EP3716304B1 - Elektrischer schalter zum unterbrechen einer elektrischen hochvoltverbindung und verfahren zum unterbrechen einer elektrischen hochvoltverbindung - Google Patents

Elektrischer schalter zum unterbrechen einer elektrischen hochvoltverbindung und verfahren zum unterbrechen einer elektrischen hochvoltverbindung Download PDF

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EP3716304B1
EP3716304B1 EP19166078.6A EP19166078A EP3716304B1 EP 3716304 B1 EP3716304 B1 EP 3716304B1 EP 19166078 A EP19166078 A EP 19166078A EP 3716304 B1 EP3716304 B1 EP 3716304B1
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contact
arc
switch
switching
electrode
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Fabian Oehler
Michael Wortberg
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Lisa Draexlmaier GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to an electrical switch for interrupting an electrical high-voltage connection, a motor vehicle with a corresponding switch and a method for interrupting an electrical high-voltage connection.
  • the present invention will be described below primarily in connection with switching elements for vehicle electrical systems. However, the invention can be used in any application in which electrical loads are switched.
  • a switching arc can occur.
  • This switching arc can cause damage to the contacts, particularly in the event of an overload, as the switching arc can lead to a high energy input.
  • a fuse can be connected in series with the switch. The fuse interrupts the current flow in the switching arc if the energy accumulated in the fuse due to ohmic losses and the associated heating of a tripping area of the fuse exceeds a limit characteristic of the fuse.
  • a constriction melts in the event of an overload.
  • the constriction should be dimensioned so that the current can flow normally without excessive heating, but the constriction is reliably destroyed in the event of an overload.
  • the DE 42 43 314 A1 discloses a current limiting switch.
  • the printed matter EP 3 157 033 A1 relates to an interruption chamber of an electrical protection device comprising an arcing chamber.
  • the printed matter US 3 004 116 A shows a combination of insulating means to support a relatively stationary contact in an air circuit breaker.
  • the WO 2017/063683 A1 refers to an AC contactor that contains an arc quenching diode.
  • the printed matter WO 2019/057870 A1 refers to an electrical switch for interrupting a current path.
  • An object of the invention may therefore be to provide a switch and a method for interrupting a high-voltage connection as well as a vehicle equipped with the switch using means that are as simple as possible in terms of construction.
  • a method for interrupting an electrical high-voltage connection in particular in a voltage supply system of a vehicle, comprising an interruption step, a generation step and an extinguishing step, wherein in the interruption step a contact point of an electrical switch arranged in the high-voltage connection is separated in response to an isolating signal, in the generation step a substitute arc leading to an overcurrent isolating device of the switch which is de-energized when the contact point is closed is generated to a switching arc arising in the separated contact point using an arc switch, and in the extinguishing step the substitute arc is extinguished by a response of the overcurrent isolating device.
  • a vehicle with at least one switch according to the approach presented here is presented, wherein the switch is arranged in an electrical high-voltage connection of a voltage supply system of the vehicle, wherein a contact point of the switch can be separated using an actuator in response to a separation signal.
  • a high-voltage connection can be an electrical cable of a hybrid or electric vehicle that is designed to safely conduct high-voltage automotive voltage.
  • a high-voltage automotive voltage can be understood in particular as an electrical voltage between 300 volts and 1000 volts.
  • the high-voltage connection has a cable cross-section required to transmit the vehicle's electrical drive power.
  • the high-voltage connection can be designed as a cable or busbar.
  • Current-carrying components of the switch, such as interfaces and Contacts have at least one cable cross-section adapted to the cable cross-section of the high-voltage connection and corresponding contact surfaces.
  • the switch interfaces can be referred to as connection terminals and can include devices for securely electrically contacting the sections of the high-voltage connection.
  • the switch contacts can be pressed together directly when the contact point is closed or connected via intermediate conductive elements. With a separate contact point, the contacts or the intermediate elements can be pushed or pulled apart. With a separate contact point, the contacts can be spaced apart at a distance adapted to the high-voltage voltage.
  • An overcurrent isolating device can be designed to handle the necessary isolating power for a short circuit in the high-voltage vehicle electrical system. This can be, for example, 1.5 MW in a 450 V vehicle electrical system and up to 5 MW in a 900 V vehicle electrical system.
  • the overcurrent isolating device is de-energized during normal operation and is only energized in the event of an overload. If the overcurrent isolating device is designed as a sand-filled fuse, the design presented here allows it to be significantly smaller than a conventional fuse connected in series with the contact point. Due to the small dimensioning of the fuse wire, the overcurrent isolating device can have a very short response time.
  • gas is ionized, and charge carriers move from one side of the arc to the other, driven by an electrical potential difference.
  • the gas can be ionized, for example, by an electric field, i.e., an electrical potential between two electrodes.
  • the electrodes can then also be the starting point and end point of the arc.
  • the starting point and end point are defined by the direction of an electrical current flow to equalize the electrical potential.
  • the arc follows a path of least resistance.
  • the quantity of charge carriers in the arc is determined by the electrical current flow through the arc. The greater the current flow, the greater the heat emission from the arc.
  • the gas can also be ionized by the heat emission. be further ionized. An ionized channel can thus form between the electrodes.
  • An arc switch can provide a new path with a competing lower resistance than the original resistance of an original path for a switching arc that arises at the contact point when the contacts are separated. This does not result in a pure arc jump, i.e. the primary arc, known as the switching arc, is not immediately interrupted. Rather, the switching arc and a substitute arc initially burn simultaneously and can have a common base point. This can be located on the path between the two contacts of the actual contact point, either on one of the two contacts or between the contacts. The common base point can also shift repeatedly during separation with the aim of achieving the lowest overall resistance. Due to its lower resistance, the substitute arc draws energy from the switching arc until the switching arc is extinguished. The substitute arc is extinguished when the overcurrent isolating device is activated.
  • the arc switch can comprise the first contact, a movable switching bridge that electrically connects the first contact to the second contact when the contact point is closed, and an electrode of the overcurrent disconnection device.
  • the switching bridge can be spaced from the electrode when the contact point is closed. When the contact point is interrupted, the switching bridge can be designed to be lifted away from the first contact in the direction of the electrode in order to generate the substitute arc.
  • the switching bridge can be a movable part of the second contact. Alternatively, the switching bridge can also be lifted away from the second contact when the contact point is interrupted. If the switch is only intended for interrupting the high-voltage connection, in particular once, the switching bridge can make direct contact with the electrode when the contact point is interrupted. The substitute arc can then ignite shortly before contact. A separate switching point can then be provided in series with the contact point to switch the high-voltage connection during operation.
  • the switching bridge can be separated from the electrode by an air gap when the contact point is separated.
  • the minimum energy conversion in the arc switch required to generate the substitute arc can depend on the air gap. Due to the air gap, the switch can also be used to switch the high-voltage connection during operation. The switch can be used for a corresponding number of switching cycles.
  • the air gap can be referred to as an air gap.
  • the air gap can be dimensioned in such a way that a flashover of the substitute arc to the overcurrent isolating device only occurs above a defined energy input or a defined charge carrier density or a defined current, but not below this threshold, so that the overcurrent isolating device then remains inactive.
  • the air gap makes the arc switch energy-dependent, since otherwise the overcurrent isolating device would be triggered immediately with each switching operation.
  • the air gap can be so large that the substitute arc only flashes over at an instantaneous power of greater than 10 kW, in particular greater than 25 kW, and in particular greater than 50 kW.
  • the arc gap between the first contact and the switching bridge can be greater than the air gap.
  • An arc gap can be the shortest geometric path for the switching arc between the starting point of the switching arc and the end point of the switching arc.
  • the arc gap can be influenced by an obstacle between the starting and end points, as the switching arc then follows an extended arc path around the obstacle.
  • the arc gap can also be influenced by a non-contact force acting on the switching arc, such as air movement and/or a magnetic field. If the arc gap is longer than the air gap, the substitute arc can ignite.
  • the electrode may be overmolded with a thermoplastic insulator.
  • the minimum energy conversion required in the arc switch to ignite a substitute arc may depend on the thickness of the insulator.
  • the minimum energy conversion may depend on the resistivity of the thermoplastic insulator material. If the minimum energy conversion is exceeded in the switching arc, the insulator may melt and the electrode may become exposed. The switching bridge may then touch the electrode, creating direct electrical contact between the switching bridge and the electrode. Alternatively, the remaining air gap between the switching bridge and the electrode may be so small that the substitute arc has a low energy conversion.
  • a further overcurrent isolating device can be electrically connected to the second interface.
  • the arc splitter can electrically connect the first contact, the second contact, the first contact with the second contact when the contact point is closed.
  • the switching bridge can be spaced from the electrode and the further electrode when the contact point is closed.
  • a combined arc gap between the switching bridge and the first contact and between the switching bridge and the second contact can be greater than both a first air gap between the first contact and the further electrode and a second air gap between the second contact and the electrode.
  • Individual arc gaps between the contacts and the switching bridge can add up to the combined arc gap. As soon as one of the air gaps is smaller than the combined arc gap, this air gap can be attractive enough for the replacement arc to ignite.
  • the arc separator can have a movable isolating element that can be arranged between the first contact and the second contact.
  • the isolating element can increase the arc gap between the first contact and the second contact, cover the first contact, and alternatively or additionally cover the second contact when arranged at the contact point.
  • a isolating element can be made of an electrically insulating material, such as ceramic. The isolating element can push the contacts apart.
  • the isolating element can be wedge-shaped.
  • the isolating element can be driven by a drive device. The isolating element can geometrically increase the arc gap because it represents an obstacle to the switching arc.
  • the isolating element can reduce the relative distance to the electrode of the overcurrent disconnector, thereby igniting the substitute arc to the overcurrent disconnector.
  • the isolating element can make an original current path very unattractive for the arc.
  • the isolating element can be moved in front of the first contact and cover it. Covering it can prevent the switching arc from reigniting after the overcurrent disconnector has been triggered.
  • the arc switch may have at least one blowout magnet for extending the switching arc.
  • a field direction of the blowout magnet may be aligned transversely to a path of the switching arc.
  • a blowout magnet may provide a magnetic field. The magnetic field may exert a lateral force on moving charge carriers due to the Lorentz force. Since the switching arc consists of moving charge carriers, the switching arc may be extended using at least one Blow-out magnets can be deflected laterally. The direction of the deflection depends on the direction of movement of the charge carriers and the direction of the magnetic field.
  • the blow-out magnet can be aligned so that the switching arc is deflected toward the electrode of the overcurrent disconnector.
  • the blowout magnet can be an electromagnet connected between the second interface and the switching bridge.
  • the switching bridge can be spaced from the first contact and the second contact.
  • the electromagnet can be energized by an electric current flow resulting from a voltage drop across another switching arc between the switching bridge and the second contact in order to generate a magnetic field, dependent on the current direction, to extend the switching arc always in the direction of the overcurrent disconnector.
  • the direction of the lateral deflection changes depending on the direction of the current flow or the current direction.
  • the field direction can be adjusted depending on the current direction.
  • the field direction can be adjusted using a current-carrying coil.
  • the coil is a component of the electromagnet.
  • the current direction in the coil depends on the current direction through the switch.
  • the electromagnet means that only one overcurrent disconnection device is required.
  • the overcurrent isolating device is designed as a fuse with a sand filling.
  • the fuse is destroyed upon tripping.
  • a fusible element melts, and an arc is created in its place.
  • the arc through its energy conversion, at least partially melts the sand filling.
  • the molten sand then interrupts or extinguishes the arc and thus the backup arc. Since the overcurrent isolating device is de-energized during normal operation, the fuse can trip quickly when the backup arc ignites to the overcurrent isolating device.
