AT524104B1 - Pyrotechnischer Stromtrenner - Google Patents

Abstract

Der pyrotechnische Stromtrenner (1) zur Durchtrennung einer Stromschiene (2) weist einen ersten Zünder (7) für die passive Auslösung und einen zweiten Zünder (14) für die aktive Auslösung auf. Beide wirken auf einen Trennkolben (9), der bei Auslösung die Stromschiene (2) an zumindest einer Trennstelle (5a, 5b) trennt. Der erste Zünder (7) ist über zwei Leiter (8a, 8b) mit den beiden Seiten einer Sicherung, die vom Strom durch die Stromschiene (2) durchflossen ist, verbunden, während der zweite Zünder (14) Kontakte (15a, 15b) für den Anschluss eines externen Auslösers aufweist. Erfindungsgemäß befindet sich einer der beiden Zünder, vorzugsweise der erste Zünder (7), im Trennkolben (9). Bevorzugt ist die Sicherung einstückig mit der Stromschiene (2) ausgebildet, entweder ist die Sicherung durch die Trennstelle(n) (5a, 5b) oder durch einen geschwächten Bereich zwischen zwei Trennstellen (5a, 5b) gebildet. Man kann in einfacher Weise vorsehen, dass zumindest ein Leiter (8a, 8b) bei Auslösung unterbrochen wird, um einen Lichtbogen im ersten Zünder (7) zu verhindern, z.B. indem sich zumindest ein Leiter (8a, 8b) im Bewegungsweg des Trennkolbens (9) befindet.

Description

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Stromtrenner mit passiver und mit aktiver Auslösung zur Durchtrennung einer Stromschiene, der einen ersten Zünder für die passive Auslösung und einen zweiten Zünder für die aktive Auslösung aufweist, die beide auf einen Trennkolben wirken, der bei Auslösung die Stromschiene an zumindest einer Trennstelle trennt, wobei der erste Zünder über zwei Leiter mit den beiden Seiten einer Sicherung, die vom Strom durch die Stromschiene durchflossen ist, verbunden ist und wobei der zweite Zünder Kontakte für den Anschluss eines externen Auslösers aufweist.

[0002] Stromtrenner, genau genommen pyrotechnische Vorrichtungen zur Unterbrechung von Strom und Spannung für den Fall eines Unfalls, sind mittlerweile in Elektrofahrzeugen weit verbreitet. Beispiele hierfür sind die PSS 4 von Autoliv, beschrieben in der EP 3301701 B1, oder der CB500 von Hirtenberger, beschrieben in AT 517872 B1. Diese Stromtrenner besitzen allerdings keine Intelligenz, d.h. sie benötigen zur Erkennung von abnormalen Betriebszuständen eine externe Beschaltung, die wiederum vom Anliegen einer Versorgungsspannung abhängt, sie können eine Sicherung nicht komplett ersetzen.

[0003] In Weiterbildung dieses Gedankens wurde die pyrotechnische Trennvorrichtung mit einer in Serie geschalteten Sicherung kombiniert (siehe die US 2018/0277325 A1 von Mersen): Wenn die Sicherung durchbrennt, entsteht an ihr eine Spannungsdifferenz, die zur Auslösung des Pyroschalters verwendet wird. Die Sicherung allein kann der Spannung nicht standhalten: Ohne Pyroschalter würde lange ein Lichtbogen brennen, deshalb die Serienschaltung mit dem Pyroschalter.

[0004] Somit wurde die passive Auslösung nachgebildet, jedoch gibt es weitere Situationen, in denen auch ohne Uberstrom die Verbindung zur Fahrzeugbatterie unterbrochen werden soll. Dafür wurde von Mersen in der FR 3063570 B1 eine externe Beschaltung vorgesehen, die jedoch keine galvanische Trennung von Hochspannungsseite und dem Zündkreis des Fahrzeugs vorsieht. Das ist mit verschiedenen Sicherheitsvorschriften nicht in Einklang zu bringen.

