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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Sicherungselement und ein Verfahren zur Herstellung zur Verbesserung der Lebensdauer davon.
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EINLEITUNG
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Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die die vorliegende Offenbarung betreffen und dem bisherigen Stand der Technik entsprechen können.
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Sicherungen dienen häufig als Ausfallsicherung für Überlast in unterschiedlichen Anwendungen. Wenn diese Sicherungen durch unterschiedliche Stromanforderungen belastet werden, können zyklische Temperaturen und Belastungen zu einer vorzeitigen Alterung oder mechanischem Ausfall der Sicherung führen. Elektrische, Hybrid-, Brennstoffzellen- und viele andere Fahrzeugtypen verwenden Batterie-Packs als Quelle elektrischer Energie zum Antreiben der Fahrzeuge. Diese Fahrzeuge verwenden ein Sicherungs-System für eine automatische Unterbrechung des Stroms im Falle eines exzessiven Stromflusses.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Sicherung enthält das Bereitstellen eines Sicherungselements innerhalb eines Gehäuses. Das Sicherungselement hat eine Vielzahl von Bändern, um einen Stromfluss hindurch zu leiten. Auf das Sicherungselement wird eine mechanische Spannung angewendet und ein Füllmaterial dem Gehäuse hinzugefügt, um das Sicherungselement zu halten. Das Füllmaterial wird dann verfestigt. Anschließend wird die mechanische Spannung entfernt, sodass das Sicherungselement eine restliche Zugspannung nach Entfernen der mechanischen Spannung behält.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Sicherung enthält das Bereitstellen eines Sicherungselements innerhalb eines Gehäuses. Das Sicherungselement hat eine Vielzahl von Bändern, um einen Stromfluss hindurch zu leiten. Auf das Sicherungselement wird dann ein Vorlaststrom angewendet und ein Füllmaterial dem Gehäuse hinzugefügt, um das Sicherungselement zu halten. Das Füllmaterial wird dann verfestigt. Anschließend wird der Vorlaststrom entfernt und das Sicherungselement behält eine restliche Zugspannung nach Entfernen des Vorlaststroms.
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Eine Sicherung für eine Elektrofahrzeug-Batterie enthält ein Gehäuse mit einem ersten elektrischen Anschluss an einem entfernten Ende des Gehäuses und einem zweiten elektrischen Anschluss an einem nahen Ende des Gehäuses. Ein Sicherungselement ist zwischen dem entfernten und nahen Ende des Gehäuses angeordnet. Das Sicherungselement enthält eine Vielzahl von Perforierungen zwischen dem entfernten und nahen Ende des Gehäuses angeordnet. Die Perforierungen definieren eine Vielzahl von Bändern, die dazwischen verlaufen. Ein Füllmaterial umgibt das Sicherungselement und erstreckt sich durch die Perforierungen. Das Füllmaterial wird um das Sicherungselement verfestigt, um eine restliche Zugspannung in der Vielzahl von Bändern zu erhalten.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur dem Zweck der Veranschaulichung und sind nicht dazu beabsichtigt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine Weise zu begrenzen.
- 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Elektrospeicher-Batteriebaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Haupt-Fahrzeug-Sicherung;
- 3A ist eine schematische Darstellung eines Sicherungselementes und Gehäuses, wobei das Sicherungselement mechanisch unter Spannung gehalten ist;
- 3B ist eine schematische Darstellung des Sicherungselementes und Gehäuses der 3A mit einem hinzugefügten und verfestigten Füllmaterial;
- 3C ist eine schematische Darstellung des Sicherungselementes und Gehäuses der 3A, wo die mechanische Spannung entfernt ist;
- 4A ist eine schematische Darstellung eines weiteren Sicherungselements und Gehäuses mit einem angelegten Vorlaststrom am Sicherungselement;
- 4B ist eine schematische Darstellung des Sicherungselementes und Gehäuses der 4A mit einem hinzugefügten und verfestigten Füllmaterial;
- 4C ist eine schematische Darstellung des Sicherungselements und Gehäuses der 4A, wo der Vorlaststrom vom Sicherungselement entfernt ist;
- 5A ist eine schematische Darstellung eines weiteren Sicherungselements und Gehäuses, wo ein unverarbeitetes duroplastisches Bindemittel hinzugefügt ist;
- 5B ist eine schematische Darstellung des Sicherungselements, Gehäuses und Bindemittels der 5A mit einer auf das Sicherungselement angewendeten Wärmequelle;
- 5C ist eine schematische Darstellung des Sicherungselements, Gehäuses und Bindemittels der 5A, wo die Wärmequelle von dem Sicherungselement entfernt ist; und
- 6A ist eine schematische Vorderansicht eines weiteren Sicherungselements und Gehäuses; und
- 6B ist eine schematische Seitenansicht des Sicherungselementes und Gehäuses der 6A.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen in irgendeiner Weise einzuschränken. Es wird darauf hingewiesen, dass in allen Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen oder entsprechenden Teile und Merkmale verweisen. Weitere Richtungen, wie z. B. „oben“, „seitlich“, „rückwärts“, „untere“ und „obere“, werden zu Veranschaulichungszwecken verwendet und sollen, sofern nicht anders angegeben, nicht zur Erfordernis spezifischer Ausrichtungen führen. Diese Richtungen sind lediglich als Referenzsystem in Bezug auf die bereitgestellten Beispiele vorgesehen, könnten jedoch in alternativen Anwendungen verändert werden.
