WO2025011802A1 - Elektromechanische schaltanordnung sowie stromverteilereinheit für ein kraftfahrzeug umfassend eine solche elektromechanische schaltanordnung - Google Patents

Elektromechanische schaltanordnung sowie stromverteilereinheit für ein kraftfahrzeug umfassend eine solche elektromechanische schaltanordnung Download PDF

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electrically
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Gerald Teuschl
Gregor Klinser-Gombotz
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Magna Powertrain GmbH and Co KG
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    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism

Definitions

  • Power distribution unit for a motor vehicle comprising such an electromechanical switching arrangement
  • the present invention relates to an electromechanical switching arrangement with a first connection area and a second connection area, wherein the first connection area and the second connection area each have at least two electrical contact points, wherein the electrical contact points of the first connection area and the electrical contact points of the second connection area can be electrically connected and separated via an actuator unit. Furthermore, the present invention relates to a power distribution unit for a motor vehicle, in particular for a hybrid or electric vehicle, comprising such an electromechanical switching arrangement.
  • Power distribution units for motor vehicles in particular for hybrid or electric vehicles, have, in addition to fuse units and voltage and current measuring systems, also switching arrangements that prevent or enable the flow of electricity through an electrical circuit of the vehicle.
  • these switching arrangements are made up of at least three relays - depending on the design, at least two high-current relays and one pre-charging relay are installed.
  • additional relays can also be installed to switch drive units on and off, DC charging contacts, a battery bank switch and to perform other functions.
  • the relays used each consist of a contact and an actuator which are controlled by corresponding output stages of a control unit and monitored via specific circuits.
  • the electromechanical switching arrangement according to the invention comprises a first connection region and a second connection region.
  • the first connection area can, for example, be connected in a current-carrying manner to an energy storage device, such as a (secondary) battery, a fuel cell, etc.
  • the second connection area 3 can be connected in a current-carrying manner to at least one consumer, in a motor vehicle, for example to a “heater/cooler unit”, a “solar interface”, a “DCDC converter”, “drive units”, “DC charging interface”, etc.
  • the first connection region and the second connection region each have at least two electrical contact points, wherein the electrical contact points of the first connection region and the electrical contact points of the second connection region can be electrically connected and separated via an actuator unit.
  • the actuator unit has at least one actuator and at least one switching matrix with at least two connection points that can be moved into several switching positions via the actuator.
  • At least one contact point of the first connection region is electrically connected to at least one contact point of the second connection region or there is no electrical connection between the contact points of the first connection region and the second connection region, so that the first connection region and the second connection region are electrically separated from one another.
  • electromechanical switches can be integrated into a switching matrix, which can be switched simultaneously by an actuator.
  • the actuator moves the switching matrix between the contact points of the connection areas into discrete switching positions.
  • the switching matrix has a corresponding switching pattern that allows targeted, simultaneous or time-delayed switching of several load channels.
  • the switching matrix has a plurality of connection points which result in a switching pattern which, depending on the actuated switching position of the switching matrix, allows a plurality of electrical connections to be established simultaneously between the first connection area and the second connection area via the contact points of the first connection area and the contact points + of the second connection area.
  • the switching arrangement is designed in multiple layers, wherein the first connection region with the contact points is formed via a first layer, the second connection region with the contact points is formed via a second layer, and the switching matrix with the connection points is formed via a third layer.
  • the third layer is preferably arranged movably between the first layer and the second layer.
  • the first layer and the second layer are each formed from an electrically insulating base body and an electrically conductive conducting element, wherein the base body is designed such that the conducting element is electrically accessible in some areas for the purpose of electrically contacting the respective conducting element and thus the contact points of the first connection region and the contact points of the second connection region are formed.
  • the switching matrix is preferably formed from an electrically insulating base body, wherein the base body has at least one through hole for the purpose of electrically contacting at least one contact point of the first termination region with at least one of the contact points of the second connection region, which forms a connection point of the switching matrix.
  • the switching matrix can be formed from an electrically insulating base body and an electrically conductive conducting element, wherein the base body is designed such that the conducting element is electrically accessible in some areas for the purpose of electrically contacting at least one contact point of the first connection region with at least one contact point of the second connection region, thus forming at least one connection point of the switching matrix.
  • regions of the electrically conductive guide element preferably protrude from the electrically insulating base body and/or the electrically insulating base body does not cover regions of the electrically conductive guide element.
  • the base bodies can each be designed as an injection-molded part, into which a metallic stamped part is integrated as an electrically conductive guide element.
  • the contact points of the first connection area and the contact points of the second connection area are not covered by the base body and thus a contact opening is formed in each case.
  • An electrically conductive contact element is preferably arranged in each contact opening, which is electrically conductively applied to the contact point and is connected in each case via an elastic element into a biased towards the switching matrix.
  • connection points of the switching matrix are preferably formed in that regions of the electrically conductive guide element protrude from the electrically insulating base body and/or in that the electrically insulated base body has through holes.
  • the switching arrangement preferably has a cooling unit, wherein the cooling unit is thermally connected to the first connection area and/or the second connection area of the switching arrangement. This results in the possibility of cooling close to the active parts of the switching arrangement, which allows further optimization of the weight and the required installation space of the switching arrangement.
  • the power distribution unit according to the invention is suitable for use in a motor vehicle, in particular in a hybrid or electric vehicle, and comprises an electromechanical switching arrangement according to the invention.