  • the switch may comprise a measuring device for detecting an electrical current flow between the interfaces.
  • the measuring device may be designed to Provide a disconnect signal to interrupt the contact point when the current flow exceeds a threshold. By measuring the current flow and interrupting in response to the disconnect signal, the switch can automatically interrupt the high-voltage connection before other live parts are damaged.
  • Fig. 1 shows a representation of a vehicle 100 with a switch 102 according to an exemplary embodiment.
  • the vehicle has a traction battery 104 and at least one electric drive unit 106.
  • the traction battery 104 is connected to the drive unit 106 via a high-voltage connection 108.
  • Control and regulation electronics required to operate the drive unit 106 are not shown here for the sake of simplicity.
  • the switch 102 is arranged between the traction battery 104 and the drive unit 106 in the high-voltage connection 108.
  • Each pole of the traction battery 104 is connected to a corresponding terminal of the drive unit 106 via a line of the high-voltage connection 108.
  • the switch 102 has separate contacts for each pole. The switch 102 is therefore multi-pole and designed to isolate the traction battery 104 from the rest of the vehicle 100 at all poles.
  • the switch 102 For each pole, the switch 102 has a contact point 110 between a portion of the high-voltage connection 108 connected to the traction battery 104 and a portion of the high-voltage connection 108 connected to the drive device 106. Additionally, for each pole, the switch has an overcurrent disconnection device 112, which is connected during operation to only one of the portions of the high-voltage connection 108, and an arc switch 114. In the event of an overload, the arc switch 114 is designed to generate a substitute arc leading to the overcurrent disconnection device 112 for a switching arc resulting from the interruption of the contact point 110.
  • Fig. 2 shows a representation of a switch 102 with a separating element 200 according to an embodiment.
  • the switch 102 essentially corresponds to the switch in Fig. 1 In contrast, the switch 102 shown here is single-pole.
  • the switch 102 has a first interface 202 to a first sub-area of the high-voltage connection and a second interface 204 to a second sub-area of the high-voltage connection.
  • the first interface 202 is electrically connected to a first contact 206 of the contact point 110.
  • the second interface 204 is electrically connected to a second contact 208 of the contact point 110.
  • a movable switching bridge 210 is arranged between the first contact 206 and the second contact 208 and is firmly connected to the first contact 206 via an electrically conductive joint.
  • the switching bridge 210 is pressed against the second contact 208, thereby establishing a conductive connection.
  • the switching bridge 210 is pressed against the second contact 208, for example, by a spring force.
  • a first terminal of the overcurrent disconnection device 112 is electrically connected to the second interface 204 and the second contact 208.
  • a free second terminal of the overcurrent disconnection device 112 is connected to an electrode 212 of the arc splitter 114.
  • the second contact 208, the isolating element 200, and the switching bridge 210 are further components of the arc splitter 114.
  • the separating element 200 is wedge-shaped here and designed to be pushed between the second contact 208 and the switching bridge 210 in order to lift or push the switching bridge 210 away from the second contact 208. When lifted or pushed away, the switching bridge 210 is moved toward the electrode 212. The movable separating element 200 covers the second contact 208 when the contact point 110 is interrupted.
  • switch 102 is designed as a single-use circuit breaker for an overload situation.
  • a further switch (not shown here) is connected in series with the illustrated switch 102. switched.
  • the switching bridge 210 is pressed against the electrode 212 when the contact point 110 is interrupted by the isolating element 200. This creates direct contact between the switching bridge 210 and the electrode 212.
  • the previously de-energized overcurrent disconnection device 112 responds immediately and safely interrupts the current flow. Since the overcurrent disconnection device 112 is de-energized in normal operating situations, it can be dimensioned accordingly weakly and respond even at a low current flow.
  • switch 102 is configured to be used as an operating switch under normal operating conditions.
  • the switching bridge 210 and the electrode 212 are spaced apart by an air gap 214, even when the contact point 110 is interrupted.
  • the switching bridge 210 never touches the electrode 212. Energy transfer can only occur through a substitute arc ignited between the switching bridge 210 and the electrode 212.
  • the Figures 3 and 4 show illustrations of an interruption process of a high-voltage connection using a switch 102 with a separating element 200 according to an embodiment.
  • the switch 102 essentially corresponds to the switch in Fig. 2
  • the high-voltage connection (not shown) is connected to the interfaces 202, 204 and there is an overload situation in which it is necessary to safely interrupt the high-voltage connection, for example in order to separate the drive unit from the traction battery in the event of damage.
  • the isolating element 200 begins to lift the switching bridge 210 from the second contact 208.
  • a switching arc 300 ignites between the switching bridge 210 connected to the first contact 206 and the second contact 208.
  • the switching arc 300 generates a plasma of free charge carriers between the switching bridge 210 and the second contact 208.
  • the isolating element 200 pushes the switching bridge 210 towards the free electrode 212 of the overcurrent disconnection device 112. Due to the electrically conductive connection through the overcurrent disconnection device 112, the electrode 212 is at the same electrical potential as the second contact 208.
  • An electric field is created between the switching bridge 210 and the electrode 212. The field strength of the electric field increases the smaller the air gap 214 becomes.
  • the isolating element 200 has extended an arc gap 400 from the switching bridge 210 around the isolating element 200 to the second contact 208 to such an extent that a substitute arc 402 via the air gap 214 between the switching bridge 210 and the electrode 212 offers a path with lower electrical resistance than the path via the primary arc gap 400.
  • the plasma of the switching arc floods the area of the air gap 214 with free charge carriers. This ignites the substitute arc 402 between the switching bridge 210 and the electrode 212.
  • the switching arc 300 is extinguished due to its higher electrical resistance and the electrical energy to be dissipated is diverted by the overcurrent isolating device 112.
  • the overcurrent disconnecting device 112 Since the electrical energy conducted through the overcurrent disconnecting device 112 is greater than a response threshold of the overcurrent disconnecting device 112, the overcurrent disconnecting device 112 responds and permanently interrupts the electrical current flow through the high-voltage connection. The substitute arc 402 is extinguished. The isolating element 200 covers the second contact 208, thus preventing the switching arc 300 from being reignited between the switching bridge 210 and the second contact 208.
  • Fig. 5 shows a representation of a switch 102 with a second overcurrent disconnection device 500 according to an embodiment.
  • the switch 102 essentially corresponds to the switch in Fig. 2 .
  • the switching bridge 210 is mobile on both sides or can be lifted off the first contact 206 and the second contact 208.
  • a first end of the second overcurrent disconnection device 500 is connected to the first interface 202.
  • a second end of the second overcurrent disconnection device 500 is connected to a second electrode 502.
  • the first electrode 212 of the first overcurrent disconnection device 112 is spaced from the first contact 206 by the first air gap 214, while the second electrode 502 is spaced from the second contact 208 by a second air gap 504.
  • the air gaps 214, 504 are, in particular, of equal size.
  • the overcurrent disconnection devices 112, 500 are installed in opposite directions.
  • a first blow magnet 506 is arranged in the region of the first contact 206 and the first electrode 212.
  • a second blow magnet 508 is arranged in the region of the second contact 208 and the second electrode 502. The blow magnets 506, 508 each provide magnetic fields oriented opposite to each other.
  • FIGS 6 , 7 and 8 show illustrations of an interruption process of a high-voltage connection using a switch 102 with a further overcurrent disconnection device 500 according to an embodiment.
  • the high-voltage connection is connected to the interfaces 202, 204, but not shown.
  • the switching bridge 210 is lifted from the first contact 206 and the second contact 208 by an actuator (not shown).
  • a switching arc 300 is ignited at each of the two contacts 206 and 208. Since the switching arcs 300 are connected in series, their arc distances 400 add up to a total arc distance.
  • the charge carriers in both switching arcs 300 move transversely to the magnetic fields of the blow-out magnets 506 and 508.
  • the resulting Lorentz force deflects the switching arcs 300 laterally.
  • the arc distances 400 are lengthened by the lateral deflection. The total arc distance is lengthened accordingly.
  • the switching arc 300 between the first contact 206 and the switching bridge 210 is additionally deflected in the direction of the first electrode 212, which is at the same electrical potential as the second contact 208 via the electrically conductive first overcurrent disconnection device 112.
  • Fig. 8 the current flows opposite to the representation in the Figures 6 and 7 .
  • the Lorentz force also acts in the opposite direction.
  • the switching arc 300 between the switching bridge 210 and the second contact 208 is deflected towards the second electrode 502.
  • the total arc distance is greater than the second Air gap 504.
  • the substitute arc 402 has ignited between the second contact 208 and the second electrode 502, and the second overcurrent disconnection device 500 is triggered.
  • the switching arc between the first contact 206 and the switching bridge 210 is also extinguished, since this current path is interrupted.
  • Fig. 9 shows an illustration of an interruption process of a high-voltage connection using a switch 102 with an electromagnet 900 according to an embodiment.
  • the switch 102 essentially corresponds to the switch in the Figures 5 to 7
  • the switch 102 shown here has only one overcurrent disconnection device 112 and, accordingly, only one electrode 212, which is effective for both current directions.
  • the electrode 212 is as in Fig. 2 in the area of the second contact 208, but is as in Fig. 5 spaced from the second contact 208 by the air gap 214.
  • the switching bridge 210 is movable on both sides and can be lifted off both the first contact 206 and the second contact 208 by an actuator 902 in response to a separation signal 904.
  • two switching arcs 300 are ignited. Since the switching arcs 300 have a higher electrical resistance than the electrical conductors of the contacts 206, 208 and the switching bridge 210, an electrical voltage drops across the switching arcs 300.
  • the voltage drop of the switching arc 300 between the switching bridge 210 and the first contact 206 is tapped here in order to redirect the switching arc 300 between the second contact 208 and the switching bridge 210 to the electrode 212.
  • the electromagnet 900 is connected between the first contact 206 and the switching bridge 210.
  • the electromagnet 900 generates a magnetic field whose field lines are aligned transversely to the direction of movement of the charge carriers of the arc when current flows through it.
  • the direction of the current in the electromagnet 900 is thus dependent on the direction of the current through the switch 102.
  • the direction of the magnetic field generated by the electromagnet 900 is also dependent on the current direction.
  • the field direction thus always matches the direction of the charge carriers in the switching arc 300.
  • the switching arc is therefore always deflected in the direction of the electrode 212.
  • the substitute arc (not shown here) ignites to the electrode 212, and the resulting current flow through the overcurrent disconnection device 112 triggers it.
  • the triggering of the overcurrent disconnection device 112 definitively interrupts the high-voltage connection.
  • Fig. 10 shows a representation of a switch 102 with an insulated electrode 212 according to an embodiment.
  • the switch 102 essentially corresponds to the switch in Fig. 2
  • the electrode 212 of the overcurrent disconnection device 112 is arranged here in a flight circle of the rotatably mounted switching bridge 210 and covered by an insulator 1000 made of a thermoplastic material.
  • the switching bridge 210 can strike the insulator 1000.
  • the insulator 1000 prevents direct electrically conductive contact between the switching bridge 210 and the electrode 212 during a normal switching operation.
  • the material thickness of the insulator 1000 then corresponds to the remaining air gap 214.
  • the air gap 214 is very small, resulting in a high-strength electric field between the switching bridge 210 and the electrode 212.
  • This electric field influences the weaker switching arc that also occurs during normal switching at the contact point 110.
  • the switching arc is deflected in an arc shape by the electric field, thereby lengthening its arc length.