[0005] Deshalb sind gemäß der WO 2019/097152 A1 zwei Anzünder vorgesehen. Dieser Aufbau erfüllt die Anforderungen der aktiven, d.h. über ein Zündsignal kommandierten, und der passiven, selbsttätig durch Uberstrom getriggerten Auslösung, ist aber bedingt durch die zwei 11 mmSchnittstellen aufwändig hinsichtlich Platzbedarf und Herstellungskosten, insbesondere weil für die passive Auslösung keine eigenständige Schnittstelle erforderlich wäre, und stellt durch die exzentrische Anordnung der Zünder auch technisch keine optimale Lösung dar. Weiters wird ein allfälliger Lichtbogen im Zünder des passiven Auslösungszweigs nicht unterdrückt.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen.

[0007] Diese Aufgabe wird durch einen pyrotechnischen Stromtrenner der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich einer der beiden Zünder im Trennkolben befindet, vorzugsweise der erste Zünder, der für die passive Auslösung verantwortlich ist.

[0008] Grundgedanke der Erfindung ist die Anordnung eines der beiden Zünder im Trennkolben. Diese Anordnung ist ungewöhnlich, bietet aber verschiedene überraschende Vorteile.

[0009] Zunächst ist für die beiden Zünder keine exzentrische Anordnung notwendig, und dennoch lassen sich die beiden Zünder galvanisch trennen. Weiters kann man - wenn der Zünder für die passive Auslösung im Trennkolben untergebracht ist - diesen leicht intern kontaktieren, sodass für dessen elektrischen Anschluss keine zusätzliche Schnittstelle notwendig ist.

[0010] Die elektrische Isolation der beiden Zünder erfolgt vorzugsweise durch einen Druckkolben, der zwischen dem Trennkolben und dem anderen Zünder (normalerweise ist das der zweite Zünder für die aktive Auslösung) angeordnet ist. Bei aktiver Auslösung wird der Druck des zweiten Zünders auf den Druckkolben übertragen, der seinerseits den Druck auf den Trennkolben weitergibt, der dann in der Folge die Stromschiene durchtrennt. Bei passiver Auslösung wirkt der Druck direkt auf den Trennkolben, der Druckkolben wirkt in diesem Fall als Begrenzung für die Druck-

kammer und bewegt sich selbst nicht.

[0011] Es ist günstig, wenn der Stromtrenner ein Löschmittel enthält, das vorzugsweise zumindest teilweise eine Siliziumverbindung, z.B. Silikonöl oder Silikonfett, ist. Auf diese Weise wird ein entstehender Lichtbogen schneller gelöscht. Das Löschmittel kann sich in einem Einstich an der Außenseite des Trennkolbens, in einem Einstich an der Außenseite des Druckkolbens und/oder sandwichartig zwischen dem Druckkolben und dem Trennkolben befinden.

[0012] Es genügt im Prinzip, wenn die Stromschiene nur eine Trennstelle aufweist, wie dies in Fig. 1 der oben zitierten WO 2019/097152 A1 dargestellt ist.

[0013] Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Sicherung einstückig mit der Stromschiene ausgebildet. In diesem Fall ist das Sicherungselement integraler Bestandteil der Stromschiene.

[0014] Egal, ob eine oder zwei Trennstellen vorgesehen sind, kann dies dadurch realisiert sein, dass die Sicherung durch die Trennstelle gebildet ist. Die mechanischen Trennstellen sind üblicher Weise als Kerben oder als Durchbrüche in der Stromschiene ausgebildet, damit der Trennkolben die Stromschiene leichter durchschlagen kann. Führt man nun diese mechanische Schwächung noch stärker als üblich aus, entsteht dort ein ausreichend hoher elektrischer Widerstand, der bei Uberstrom zu einer starken Erwärmung und bei ausreichend hohem Uberstrom zum Durchglühen führt, genau wie bei einer Schmelzsicherung; spätestens dann entsteht eine ausreichend hohe Spannung zu beiden Seiten der Trennstelle(n), die zur Zündung des ersten Zünders führt.

