Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für ein Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze, insbesondere Hochvoltbordnetze, für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge. Solche Bordnetze weisen Bordnetzkomponenten, beispielsweise Elektromotoren, Klimaanlagen, Scheinwerfer, Energiespeicher, etc. auf, welche über Versorgungsleitungen elektrisch miteinander verbunden sind. Bei einem Defekt oder Fehlerfall einer Bordnetzkomponente kann es Vorkommen, dass über die zugehörige Versorgungsleitung ein Fehlerstrom in Form von einem Überstrom fließt, welcher die Versorgungsleitung der defekten Bordnetzkomponente sowie die defekte Bordnetzkomponente selbst weiter schädigen kann.

Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Schalteinrichtungen zu verwenden, welche bei Vorliegen des Überstroms auslösen und die defekte Bordnetzkomponente von dem Bordnetz trennen können. Solche Schalteinrichtungen können beispielsweise Relais oder Schütze sowie Schmelzsicherungen aufweisen. Der Fokus bei der Auslegung der Schütze bzw. Relais liegt dabei üblicherweise auf einer hohen Abschaltfähigkeit, nicht auf einer hohen Stromtragfähigkeit, da durch das Zusammenspiel zwischen Schütz bzw. Relais und Schmelzsicherung eine lückenlose Abschaltkennlinie realisiert werden muss.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schalteinrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche eine hohe Stromtragfähigkeit in einem geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schalteinrichtung, ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren. Eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung für ein Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist einen elektromechanischen Schalter auf, welcher dazu ausgelegt ist, eine Versorgungsleitung des Bordnetzes zu verbinden und zu unterbrechen. Der elektromechanische Schalter weist einen ortsfesten ersten Schaltkontakt, einen beweglichen zweiten Schaltkontakt und eine Betätigungseinheit mit einem mechanischen Kraftübertragungselement und einem Antriebselement auf. Zum Überführen von einem geöffneten Schaltzustand in einen geschlossenen Schaltzustand des elektromechanischen Schalters ist das Antriebselement dazu ausgelegt, das Kraftübertragungselement entlang eines Stellwegs zu bewegen. Das entlang des Stellwegs bewegte Kraftübertragungselement ist dazu ausgelegt, mechanisch auf den zweiten Schaltkontakt zu wirken und diesen zu dem ersten Schaltkontakt zu bewegen. Zum Aufrechterhalten des geschlossenen Schaltzustands des elektromechanischen Schalters ist das Kraftübertragungselement am Ende des Stellwegs dazu ausgelegt, ohne weiteren Antrieb durch das Antriebselement eine Anpresskraft auf den zweiten Schaltkontakt zum Anpressen an den ersten Schaltkontakt aufzubringen.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit zumindest zwei Bordnetzkomponenten, mit zumindest einer, die Bordnetzkomponenten elektrisch verbindenden Versorgungsleitung und mit zumindest einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung. Das Bordnetz ist insbesondere ein Hochvoltbordnetz und weist mehrere Bordnetzkomponenten, beispielsweise einen Energiespeicher, einen Elektromotor, einen Inverter, etc. auf. Zum galvanischen Trennen der Bordnetzkomponenten im Fehlerfall ist in der zugehörigen Versorgungsleitung die Schalteinrichtung angeordnet. Abseits des Fehlerfalls ist die Schalteinrichtung dazu ausgelegt, einen Strom zwischen den Bordnetzkomponenten zu führen.