  • the switching arc extinguishes more quickly due to the increased arc length, since the electrical resistance of the switching arc increases significantly with increasing arc length.
  • the isolating element 200 also extends the arc path when the contact point 110 is separated, since the switching arc burns around the isolating element 200.
  • the isolating element 200 penetrates a notch 1002 in a housing of the switch 102 after the contact point 110 is separated. By penetrating the notch 1002, the switching arc can be cut off in a figurative sense.
  • the switching arc releases so much thermal energy that the insulator 1000 at least partially melts and/or evaporates. This causes the electrode 212 is exposed and the substitute arc ignites between the switching bridge 210 and the electrode 212. Since the switching bridge 210 comes very close to the electrode 212 due to the melted insulator 1000 or can even directly touch the electrode 212, only a small amount of thermal energy is released by the substitute arc until the overcurrent disconnection device 112 responds and the substitute arc is extinguished.
  • Figures 1 to 10 Switches with arc-breakers. These switches can be used for protection and switching in the high-voltage (HV) on-board power supply system.
  • HV high-voltage
  • the previously used series-connected fuses for thermal protection of the cables can be eliminated with the approach presented here. The problems resulting from the combination of the two components when using conventional contactors and fuses in series connection are thus eliminated.
  • series-connected fuses require large wire cross-sections due to their inertia during small overcurrents and dynamic current profiles.
  • a series-connected fuse is always a significant source of thermal losses due to its design as a predetermined breaking point. This heat input can cause problems when dimensioning high-voltage (HV) switch boxes and may even necessitate active cooling devices.
  • HV high-voltage
  • the switch 102 presented here can perform both the switching function of a contactor and the protection function of a fuse.
  • the switch 102 contains an "arc deflector" 114 as its central element.
  • the fuse cell is a possible form of overcurrent isolating device and can be referred to as a "sacrificial area.” As the fuse filament melts and the arc is extinguished by the cooling, liquefied sand, the arc is extinguished, and the switch 102 interrupts the current flow. The path is galvanically isolated. The fuse cell is dimensioned such that the arc between the primary contacts is extinguished first, and only then is the arc in the fuse cell interrupted, in order to prevent the majority of the arc energy from "falling back" to the arc between the primary contacts.
  • An active pyro-fuse can be used as an overcurrent disconnection device instead of a fuse.
  • sand-filled fuse elements generally have a positive energy absorption during short-circuit current interruption.
  • the approach presented here makes it possible to combine the safety-relevant function of switching and protecting the HV voltage in one component and thus to ensure precise function, especially during the transition from normal to fault conditions at a switching load of approximately 1,000 A to 2,000 A.
  • the arc shunt eliminates the need for a serial fuse element, which previously led to high heat input into the switch box due to its resistance.
  • the fuse element is only energized in the event of a fault. This means that the system's continuous current carrying capacity is no longer limited by the fuse.
  • the fuse element could only be selected to be large enough to prevent the cable and, in particular, the HV contactors from being damaged, especially from burning out. At this maximum nominal value, the fuse's continuous current carrying capacity is naturally also limited due to the thermal load limit.
  • the approach presented here can meet the ever-increasing demands for DC fast charging of electric vehicles and achieve an increased continuous current carrying capacity.
  • the arc switch 114 enables the use of a parallel-connected fuse or other fuse-like isolating element, particularly one with sand filling, with an HV contactor.
  • the arc switch uses a secondary contact that directs the current into this fuse element.
  • a switch 102 is shown with an additional secondary contact designated as electrode 212 and a sand-filled fuse element designated as overcurrent disconnect device 112.
  • the illustrated switch 102 includes a current measuring device (not shown) for an intelligent protection function. If a short-circuit current exceeds an upper current threshold, for example, 1000 A, the contactor is initiated to open.
  • an upper current threshold for example, 1000 A
  • the switch 102 is designed to process a trigger signal which is intended to lead to shutdown.
  • the shutdown process is described below. Particular attention is paid to the fault condition, i.e., the overload situation.
  • the regular switching cycles are identical, with only the arcing behavior differing.
  • a separating element 200 for example a wedge made of an insulating material, lifts the contact lever and an arc is drawn.
  • insulator wedge covers the primary contact on the right.
  • the arc After covering the right primary contact, the arc initially burns in the narrow gap between the insulator and the primary contact and around the tip of the isolating element 200. Since the volume in the gap is very limited and the isolating element 200 additionally increases the arc length, the voltage drop in the arc increases rapidly. At the same time, charge carriers are accelerated to the secondary contact, which is also at the low potential. Depending on the charge carrier density and the distance between the secondary contact and the contact lever, a second arc ignites between the contact lever and the secondary contact. The resistance ratios divide the energies of the two arcs.
  • the principle of redirecting the arc into a secondary fuse element in a charge carrier-controlled (energy-guided) manner is called an arc switch.
  • FIG. 5 A switch 102 with a bridge contact and an arc shunt is shown. Two secondary contacts are provided here, since switch 102 is intended to be able to break bidirectionally with the same breaking capability.
  • Fig. 6 It shows how two arcs are generated when the contact bridge is opened.
  • Fig. 10 The secondary electrode is surrounded by a thermoplastic that acts as an insulator.
  • a thermoplastic that acts as an insulator.
  • an electric field builds up between the moving primary contact and the secondary electrode. This deflects the charge carriers of the arc, which occurs when the moving insulator penetrates between the primary contacts, toward the insulated secondary electrode. This results in a longer arc length, which helps the moving insulator to pinch off the arc.
  • the secondary electrode Since the thermal energy of the arc is normally not sufficient to melt the insulator of the secondary electrode, the secondary electrode does not function as an arc switch, but has an arc-extending effect, which is otherwise carried out by a blow-out magnet.
  • the thermal energy of the arc is sufficient to melt the thermoplastic insulation of the secondary electrode.
  • the secondary arc builds up between the movable primary contact and the secondary electrode.
  • the movable insulator pinches off the remaining primary arc, and the main breaking power is commutated to the overcurrent disconnection device connected to the secondary electrode.
  • the secondary electrode acts as an arc splitter.
  • insulator 1000 is shown on the secondary electrode. This design is advantageous in that after the thermoplastic melts, there is a small gap between the movable primary contact and the secondary electrode, which keeps the arc voltage and thus the power conversion in the arc low. Furthermore, the insulation prevents premature ignition of the secondary arc at low switching loads.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter zum Unterbrechen einer elektrischen Hochvoltverbindung, ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Schalter und ein Verfahren zum Unterbrechen einer elektrischen Hochvoltverbindung.
    • 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.
  • Beim Unterbrechen von stromtragenden Kontakten eines Schalters kann ein Schaltlichtbogen entstehen. Der Schaltlichtbogen kann insbesondere in einem Überlastfall Schäden an den Kontakten verursachen, da der Schaltlichtbogen zu einem hohen Energieeintrag führen kann. Um diese Schäden zu vermeiden, kann eine Sicherung in Serie zu dem Schalter geschaltet werden. Die Sicherung unterbricht einen Stromfluss im Schaltlichtbogen, wenn eine in der Sicherung durch ohmsche Verluste auf-aggregierte Energie und eine damit verbundene Erwärmung eines Auslösebereichs der Sicherung größer ist als ein für die Sicherung charakteristischer Grenzwert.
  • Bei einer Schmelzsicherung schmilzt im Überlastfall eine Engstelle. Diese sollte dabei so dimensioniert sein, dass der Stromfluss im Normalfall ohne übermäßige Erwärmung fließen kann, die Engstelle im Überlastfall jedoch sicher zerstört wird.
  • Die DE 42 43 314 A1 offenbart einen strombegrenzenden Schalter.
  • Die Druckschrift EP 3 157 033 A1 betrifft eine Unterbrechungskammer einer elektrischen Schutzvorrichtung, die eine Lichtbogenbildungskammer umfasst.
  • Die Druckschrift US 3 004 116 A zeigt eine Kombination von Isoliermitteln zur Unterstützung eines relativ stationären Kontakts in einem Lufttrennschalter.
  • Die WO 2017/063683 A1 bezieht sich auf ein Wechselstromschütz, das eine Diode zur Lichtbogenlöschung enthält.
  • Die Druckschrift WO 2019/057870 A1 betrifft einen elektrischen Schalter zum Unterbrechen eines Strompfades.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung kann es daher sein, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel einen Schalter und ein Verfahren zum Unterbrechen einer Hochvoltverbindung sowie ein mit dem Schalter ausgestattetes Fahrzeug bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
  • Es wird ein elektrischer Schalter zum Unterbrechen einer elektrischen Hochvoltverbindung, insbesondere in einem Spannungsversorgungsystem eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei der Schalter folgende Merkmale aufweist:
    1. a. eine erste Schnittstelle zum Anschließen eines ersten Teilbereichs der Hochvoltverbindung und eine zweite Schnittstelle zum Anschließen eines zweiten Teilbereichs der Hochvoltverbindung;
    2. b. einen mit der ersten Schnittstelle elektrisch leitend verbundenen ersten Kontakt und einen mit der zweiten Schnittstelle elektrisch leitend verbundenen zweiten Kontakt, wobei der erste Kontakt und der zweite Kontakt an einer trennbaren Kontaktstelle elektrisch leitend miteinander verbunden sind;
    3. c. eine mit der zweiten Schnittstelle elektrisch leitend verbundene Überstromtrenneinrichtung; und
    4. d. eine Lichtbogenweiche, die dazu ausgebildet ist, in einem Überlastfall einen zu der Überstromtrenneinrichtung führenden Ersatzlichtbogen zu einem im Betrieb beim Unterbrechen der Kontaktstelle zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt entstehenden Schaltlichtbogen zu erzeugen.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zum Unterbrechen einer elektrischen Hochvoltverbindung, insbesondere in einem Spannungsversorgungsystem eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Unterbrechens, einen Schritt des Erzeugens und einen Schritt des Löschens aufweist, wobei im Schritt des Unterbrechens eine Kontaktstelle eines in der Hochvoltverbindung angeordneten elektrischen Schalters ansprechend auf ein Trennsignal getrennt wird, im Schritt des Erzeugens ein zu einer bei geschlossener Kontaktstelle stromlosen Überstromtrenneinrichtung des Schalters führender Ersatzlichtbogen zu einem in der getrennten Kontaktstelle entstehenden Schaltlichtbogen unter Verwendung einer Lichtbogenweiche erzeugt wird, und im Schritt des Löschens der Ersatzlichtbogen durch ein Ansprechen der Überstromtrenneinrichtung gelöscht wird.
  • Ferner wird ein Fahrzeug mit zumindest einem Schalter gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei der Schalter in einer elektrischen Hochvoltverbindung eines Spannungsversorgungsystems des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei eine Kontaktstelle des Schalters unter Verwendung eines Aktors, ansprechend auf ein Trennsignal trennbar ist.
  • Eine Hochvoltverbindung kann eine elektrische Leitung eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs sein, die zum sicheren Leiten von Kfz-Hochvoltspannung ausgebildet ist. Unter einer Kfz-Hochvoltspannung kann dabei insbesondere eine elektrische Spannung zwischen 300 Volt und 1000 Volt verstanden werden. Zusätzlich weist die Hochvoltverbindung einen zum Übertragen einer elektrischen Antriebsleistung des Fahrzeugs erforderlichen Leitungsquerschnitt auf. Die Hochvoltverbindung kann als Kabel oder Stromschiene ausgeführt sein. Stromtragende Komponenten des Schalters, wie Schnittstellen und Kontakte weisen zumindest einen an den Leitungsquerschnitt der Hochvoltverbindung angepassten Leitungsquerschnitt und entsprechende Kontaktflächen auf.