[0015] Die Einstückigkeit von Sicherung und Stromschiene kann bei einer Stromschiene mit zwei Trennstellen auch dadurch realisiert sein, dass die Sicherung durch einen geschwächten Bereich zwischen diesen beiden Trennstellen gebildet ist und die Leiter zwischen den Trennstellen zu beiden Seiten der Sicherung mit der Stromschiene verbunden sind. Bei der Ausführung mit zwei Trennstellen wird der Bereich zwischen den Trennstellen (oft als "Platine" bezeichnet) ausgestanzt; wenn nun die Leiter mit der Platine (also zwischen den Trennstellen) mit der Stromschiene verbunden sind, dann sind die Leiter - sobald die Platine ausgestanzt wurde - automatisch von der verbleibenden (unterbrochenen) Stromschiene getrennt, sodass ein Stromfluss bzw. Lichtbogen über den ersten Zünder mit Sicherheit verhindert ist.

[0016] Um weitere Spannungsverluste zu vermeiden, soll die Stromschiene außerhalb der Trennstelle(n) einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt besitzen.

[0017] Insbesondere wenn der erste Zünder die Trennstellen "überspannt", d.h. mittels der eingangs erwähnten beiden Leiter zu beiden Seiten der Trennstellen an der Stromschiene angeschlossen ist, besteht die Gefahr, dass er selbst durch Lichtbogenbildung zum Leiter wird und somit die elektrische Trennung nicht oder nicht ausreichend schnell erfolgt. Um das zu verhindern, kann man vorsehen, dass zumindest ein Leiter einen Querschnitt von maximal 0,1 mm® hat. Bei derart geringem Querschnitt glüht der Leiter durch, wenn sich ein Lichtbogen ausbildet.

[0018] Alternativ dazu oder auch zusätzlich kann man vorsehen, dass bei Auslösung zumindest ein Leiter mechanisch unterbrochen wird. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten: der zumindest eine Leiter kann sich im Bewegungsweg des Trennkolbens befinden, wobei er dann vorzugsweise als Schleife ausgeführt ist, der zumindest eine Leiter kann aber durch den Trennkolben oder durch den Druckkolben oder durch das sandwichartig zwischen Druckkolben und Trennkolben angeordnete Löschmittel geführt sein. Wenn der Leiter im Bewegungsweg des Trennkolbens angeordnet oder durch den Trennkolben geführt wird, wird er unterbrochen, egal, welcher Zünder auslöst; ansonsten wird er nur dann zuverlässig unterbrochen, wenn der nicht im Trennkolben angeordnete Zünder (üblicher Weise ist der für die aktive Auslösung vorgesehen) auslöst.

[0019] An Hand der beiliegenden Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromtrenner im Längsschnitt, das ist entlang der Linie BB von Fig. 2, und Fig. 2 zeigt denselben in einer Ansicht von unten bei abgenommenem Gehäuseunterteil.

[0020] Ein erfindungsgemäßer Stromtrenner 1 hat ein Gehäuseoberteil 20 und ein Gehäuseunterteil 24, dazwischen befindet sich eine Stromschiene 2 mit Bohrungen 3a, 3b und einem geschwächten Bereich 4, der von zwei Reihen Durchbrüchen, die zwei Trennstellen 5a, 5b bilden, begrenzt ist. Die Kontaktpins 6a, 6b eines ersten Zünders 7 sind mit Leitern 8a, 8b verbunden, sodass der Zünder elektrisch parallel zum geschwächten Bereich 4 geschaltet ist. Der Zünder 7 befindet sich in einem Trennkolben 9, der in einem Einstich 10 einen O-Ring 11 und in einem weiteren Einstich 12 ein Löschmittel 13 enthält. Weiters besitzt der Trennkolben 9 eine nach oben offene Bohrung 9', damit die Druckwirkung des Zünders 7 zum Antrieb des Trennkolbens 9 genützt werden kann.

[0021] Der Stromtrenner 1 besitzt einen zweiten Zünder 14 mit von außen zugänglichen Kontakten 15a, 15b, die sich in einem sogenannten 11 mm-Interface 16 mit Retainer befinden. Das 11 mm-Interface 16 und der Retainer dienen zur sicheren Kontaktierung des zweiten Zünders 14 von außen.

[0022] Vor dem zweiten Zünder 14 in Richtung des geschwächten Bereichs 4 befindet sich ein Druckkolben 17 mit einem Einstich 18, in dem sich ein O-Ring 19 befindet. Zünder 14, Druckkolben 17 und Trennkolben 9 befinden sich im Gehäuseoberteil 20, das außen mit einer metallischen Verstärkung 21 verstärkt ist.