  • Fig. 1 shows a plan view of an electromechanical switching arrangement without a first cooling plate and without a first layer, but with contact points of the first connection region.
  • Fig. 2 shows a sectional view of an electromechanical
  • Fig. 3 shows schematically a first switching position of an electromechanical switching arrangement according to Fig. 1.
  • Fig. 4 shows schematically a second switching position of an electromechanical switching arrangement according to Fig. 1.
  • Fig. 5 shows schematically a third switching position of an electromechanical switching arrangement according to Fig. 1.
  • Fig. 6 shows schematically a fourth switching position of an electromechanical switching arrangement according to Fig. 1.
  • Fig. 7 shows schematically a fifth switching position of an electromechanical switching arrangement according to Fig. 1.
  • Fig. 8 shows schematically a first embodiment of a
  • Fig. 9 shows schematically a second embodiment of a
  • an electromechanical switching arrangement 1 according to the invention is described in more detail using a planar system - in Fig. 1 and Fig. 2, an exemplary embodiment of an electromechanical switching arrangement 1 according to the present invention is shown schematically.
  • a “wound-up”, i.e. essentially cylindrical, design of the switching arrangement 1 according to the invention is also conceivable, for example.
  • the electromechanical switching arrangement 1 shown in Fig. 1 to Fig. 7 is part of a power distribution unit 16 of an electric vehicle with an 800V battery 19 as an energy storage device (Fig. 8, Fig. 9).
  • Fig. 8 and Fig. 9 schematically show two embodiments of a power distribution unit 16 for a motor vehicle.
  • the two power distribution units also include current sensors 17 and fuses 18, which can be installed in different configurations.
  • the electromechanical switching arrangement 1 has a first connection region 2 with a plurality of contact points 4a, namely seven contact points 4a, and a second connection region 3 with a plurality of contact points 4b, namely seven contact points 4b (Fig. 1, Fig. 2).
  • the first connection area 2 is in the present embodiment electrically connected to the energy storage device, namely an 800V (secondary) battery 19.
  • the second connection area 3 is in the present embodiment example electrically connected to several consumers 20 of the motor vehicle (Fig.8, Fig. 9).
  • the electromechanical switching arrangement 1 has an actuator unit 5.
  • the actuator unit 5 comprises an actuator 6 and a switching matrix 7 with several connection points 8, namely seven connection points 8 (Fig. 1, Fig. 2).
  • the electromechanical switching arrangement 1 is multilayered and has a first layer 2a, a second layer 3a and a third layer 7a (Fig. 2).
  • the first layer 2a corresponds to the first connection region 2
  • the second layer 3a corresponds to a second connection region 3
  • the third layer 7a corresponds to the switching matrix 7 (Fig. 2).
  • the third layer 7a i.e. the switching matrix 7, is movably arranged between the first layer 2a and the second layer 3a (Fig. 2).
  • the first layer 2a, the second layer 3a and the third layer 7a each have an electrically insulating base body 9a, 9b, 9c and an electrically conductive guide element 10a, 10b, 10c (Fig. 2).
  • the base bodies 9a, 9b, 9c are each designed as an injection-molded part, into which a metallic stamped part is integrated as an electrically conductive guide element 10a, 10b, 10c.
  • the respective electrically conductive element 10a, 10b is partially separated from the respective electrically insulating base body 9a, 9b. not covered (Fig. 1 , Fig. 2).
  • connection points 8 of the third layer 7a regions of the electrically conductive guide element 10c protrude from the electrically insulating base body 9c of the third layer 3a.
  • the contact points 4a of the first connection area 2, i.e. the first layer 2a, and the contact points 4b of the second connection area 3, i.e. the second layer 3a, are not covered by the base body, whereby a contact opening 12a, 12b is formed in each case.
  • An electrically conductive contact element 13a, 13b in the form of a metallic pin is arranged in each contact opening 12a, 12b.
  • the pin is electrically applied to the respective contact point 4a, 4b, i.e. is electrically connected to it, and is prestressed in a direction towards the switching matrix 7, i.e. the third layer 7a, via an elastic element 14a, 14b, here a compression spring - in a z-direction with reference to Fig. 2.
  • the x and y alignment of the pins is selected such that a pin of the second layer 3a is arranged opposite each pin of the first layer 2a.
  • the switching arrangement 1 also has a cooling unit 15, wherein the cooling unit 15 comprises a first cooling plate 15a and a second cooling plate 15b.
  • the first cooling plate 15a is thermally connected to the first layer 2a and the second cooling plate 15b is thermally connected to the second layer 3a of the switching arrangement 1 (Fig. 2).
  • the switching matrix 7 can be moved into several switching positions via the actuator 6.
  • the actuator can move the switching matrix in the y-direction into several switching positions (Fig. 2).
  • at least one contact point 4a of the first connection region 2 is electrically connected to at least one contact point 4b of the second connection region 3 or there is no electrical connection between the contact points 4a of the first connection region 2 and the contact points 4b of the second connection region 3, so that the first connection region 2 and the second connection region 3 are electrically separated from one another.
  • the arrangement of the electrically conductive regions of the third layer 7a, i.e. the switching matrix 7, represented by the electrically conductive guide element 10c and the insulating regions represented by the electrically insulating base body 9c is selected such that, depending on the desired switching position of the switching matrix 7, the necessary contact points 4a, 4b of the first connection region 2 and the second connection region 3 are electrically conductively connected to one another.