  • Die Schnittstellen des Schalters können als Anschlussterminals bezeichnet werden und Einrichtungen zum sicheren elektrischen Kontaktieren der Teilbereiche der Hochvoltverbindung aufweisen. Die Kontakte des Schalters können bei geschlossener Kontaktstelle direkt zusammengepresst werden oder über zwischengeschaltete leitende Elemente verbunden werden. Bei getrennter Kontaktstelle können die Kontakte beziehungsweise die zwischengeschalteten Elemente auseinandergedrückt beziehungsweise auseinandergezogen werden. Bei getrennter Kontaktstelle können die Kontakte mit einem an die Hochvoltspannung angepassten Abstand voneinander beabstandet sein.
  • Eine Überstromtrenneinrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie eine notwendige Trennleistung für einen Kurzschluss im Hochvolt-Bordnetz aufnehmen kann. Diese kann beispielsweise 1,5 MW im 450V Bordnetz und bis zu 5 MW im 900V Bordnetz betragen. Die Überstromtrenneinrichtung ist im Normalbetrieb stromlos und wird nur im Überlastfall bestromt. Wird die Überstromtrenneinrichtung als sandgefüllte Schmelzsicherung ausgeführt, so kann diese bei dem hier vorgestellten Ansatz wesentlich geringer dimensioniert sein, als eine herkömmliche in Reihe zur Kontaktstelle geschaltete Sicherung. Durch die geringe Dimensionierung des Schmelzdrahtes kann die Überstromtrenneinrichtung eine sehr geringe Ansprechzeit aufweisen.
  • In einem Lichtbogen ist Gas ionisiert und Ladungsträger bewegen sich angetrieben von einer elektrischen Potenzialdifferenz von einer Seite des Lichtbogens zur anderen Seite des Lichtbogens. Das Gas kann beispielsweise durch ein elektrisches Feld, also ein elektrisches Spannungspotenzial zwischen zwei Elektroden ionisiert werden. Die Elektroden können dann auch Anfangspunkt und Endpunkt des Lichtbogens sein. Anfangspunkt und Endpunkt sind dabei durch eine Richtung eines elektrischen Stromflusses zum Ausgleichen des elektrischen Potenzials definiert. Der Lichtbogen folgt dabei einem Weg des geringsten Widerstands. Eine Menge der Ladungsträger im Lichtbogen wird durch den elektrischen Stromfluss durch den Lichtbogen bestimmt. Je größer der Stromfluss ist, umso stärker ist auch eine Wärmeemission des Lichtbogens. Das Gas kann auch durch die Wärmeemission weiter ionisiert werden. Zwischen den Elektroden kann sich so ein ionisierter Kanal ausbilden.
  • Eine Lichtbogenweiche kann einen neuen Weg mit einem konkurrierenden geringeren Widerstand als ein ursprünglicher Widerstand eines ursprünglichen Wegs eines beim Trennen der Kontakte in der Kontaktstelle entstehenden Schaltlichtbogens bereitstellen. Dabei kommt es nicht zu einem reinen Überspringen des Lichtbogens, also nicht zum sofortigen Abriss des als Schaltlichtbogen bezeichneten Primärlichtbogens. Vielmehr brennen zunächst gleichzeitig der Schaltlichtbogen und ein Ersatzlichtbogen, die einen gemeinsamen Fußpunkt haben können. Dieser kann auf der Strecke zwischen den beiden Kontakten der eigentlichen Kontaktstelle entweder auf einem der beiden Kontakte oder zwischen den Kontakten angeordnet sein. Der gemeinsame Fußpunkt kann sich auch während des Trennens mit dem Ziel des geringsten Gesamtwiderstands immer wieder verschieben. Der Ersatzlichtbogen entzieht dem Schaltlichtbogen aufgrund seines geringeren Widerstands Energie, bis der Schaltlichtbogen erlischt. Der Ersatzlichtbogen wird durch das Ansprechen der Überstromtrenneinrichtung gelöscht.
  • Die Lichtbogenweiche kann den ersten Kontakt, eine den ersten Kontakt bei geschlossener Kontaktstelle mit dem zweiten Kontakt elektrisch leitend verbindende, bewegliche Schaltbrücke und eine Elektrode der Überstromtrenneinrichtung umfassen. Die Schaltbrücke kann bei geschlossener Kontaktstelle von der Elektrode beabstandet sein. Beim Unterbrechen der Kontaktstelle kann die Schaltbrücke dazu ausgebildet sein, von dem ersten Kontakt in Richtung der Elektrode abgehoben zu werden, um den Ersatzlichtbogen zu erzeugen. Die Schaltbrücke kann ein beweglicher Teil des zweiten Kontakts sein. Alternativ kann die Schaltbrücke beim Unterbrechen der Kontaktstelle auch von dem zweiten Kontakt abgehoben werden. Wenn der Schalter nur zum insbesondere einmaligen Unterbrechen der Hochvoltverbindung vorgesehen ist, kann die Schaltbrücke beim Unterbrechen der Kontaktstelle direkten Kontakt zur Elektrode erreichen. Der Ersatzlichtbogen kann dann kurz vor der Berührung zünden. Zum Schalten der Hochvoltverbindung im Betrieb kann dann eine separate Schaltstelle in Serie zur Kontaktstelle vorgesehen sein.
  • Die Schaltbrücke kann bei getrennter Kontaktstelle durch eine Luftstrecke beabstandet von der Elektrode sein. Ein zum Erzeugen des Ersatzlichtbogens erforderlicher Mindestenergieumsatz in der Lichtbogenweiche kann abhängig von der Luftstrecke sein. Durch die Luftstrecke kann der Schalter auch zum Schalten der Hochvoltverbindung im Betrieb verwendet werden. Der Schalter kann für eine entsprechende Anzahl an Schaltspielen ausgelegt sein. Die Luftstrecke kann als Luftspalt bezeichnet werden. Die Luftstrecke kann derart dimensioniert sein, dass ein Überschlag des Ersatzlichtbogens zur Überstromtrenneinrichtung nur oberhalb eines definierten Energieeintrags beziehungsweise einer definierten Ladungsträgerdichte beziehungsweise eines definierten Stroms erfolgt, jedoch nicht unterhalb dieser Schwelle, sodass die Überstromtrenneinrichtung dann inaktiv bleibt. Durch den Luftspalt ist die Lichtbogenweiche energieabhängig, da sonst die Überstromtrenneinrichtung bei jedem Schaltvorgang sofort ausgelöst würde. Die Luftstrecke kann so groß sein, dass der Ersatzlichtbogen erst bei einer Momentanleistung größer 10 kW, insbesondere größer 25 kW, insbesondere größer 50 kW überspringt.
  • Bei getrennter Kontaktstelle kann eine Lichtbogenstrecke zwischen dem ersten Kontakt und der Schaltbrücke größer sein als die Luftstrecke. Eine Lichtbogenstrecke kann dabei der kürzeste geometrische Pfad für den Schaltlichtbogen zwischen dem Anfangspunkt des Schaltlichtbogens und dem Endpunkt des Schaltlichtbogens sein. Die Lichtbogenstrecke kann durch ein Hindernis zwischen dem Anfangs und Endpunkt beeinflusst werden, da der Schaltlichtbogen dann einer verlängerten Lichtbogenstrecke um das Hindernis herum folgt. Die Lichtbogenstrecke kann auch durch eine berührungslose Krafteinwirkung auf den Schaltlichtbogen, wie beispielsweise eine Luftbewegung und/oder ein magnetisches Feld beeinflusst werden. Wenn die Lichtbogenstrecke länger ist als die Luftstrecke, kann der Ersatzlichtbogen zünden.
  • Die Elektrode kann mit einem thermoplastischen Isolator umspritzt sein. Ein zum Zünden eines Ersatzlichtbogens erforderlicher Mindestenergieumsatz in der Lichtbogenweiche kann abhängig von einer Dicke des Isolators sein. Der Mindestenergieumsatz kann abhängig von einem spezifischen Widerstand eines thermoplastischen Materials des Isolators sein. Wenn der Mindestenergieumsatz im Schaltlichtbogen überschritten wird, kann der Isolator schmelzen und die Elektrode freigelegt werden. Dann kann die Schaltbrücke die Elektrode berühren und ein direkter elektrischer Kontakt zwischen der Schaltbrücke und der Elektrode entstehen. Alternativ kann die verbleibende Luftstrecke zwischen der Schaltbrücke und der Elektrode so kein sein, dass der Ersatzlichtbogen einen geringen Energieumsatz aufweist.
  • Eine weitere Überstromtrenneinrichtung kann elektrisch leitend mit der zweiten Schnittstelle verbunden sein. Die Lichtbogenweiche kann den ersten Kontakt, den zweiten Kontakt, eine den ersten Kontakt bei geschlossener Kontaktstelle mit dem zweiten Kontakt elektrisch leitend verbindende, bewegliche Schaltbrücke, eine Elektrode der Überstromtrenneinrichtung und eine weitere Elektrode der weiteren Überstromtrenneinrichtung umfassen. Die Schaltbrücke kann bei geschlossener Kontaktstelle beabstandet von der Elektrode und der weiteren Elektrode sein. Bei getrennter Kontaktstelle kann eine kombinierte Lichtbogenstrecke zwischen der Schaltbrücke und dem ersten Kontakt und zwischen der Schaltbrücke und dem zweiten Kontakt größer sein, als sowohl eine erste Luftstrecke zwischen dem ersten Kontakt und der weiteren Elektrode als auch eine zweite Luftstrecke zwischen dem zweiten Kontakt und der Elektrode. Einzelne Lichtbogenstrecken zwischen den Kontakten und der Schaltbrücke können sich zur kombinierten Lichtbogenstrecke addieren. Sobald eine der Luftstrecken kleiner ist, als die kombinierte Lichtbogenstrecke, kann diese Luftstrecke attraktiv genug sein, dass der Ersatzlichtbogen zündet.
  • Die Lichtbogenweiche kann ein bewegliches Trennelement aufweisen, das zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt anordenbar ist. Das Trennelement kann eine Lichtbogenstrecke zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt vergrößern, den ersten Kontakt verdecken und alternativ oder ergänzend den zweiten Kontakt verdecken, wenn es in der Kontaktstelle angeordnet ist. Ein Trennelement kann aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Keramik sein. Das Trennelement kann die Kontakte auseinanderdrücken. Das Trennelement kann keilförmig sein. Das Trennelement kann durch eine Antriebseinrichtung angetrieben werden. Das Trennelement kann die Lichtbogenstrecke geometrisch vergrößern, da es ein Hindernis für den Schaltlichtbogen darstellt. Durch das Trennelement kann der relative Abstand zur Elektrode der Überstromtrenneinrichtung geringer werden, wodurch der Ersatzlichtbogen zur Überstromtrenneinrichtung zündet. Durch das Trennelement kann ein ursprünglicher Strompfad sehr unattraktiv für den Lichtbogen gemacht werden. Das Trennelement kann vor den ersten Kontakt bewegt werden und diesen abdecken. Durch das Abdecken kann ein erneutes Zünden des Schaltlichtbogens nach dem Auslösen der Überstromtrenneinrichtung verhindert werden.