[0023] Unterhalb des geschwächten Bereichs 4 befindet sich ein Bremselement 22 in einer Bohrung 23 des Gehäuseunterteils 24. Ebenso wie der Gehäuseoberteil 20 besitzt auch der Gehäuseunterteil 24 eine metallische Verstärkung 25.

[0024] Gehäuseoberteil 20 und Gehäuseunterteil 24 werden durch die Verstärkungen 21, 25 und vier Schrauben 26a-26d zusammengehalten.

[0025] Fig. 2 zeigt den Gehäuseoberteil 20 mit Stromschiene 2 und den Durchbrüchen, die sowohl den Schmelzbereich bei ÜUberstrom als auch die mechanischen Trennstellen 5a, 5b darstellen.

[0026] Der dargestellte Stromtrenner besitzt folgende Funktionalitäten: [0027] a.) Aktive Auslösung

[0028] Bei Anlegen eines Zündpulses an die Kontakte 15a, 15b (Pins) des zweiten Zünders 14 wird dieser ausgelöst und treibt den Druckkolben 17 an. Dieser überträgt die Kraft auf den Trennkolben 9, der zuerst die Leiter 8a, 8b zum ersten Zünder 7 und anschließend die Stromschiene 2 bei den Trennstellen 5a, 5b, gebildet durch die Durchbrüche, trennt. Bei den Unterbrechungsstellen der Stromschiene 2 können sich - je nach anliegender Stromstärke - Lichtbögen ausbilden, die mit der Bewegung des Trennkolbens 9 vom Zünder 14 weg gelängt und schließlich durch den Kontakt mit dem Löschmittel 13 endgültig gelöscht werden. Während der Bewegung des Trennkolbens 9 wird das Bremselement 22 zusammengedrückt, es kann (hier nicht dargestellt) eine Isolation zum geschwächten Bereich der Stromschiene 2 aufweisen, um einen Stromfluss über das Bremselement zu vermeiden. Bei dieser sogenannten "kommandierten Auslösung" wird weggesteuert zunächst die Verbindung zum ersten Zünder 7 und erst in Folge die Stromschiene 2 unterbrochen. Dadurch wird ein Kommutieren des Stroms auf den Kreis des ersten Zünders 7 zuverlässig unterbunden.

[0029] b.) Passive Auslösung:

[0030] Bei Stromfluss durch die Stromschiene 2 erwärmen sich der geschwächte Bereich 4 und die beiden Trennstellen 5a, 5b, die durch die Durchbrüche zusätzlich geschwächt sind. Wird die Erwärmung zu groß, brennt die Stromschiene 2 ähnlich einer Sicherung im geschwächten Bereich durch. Der Strom kommutiert zunächst auf den ersten Zünder 7, dieser kommt zur Zündung und seine Druckwirkung wird durch die Bohrung 9’ nach oben auf den Druckkolben 17 geleitet. Durch die so entstehende Druckkammer bestehend aus Druckkolben 17, Trennkolben 9 und Innenwand des Gehäuseoberteils 20 wird der Trennkolben 9 angetrieben und trennt zunächst die Leiter 8a, 8b, welche die Kontaktpins 6a, 6b des ersten Zünders 7 mit der Stromschiene 2 zu beiden Seiten des geschwächten Bereichs 4 verbinden, wodurch es irrelevant ist, ob der Zünder

nach der Auslösung noch eine gewisse Leitfähigkeit besitzt oder nicht. Im Folgenden bewegt sich der Trennkolben 9 weiter nach unten (entfernt sich vom zweiten Zünder 14) und schiebt die noch vorhandenen Reste des geschwächten Bereichs 4 der Stromschiene 2 nach unten. Ein allenfalls entstehender Lichtbogen wird durch den Kontakt mit dem Löschmittel 13 analog zur kommandierten Auslösung gelöscht.

[0031] Für die passive Auslösung sind prinzipiell zwei Varianten möglich. Die Trennstelle/Trennstellen in der Stromschiene 2 kann/können mit der sogenannten "aktiven Stelle", d.h. dem Bereich, der analog zu einer Sicherung schmilzt und durchbrennt, zusammenfallen, wie in Fig. 2 dargestellt, oder von dieser/en beabstandet sein.