Der erste ortsfeste bzw. unbewegliche Schaltkontakt, der zweite bewegliche Schaltkontakt und die Betätigungseinheit bilden den elektromechanischen Schalter. Der elektromechanische Schalter wird dabei mittels der Betätigungseinheit betätigt bzw. geschaltet. Zum Anschalten bzw. Schließen des Schalters, also zum Überführen von dem geöffneten in den geschlossenen Schaltzustand, wirkt die Betätigungseinheit mechanisch auf den zweiten Schaltkontakt. Dabei bewegt bzw. verschiebt sie diesen in Richtung des ersten Schaltkontaktes, bis der erste Schaltkontakt an den zweiten Schaltkontakt angepresst bzw. angedrückt ist. Die Betätigungseinheit weist dabei das Kraftübertragungselement und das Antriebselement auf. Das Antriebselement stellt eine Antriebsenergie für das Kraftübertragungselement bereit, welches daraufhin entlang des Stellwegs bzw. Verfahrwegs bewegt wird und diese Bewegung auf den zweiten Schaltkontakt überträgt. Das durch das Antriebselement angetriebene Kraftübertragungselement bewegt also den zweiten Schaltkontakt in Richtung des ersten Schaltkontaktes, um den elektromechanischen Schalter zu schließen. Dabei übt das Kraftübertragungselement die Anpresskraft auf den zweiten Schaltkontakt aus. Durch den mechanischen Antrieb wird dabei in vorteilhafter Weise eine weitaus höhere Anpresskraft erreicht, sodass ein Kontaktwiderstand der Schaltkontakte deutlich reduziert ist. Dadurch kann, im Vergleich zu herkömmlichen Relais oder Schützen, eine hohe Stromtragfähigkeit sowie eine reduzierte Hitzeentwicklung an den Schaltkontakten erreicht werden. Eine Orientierungsrichtung des Stellwegs kann dabei entlang bzw. parallel zu einer Bewegungsrichtung des zweiten Schaltkontaktes orientiert sein. Auch kann die Orientierungsrichtung des Stellwegs quer, beispielsweise senkrecht oder schräg, zu der Bewegungsrichtung des zweiten Schaltkontaktes orientiert sein.

Dabei stellt das Kraftübertragungselement auch im geschlossenen Schaltzustand des Schalters die Anpresskraft bereit, mittels welcher der zweite Schaltkontakt an den ersten Schaltkontakt angedrückt bzw. angepresst wird. Die Anpresskraft wird auch dann durch das Kraftübertragungselement bereitgestellt, wenn durch das Antriebselement keine Antriebsenergie mehr bereitgestellt wird. Der geschlossene Schaltzustand des Schalters, in welchem der zweite Schaltkontakt durch das Kraftübertragungselement an den ersten Schaltkontakt angepresst wird, wird also quasi energielos aufrechterhalten. Im geschlossenen Schaltzustand entsteht also in vorteilhafter Weise eine feste mechanische Verbindung zwischen den Schaltkontakten, welche nach dem Schließen keine dauerhafte Energieversorgung mehr benötigt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Antriebselement zum Überführen von dem geschlossenen Schaltzustand in den geöffneten Schaltzustand des elektromechanischen Schalters dazu ausgelegt, das Kraftübertragungselement entgegen des Stellwegs zu bewegen, sodass das Kraftübertragungselement keine Anpresskraft auf den zweiten Schaltkontakt mehr ausübt. Der zweite Schaltkontakt ist mit einem Federelement verbunden, welches dazu ausgelegt ist, während des Bewegens des Kraftübertragungselementes entgegen des Stellwegs den zweiten Schaltkontakt von dem ersten Schaltkontakt wegzubewegen und zum Aufrechterhalten des geöffneten Schaltzustands in dem wegbewegten Zustand zu halten. Um die Schaltkontakte zum Öffnen des Schalters also wieder voneinander zu lösen, wird das Kraftübertragungselement durch das Antriebselement entgegen des Stellwegs bewegt. Dadurch übt das Kraftübertragungselement keine Anpresskraft mehr auf den zweiten Schaltkontakt aus. Da dieser zweite Schaltkontakt mit dem Federelement verbunden ist, dessen Federkraft entgegen der Anpresskraft wirkt, wird der zweite Schaltkontakt durch das Federelement von dem ersten Schaltkontakt entfernt. Dadurch wird der Schalter geöffnet und verbleibt in dem geöffneten Zustand, bis das Antriebselement das Kraftübertragungselement wieder entlang des Stellwegs bewegt.