  • Die Lichtbogenweiche kann zumindest einen Blasmagneten zum Verlängern des Schaltlichtbogens aufweisen. Eine Feldrichtung des Blasmagneten kann quer zu einem Verlauf des Schaltlichtbogens ausgerichtet sein. Ein Blasmagnet kann ein magnetisches Feld bereitstellen. Das magnetische Feld kann aufgrund der Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger eine seitliche Kraft ausüben. Da der Schaltlichtbogen aus bewegten Ladungsträgern besteht, kann der Schaltlichtbogen unter Verwendung zumindest eines Blasmagneten seitlich ausgelenkt werden. Eine Richtung der Auslenkung ist von einer Bewegungsrichtung der Ladungsträger und von einer Feldrichtung des Magnetfelds abhängig. Der Blasmagnet kann so ausgerichtet sein, dass der Schaltlichtbogen in Richtung der Elektrode der Überstromtrenneinrichtung abgelenkt wird.
  • Der Blasmagnet kann ein Elektromagnet sein, der zwischen die zweite Schnittstelle und die Schaltbrücke geschaltet ist. Die Schaltbrücke kann bei getrennter Kontaktstelle beabstandet zu dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt sein. Der Elektromagnet kann beim Unterbrechen der Kontaktstelle durch einen aufgrund eines Spannungsabfalls an einem weiteren Schaltlichtbogen zwischen der Schaltbrücke und dem zweiten Kontakt resultierenden elektrischen Stromfluss bestromt werden, um stromrichtungsabhängig ein Magnetfeld zum Verlängern des Schaltlichtbogens stets in Richtung der Überstromtrenneinrichtung zu erzeugen. Bei einem Permanentmagnet als Blasmagnet verändert sich eine Richtung der seitlichen Auslenkung in Abhängigkeit von einer Richtung des Stromflusses beziehungsweise einer Stromrichtung. Damit die Richtung der Auslenkung gleich bleibt und der Schaltlichtbogen auch bei unterschiedlichen Stromrichtungen in Richtung der Elektrode der Überstromtrenneinrichtung verlängert wird, kann eine Feldrichtung in Abhängigkeit von der Stromrichtung eingestellt werden. Die Feldrichtung kann unter Verwendung einer stromdurchflossenen Spule eingestellt werden. Die Spule ist Bestandteil des Elektromagnets. Eine Stromrichtung in der Spule ist abhängig von der Stromrichtung durch den Schalter. Durch den Elektromagnet wird nur eine Überstromtrenneinrichtung benötigt.
  • Die Überstromtrenneinrichtung ist als Schmelzsicherung mit Sandfüllung ausgebildet Die Schmelzsicherung wird beim Ansprechen zerstört. Beim Ansprechen der Schmelzsicherung schmilzt ein Schmelzelement und anstelle des Schmelzelements entsteht ein Lichtbogen. Der Lichtbogen schmilzt durch seinen Energieumsatz die Sandfüllung zumindest teilweise auf. Der geschmolzene Sand unterbricht beziehungsweise erstickt dann den Lichtbogen und somit den Ersatzlichtbogen. Da die Überstromtrenneinrichtung im Normalbetrieb stromlos ist, kann die Schmelzsicherung schnell ansprechen, wenn der Ersatzlichtbogen zur Überstromtrenneinrichtung zündet.
  • Der Schalter kann eine Messeinrichtung zum Erfassen eines elektrischen Stromflusses zwischen den Schnittstellen aufweisen. Die Messeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, ein Trennsignal zum Unterbrechen der Kontaktstelle bereitzustellen, wenn der Stromfluss größer als ein Schwellenwert ist. Durch das Messen des Stromflusses und das Unterbrechen ansprechend auf das Trennsignal kann der Schalter automatisiert die Hochvoltverbindung unterbrechen, bevor andere stromführende Teile Schaden nehmen.
    • Kurze Figurenbeschreibung
  • Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Schalter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    Fig. 2
    eine Darstellung eines Schalters mit einem Trennelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    Fign. 3 bis 4
    Darstellungen eines Unterbrechungsvorgangs einer Hochvoltverbindung unter Verwendung eines Schalters mit einem Trennelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    Fig. 5
    eine Darstellung eines Schalters mit einer weiteren Überstromtrenneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    Fign. 6 bis 8
    Darstellungen eines Unterbrechungsvorgangs einer Hochvoltverbindung unter Verwendung eines Schalters mit einer weiteren Überstromtrenneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    Fig. 9
    eine Darstellung eines Unterbrechungsvorgangs einer Hochvoltverbindung unter Verwendung eines Schalters mit einem Elektromagnet gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
    Fig. 10
    eine Darstellung eines Schalters mit einer isolierten Elektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 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 1-10 als Referenz beibehalten.
  • Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Schalter 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrzeug weist eine Traktionsbatterie 104 und zumindest eine elektrische Antriebseinheit 106 auf. Die Traktionsbatterie 104 ist über eine Hochvoltverbindung 108 mit der Antriebseinheit 106 verbunden. Eine zum Betrieb der Antriebseinheit 106 erforderliche Steuer- und Regelelektronik ist hier zur Vereinfachung nicht dargestellt.
  • Der Schalter 102 ist zwischen der Traktionsbatterie 104 und der Antriebseinheit 106 in der Hochvoltverbindung 108 angeordnet. Jeder Pol der Traktionsbatterie 104 ist über eine Leitung der Hochvoltverbindung 108 mit einem entsprechenden Anschluss der Antriebseinheit 106 verbunden. Der Schalter 102 weist für jeden Pol getrennte Kontakte auf. Der Schalter 102 ist also mehrpolig und dazu ausgebildet, die Traktionsbatterie 104 allpolig vom Rest des Fahrzeugs 100 abzutrennen.
  • Für jeden Pol weist der Schalter 102 eine Kontaktstelle 110 zwischen einem mit der Traktionsbatterie 104 verbundenen Teilbereich der Hochvoltverbindung 108 und einem mit der Antriebseinrichtung 106 verbundenen Teilbereich der Hochvoltverbindung 108 auf. Zusätzlich weist der Schalter für jeden Pol eine im Betrieb nur mit einem der Teilbereiche der Hochvoltverbindung 108 verbundenen Überstromtrenneinrichtung 112 und eine Lichtbogenweiche 114 auf. Die Lichtbogenweiche 114 ist dazu ausgebildet, in einem Überlastfall einen zu der Überstromtrenneinrichtung 112 führenden Ersatzlichtbogen zu einem beim Unterbrechen der Kontaktstelle 110 entstehenden Schaltlichtbogen zu erzeugen.
  • Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Schalters 102 mit einem Trennelement 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in Fig. 1. Im Gegensatz dazu ist der hier dargestellte Schalter 102 einpolig. Der Schalter 102 weist eine erste Schnittstelle 202 zu einem ersten Teilbereich der Hochvoltverbindung und eine zweite Schnittstelle 204 zu einem zweiten Teilbereich der Hochvoltverbindung auf. Die erste Schnittstelle 202 ist elektrisch leitend mit einem ersten Kontakt 206 der Kontaktstelle 110 verbunden. Die zweite Schnittstelle 204 ist elektrisch leitend mit einem zweiten Kontakt 208 der Kontaktstelle 110 verbunden.
  • Zwischen dem ersten Kontakt 206 und dem zweiten Kontakt 208 ist eine bewegliche Schaltbrücke 210 angeordnet, die über ein elektrisch leitendes Gelenk fest mit dem ersten Kontakt 206 verbunden ist. In geschlossenem Zustand der Kontaktstelle 110 wird die Schaltbrücke 210 gegen den zweiten Kontakt 208 gedrückt, sodass diese leitend verbunden sind. Die Schaltbrücke 210 wird beispielsweise durch eine Federkraft gegen den zweiten Kontakt 208 gedrückt.
  • Ein erster Anschluss der Überstromtrenneinrichtung 112 ist elektrisch leitend mit der zweiten Schnittstelle 204 und dem zweiten Kontakt 208 verbunden. Ein freier zweiter Anschluss der Überstromtrenneinrichtung 112 ist mit einer Elektrode 212 der Lichtbogenweiche 114 verbunden. Hier sind der zweite Kontakt 208, das Trennelement 200 und die Schaltbrücke 210 weitere Bestandteile der Lichtbogenweiche 114. In geschlossenem Zustand der Kontaktstelle 110 sind die Schaltbrücke 210 und damit auch der erste Kontakt 206 beabstandet von der Elektrode 212.
  • Das Trennelement 200 ist hier keilförmig geformt und dazu ausgebildet, zwischen den zweiten Kontakt 208 und die Schaltbrücke 210 geschoben zu werden, um die Schaltbrücke 210 von dem zweiten Kontakt 208 abzuheben beziehungsweise wegzudrücken. Beim Abheben beziehungsweise Wegdrücken wird die Schaltbrücke 210 in Richtung der Elektrode 212 bewegt. Das bewegliche Trennelement 200 verdeckt beim Unterbrechen der Kontaktstelle 110 den zweiten Kontakt 208.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist der Schalter 102 als einmalig verwendbarer Trennschalter für eine Überlastsituation ausgebildet. Zum Schalten unter normalen Betriebsbedingungen ist dann ein hier nicht dargestellter weiterer Schalter in Serie zu dem dargestellten Schalter 102 geschaltet. Hier wird die Schaltbrücke 210 beim Unterbrechen der Kontaktstelle 110 durch das Trennelement 200 gegen die Elektrode 212 gedrückt. So wird ein direkter Kontakt zwischen der Schaltbrücke 210 und der Elektrode 212 hergestellt. In der Überlastsituation spricht dann die zuvor stromlose Überstromtrenneinrichtung 112 sofort an und unterbricht den Stromfluss sicher. Da die Überstromtrenneinrichtung 112 in normalen Betriebssituationen stromlos ist, kann sie entsprechend schwach dimensioniert sein und bereits bei einem geringen Stromfluss ansprechen.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist der Schalter 102 dazu ausgebildet, unter normalen Betriebsbedingungen als Betriebsschalter verwendet zu werden. Hier sind die Schaltbrücke 210 und die Elektrode 212 auch beim Unterbrechen der Kontaktstelle 110 durch eine Luftstrecke 214 voneinander beabstandet. Die Schaltbrücke 210 berührt die Elektrode 212 also nie. Eine Energieübertragung kann dabei nur durch einen zwischen der Schaltbrücke 210 und der Elektrode 212 gezündeten Ersatzlichtbogen erfolgen.
  • Die Figuren 3 und 4 zeigen Darstellungen eines Unterbrechungsvorgangs einer Hochvoltverbindung unter Verwendung eines Schalters 102 mit einem Trennelement 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in Fig. 2. Die nicht dargestellte Hochvoltverbindung ist an den Schnittstellen 202, 204 angeschlossen und es besteht ein Überlastfall, in dem es erforderlich ist, die Hochvoltverbindung sicher zu unterbrechen, um beispielsweise bei einem Schaden die Antriebseinheit von der Traktionsbatterie zu trennen.
  • In Fig. 3 beginnt das Trennelement 200 die Schaltbrücke 210 von dem zweiten Kontakt 208 abzuheben. In einem resultierenden Spalt zündet ein Schaltlichtbogen 300 zwischen der mit dem ersten Kontakt 206 verbundenen Schaltbrücke 210 und dem zweiten Kontakt 208. Der Schaltlichtbogen 300 erzeugt ein Plasma aus freien Ladungsträgern zwischen der Schaltbrücke 210 und dem zweiten Kontakt 208. Das Trennelement 200 drückt die Schaltbrücke 210 in Richtung der freien Elektrode 212 der Überstromtrenneinrichtung 112. Die Elektrode 212 liegt aufgrund der elektrisch leitenden Verbindung durch die Überstromtrenneinrichtung 112 auf dem gleichen elektrischen Potenzial, wie der zweite Kontakt 208. Zwischen der Schaltbrücke 210 und der Elektrode 212 entsteht ein elektrisches Feld. Eine Feldstärke des elektrischen Felds wird umso größer, je geringer die Luftstrecke 214 wird.