  • the switching matrix 7 can be actuated via the actuator 6 in five switching positions, namely in a first switching position “AC ("Alternating Current") charging with 400V” (Fig. 3), in a second switching position “DC ("Direct Current”) charging with 400V” (Fig. 4), in a third switching position “Neutral / Safe State” (Fig. 5), in a fourth switching position “Drive” (Fig. 6) and in a fifth switching position "DC charging with 800V” (Fig. 7).
  • AC Alternating Current
  • DC Direct Current
  • AC charging with 400V refers, for example, to a switching position of the switching arrangement 1 in which the 800V battery is charged at an AC charging station, a “wall box” or a socket with a 400V “on-board charger” (Fig. 3).
  • DC charging with 400V refers to For example, a switching position of the switching arrangement 1 in which charging of the 800V battery takes place at a 400V DC charging station (Fig. 4).
  • Neutral / Safe State refers, for example, to a switching position of the switching arrangement 1 in which the electrical connection from the 800V battery to all consumers of the motor vehicle is interrupted (Fig. 5).
  • driving is to be understood as meaning, for example, a switching position of the switching arrangement 1 in which an electrical connection exists between the 800V battery and the “drive units” of the motor vehicle (Fig. 6).
  • DC charging with 800V refers, for example, to a switching position of the switching arrangement 1 in which the 800V battery is charged at an 800V DC charging station (Fig. 7).
  • the actuator 6 of the actuator unit 5 is designed to be self-locking, so that power consumption is only required when the switching position of the switching matrix 7 changes and no power is required during operation in a switching position.
  • an active shutdown device is integrated in the switching arrangement 1 (not shown). If necessary, sensors and sensor technology required for operation can also be integrated directly into the switching matrix (e.g. current, voltage or temperature measurement).
  • the third layer 7a has geometric measures (not shown) to interrupt conductive traces caused by abrasion and thus ensure the necessary dielectric strength. In order to reduce or avoid arcs that occur during switching, an optional high resistance value is switched, which is reduced to the minimum possible resistance for the operating case.
  • Electromechanical switching arrangement First connection area a First layer Second connection area a Second layer a Contact point of the first connection area b Contact point of the second connection area Actuator unit Actuator Switching matrix a Third layer Connection point of the switching matrix a Base body of the first layer b Base body of the second layer c Base body of the third layer 0a Conducting element of the first layer 0b Conducting element of the second layer 0c Conducting element of the third layer 1 Through hole 2a Contact opening in the first layer 2b Contact opening in the second layer 3a Contact element in the contact opening of the first layer3b Contact element in the contact opening of the second layer4a Elastic element in the contact opening of the first layer4b Elastic element in the contact opening of the second layer5 Cooling unit 5a First cooling plate 15b Second cooling plate

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Abstract

Elektromechanische Schaltanordnung (1) mit einen ersten Anschlussbereich (2) und einem zweiten Anschlussbereich (3), wobei der erste Anschlussbereich (2) und der zweite Anschlussbereich (3) jeweils zumindest zwei elektrische Kontaktstellen (4a, 4b) aufweisen, wobei die elektrischen Kontaktstellen (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) und die elektrischen Kontaktstellen (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) über eine Aktuatoreinheit (5) elektrisch verbindbar und trennbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (5) zumindest einen Aktuator (6) und zumindest eine über den Aktuator (6) in mehrere Schaltpositionen bewegbare Schaltmatrix (7) mit zumindest zwei Verbindungsstellen (8) aufweist, wobei je nach aktuierter Schaltposition der Schaltmatrix (7) zumindest eine Kontaktstelle (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) mit zumindest einer Kontaktstelle (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) elektrisch verbunden ist oder zwischen den Kontaktstellen (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) und den Kontaktstellen (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) keine elektrische Verbindung herrscht, sodass der erste Anschlussbereich (2) und der zweite Anschlussbereich (3) elektrisch voneinander getrennt sind sowie Stromverteilereinheit (16) für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektromechanischen Schaltanordnung (1).

Description

Elektromechanische Schaltanordnunq sowie
Stromverteilereinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine solche elektromechanische Schaltanordnunq
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Schaltanordnung mit einem ersten Anschlussbereich und einem zweiten Anschlussbereich, wobei der erste Anschlussbereich und der zweite Anschlussbereich jeweils zumindest zwei elektrische Kontaktstellen aufweisen, wobei die elektrischen Kontaktstellen des ersten Anschlussbereichs und die elektrischen Kontaktstellen des zweiten Anschlussbereichs über eine Aktuatoreinheit elektrisch verbindbar und trennbar sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Stromverteilereinheit für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeug, umfassend eine solche elektromechanische Schaltanordnung.
Stand der Technik
Stromverteilereinheiten für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge, weisen neben Sicherungseinheiten sowie Spannungs- und Strommesssystemen auch Schaltanordnungen auf, die das Fließen von Elektrizität durch einen elektrischen Stromkreis des Fahrzeugs verhindern oder ermöglichen.
In der Regel sind diese Schaltanordnungen aus zumindest drei Relais aufgebaut - je nach Ausführungsform sind zumindest zwei Hochstromrelais und ein Vorladerelais verbaut. Fallweise können auch weitere Relais zum Zu- und Abschalten von Antriebseinheiten, DC-Ladekontakten, einer Batteriebankumschaltung sowie zur Erfüllung anderer Funktionen verbaut sein. Die verwendeten Relais bestehen je aus einem Kontakt und einem Aktuator die durch entsprechende Endstufen eines Steuergerätes angesteuert und über spezifische Schaltungen überwacht werden.