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Ein Elektrofahrzeug wird von einem Motor angetrieben, der Energie von einer Elektrospeicher-Batteriebaugruppe erhält, die Strom über eine anhaltende Zeitspanne liefert. Die Gestaltung der Elektrospeicher-Batteriebaugruppe ist je nach Hersteller und spezieller Anwendung ziemlich unterschiedlich; jedoch werden grundlegend benötigte Funktionen durch eine Kombination von einfachen mechanischen und elektrischen Komponentensystemen ausgeführt. In einem Beispiel können die einzelnen Batteriezellen unterschiedliche chemische und/oder physikalische Formen haben, aber sie enthalten viele diskrete Zellen in Reihe und parallel geschaltet, um die Anforderungen an Gesamtspannung und Stromstärke zu erreichen. Die diskreten Zellen können miteinander verbunden werden, um den elektrischen Pfad für den Stromfluss zu komplettieren. Zur Unterstützung bei der Herstellung und Montage können die zusammengefügten Zellen dann in Modulen gruppiert werden, die wiederum durch eine Haupt-Fahrzeug-Sicherung verbunden werden. Die Haupt-Fahrzeug-Sicherung kann verwendet werden, um den Strom der Elektrospeicher-Batteriebaugruppe bei einem Kurzschluss aufzuteilen oder zu begrenzen.
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Mit Bezug auf 1 ist eine Elektrospeicher-Batteriebaugruppe 10 mit einem LängsSchenkel 12 und einem Quer-Schenkel 14 gezeigt. Der Längsschenkel 12 trägt das erste und zweite Batteriemodul 16 und 18, die jeweils aus 72 Zellen und 90 Zellen bestehen. Ein drittes Batteriemodul 22 mit 126 Zellen wird vom Querschenkel 14 getragen. Jedes Batteriemodul 16, 18 und 22 enthält mehrere Spannungs-Temperatur-Teilmodule (VTSM) gestapelt entlang einer Länge davon, jedes Modul bestehend aus Batteriezelle, wiederkehrendem Rahmen, Mantel und Schaum. Jedes VTSM hat einen positiven und einen negativen Anschluss mit Verbindung zu Anschlüssen benachbarter VTSMs, um den Spannungsfluss zwischen jedem vollgeladenen Batterie-Modul zu erfassen (z. B. eine Ausgabespannung von etwa 40 bis 50 Volt). Die Batteriemodule können operativ mittels einer Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 verbunden sein, sodass die Batteriemodule zum Speichern elektrischer Energie konfiguriert sind, die zum Betrieb des Fahrzeugs verwendet werden kann. In der gezeigten Ausführungsform ist die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 operativ zwischen dem Längsschenkel und Querschenkel 12 und 14 verbunden; jedoch ist es selbstverständlich, dass jede Anzahl an Batteriemodulen durch die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 miteinander verbunden sein kann.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 einen ersten und zweiten elektrischen Anschluss 24 und 26 in einem Gehäuse 28 enthalten. Der erste elektrische Anschluss 24 kann am entfernten Ende des Gehäuses 28 und der zweite elektrische Anschluss 26 am nahen Ende des Gehäuses 28 durch bekannte Verfahren, wie Schweißen, Löten oder mechanische Befestigung, befestigt sein. Die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 kann ein metallisches Sicherungselement 30 mit gelochten Perforierungen 32 in einem zentralen Bereich davon enthalten, um Bänder 34 zu bilden, welche den ersten elektrischen Anschluss 24 mit dem zweiten elektrischen Anschluss 26 verbinden. Das Blech 30 kann durch jedes Verfahren zur Bereitstellung eines dünnen Profils (z. B. 1 mm Dicke), wie durch ein Kaltwalz-Verfahren aus einem hochreinen Material (z. B. Cu), gebildet werden, um eine verbesserte Lebensdauer und größere Leitfähigkeit für die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 zu erzielen. Während die Perforierungen 32 in den verschiedenen Abbildungen als kreisförmig dargestellt sind, sollte verstanden werden, dass jede Form oder Konfiguration für die Perforierungen (z. B. gebogenen Kerben, Ovale) verwendet werden kann, um den Batteriestrom durch die dazwischen verlaufenden Bänder 34 zu fokussieren.