  • In Fig. 4 hat das Trennelement 200 eine Lichtbogenstrecke 400 von der Schaltbrücke 210 um das Trennelement 200 herum bis zum zweiten Kontakt 208 soweit verlängert, dass ein Ersatzlichtbogen 402 über die Luftstrecke 214 zwischen der Schaltbrücke 210 und der Elektrode 212 einen Weg mit geringerem elektrischen Widerstand bietet, als der Weg über die primäre Lichtbogenstrecke 400. Durch das Plasma des Schaltlichtbogens ist der Bereich der Luftstrecke 214 mit freien Ladungsträgern geflutet. Damit zündet der Ersatzlichtbogen 402 zwischen der Schaltbrücke 210 und der Elektrode 212. Der Schaltlichtbogen 300 erlischt aufgrund seines höheren elektrischen Widerstands und die abzubauende elektrische Energie wird durch die Überstromtrenneinrichtung 112 abgeleitet.
  • Da die durch die Überstromtrenneinrichtung 112 geleitete elektrische Energie größer ist, als eine Ansprechschwelle der Überstromtrenneinrichtung 112, spricht die Überstromtrenneinrichtung 112 an und unterbricht den elektrischen Stromfluss durch die Hochvoltverbindung endgültig. Der Ersatzlichtbogen 402 verlischt. Das Trennelement 200 verdeckt den zweiten Kontakt 208 und verhindert so ein erneutes Zünden des Schaltlichtbogens 300 zwischen der Schaltbrücke 210 und dem zweiten Kontakt 208.
  • Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Schalters 102 mit einer zweiten Überstromtrenneinrichtung 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in Fig. 2. Im Gegensatz dazu ist die Schaltbrücke 210 hier an beiden Seiten mobil beziehungsweise kann von dem ersten Kontakt 206 und dem zweiten Kontakt 208 abgehoben werden. Ein erstes Ende der zweiten Überstromtrenneinrichtung 500 ist mit der ersten Schnittstelle 202 verbunden. Ein zweites Ende der zweiten Überstromtrenneinrichtung 500 ist mit einer zweiten Elektrode 502 verbunden. Im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 2 ist die erste Elektrode 212 der ersten Überstromtrenneinrichtung 112 hier durch die erste Luftstrecke 214 von dem ersten Kontakt 206 beabstandet, während die zweite Elektrode 502 durch eine zweite Luftstrecke 504 von dem zweiten Kontakt 208 beabstandet ist. Die Luftstrecken 214, 504 sind dabei insbesondere gleich groß. Mit anderen Worten sind die Überstromtrenneinrichtungen 112, 500 gegengleich verbaut.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist ein erster Blasmagnet 506 im Bereich des ersten Kontakts 206 und der ersten Elektrode 212 angeordnet. Ein zweiter Blasmagnet 508 ist im Bereich des zweiten Kontakts 208 und der zweiten Elektrode 502 angeordnet. Die Blasmagneten 506, 508 stellen jeweils entgegengesetzt zueinander ausgerichtete Magnetfelder bereit.
  • Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen Darstellungen eines Unterbrechungsvorgangs einer Hochvoltverbindung unter Verwendung eines Schalters 102 mit einer weiteren Überstromtrenneinrichtung 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie in den Figuren 3 und 4 ist die Hochvoltverbindung mit den Schnittstellen 202, 204 verbunden, jedoch nicht dargestellt.
  • In Fig. 6 wird die Schaltbrücke 210 durch einen nicht dargestellten Aktor von dem ersten Kontakt 206 und dem zweiten Kontakt 208 abgehoben. An beiden Kontakten 206, 208 zündet jeweils ein Schaltlichtbogen 300. Da die Schaltlichtbögen 300 in Reihe geschaltet sind, summieren sich ihre Lichtbogenstrecken 400 zu einer Gesamtlichtbogenstrecke. Die Ladungsträger in beiden Schaltlichtbögen 300 bewegen sich dabei quer zu den Magnetfeldern der Blasmagneten 506, 508. Durch die resultierende Lorentzkraft werden die Schaltlichtbögen 300 seitlich ausgelenkt. Die Lichtbogenstrecken 400 werden durch die seitliche Auslenkung verlängert. Die Gesamtlichtbogenstrecke verlängert sich entsprechend.
  • Durch die Lorentzkraft wird der Schaltlichtbogen 300 zwischen dem ersten Kontakt 206 und der Schaltbrücke 210 hier zusätzlich in Richtung der ersten Elektrode 212 ausgelenkt, die über die elektrisch leitende erste Überstromtrenneinrichtung 112 auf dem gleichen elektrischen Potenzial liegt, wie der zweite Kontakt 208.
  • In Fig. 7 wurde die aus den einzelnen Lichtbogenstrecken 400 kombinierte Gesamtlichtbogenstrecke größer, als die erste Luftstrecke 214. Zwischen dem ersten Kontakt 206 und der ersten Elektrode 212 hat der Ersatzlichtbogen 402 gezündet und die erste Überstromtrenneinrichtung 112 spricht an. Dabei erlischt auch der Schaltlichtbogen zwischen dem zweiten Kontakt 208 und der Schaltbrücke 210, da dieser Strompfad unterbrochen ist.
  • In Fig. 8 fließt der Strom entgegengesetzt zur Darstellung in den Figuren 6 und 7. Dadurch wirkt die Lorentzkraft ebenfalls in die entgegengesetzte Richtung. Der Schaltlichtbogen 300 zwischen der Schaltbrücke 210 und dem zweiten Kontakt 208 wird in Richtung der zweiten Elektrode 502 ausgelenkt. Dadurch ist die Gesamtlichtbogenstrecke größer, als die zweite Luftstrecke 504. Zwischen dem zweiten Kontakt 208 und der zweiten Elektrode 502 hat der Ersatzlichtbogen 402 gezündet und die zweite Überstromtrenneinrichtung 500 spricht an. Dabei erlischt auch der Schaltlichtbogen zwischen dem ersten Kontakt 206 und der Schaltbrücke 210, da dieser Strompfad unterbrochen ist.
  • Fig. 9 zeigt eine Darstellung eines Unterbrechungsvorgangs einer Hochvoltverbindung unter Verwendung eines Schalters 102 mit einem Elektromagnet 900 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in den Figuren 5 bis 7. Im Gegensatz dazu weist der hier dargestellte Schalter 102 nur eine Überstromtrenneinrichtung 112 und dementsprechend nur eine Elektrode 212 auf, die für beide Stromrichtungen wirksam ist. Die Elektrode 212 ist wie in Fig. 2 im Bereich des zweiten Kontakts 208 angeordnet, ist jedoch wie in Fig. 5 durch den Luftspalt 214 von dem zweiten Kontakt 208 beabstandet.
  • Ebenfalls wie in Fig. 5 ist hier die Schaltbrücke 210 beidseitig beweglich und kann durch einen Aktor 902 ansprechend auf ein Trennsignal 904 sowohl von dem ersten Kontakt 206 als auch von dem zweiten Kontakt 208 abgehoben werden. Damit zünden beim Unterbrechen der Kontaktstelle 110 zwei Schaltlichtbögen 300. Da die Schaltlichtbögen 300 einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen, als die elektrischen Leiter der Kontakte 206, 208 und der Schaltbrücke 210 fällt an den Schaltlichtbögen 300 elektrische Spannung ab. Der Spannungsabfall des Schaltlichtbogens 300 zwischen der Schaltbrücke 210 und dem ersten Kontakt 206 wird hier abgegriffen, um den Schaltlichtbogen 300 zwischen dem zweiten Kontakt 208 und der Schaltbrücke 210 zur Elektrode 212 umzulenken. Dazu ist der Elektromagnet 900 zwischen den ersten Kontakt 206 und die Schaltbrücke 210 geschaltet. Der Elektromagnet 900 erzeugt ein Magnetfeld, dessen Feldlinien quer zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger des Lichtbogens ausgerichtet sind, wenn er stromdurchflossen ist.
  • Eine Stromrichtung im Elektromagnet 900 ist damit abhängig von der Stromrichtung durch den Schalter 102. Somit ist auch eine Feldrichtung des von dem Elektromagnet 900 erzeugten magnetischen Felds abhängig von der Stromrichtung. Die Feldrichtung passt so immer zur Richtung der Ladungsträger im Schaltlichtbogen 300. Der Schaltlichtbogen wird also immer in Richtung der Elektrode 212 ausgelenkt.
  • Wenn die Gesamtlichtbogenstrecke über beide Schaltlichtbogen 300 größer ist, als die Luftstrecke 214, zündet der hier nicht dargestellte Ersatzlichtbogen zur Elektrode 212 und der resultierende Stromfluss durch die Überstromtrenneinrichtung 112 lässt diese ansprechen. Durch das Ansprechen der Überstromtrenneinrichtung 112 wird die Hochvoltverbindung endgültig unterbrochen.
  • Fig. 10 zeigt eine Darstellung eines Schalters 102 mit einer isolierten Elektrode 212 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schalter 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schalter in Fig. 2. Im Gegensatz dazu ist die Elektrode 212 der Überstromtrenneinrichtung 112 hier in einem Flugkreis der drehbar gelagerten Schaltbrücke 210 angeordnet und durch einen Isolator 1000 aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial bedeckt. Die Schaltbrücke 210 kann an dem Isolator 1000 anschlagen. Der Isolator 1000 verhindert bei einem normalen Schaltvorgang einen direkten elektrisch leitenden Kontakt zwischen der Schaltbrücke 210 und der Elektrode 212. Eine Materialstärke des Isolators 1000 entspricht dann der verbleibenden Luftstrecke 214.
  • Wenn die Schaltbrücke 210 an dem Isolator 1000 anliegt, ist die Luftstrecke 214 sehr gering und es resultiert ein elektrisches Feld mit einer hohen Feldstärke zwischen der Schaltbrücke 210 und der Elektrode 212. Dieses elektrische Feld beeinflusst den auch beim normalen Schaltvorgang in der Kontaktstelle 110 entstehenden, schwächeren Schaltlichtbogen. Der Schaltlichtbogen wird durch das elektrische Feld bogenförmig ausgelenkt und seine Lichtbogenstrecke dadurch verlängert. Der Schaltlichtbogen erlischt durch die vergrößerte Lichtbogenstrecke schneller, da der elektrische Widerstand des Schaltlichtbogens mit zunehmender Lichtbogenstrecke stark steigt.
  • Das Trennelement 200 verlängert beim Trennen der Kontaktstelle 110 ebenfalls die Lichtbogenstrecke, da der Schaltlichtbogen um das Trennelement 200 herum brennt. Um den Schaltlichtbogen zu unterbrechen, dringt das Trennelement 200 in einem Ausführungsbeispiel nach dem Trennen der Kontaktstelle 110 in eine Kerbe 1002 in einem Gehäuse des Schalters 102 ein. Durch das Eindringen in die Kerbe 1002 kann der Schaltlichtbogen im übertragenen Sinn abgeschnitten werden.
  • Bei einem Überlastfall setzt der Schaltlichtbogen so viel thermische Energie frei, dass der Isolator 1000 zumindest teilweise schmilzt und/oder verdampft. Dadurch wird die Elektrode 212 freigelegt und der Ersatzlichtbogen zwischen der Schaltbrücke 210 und der Elektrode 212 zündet. Da die Schaltbrücke 210 aufgrund des abgeschmolzenen Isolators 1000 sehr nah an die Elektrode 212 herankommt beziehungsweise die Elektrode 212 sogar direkt berühren kann, wird durch den Ersatzlichtbogen nur wenig thermische Energie freigesetzt, bis die Überstromtrenneinrichtung 112 anspricht und der Ersatzlichtbogen gelöscht wird.