Aus der Verwendung mehrerer einzelner Relais sowie Aktuatoren ergibt sich neben den hohen Kosten, ein erhöhter Bauraumbedarf und ein erhöhtes Gewicht. Weiterhin weisen die Relais selbst meist zwei Hochstrom-Anschlüsse auf, die nur passiv über die angebundenen Stromschienen gekühlt werden können. Dies wirkt sich nachteilig auf Bauraum sowie Gewicht der Kontakttechnik aus. Die Anforderungen an Stromtragfähigkeit und Schließ- sowie Öffnungsgeschwindigkeit erfordern auch eine Anpassung der Aktuatoren. Diese wirkt sich nachteilig auf das Gesamtgewicht, das Gesamtvolumen und die Energieeffizienz aus. Zusätzlich ergeben sich komplexe Steuer- und Überwachungssysteme für jedes einzelne Relais, um auftretende Fehlfunktionen zu erkennen bzw. vorzubeugen. Die Summe all dieser Nachteile ergibt den Wunsch nach einer verbesserten Schaltanordnung, die sich für den Einsatz in einer Stromverteilereinheit eines batterieelektrischen Fahrzeugs eignet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektromechanische Schaltanordnung anzugeben. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Stromverteilereinheit für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeug, zu generieren.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 12 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die erfindungsgemäße elektromechanische Schaltanordnung umfasst einen ersten Anschlussbereich und einen zweiten Anschlussbereich.
Der erste Anschlussbereich kann beispielsweise stromführend mit einem Energiespeicher, wie einer (Sekundär-)Batterie, einer Brennstoffzelle, etc., verbunden sein. Der zweite Anschlussbereich 3 kann stromführend mit zumindest einem Verbraucher, in einem Kraftfahrzeug beispielsweise mit einer „Heater/Cooler- Einheit“, einem „Solar Interface“, einem „DCDC-Wandler“, „Drive Units (Antriebseinheiten)“, „DC-Lade-Interface“, etc., verbunden sein.
Der erste Anschlussbereich und der zweite Anschlussbereich weisen erfindungsgemäß jeweils zumindest zwei elektrische Kontaktstellen auf, wobei die elektrischen Kontaktstellen des ersten Anschlussbereichs und die elektrischen Kontaktstellen des zweiten Anschlussbereichs über eine Aktuatoreinheit elektrisch verbindbar und trennbar sind.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist die Aktuatoreinheit zumindest einen Aktuator und zumindest eine über den Aktuator in mehrere Schaltpositionen bewegbare Schaltmatrix mit zumindest zwei Verbindungsstellen auf.
Erfindungsgemäß ist, je nach aktuierter Schaltposition der Schaltmatrix, zumindest eine Kontaktstelle des ersten Anschlussbereichs mit zumindest einer Kontaktstelle des zweiten Anschlussbereichs elektrisch verbunden oder zwischen den Kontaktstellen des ersten Anschlussbereichs und des zweiten Anschlussbereichs herrscht keine elektrische Verbindung, sodass der erste Anschlussbereich und der zweite Anschlussbereich elektrisch voneinander getrennt sind.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der elektromechanischen Schaltanordnung können sämtliche elektromechanischen Schalter (Relais) in eine Schaltmatrix integriert werden, die durch einen Aktuator gleichzeitig geschaltet werden kön- nen. Um verschiedene Schaltzustände zu realisieren, bewegt der Aktuator die Schaltmatrix zwischen den Kontaktstellen der Anschlussbereiche in diskrete Schaltpositionen. Die Schaltmatrix weist ein entsprechendes Schaltmuster auf das ein gezieltes, zeitgleiches oder zeitversetztes Schalten mehrerer Lastkanäle erlaubt.
Besonders bevorzugt weist die Schaltmatrix mehrere Verbindungsstellen auf, die ein Schaltmuster ergeben das es erlaubt je nach aktuierter Schaltposition der Schaltmatrix über die Kontaktstellen des ersten Anschlussbereichs und die Kontaktstellen +des zweiten Anschlussbereichs zeitgleich mehrere elektrische Verbindungen zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich herzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist die Schaltanordnung mehrschichtig ausgebildet, wobei über eine erste Schicht der erste Anschlussbereich mit den Kontaktstellen, über eine zweite Schicht der zweite Anschlussbereich mit den Kontaktstellen und über eine dritte Schicht die Schaltmatrix mit den Verbindungsstellen ausgebildet ist.
Die dritte Schicht ist dabei vorzugsweise bewegbar zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet.
Vorzugsweise sind die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils aus einem elektrisch isolierenden Basiskörper und einem elektrisch leitenden Leitelement ausgebildet, wobei der Basiskörper derart ausgebildet ist, dass das Leitelement zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung des jeweiligen Leitelements bereichsweise elektrisch zugänglich ist und so die Kontaktstellen des ersten Anschlussbereichs und die Kontaktstellen des zweiten Anschlussbereichs ausgebildet werden. Die Schaltmatrix ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Basiskörper ausgebildet, wobei der Basiskörper zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung zumindest einer Kontaktstelle des ersten Abschlussbereichs mit zumindest einer der Kontaktstelle des zweiten Anschlussbereichs zumindest ein Durchgangsloch aufweist, das eine Verbindungsstelle der Schaltmatrix ausbildet.