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Das Sicherungselement 30 kann auch durch ein Füllmaterial 36 innerhalb des Gehäuses 28 gehalten werden. Das Füllmaterial 36 kann aus jedem Material ausgewählt sein, welches nicht leitend ist und der elektrischen Last an der Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 standhalten kann. In dieser Hinsicht kann das Füllmaterial beispielsweise ein Natriumsilikat, ein polymerer Verbundwerkstoff, ein pures oder verstärktes Thermoplast oder ein pures oder verstärktes Duroplast sein.
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Die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 kann in Reihe mit den Batteriemodulen 16, 18, 22 angeordnet sein, um der Batteriestrom durch die Schaltung zu führen. Der Stromfluss kann über eine Strom-Messvorrichtung, wie einen Strommesser oder mittels anderer bekannter Verfahren, gemessen werden. In der gezeigten Ausführungsform erzeugt der Widerstand der Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 aufgrund des Stromflusses Wärme. Falls ein elektrischer Strom einen vordefinierten Wert überschreitet, erhitzt sich die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 auf eine hohe Temperatur, welche das Sicherungselement 30 an den Bändern 34 schmelzen kann, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird. Während die Stromüberlastung ein konstruierter Ausfallmodus ist, können bestimmte Fahrmanöver auch zu Zyklen der Temperatur und Belastung an den Bändern 34 führen, wodurch die Bänder 34 ohne übermäßigen Stromfluss mechanisch ausfallen. Insbesondere können die Bänder 34 aufgrund von Knickung und Biegen an den Bändern 34 und/oder aufgrund der Druck-Ermüdung des Sicherungselementes 30 ausfallen. Eine restliche erhaltene Zugspannung in dem Sicherungselement 30 reduziert die maximale Druckspannung während einer zyklischen Belastung, wodurch die Lebensdauer der Haupt-Fahrzeug-Sicherung 20 ohne Beeinträchtigung ihrer Funktionalität erhöht wird.
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Nun wird mit Bezugnahme auf 3A - 3C ein Verfahren zum Vermitteln einer restlichen Zugspannung auf eine Haupt-Fahrzeug-Sicherung 120 dargestellt. Wie in 3A ist das Sicherungselement 120 mit einem Gehäuse 128 und einem darin angeordneten metallischen Sicherungselement 130 dargestellt. Das Sicherungselement 130 ist während der Herstellung mechanisch unter Spannung gehalten, wie durch die Pfeile 140, 142 gezeigt. Anschließend wird, wie in 3B gezeigt, ein Füllmaterial 136 zum Gehäuse 128 hinzugefügt, welches das Sicherungselement 130 umschließt und in die Perforierungen 132 darin eindringt. Das Füllmaterial 136 wird dann verfestigt, während die Spannung noch auf das Sicherungselement 130 wirkt. Nach der Verfestigung des Füllmaterials 136 wird die mechanische Spannung entfernt, was zu einer restlichen Zugspannung im Sicherungselement 120 führt (siehe 3C).
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Nun wird mit Bezugnahme auf 4A - 4C ein anderes Verfahren zum Vermitteln einer restlichen Zugspannung auf eine Haupt-Fahrzeug-Sicherung 220 dargestellt. Wie in 4A ist die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 220 mit einem Gehäuse 228 und einem darin angeordneten Sicherungselement 230 dargestellt. Das metallische Sicherungselement 230 wird mit einem Vorlaststrom über Schaltung 244 erhitzt, um eine thermische Ausdehnung des Sicherungselements 230 in einer Längsrichtung zu bewirken, wie durch Pfeile 246, 248 gezeigt. Anschließend wird, wie in 4B gezeigt, ein Füllmaterial 236 zum Gehäuse 228 hinzugefügt, welches das Sicherungselement 230 umschließt und in die Perforierungen 232 darin eindringt. Das Füllmaterial 236 wird dann verfestigt, während der Vorlaststrom noch auf das Sicherungselement 230 wirkt. Nach dem Entfernen des Vorlaststroms vom Sicherungselement 230 wird das Sicherungselement 230 gekühlt. Das Füllmaterial 236 beschränkt das Zusammenziehen des Sicherungselements 230 und führt zu einer restlichen Zugspannung im Sicherungselement 230 (siehe 4C). Es sollte verstanden werden, dass es trotz der Beschreibung der alleinigen Heizung durch die Schaltung 244 auch möglich ist, ein zweistufiges Heizverfahren zu verwenden, wo das Sicherungselement 230 zunächst in einem Ofen auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird und dann ein gesteuerter Vorlaststrom angelegt wird, um das Sicherungselement 230 und das Füllmaterial 236 auf Betriebstemperatur zu bringen. Ebenso versteht es sich, dass der gleiche Effekt durch Kühlung des Sicherungsgehäuses 228 und des Füllmaterials 236 während der Verfestigung erreicht werden kann, wobei das Sicherungselement 230 bei Umgebungstemperatur gehalten wird.
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Nun wird mit Bezugnahme auf 5A - 5C noch ein Verfahren zum Vermitteln einer restlichen Zugspannung auf eine Haupt-Fahrzeug-Sicherung 320 dargestellt. Wie in 5A gezeigt, ist die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 320 mit einem Gehäuse 328, einem metallischen Sicherungselement 330 und einem darin angeordneten unverarbeiteten Duroplast-Material 336 dargestellt (z. B. wärmehärtbares Polymer oder Harz). Weiter wird, wie in 5B gezeigt, das Sicherungselement 330 mit einem Vorlaststrom über Schaltung 344 erhitzt, um eine thermische Ausdehnung des Sicherungselements 330 in einer Längsrichtung zu bewirken, wie durch Pfeile 346, 348 gezeigt. Der angelegte Vorlaststrom bewirkt auch ein Härten des Duroplast-Materials 336, um das Sicherungselement 330 zum umschließen und in die Perforierungen darin 332 einzudringen. Wie in 5C gezeigt, erfolgt die Kühlung des Duroplast-Materials 336, nachdem der Vorlaststrom vom Sicherungselement 330 entfernt wurde. Das Duroplast-Material 336 beschränkt das Zusammenziehen des Sicherungselements 330 und führt zu einer restlichen Zugspannung in der Haupt-Fahrzeug-Sicherung 320. Es sollte verstanden werden, dass das Duroplast-Material so gewählt werden sollte, um eine schnelle Reaktionszeit und hohen spezifischen Widerstand zu haben. Die Duroplast-Material sollte auch einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, um eine restliche Zugspannung im metallischen Sicherungs-Blech zu erzeugen.
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Nun wird mit Bezugnahme auf 6A und 6B noch ein anderes Verfahren zum Vermitteln einer restlichen Zugspannung auf eine Haupt-Fahrzeug-Sicherung 420 dargestellt. Die Haupt-Fahrzeug-Sicherung 420 ist mit einem Gehäuse 428 und einem darin angeordneten metallischen Sicherungselement 430 dargestellt. Das metallische Sicherungselement 430 ist mit einem Paar Vorsprüngen 450, 452 versehen, um mechanisch eine Zugspannung in dem metallischen Sicherungselement 430 zu unterstützen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Duroplast-Material auf den Vorsprüngen 450, 452 aufgebracht werden, welches beim Härten schrumpft, um eine weitere Zugspannung an dem metallischen Sicherungselement 430 zu vermitteln.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Diese Beschreibung ist nur als Beispiel zu verstehen und Variationen, die sich nicht vom Kern der Offenbarung entfernen, werden somit als im Umfang der Offenbarung befindlich verstanden. Während beispielsweise jede der mehreren Ausführungsformen das Erwärmen des Sicherungselements für deren Ausdehnung beschreiben, versteht es sich, dass ein Komprimieren das Gehäuse über eine Kühlung auch denkbar ist. Außerdem sind die Figures nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen der dargestellten Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für verschiedene Anwendungen bereit. Beliebige Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