[0032] Die beispielhafte Ausführung in Fig. 1 zeigt eine Ausführung mit zwei Trennstellen 5a, 5b, die bei der kommandierten Auslösung getrennt werden. Das Prinzip kann aber für Systeme mit nur einer Trennstelle adaptiert werden. Klarerweise erfolgt der Abgriff der Spannung für die passive Auslösung an den beiden Seiten der "aktiven Stelle" für die passive Auslösung, die mit der mechanischen Trennstelle zusammenfallen kann, aber nicht muss. Für die Trennung der Leiter 8a, 8b für die passive Auslösung bedeutet dies, dass diese Trennung auch durch die Führung der Leiter 8a, 8b durch einen der Kolben oder durch den Zwischenraum zwischen den beiden Kolben erfolgen kann, um bei der kommandierten Auslösung einen Strompfad durch den ersten Zünder 7 zu unterbinden.

[0033] Allen Konzepten ist gemeinsam, dass die Trennung der Leiter 8a, 8b für die passive Auslösung bei kommandierter Auslösung auch besonders vorteilhaft durch Auftrennen einer Schleife durch den Trennkolben 9 realisiert werden kann.

Claims (19)

Patentansprüche

1. Pyrotechnischer Stromtrenner (1) mit passiver und mit aktiver Auslösung zur Durchtrennung einer Stromschiene (2), der einen ersten Zünder (7) für die passive Auslösung und einen zweiten Zünder (14) für die aktive Auslösung aufweist, die beide auf einen Trennkolben (9) wirken, der bei Auslösung die Straomschiene (2) an zumindest einer Trennstelle (5a, 5b) trennt, wobei der erste Zünder (7) über zwei Leiter (8a, 8b) mit den beiden Seiten einer Sicherung, die vom Strom durch die Stromschiene (2) durchflossen ist, verbunden ist und wobei der zweite Zünder (14) Kontakte (15a, 15b) für den Anschluss eines externen Auslösers aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich einer der beiden Zünder (7) im Trennkolben (9) befindet.

2, Stromtrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Zünder (7) im Trennkolben (9) befindet.

3. Stromtrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromtrenner zur elektrischen Isolation der beiden Zünder (14) einen Druckkolben (17) zwischen dem Trennkolben (9) und dem anderen Zünder (14) besitzt.

4. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Löschmittel (13) enthält, das vorzugsweise zumindest teilweise eine Siliziumverbindung, z.B. Silikonöl oder Silikonfett, ist.

5. Stromtrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Löschmittel (13) in einem Einstich (12) an der Außenseite des Trennkolbens (9) befindet.

6. Stromtrenner nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Löschmittel in einem Einstich an der Außenseite des Druckkolbens befindet.

7. Stromtrenner nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Löschmittel zwischen dem Druckkolben und dem Trennkolben befindet.

8. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) nur eine Trennstelle aufweist.

9. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung einstückig mit der Stromschiene (2) ausgebildet ist.

10. Stromtrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung durch die Trennstelle(n) (5a, 5b) gebildet ist.

11. Stromtrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) zwei Trennstellen (5a, 5b) aufweist, dass die Sicherung durch einen geschwächten Bereich zwischen den beiden Trennstellen (5a, 5b) gebildet ist und dass die Leiter (8a, 8b) zwischen den Trennstellen (5a, 5b) zu beiden Seiten der Sicherung mit der Stromschiene verbunden sind.

12. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) außerhalb der Trennstelle(n) (5a, 5b) einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt besitzt.

13. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leiter (8a, 8b) einen Querschnitt von maximal 0,1 mm? hat.

14. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leiter (8a, 8b) bei Auslösung mechanisch unterbrochen wird.

15. Stromtrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Leiter (8a, 8b) im Bewegungsweg des Trennkolbens (9) befindet.

16. Stromtrenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Leiter (8a, 8b) als Schleife ausgeführt ist.

17. Stromtrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leiter (8a, 8b) durch den Trennkolben (9) geführt ist.

18. Stromtrenner nach Anspruch 3 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leiter (8a, 8b) durch den Druckkolben (17) geführt ist.

19. Stromtrenner nach Anspruch 7 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leiter (8a, 8b) durch das Löschmittel geführt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen