutiert. Jetzt fließt ein elektrischer Stromfluss durch den Sekundärpfad 302 der Löscheinrichtung 300. Der Stromfluss ist größer als ein Auslösewert des Sicherungselements 304 und das Sicherungselement spricht an. Hier ist das Sicherungselement 304 eine Schmelzsicherung. In der Schmelzsicherung zündet beim Überschreiten des Auslösewerts ein weiterer Lichtbogen und zerstört dabei den durch die Schmelzsicherung führenden elektrischen Leiter. Der Lichtbogen schmilzt eine Sandfüllung der Schmelzsicherung zumindest teilweise an. Der geschmolzene Sand löscht den Lichtbogen und unterbricht damit den Sekundärpfad 302.

Mit anderen Worten ist in den Fign 5 und 6 eine Pyrofuse mit Lichtbogenweiche dargestellt.

Eine Schmelzsicherung kann parallel zu einer Pyrofuse geschaltet werden. Durch die unterschiedlichen Übergangswiderstände von Pyrofuse und Schmelzsicherung übernimmt die Pyrofuse einen Großteil des Traktions- bzw. Ladestroms. Hierdurch wird die Alterung der Schmelzsicherung reduziert. Da die Schmelzsicherung im Betrieb Ströme trägt, darf ihr Nennwert einen gewissen Wert nicht unterschreiten, da sonst die Alterung wieder zunimmt.

Die hier vorgestellte Pyrofuse beinhaltet eine „Lichtbogenweiche“. Die Sprengladung der Pyrofuse wird im Überstromfall durch ein Triggersignal gezündet. In der Folge wird ein Trennkeil, ein Löschmittel und/oder ein Gas dazu verwendet eine Stromschiene mit einer Sollbruchstelle zu durchbrechen. Hierdurch entsteht ein Lichtbogen. Mit zunehmendem Abstand der zwei Teile der Stromschiene verlängert sich der Lichtbogen, wodurch die Lichtbogenspannung zunimmt. Ein Löschmittel kann helfen den Lichtbogen zu kühlen, wodurch auch die Lichtbogenspannung steigt. Erreicht die Spannung den Wert der externen Versorgungsspannung ist die Abrissbedingung für den Lichtbogen gegeben und er reißt ab. Für größere Ströme wird eine immer größere Lichtbogenlänge benötigt, um die erforderliche Lichtbogenspannung aufzubauen.

Die Sekundärelektrode der Lichtbogenweiche mit einem Sicherungselement ist unterhalb der Stromschiene platziert. Sie ist so angeordnet, dass sich beim Trennen ein Teil der Stromschiene der Sekundärelektrode annähert. Aufgrund des Lichtbogenplasmas und der ionisierten Gase zündet zu einem bestimmten Zeitpunkt der Sekundärlichtbogen. Aufgrund des geringeren Abstands eines Teils der Stromschiene zur Sekundärelektrode im Vergleich zum zweiten Teil der Stromschiene, fließt nun ein Großteil des Stroms über den Sekundärpfad. Der Primärlichtbogen kann von der Pyrofuse gelöscht werden. In dem Sicherungselement schmilzt durch den Strom eine Engstelle, wodurch ein Lichtbogen entsteht. Dieser wird von dem Sicherungselement, das bspw. mit Sand gefüllt sein kann, ebenfalls gelöscht. Der Pfad ist unterbrochen und galvanisch getrennt.

Die Schmelzsicherung wird im normalen Betrieb des Fahrzeugs nie mit Strom belastet. Hierdurch werden strombedingte Alterungsmechanismen vollständig eliminiert. Der Nennwert der Sicherung kann deutlich reduziert werden, was wiederum auch die Trennzeit erheblich reduziert. Die Pyrofuse kann kleiner ausgeführt werden, da die Pyrofuse dazu genutzt wird, ein schnelles Auslösen zu gewährleisten. Die Aufnahme des Großteils der Schaltenergie erfolgt in dem Sicherungselement.

Die Pyrofuse in Fig. 5 weist eine im oberen Teil befindliche Sprengkapsel auf, die durch eine Ansteuerung beispielsweise über einen Strompuls gezündet werden kann. In der hier dargestellten Variante mit einem Keil statt Löschmittel oder Gas befindet sich unter der Kapsel ein Trennkeil, welcher eine Stromschiene an einer vorbestimmten Stelle unterbrechen kann. Beim in Fig. 6 dargestellten Abschaltvorgang nach der Zündung der Sprengkapsel und Trennung der Stromschiene durch den Keil zündet ein Lichtbogen, den der Keil vor sich hertreibt. In den anderen Ausführungsformen wird der Lichtbogen durch das Löschmittel bzw. den Druck des Gases in Richtung der Sekundärelektrode verlängert.

Das ionisierte Gas des Lichtbogens und der sich verringernde Abstand zwischen dem ersten Teil der Stromschiene und der Sekundärelektrode führen dazu, dass der Sekundärlichtbogen zündet. Die Stromschiene kann die Sekundärelektrode auch berühren. Da der Strom nun mit geringerem Widerstand über den Sekundärpfad fließen kann, fließt ein großer Teil nun über diesen Pfad. Der Primärlichtbogen erlischt auch wegen der Einwirkung des Keils.

Ist das Schmelzintegral der Überstromschutzeinrichtung erreicht, zündet ein weiterer Lichtbogen in der Komponente. Aufgrund der konstruktiven Auslegung des Sicherungselements wird schnell ein langer Lichtbogen aufgezogen, in welchem der wesentliche Energieumsatz, welcher für das Trennen des Kurzschlussstroms zwingend ist, stattfindet. Bei einer Momentanleistung bis ca. 1,5 MW schmilzt die Sandfüllung lokal. Der geschmolzene Sand löscht den Lichtbogen, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird. Durch eine adäquate Auslegung des zeitlichen Ablaufs beim Trennvorgang wird erreicht, dass der Keil während der Unterbrechung des Stromflusses in dem Sicherungselement bereits soweit verfahren ist, dass ein „Zurückspringen“ des Lichtbogens auf den Primärpfad nicht möglich ist. Der Lichtbogen erlischt. Anschließend ist der Stromfluss vollständig unterbrochen und der Pfad ist galvanisch getrennt. Das Prinzip den Lichtbogen energiegeführt auf einen sekundären Pfad umzulenken wird Lichtbogenweiche genannt.

Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicherweise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft gewählt.

BEZUGSZEICHENLISTE

100 Schalter 102 Strom pfad 104 Terminal 106 Terminal 108 Hinleitung 110 Rückleitung 112 Trennstelle 114 Schaltglied 116 Aktor 118 Kontaktfläche 120 Zwischenraum 122 Engekraft 124 Lorentzkraft 126 Blasmagnet

200 Element 202 Aussparung 204 Aktor

300 Löscheinrichtung 302 Sekundärpfad 304 Sicherungselement 306 Sekundärelektrode 308 Zinke 310 Löschkamm

400 Schaltlichtbogen 402 Teillichtbogen

500 Schneidkeil 502 Leiter 504 Widerlager 506 Verjüngung 600 Spalt