  • Mit anderen Worten zeigen die Figuren 1 bis 10 Schalter mit Lichtbogenweichen. Die Schalter können zur Absicherung und zum Schalten im Hochvolt(HV)-Versorgungsbordnetz verwendet werden. Die bisher verwendeten in Reihe geschalteten Schmelzsicherungen zur thermischen Absicherung der Leitungen können durch den hier vorgestellten Ansatz entfallen. Die bei Verwendung von herkömmlichen Schützen und Sicherungen in Serienschaltung resultierenden Probleme durch die Kombination der beiden Komponenten treten dadurch nicht auf.
  • Herkömmlicherweise führt im Kurzschlussfall beispielsweise das Abheben der Schaltkontakte beziehungsweise die Kontaktlevitation aufgrund der elektromagnetischen Kräfte zu einer unkontrollierten Lichtbogenbildung im Schütz, welche die Zündung der in Reihe geschalteten Schmelzsicherung verzögert. Das Schütz beeinflusst also die Sicherung in ihrem Verhalten.
  • Zusätzlich sind bei in Reihe geschalteten Schmelzsicherungen aufgrund der Trägheit bei kleinen Überströmen und dynamischen Stromprofilen große Leitungsquerschnitte notwendig. Weiterhin ist eine in Serie geschaltete Schmelzsicherung durch ihre Konstruktion als Sollbruchstelle immer erhebliche Quelle von thermischen Verlusten. Dieser Wärmeeintrag kann Probleme bei der Dimensionierung der Hochvolt(HV)-Schaltboxen verursachen und kann sogar aktive Kühlvorrichtungen notwendig machen.
  • Bisherige Schütze können die Trennleistung im Fall eines Kurzschlusses im Bordnetz nicht aufnehmen und können z.B. bei einem Kurzschlussstrom von größer drei Kiloampere (kA) explodieren, wenn das Öffnen kommandiert wird. Um dies zu verhindern, können die Schütze geschlossen gelassen werden und die in Reihe geschaltete Sicherung soll mit ihrer Sandfüllung die Trennleistung tragen, die Trennenergie aufnehmen und so den Stromfluss unterbrechen. Die in Reihe geschalteten konventionellen Sicherungen haben den Zielkonflikt, einerseits den Laststrom mit möglichst geringen Verlusten und Erwärmung tragen zu können, was durch einen möglichst großen Querschnitt der Engstelle erreicht werden kann, andererseits sollen sie im Kurzschlussfall möglichst schnell trennen, was durch einen möglichst kleiner Querschnitt der Engstelle erreicht werden kann, damit die umgesetzte Trennenergie (Leistung mal Zeit) nicht zu groß wird.
  • Der hier vorgestellte Schalter 102 kann sowohl die Schaltaufgabe des Schützes als auch die Absicherungsaufgabe der Sicherung übernehmen. Der Schalter 102 beinhaltet als zentrales Element eine "Lichtbogenweiche" 114.
  • Beim Abschalten des Kurzschlussstroms wird mit dem Öffnen der Kontakte 206, 208 (plus-Primärkontakt und minus-Primärkontakt) ein Lichtbogen aufgezogen. Dieser Lichtbogen wird mit einem Trennelement 200, beispielsweise einem Keil aus einem Isolatormaterial gegen einen In den Figuren 1 bis 10 als Elektrode 212 bezeichneten Sekundärkontakt geschoben und gleichzeitig wird der minus- (oder plus- oder beide) Primärkontakt von dem Trennelement 200 abgedeckt. Es entsteht ein zweiter Lichtbogen zum Sekundärkontakt. Dieser Sekundärkontakt wiederum ist mit einer vorzugsweise sandgefüllten Schmelzsicherungszelle verbunden, in der schlussendlich die Trennenergie umgesetzt wird. Die Schmelzsicherungszelle ist eine mögliche Form der Überstromtrenneinrichtung und kann als "Opferbereich" bezeichnet werden. Mit dem Aufschmelzen des Sicherungsfadens und Löschen des Lichtbogens über den kühlenden verflüssigten Sand, erlischt der Lichtbogen und der Schalter 102 unterbricht den Stromfluss. Der Pfad wird galvanisch getrennt. Die Schmelzsicherungszelle ist dabei derart dimensioniert, dass zunächst der Lichtbogen zwischen den Primärkontakten erlischt und anschließend erst der Lichtbogen in der Schmelzsicherungszelle unterbrochen wird, um ein "zurückfallen" des Großteils der Lichtbogenenergie auf den Lichtbogen zwischen den Primärkontakten zu verhindern.
  • Als Überstromtrenneinrichtung kann eine aktive Pyrofuse statt einer Schmelzsicherung verwendet werden. Sandgefüllte Sicherungselemente sind jedoch prinzipiell positiv für die Energieaufnahme bei der Kurzschlussstromunterbrechung.
  • Durch den hier vorgestellten Ansatz ergibt sich eine Kosteneinsparung durch eine kleiner als bei der Serienschaltung dimensionierte Überstromtrenneinrichtung, ein wesentlich geringerer Wärmeeintrag und eine Platzersparnis.
  • Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht es, die sicherheitsrelevante Funktion des Schaltens und Absicherns der HV-Spannung in einer Komponente zusammenzufassen und somit insbesondere beim Übergang von Normalfall zu Fehlerfall bei ca. 1.000 A bis 2.000 A Schaltlast eine präzise Funktion zu gewährleisten.
  • Durch die Lichtbogenweiche kann das serielle Sicherungselement entfallen, welches bisher durch seinen Widerstand zu einem hohen Wärmeeintrag in die Schaltbox geführt hat. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird das Schmelzsicherungselement nur im Fehlerfall bestromt. Dadurch wird die Dauerstromtragfähigkeit des Systems nicht länger durch die Schmelzsicherung begrenzt. Bisher kann das Sicherungselement immer nur so groß gewählt werden, dass die Leitung und insbesondere die HV-Schütze nicht zerstört werden, insbesondere abbrennen. Bei diesem maximalen Nennwert ist die Dauerstromtragfähigkeit der Sicherung aufgrund der thermischen Belastungsgrenze natürlich ebenfalls beschränkt.
  • Durch den hier vorgestellten Ansatz kann den immer weiter steigenden Anforderungen an das "DC-Schnellladen" von Elektrofahrzeugen Rechnung getragen werden und eine vergrößerte Dauerstromtragfähigkeit erreicht werden.
  • Bei dem hier vorgestellten Ansatz brennt während der Unterbrechung des Kurzschlussstroms lediglich der Lichtbogen an der Kurzschlussstelle zusätzlich zum Lichtbogen in dem Sicherungselement. Bislang gab es bei Verwendung von herkömmlichen HV-Schützen immer noch zwei zusätzliche Lichtbogen an den zwei Schützkontakten aufgrund der Kontaktlevitation (= Kontaktabhebung aufgrund von Lorentz- und Holm 'scher Engekraft) ab typischerweise 6.000 A.
  • Die Lichtbogenweiche 114 ermöglicht eine Verwendung einer parallelgeschalteten Schmelzsicherung oder einem anderen sicherungsähnlichen Trennelement insbesondere mit Sandfüllung zu einem HV-Schütz. Die Lichtbogenweiche verwendet einen Sekundärkontakt, der den Strom in dieses Sicherungselement leitet.
  • In Fig. 2 ist ein Schalter 102 mit einem als Elektrode 212 bezeichneten zusätzlichen Sekundärkontakt und einem als Überstromtrenneinrichtung 112 bezeichneten Sicherungselement mit Sandfüllung dargestellt.
  • In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet der abgebildete Schalter 102 eine nicht abgebildete Vorrichtung zum Messen des Stroms für eine intelligente Absicherungsfunktion. Überschreitet ein Kurzschlussstrom eine obere Stromschwelle, beispielsweise 1000 A, so wird das Öffnen des Schützes initiiert.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Schalter 102 dazu ausgebildet, ein Triggersignal, welches zur Abschaltung führen soll, zu verarbeiten.
  • Im Folgenden wird der Abschaltvorgang beschrieben. Dabei wird insbesondere auf den Fehlerfall, d.h. die Überlastsituation, eingegangen. Die regulären Schaltspiele laufen identisch ab, lediglich das Lichtbogenverhalten differiert.
  • In Fig. 3 hebt ein Trennelement 200, beispielsweise ein Keil aus einem Isolatormaterial, den Kontakthebel ab und ein Lichtbogen wird aufgezogen.
  • In Fig. 4 deckt der Isolator-Keil den Primärkontakt rechts ab.
  • Nach dem Überdecken des rechten Primärkontakts brennt der Lichtbogen zunächst noch in dem schmalen Spalt zwischen Isolator und Primärkontakt und um die Spitze des Trennelements 200 herum. Da in dem Spalt das Volumen sehr begrenzt ist und das Trennelement 200 zusätzlich die Lichtbogenlänge vergrößert, steigt der Spannungsfall im Lichtbogen schnell an. Gleichzeitig werden Ladungsträger zum Sekundärkontakt beschleunigt, der auch auf dem niedrigen Potential liegt. In Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte sowie dem Abstand des Sekundärkontakts zum Kontakthebel zündet ein zweiter Lichtbogen zwischen Kontakthebel und Sekundärkontakt. Durch die Widerstandsverhältnisse teilen sich die Energien der beiden Lichtbögen auf. Aufgrund der "Behinderung" des primären Lichtbogens durch das Trennelement 200 wird ein Großteil des Kurzschlussstroms in den Sekundärpfad umgeleitet, bevor der Primärlichtbogen vollständig erlischt. In dem sich im Sekundärpfad befindlichen Sicherungselement brennen in Folge des Kurzschlussstroms und dem damit verbundenen Eintrag thermischer Energie einige Engstellen durch. Aufgrund der konstruktiven Auslegung der Sicherung wird schnell ein langer Lichtbogen aufgezogen, in welchem der wesentliche Energieumsatz, welcher für das Trennen des Kurzschlussstroms zwingend ist, stattfindet. Die Momentanleistung kann bis ca. 5 MW erreichen und 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 das Trennelement 200 während der Unterbrechung des Stromflusses in dem Sicherungselement bereits soweit verfahren ist, dass ein "Zurückspringen" des Lichtbogens auf den Primärkontakt nicht möglich ist.
  • Das Prinzip, den Lichtbogen ladungsträgergesteuert (energiegeführt) in einen sekundäres Sicherungselement umzulenken wird als Lichtbogenweiche bezeichnet.
  • In Fig. 5 ist ein Schalter 102 mit einem Brückenkontakt und einer Lichtbogenweiche dargestellt. Hier sind zwei Sekundärkontakte vorgesehen, da der der Schalter 102 bidirektional mit gleicher Trennfähigkeit trennen können soll.
  • In Fig. 6 ist dargestellt, wie zwei Lichtbögen beim Öffnen der Kontaktbrücke aufgezogen werden. Durch die Blasmagneten 506, 508 mit unterschiedlicher Feldrichtung werden die Lichtbögen linsenförmig nach links aus dem Kontaktbereich geblasen, wenn der Strom in der Anordnung von rechts nach links fließt (technische Stromrichtung).
  • In Fig. 7 ist dargestellt, dass mit dem weiteren Öffnen und bei hohen Stromstärken der Lichtbogen gegen den linken Sekundärkontakt geblasen wird. Der Strom kommutiert wie in den Figuren 3 und 4 detailliert beschrieben zum Sekundärkontakt, da damit der Spannungsfall über den zweiten Lichtbogen am Brücken-Primärkontakt rechts entfällt ("Anreiz" für das Kommutieren).