Weiterhin kann die Schaltmatrix aus einem elektrisch isolierenden Basiskörper und einem elektrisch leitenden Leitelement ausgebildet sein, wobei der Basiskörper derart ausgebildet ist, dass das Leitelement zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung zumindest einer Kontaktstelle des ersten Anschlussbereichs mit zumindest einer Kontaktstelle des zweiten Anschlussbereichs bereichsweise elektrisch zugänglich ist und so zumindest eine Verbindungsstelle der Schaltmatrix ausgebildet.
Zur Ausbildung zumindest einer Kontaktstelle des ersten Anschlussbereichs, zumindest einer Kontaktstelle des zweiten Anschlussbereichs und/oder zumindest einer Verbindungstelle der dritten Schicht stehen vorzugsweise Bereiche des elektrisch leitenden Leitelements aus dem elektrisch isolierenden Basiskörper hervor und/oder der elektrisch isolierende Basiskörper überdeckt Bereiche des elektrisch leitenden Leitelements nicht.
Die Basiskörper können jeweils als Spritzgussteil ausgebildet sein, in die jeweils ein metallisches Stanzteil als elektrisch leitendes Leitelement integriert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung sind die Kontaktstellen des ersten Anschlussbereichs und die Kontaktstellen des zweiten Anschlussbereichs nicht vom Basiskörper überdeckt und so wird jeweils eine Kontaktöffnung ausgebildet. In der Kontaktöffnung ist jeweils vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement angeordnet, das an der Kontaktstelle elektrisch leitend angelegt ist und jeweils über ein elastisches Element in eine Richtung zu der Schaltmatrix hin vorgespannt ist.
Die Verbindungsstellen der Schaltmatrix sind hierbei vorzugsweise ausgebildet, indem Bereiche des elektrisch leitenden Leitelements aus dem elektrisch isolierenden Basiskörper hervorstehen und/oder indem der elektrisch isolierte Basiskörper Durchgangslöcher aufweist.
Weiterhin bevorzugt weist die Schaltanordnung eine Kühleinheit auf, wobei die Kühleinheit thermisch an den ersten Anschlussbereich und/oder den zweiten Anschlussbereich der Schaltanordnung angebunden ist. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer Kühlung nahe den aktiven Teilen der Schaltanordnung, die eine weitere Optimierung des Gewichts und des benötigten Bauraums der Schaltanordnung erlaubt.
Die erfindungsgemäße Stromverteilereinheit eignet sich für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeug, und umfasst eine erfindungsgemäße elektromechanische Schaltanordnung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine elektromechanische Schaltanordnung ohne eine erste Kühlplatte und ohne eine erste Schicht, aber mit Kontaktstellen des ersten Anschlussbereichs. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer elektromechanischen
Schaltanordnung entlang einer Schnittebene A-A gemäß Fig. 1 mit einer ersten Kühlplatte und einer ersten Schicht der Schaltanordnung.
Fig. 3 zeigt schematisch eine erste Schaltposition einer elektromechanischen Schaltanordnung gemäß Fig. 1.
Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite Schaltposition einer elektromechanischen Schaltanordnung gemäß Fig. 1.
Fig. 5 zeigt schematisch eine dritte Schaltposition einer elektromechanischen Schaltanordnung gemäß Fig. 1.
Fig. 6 zeigt schematisch eine vierte Schaltposition einer elektromechanischen Schaltanordnung gemäß Fig. 1.
Fig. 7 zeigt schematisch eine fünfte Schaltposition einer elektromechanischen Schaltanordnung gemäß Fig. 1.
Fig. 8 zeigt schematisch eine erste Ausführungsvariante einer
Stromverteilereinheit mit einer Schaltanordnung.
Fig. 9 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsvariante einer
Stromverteilereinheit mit einer Schaltanordnung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Allgemeinen kann das erfindungsgemäße funktionale Prinzip in verschiedensten Varianten dargestellt werden. Im vorliegenden Fall wird eine erfindungsgemäße elektromechanische Schaltanordnung 1 anhand eines planar ausgeführten Systems näher beschrieben - in Fig.1 und Fig. 2 ist schematisch eine beispielhafte Ausführungsvariante einer elektromechanischen Schaltanordnung 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Eine „aufgewickelte“, also im Wesentlichen zylindrische, Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung 1 ist beispielsweise auch denkbar.
Die in Fig. 1 bis Fig. 7 dargestellte elektromechanische Schaltanordnung 1 ist Teil einer Stromverteilereinheit 16 eines Elektrokraftfahrzeugs mit einer 800V Batterie 19 als Energiespeicher (Fig. 8, Fig. 9).
In Fig. 8 und Fig. 9 sind schematisch zwei Ausführungsvarianten einer Stromverteilereinheit 16 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Neben der Schaltanordnung 1 umfassen die beiden Stromverteilereinheiten auch Stromsensoren 17 und Sicherungen 18, die in unterschiedlichen Konfigurationen verbaut sein können.
Die elektromechanische Schaltanordnung 1 weist einen ersten Anschlussbereich 2 mit mehreren Kontaktstellen 4a, nämlich sieben Kontaktstellen 4a, und einen zweiten Anschlussbereich 3 mit mehreren Kontaktstellen 4b, nämlich sieben Kontaktstellen 4b, auf (Fig. 1 , Fig. 2).