Vorzugsweise ist das Federelement durch eine elastische Stromschiene ausgebildet, welche mit dem zweiten Schaltkontakt elektrisch und mechanisch verbunden ist. Eine solche elastische, flexible Stromschiene kann beispielsweise durch einen Schichtstapel aus dünnen, elektrisch leitfähigen Blechen gebildet sein. Diese Stromschiene ist elektrisch mit der Versorgungsleitung verbunden.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Schalteinrichtung zusätzlich eine pyrotechnische Trenneinheit aufweist, welches dazu ausgelegt ist, in einem Fehlerfall die Versorgungsleitung zu unterbrechen. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der elektromechanische Schalter auf Stromtragfähigkeit und Robustheit hin optimiert ist, nicht aber auf eine schnelle Abschaltfähigkeit. Diese schnelle Abschaltfähigkeit zum Unterbrechen der Versorgungsleitung kann durch die pyrotechnische Trenneinheit erreicht werden. Solche pyrotechnischen Trenneinheiten weisen ein Zündmittel auf, welches mittels eines Energieimpulses zündbar ist und dadurch die Versorgungsleitung in kurzer Zeit unterbricht. Eine solche pyrotechnische Trenneinheit weist den Vorteil auf, dass sie im kompletten Strombereich eine sichere Abschaltung gewährleisten kann. Deshalb ist eine Optimierung des elektromechanischen Schalters auf Stromtragfähigkeit und Robustheit möglich.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Kraftübertragungselement eine Gewindespindel auf, welche durch ein Antriebselement, welches beispielsweise als ein Elektromotor ausgebildet ist, entlang des Stellwegs linear verschiebbar ist. Insbesondere ist die Gewindespindel im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des zweiten Schaltkontaktes orientiert, sodass die entlang des Stellwegs bewegte Gewindespindel dazu ausgelegt ist, im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche zu wirken und den zweiten Schaltkontakt im Wesentlichen parallel zu dem Stellweg in Richtung des ersten Schaltkontaktes zu schieben. Das Kraftübertragungselement und das Antriebselement bilden also einen Gewindestangenantrieb aus. Das Antriebselement versetzt die Gewindespindel, welche innerhalb einer Spindelmutter geführt werden kann, in eine Dreh- Schiebbewegung, welche die Gewindespindel in eine translatorische Bewegung des zweiten Schaltkontaktes in Richtung des ersten Schaltkontaktes umsetzt. Der zweite Schaltkontakt wird also durch die Gewindespindel in Richtung des ersten Schaltkontaktes geschoben, wobei die Orientierungsrichtung des Stellwegs insbesondere parallel zu der Schubbewegung des zweiten Schaltkontaktes orientiert ist. Die Gewindespindel kann den zweiten Schaltkontakt beispielsweise anheben und ihn somit auf den ersten Schaltkontakt zubewegen.

In einerweiteren Ausführungsform weist das Kraftübertragungselement eine Schiebestange auf, welche durch das Antriebselement verschiebbar ist. Insbesondere ist die Schiebestange schräg zu einer Oberfläche des zweiten Schaltkontaktes orientiert, sodass die entlang des Stellwegs bewegte Schiebestange dazu ausgelegt ist, über die Oberfläche des zweiten Schaltkontaktes zu gleiten und den zweiten Schaltkontakt schräg zu dem Stellweg in Richtung des ersten Schaltkontaktes zu drücken. Der erste und der zweite Schaltkontakt sind also im geöffneten Schaltzustand im Winkel zueinander orientiert. Die Schiebestange wird dabei durch das Antriebselement über die Oberfläche des zweiten Schaltkontaktes geschoben, wobei dadurch ein Druck auf den zweiten Schaltkontakt in Richtung des ersten Schaltkontaktes ausgeübt wird. Hierdurch wird der zweite Schaltkontakt in Richtung des zweiten Schaltkontaktes gedrückt bzw. geschoben. Die Schiebestange wird dabei insbesondere durch ein Antriebselement in Form von einem Linearantrieb angetrieben.

Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bordnetz. Das als Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug ausgebildete Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen ausgebildet.

Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schalteinrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Schalteinrichtung für ein Bordnetz, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Schalteinrichtung.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen einer Schalteinrichtung 1 für ein Bordnetz eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs. Die Schalteinrichtung 1 ist dazu ausgelegt, eine Versorgungsleitung des Bordnetzes abseits eines Fehlerfalls zu verbinden und bei einem Fehlerfall zu unterbrechen. Dazu weist die Schalteinrichtung 1 einen elektromechanischen Schalter 2 auf, welcher einen ersten, ortsfesten Schaltkontakt 3, einen zweiten, bezüglich des ersten Schaltkontaktes 3 beweglichen Schaltkontakt 4 und eine Betätigungseinheit 5 aufweist. Der zweite Schaltkontakt 4 ist hier mit einem Federelement 6 in Form von einer federelastischen Stromschiene 7 elektrisch und mechanisch verbunden und somit federelastisch gelagert. Die Stromschiene 7 ist wiederum mit der Versorgungsleitung des Bordnetzes elektrisch verbunden.