  • In Fig. 8 ist das Kommutieren zum rechten Sekundärkontakt dargestellt, wenn der Strom von links nach rechts fließt (technische Stromrichtung).
  • In Fig. 10 ist die Sekundärelektrode von einem Thermoplast, welcher als Isolator 1000 wirkt, umgeben. Bei einem Trennen von regulären Strömen baut sich ein elektrisches Feld zwischen dem bewegten Primärkontakt und der Sekundärelektrode auf. Dadurch werden die Ladungsträger des Lichtbogens, der sich mit dem Eindringen des beweglichen Isolators zwischen die Primärkontakten ergibt, in Richtung der isolierten Sekundärelektrode abgelenkt. Hieraus resultiert eine größere Lichtbogenlänge, die dem beweglichen Isolator beim Abschnüren des Lichtbogens hilft.
  • Da im Normalfall die thermische Energie des Lichtbogens nicht reicht, den Isolator des Sekundärelektrode aufzuschmelzen, fungiert die Sekundärelektrode nicht als Lichtbogenweiche, sondern hat eine den Lichtbogen verlängernde Wirkung, die sonst von einem Blasmagneten übernommen wird.
  • Beim Trennen von Fehlerströmen reicht die thermische Energie des Lichtbogens, um die thermoplastische Isolation der Sekundärelektrode aufzuschmelzen. Sobald die Elektrode exponiert ist, baut sich der Sekundärlichtbogen zwischen beweglichem Primärkontakt und Sekundärelektrode auf. Der bewegliche Isolator schnürt den verbleibenden Primärlichtbogen ab, die hauptsächliche Trennleistung kommutiert in die mit der Sekundärelektrode verbundene Überstromtrenneinrichtung. Die Sekundärelektrode wirkt in diesem Fall also als Lichtbogenweiche.
  • In Fig. 10 ist der Isolator 1000 auf der Sekundärelektrode gezeigt. Diese Ausführung ist insofern vorteilhaft, als dass nach dem Schmelzen des Thermoplasts ein geringer Abstand zwischen dem beweglichem Primärkontakt und der Sekundärelektrode vorliegt, wodurch die Lichtbogenspannung und somit der Leistungsumsatz im Lichtbogen gering bleibt. Außerdem verhindert die Isolation ein zu frühes Zünden des Sekundärlichtbogens bei geringen Schaltlasten.
  • Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise 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
    Fahrzeug
    102
    Schalter
    104
    Traktionsbatterie
    106
    Antriebseinheit
    108
    Hochvoltverbindung
    110
    Kontaktstelle
    112
    Überstromtrenneinrichtung
    114
    Lichtbogenweiche
    200
    Trennelement
    202
    erste Schnittstelle
    204
    zweite Schnittstelle
    206
    erster Kontakt
    208
    zweiter Kontakt
    210
    Schaltbrücke
    212
    Elektrode
    214
    Luftstrecke
    300
    Schaltlichtbogen
    400
    Lichtbogenstrecke
    402
    Ersatzlichtbogen
    500
    zweite Überstromtrenneinrichtung
    502
    zweite Elektrode
    504
    zweite Luftstrecke
    506
    erster Blasmagnet
    508
    zweiter Blasmagnet
    900
    Elektromagnet
    902
    Aktor
    904
    Trennsignal
    1000
    Isolator
    1002
    Kerbe

Claims (12)

  1. Elektrischer Schalter (102) zum Unterbrechen einer elektrischen Hochvoltverbindung (108), wobei der Schalter (102) folgende Merkmale aufweist:
    a. ein erstes Anschlussterminal (202) zum Anschließen eines ersten Teilbereichs der Hochvoltverbindung (108) und ein zweites Anschlussterminal (204) zum Anschließen eines zweiten Teilbereichs der Hochvoltverbindung (108);
    b. einen mit dem ersten Anschlussterminal (202) elektrisch leitend verbundenen ersten Kontakt (206) und einen mit dem zweiten Anschlussterminal (204) elektrisch leitend verbundenen zweiten Kontakt (208), wobei der erste Kontakt (206) und der zweite Kontakt (208) an einer trennbaren Kontaktstelle (110) elektrisch leitend miteinander verbunden sind;
    c. eine mit dem zweiten Anschlussterminal (204) elektrisch leitend verbundene Überstromtrenneinrichtung (112); und
    d. eine Lichtbogenweiche (114), die dazu ausgebildet ist, in einem Überlastfall einen zu der Überstromtrenneinrichtung (112) führenden Ersatzlichtbogen (402) zu einem im Betrieb beim Unterbrechen der Kontaktstelle (110) zwischen dem ersten Kontakt (206,210) und dem zweiten Kontakt (208) entstehenden Schaltlichtbogen (300) zu erzeugen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Überstromtrenneinrichtung (112) als Schmelzsicherung mit Sandfüllung ausgebildet ist.
  2. Schalter (102) gemäß Anspruch 1, bei dem die Lichtbogenweiche (114) den ersten Kontakt (206), eine den ersten Kontakt (206) bei geschlossener Kontaktstelle (110) mit dem zweiten Kontakt (208) elektrisch leitend verbindende, bewegliche Schaltbrücke (210) und eine Elektrode (212) der Überstromtrenneinrichtung (112) umfasst, wobei die Schaltbrücke (210) bei geschlossener Kontaktstelle (110) von der Elektrode (212) beabstandet ist und dazu ausgebildet ist, beim Unterbrechen der Kontaktstelle (110) von dem ersten Kontakt (206) in Richtung der Elektrode (212) abgehoben zu werden, um den Ersatzlichtbogen (402) zu erzeugen.
  3. Schalter (102) gemäß Anspruch 2, bei dem die Schaltbrücke (210) bei getrennter Kontaktstelle (110) durch eine Luftstrecke (214) beabstandet von der Elektrode (212) ist, wobei ein zum Zünden eines Ersatzlichtbogens (402) erforderlicher Mindestenergieumsatz in der Lichtbogenweiche (114) abhängig von der Luftstrecke (214) ist.
  4. Schalter (102) gemäß Anspruch 3, bei dem bei getrennter Kontaktstelle (110) eine Lichtbogenstrecke (400) zwischen dem zweiten Kontakt (208) und der Schaltbrücke (210) größer ist als die Luftstrecke (214).
  5. Schalter gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Elektrode (212) mit einem thermoplastischen Isolator (1000) umspritzt ist, wobei ein zum Zünden eines Ersatzlichtbogens (402) erforderlicher Mindestenergieumsatz in der Lichtbogenweiche (114) abhängig von einer Dicke des Isolators (1000) ist.
  6. Schalter (102) gemäß Anspruch 1, bei dem eine weitere Überstromtrenneinrichtung (500) elektrisch leitend mit der ersten Schnittstelle (202) verbunden ist, wobei die Lichtbogenweiche (114) den ersten Kontakt (206), den zweiten Kontakt (208), eine den ersten Kontakt (206) bei geschlossener Kontaktstelle (110) mit dem zweiten Kontakt (208) elektrisch leitend verbindende, bewegliche Schaltbrücke (210), eine Elektrode (212) der Überstromtrenneinrichtung (112) und eine weitere Elektrode (502) der weiteren Überstromtrenneinrichtung (500) umfasst, wobei die Schaltbrücke (210) bei geschlossener Kontaktstelle (110) beabstandet von der Elektrode (212) und der weiteren Elektrode (502) ist, wobei bei getrennter Kontaktstelle (110) eine kombinierte Lichtbogenstrecke (400) zwischen der Schaltbrücke (210) und dem ersten Kontakt (206) und zwischen der Schaltbrücke (210) und dem zweiten Kontakt (208) größer ist, als sowohl eine erste Luftstrecke (214) zwischen dem ersten Kontakt (206) und der Elektrode (212) als auch eine zweite Luftstrecke (504) zwischen dem zweiten Kontakt (208) und der weiteren Elektrode (502).
  7. Schalter (102) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtbogenweiche (114) zumindest einen Blasmagneten (506, 508) zum Verlängern des Schaltlichtbogens (300) aufweist, wobei eine Feldrichtung eines von dem Blasmagneten (506, 508) generierten Magnetfelds quer zu einem Verlauf des Schaltlichtbogens (300) ausgerichtet ist.
  8. Schalter (102) gemäß Anspruch 7, bei dem der Blasmagnet (506, 508) ein Elektromagnet (900) ist, der zwischen die erste Schnittstelle (202) und die Schaltbrücke (210) geschaltet ist, wobei die Schaltbrücke (210) bei getrennter Kontaktstelle (110) beabstandet zu dem ersten Kontakt (206) und dem zweiten Kontakt (208) ist, wobei der Elektromagnet (900) beim Unterbrechen der Kontaktstelle (110) durch eine aufgrund einer Lichtbogenspannung an einem weiteren Schaltlichtbogen (300) zwischen der Schaltbrücke (210) und dem ersten Kontakt (206) resultierenden elektrischen Stromfluss bestromt wird, um ein stromrichtungsabhängiges Magnetfeld zum Verlängern des Schaltlichtbogens (300) in Richtung der Überstromtrenneinrichtung (112) zu erzeugen.
  9. Schalter (102) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtbogenweiche (114) ein bewegliches, isolierendes Trennelement (200) aufweist, wobei das Trennelement (200) zwischen dem ersten Kontakt (206) und dem zweiten Kontakt (208) anordenbar ist, wobei das Trennelement (200) eine Lichtbogenstrecke (400) zwischen dem ersten Kontakt (206) oder der Schaltbrücke (210) und dem zweiten Kontakt (208) vergrößert und/oder den ersten Kontakt (206) oder die Schaltbrücke (210) und/oder den zweiten Kontakt (208) verdeckt, wenn es in der Kontaktstelle (110) angeordnet ist.
  10. Schalter (102) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Messeinrichtung zum Erfassen eines elektrischen Stromflusses zwischen der ersten Schnittstelle (202) und der zweiten Schnittstelle (204), wobei die Messeinrichtung dazu ausgebildet ist, ein Trennsignal (904) zum Unterbrechen der Kontaktstelle (110) bereitzustellen, wenn der Stromfluss größer als ein Schwellenwert ist.
  11. Verfahren zum Unterbrechen einer elektrischen Hochvoltverbindung (108), wobei das Verfahren einen Schritt des Unterbrechens, einen Schritt des Erzeugens und einen Schritt des Löschens aufweist, wobei im Schritt des Unterbrechens eine Kontaktstelle (110) eines in der Hochvoltverbindung (108) angeordneten elektrischen Schalters (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ansprechend auf ein Trennsignal (904) getrennt wird, im Schritt des Erzeugens ein zu einer bei geschlossener Kontaktstelle (110) stromlosen Überstromtrenneinrichtung (112) des Schalters (102) führender Ersatzlichtbogen (402) zu einem in der getrennten Kontaktstelle (110) entstehenden Schaltlichtbogen (300) erzeugt wird, und im Schritt des Löschens der Ersatzlichtbogen (402) durch ein Ansprechen der Überstromtrenneinrichtung (112) gelöscht wird.
  12. Fahrzeug (100) mit zumindest einem Schalter (102) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Schalter (102) in einer elektrischen Hochvoltverbindung (108) eines Spannungsversorgungsystems des Fahrzeugs (100) angeordnet ist, wobei eine Kontaktstelle (110) des Schalters (102) unter Verwendung eines Aktors (902) ansprechend auf ein Trennsignal (904) trennbar ist.
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