Der erste Anschlussbereich 2 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel elektrisch mit dem Energiespeicher, nämlich einer 800V (Sekundär-)Batterie 19, verbunden. Der zweite Anschlussbereich 3 ist in dem vorliegenden Ausführungs- beispiel elektrisch mit mehreren Verbrauchern 20 des Kraftfahrzeugs verbunden (Fig.8, Fig. 9).
Weiterhin weist die elektromechanische Schaltanordnung 1 eine Aktuatoreinheit 5 auf. Die Aktuatoreinheit 5 umfasst einen Aktuator 6 und eine Schaltmatrix 7 mit mehreren Verbindungsstellen 8, nämlich sieben Verbindungsstellen 8 (Fig. 1 , Fig. 2).
Die elektromechanische Schaltanordnung 1 ist mehrschichtig ausgebildet und weist eine erste Schicht 2a, eine zweite Schicht 3a und eine dritte Schicht 7a auf (Fig. 2).
Die erste Schicht 2a entspricht dem ersten Anschlussbereich 2, die zweite Schicht 3a entspricht einem zweiten Anschlussbereich 3 und die dritte Schicht 7a entspricht der Schaltmatrix 7 (Fig. 2).
Die dritte Schicht 7a, also die Schaltmatrix 7, ist bewegbar zwischen der ersten Schicht 2a und der zweiten Schicht 3a angeordnet (Fig. 2).
Die erste Schicht 2a, die zweite Schicht 3a und die dritte Schicht 7a weisen jeweils einen elektrisch isolierenden Basiskörper 9a, 9b, 9c und ein elektrisch leitendes Leitelement 10a, 10b, 10c auf (Fig. 2).
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und Fig. 2 sind die Basiskörper 9a, 9b, 9c jeweils als Spritzgussteil ausgebildet, in die jeweils ein metallisches Stanzteil als elektrisch leitendes Leitelement 10a, 10b, 10c integriert ist.
Zur Ausbildung der Kontaktstellen 4a der ersten Schicht 2a und der Kontaktstellen 4b der zweiten Schicht 3a wird das jeweilige elektrisch leitende Leitelement 10a, 10b von dem jeweiligen elektrisch isolierende Basiskörper 9a, 9b bereichsweise nicht überdeckt (Fig. 1 , Fig. 2).
Zur Ausbildung der Verbindungstellen 8 der dritten Schicht 7a stehen Bereiche des elektrisch leitenden Leitelements 10c aus dem elektrisch isolierenden Basiskörper 9c der dritten Schicht 3a hervor.
Die Kontaktstellen 4a des ersten Anschlussbereichs 2, also der ersten Schicht 2a, und die Kontaktstellen 4b des zweiten Anschlussbereichs 3, also der zweiten Schicht 3a, sind nicht vom Basiskörper überdeckt, wodurch jeweils eine Kontaktöffnung 12a, 12b ausgebildet wird. In der Kontaktöffnung 12a, 12b ist jeweils ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement 13a, 13b in Form eines metallischen Pins angeordnet. Der Pin ist an der jeweiligen Kontaktstelle 4a, 4b elektrisch angelegt, also mit dieser elektrisch leitend verbunden, und ist jeweils über ein elastisches Element 14a, 14b, hier eine Druckfeder, in eine Richtung zu der Schaltmatrix 7, also der dritten Schicht 7a, hin vorgespannt ist - in Bezug auf Fig. 2 in eine z- Richtung.
Wie in Fig. 2 ersichtlich, ist die x- und y-Ausrichtung der Pins so gewählt, dass gegenüber jedes Pins der ersten Schicht 2a ein Pin der zweiten Schicht 3a angeordnet ist.
Die Schaltanordnung 1 weist zudem eine Kühleinheit 15 auf, wobei die Kühleinheit 15 eine erste Kühlplatte 15a und eine zweite Kühlplatte 15b umfasst. Die erste Kühlplatte 15a ist thermisch an die erste Schicht 2a und die zweite Kühlplatte 15b ist thermisch an die zweite Schicht 3a der Schaltanordnung 1 angebunden (Fig. 2).
Die Schaltmatrix 7 ist über den Aktuator 6 in mehrere Schaltpositionen bewegbar. In der beschriebenen Ausführungsvariante kann der Aktuator die Schaltmatrix in y- Richtung in mehrere Schaltpositionen bewegen (Fig. 2). Je nach aktuierter Schaltposition der Schaltmatrix 7 ist zumindest eine Kontaktstelle 4a des ersten Anschlussbereichs 2 mit zumindest einer Kontaktstelle 4b des zweiten Anschlussbereichs 3 elektrisch verbunden oder zwischen den Kontaktstellen 4a des ersten Anschlussbereichs 2 und den Kontaktstellen 4b des zweiten Anschlussbereichs 3 herrscht keine elektrische Verbindung, sodass der erste Anschlussbereich 2 und der zweite Anschlussbereich 3 elektrisch voneinander getrennt sind.
Die Anordnung der über das elektrisch leitfähige Leitelement 10c dargestellten elektrisch leitfähigen sowie über den elektrisch isolierenden Basiskörper 9c dargestellten isolierenden Bereiche der dritten Schicht 7a, also der Schaltmatrix 7, ist so gewählt, dass abhängig von der gewünschten Schaltposition der Schaltmatrix 7 die notwendigen Kontaktstellen 4a, 4b des ersten Anschlussbereichs 2 und des zweiten Anschlussbereichs 3 elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden.