Um den Schalter 2 von dem hier gezeigten geöffneten Schaltzustand in einen geschlossenen Schaltzustand zu überführen, in welchem der Schalter 2 einen Strom führt und die Versorgungsleitung verbindet, bewegt die Betätigungseinheit 5 den zweiten Schaltkontakt 4 zu dem ersten Schaltkontakt 3 und übt eine Anpresskraft auf den zweiten Schaltkontakt 4 aus. Durch diese Anpresskraft wird der zweite Schaltkontakt 4 an den ersten Schaltkontakt 3 angepresst bzw. angedrückt, sodass der Schalter 2 im geschlossenen Schaltzustand einen besonders niedrigen Kontaktwiderstand aufweist. Die Betätigungseinheit 5 weist dazu ein Kraftübertragungselement 8 auf, welches von einem hier nicht gezeigten Antriebselement antreibbar ist. Durch Antreiben des Kraftübertragungselementes 8 ist dieses entlang eines Stellwegs 9 verschiebbar bzw. bewegbar. Das Kraftübertragungselement 8 überträgt seine Bewegung entgegen einer Federkraft des Federelementes 6 auf den zweiten Schaltkontakt 4, welcher daraufhin in Richtung des ersten Schaltkontaktes 3 bewegt wird, bis die Schaltkontakte 3, 4 einander berühren. Dieser angepresste Zustand der Schaltkontakte 3, 4 wird durch das Kraftübertragungselement 8 auch dann aufrechterhalten, wenn das Antriebselement das Kraftübertragungselement 8 nicht mehr antreibt. Während des geschlossenen Zustands des Schalters 2 übersteigt die Anpresskraft die Federkraft und der zweite Schaltkontakt 4 wird an den ersten Schaltkontakt 3 angepresst. Zum Öffnen des Schalters 2 werden die Schaltkontakte 3, 4 wieder voneinander gelöst bzw. separiert. Zum Lösen der Schaltkontakte 3, 4 wird das Kraftübertragungselement 8 wieder entgegen des Stellweges 9 bewegt. Dadurch übersteigt die Federkraft die Anpresskraft des Kraftübertragungselementes 8 auf den zweiten Schaltkontakt 4, sodass dieser durch das Federelement 6 von dem ersten Schaltkontakt 3 entfernt wird.

In der Ausführungsform der Schalteinrichtung 1 gemäß Fig. 1 weist das Kraftübertragungselement 8 eine Gewindespindel 10 und eine Spindelmutter 11 auf. Die Gewindespindel 10 wird von dem Antriebselement, beispielsweise einem Elektromotor, in eine Dreh-Hebebewegung 12 versetzt, durch welche die Gewindespindel 10 und damit der zweite Schaltkontakt 4 auf und ab bewegt werden können. Eine Orientierungsrichtung des Stellwegs 9 ist hier parallel zu einer Bewegungsrichtung des zweiten Schaltkontaktes 4 orientiert. Zum Schließen des Schalters 2 wird also die Gewindespindel 10 hier nach oben bewegt. Dadurch drückt die Gewindespindel 10 den zweiten Schaltkontakt 4 nach oben in Richtung des ersten Schaltkontaktes 3.

In der Ausführungsform der Schalteinrichtung 1 gemäß Fig. 2 weist das Kraftübertragungselement 8 eine Schiebestange 13 auf, welche über eine Oberfläche 14 des zweiten Schaltkontaktes 4, hier nach links, geschoben wird. Dadurch wird der zweite Schaltkontakt 4 hier nach unten in Richtung des ersten Schaltkontaktes 3 gedrückt. Die Orientierungsrichtung des Stellwegs 9 ist hier schräg zu der Bewegungsrichtung des zweiten Schaltkontaktes 4 orientiert. Zum Öffnen des Schalters 2 wird die Schiebestange 13 entgegen des Stellwegs 9, hier nach rechts, verschoben. Der zweite Schaltkontakt 4 kann sich dadurch wieder von dem ersten Schaltkontakt 3 lösen.