Im Falle der vorliegenden Ausführungsvariante kann die Schaltmatrix 7 über den Aktuator 6 in fünf Schaltpositionen aktuiert werden, nämlich in eine erste Schaltposition „AC („Alternating Current"; Wechselstrom) -Laden mit 400V“ (Fig. 3), in eine zweite Schaltposition „DC („Direct Current“; Gleichstrom) -Laden mit 400V“ (Fig. 4), in eine dritte Schaltposition „Neutral / Safe State“ (Fig. 5), in eine vierte Schaltposition „Fahren“ (Fig. 6) und in eine fünfte Schaltposition „DC-Laden mit 800V“ (Fig. 7).
Unter der Begrifflichkeit „AC-Laden mit 400V“ ist in diesem Zusammenhang beispielsweise eine Schaltposition der Schaltanordnung 1 zu verstehen, in der ein Laden der 800V Batterie an einer AC-Ladesäule, einer „Wallbox“ oder einer Steckdose mit einem 400V „On Board Charger“ stattfindet (Fig. 3).
Unter der Begrifflichkeit „DC-Laden mit 400V“ ist in diesem Zusammenhang bei- spielsweise eine Schaltposition der Schaltanordnung 1 zu verstehen, in der ein Laden der 800V Batterie an einer 400V DC-Ladesäule stattfindet (Fig. 4).
Unter der Begriffl ichkeit „Neutral / Safe State“ ist in diesem Zusammenhang beispielsweise eine Schaltposition der Schaltanordnung 1 zu verstehen, in der die elektrische Verbindung von der 800V Batterie zu sämtlichen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs unterbrochen ist (Fig. 5).
Unter der Begriffl ichkeit „Fahren“ ist in diesem Zusammenhang beispielsweise eine Schaltposition der Schaltanordnung 1 zu verstehen, in der eine elektrische Verbindung zwischen der 800V Batterie und den „Drive Units“ des Kraftfahrzeugs besteht (Fig. 6).
Unter der Begrifflichkeit „DC-Laden mit 800V“ ist in diesem Zusammenhang beispielsweise eine Schaltposition der Schaltanordnung 1 zu verstehen, in der ein Laden der 800V Batterie an einer 800V DC-Ladesäule stattfindet (Fig. 7).
Der Aktuator 6 der Aktuatoreinheit 5 ist selbsthemmend ausgeführt, sodass eine Leistungsaufnahme nur bei einem Wechsel der Schaltposition der Schaltmatrix 7 erforderlich ist und während des Betriebs in einer Schaltposition keine Leistung benötigt wird. Um die Anforderungen an die Abschaltzeiten zu gewährleisten ist in der Schaltanordnung 1 eine aktive Abschalteinrichtung integriert (nicht dargestellt). Im Bedarfsfall kann eine für den Betrieb erforderliche Sensorik und Sensortechnik auch direkt in die Schaltmatrix integriert werden (z.B.: Strom-, Spannungs- oder Temperaturmessung).
Zusätzlich weist die dritte Schicht 7a geometrische Maßnahmen (nicht dargestellt) auf, um durch Abrieb entstehende leitfähige Spuren zu unterbrechen und damit die notwendige Spannungsfestigkeit zu gewährleisten. Um beim Schalten entstehende Lichtbögen zu reduzieren bzw. zu vermeiden wird optional zu Beginn ein hoher Widerstandswert geschaltet, der für den Betriebsfall auf den minimalen möglichen Widerstand reduziert wird.
Bezuqszeichenliste Elektromechanische Schaltanordnung Erster Anschlussbereich a Erste Schicht Zweiter Anschlussbereich a Zweite Schicht a Kontaktstelle des ersten Anschlussbereichs b Kontaktstelle des zweiten Anschlussbereichs Aktuatoreinheit Aktuator Schaltmatrix a Dritte Schicht Verbindungsstelle der Schaltmatrix a Basiskörper der ersten Schicht b Basiskörper der zweiten Schicht c Basiskörper der dritten Schicht 0a Leitelement der ersten Schicht 0b Leitelement der zweiten Schicht 0c Leitelement der dritten Schicht 1 Durchgangsloch 2a Kontaktöffnung in der ersten Schicht 2b Kontaktöffnung in der zweiten Schicht 3a Kontaktelement in der Kontaktöffnung der ersten Schicht3b Kontaktelement in der Kontaktöffnung der zweiten Schicht4a Elastisches Element in der Kontaktöffnung der ersten Schicht4b Elastisches Element in der Kontaktöffnung der zweiten Schicht5 Kühleinheit 5a Erste Kühlplatte 15b Zweite Kühlplatte
16 Stromverteilereinheit
17 Stromsensor
18 Sicherung
19 Batterie (800V)
20 Verbraucher x x-Achse (eines dreidimensionalen Koordinatensystems) y y-Achse (eines dreidimensionalen Koordinatensystems) z z-Achse (eines dreidimensionalen Koordinatensystems)

Claims

Patentansprüche
1 . Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) mit einen ersten Anschlussbereich (2) und einem zweiten Anschlussbereich (3), wobei der erste Anschlussbereich (2) und der zweite Anschlussbereich (3) jeweils zumindest zwei elektrische Kontaktstellen (4a, 4b) aufweisen, wobei die elektrischen Kontaktstellen (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) und die elektrischen Kontaktstellen (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) über eine Aktuatoreinheit (5) elektrisch verbindbar und trennbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (5) zumindest einen Aktuator (6) und zumindest eine über den Aktuator (6) in mehrere Schaltpositionen bewegbare Schaltmatrix (7) mit zumindest zwei Verbindungsstellen (8) aufweist, wobei je nach aktuierter Schaltposition der Schaltmatrix (7) zumindest eine Kontaktstelle (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) mit zumindest einer Kontaktstelle (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) elektrisch verbunden ist oder zwischen den Kontaktstellen (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) und den Kontaktstellen (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) keine elektrische Verbindung herrscht, sodass der erste Anschlussbereich (2) und der zweite Anschlussbereich (3) elektrisch voneinander getrennt sind.
2. Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltmatrix (7) mehrere Verbindungsstellen (8) aufweist, die ein Schaltmuster ergeben das es erlaubt je nach aktuierter Schaltposition der Schaltmatrix (7) über die Kontaktstellen (4a, 4b) zeitgleich mehrere elektrische Verbindungen zwischen dem ersten Anschlussbereich (2) und dem zweiten Anschlussbereich (3) herzustellen.
3. Elektromechanische Schaltanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltanordnung (1) mehrschichtig ausgebildet ist und über eine erste Schicht (2a) der erste Anschlussbereich (2) mit den Kontaktstellen (4a), eine zweite Schicht (3a) der zweite Anschlussbereich (3) mit den Kontaktstellen (4b) und über eine dritte Schicht (7a) die Schaltmatrix (7) mit den Verbindungsstellen (8) ausgebildet wird, wobei die dritte Schicht (7a) bewegbar zwischen der ersten Schicht (2a) und der zweiten Schicht (3a) angeordnet ist.
4. Elektromechanische Schaltanordnung (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Schicht (2a) und die zweite Schicht (3a) jeweils aus einem elektrisch isolierenden Basiskörper (9a, 9b) und einem elektrisch leitenden Leitelement (10a, 10b) ausgebildet sind, wobei der Basiskörper (9a, 9b) derart ausgebildet ist, dass das Leitelement (10a, 10b) zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung bereichsweise elektrisch zugänglich ist und so die Kontaktstellen (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) und die Kontaktstellen (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) ausgebildet werden.
5. Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltmatrix (7) aus einem elektrisch isolierenden Basiskörper (9c) ausgebildet ist, wobei der Basiskörper (9c) zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung zumindest einer Kontaktstelle (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) mit zumindest einer Kontaktstelle (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) zumindest ein Durchgangsloch (11) aufweist das eine Verbindungsstelle (8) der Schaltmatrix (7) ausbildet.
6. Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) nach Anspruch 3, 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltmatrix (7) aus einem elektrisch isolierenden Basiskörper (9c) und einem elektrisch leitenden Leitelement (10c) ausgebildet ist, wobei der Basiskörper (9c) derart ausgebildet ist, dass das Leitelement (10c) zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung zumindest einer Kontaktstelle (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) mit zumindest einer Kontaktstelle (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) bereichsweise elektrisch zugänglich ist und so zumindest eine Verbindungsstelle (8) der Schaltmatrix (7) ausgebildet.
7. Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis
6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Ausbildung zumindest einer Kontaktstelle (4a) des ersten Anschlussbereichs (2), zumindest einer Kontaktstelle des zweiten Anschlussbereichs (3) und/oder zumindest einer Verbindungstelle (8) der Schaltmatrix (7), Bereiche des elektrisch leitenden Leitelements (10a, 10b, 10c) aus dem elektrisch isolierenden Basiskörper (9a, 9b, 9c) hervorstehen und/oder der elektrisch isolierende Basiskörper (9a, 9b, 9c) Bereiche des elektrisch leitenden Leitelements (10a, 10b, 10c) nicht überdeckt.
8. Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis
7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Basiskörper (10a, 10b, 10c) jeweils als Spritzgussteil ausgebildet sind, in die jeweils ein metallisches Stanzteil als elektrisch leitendes Leitelement (9a, 9b, 9c) integriert ist.
9. Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kontaktstellen (4a) des ersten Anschlussbereichs (2) und die Kontaktstellen (4b) des zweiten Anschlussbereichs (3) nicht vom jeweiligen Basiskörper (9a, 9b) überdeckt sind und so jeweils eine Kontaktöffnung (12a, 12b) ausgebildet wird, wobei in der Kontaktöffnung (12a, 12b) jeweils ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (13a, 13b) angeordnet ist, das an der Kontaktstelle (4a, 4b) elektrisch leitend angelegt ist und jeweils über ein elastisches Element (14a, 14b) in eine Richtung zu der Schaltmatrix (7) hin vorgespannt ist.
10. Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungsstellen (8) der Schaltmatrix (7) ausgebildet sind, indem Bereiche des elektrisch leitenden Leitelements (10c) aus dem elektrisch isolierenden Basiskörper (9c) hervorstehen und/oder indem der elektrisch isolierte Basiskörper (9c) Durchgangslöcher (11 ) aufweist.
11. Elektromechanische Schaltanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltanordnung (1) eine Kühleinheit (15) aufweist, wobei die Kühleinheit (15) thermisch an den ersten Anschlussbereich (2) und/oder den zweiten Anschlussbereich (3) der Schaltanordnung (1) angebunden ist.
12. Stromverteilereinheit (16) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybridoder Elektrokraftfahrzeug, umfassend eine elektromechanische Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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