DE102015114894B4 - Two methods for targeted short-circuiting of a secondary battery and two electrical circuits with a secondary battery and a bridging unit - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum gezielten Kurzschließen einer Sekundärbatterie (200), wobei die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie (200) mit einer Überbrückungseinheit (202) elektrisch überbrückt werden, wobei die Überbrückungseinheit (202) einen Kurzschlussschalter (110, 214) umfasst, der von einer Trennstellung in eine Leitstellung überführt werden kann, und wobei die Überbrückungseinheit (202) bei einem in der Leitstellung befindlichen Kurzschlussschalter (110, 214) einen Lastwiderstand RLastzwischen den elektrischen Anschlüssen der Sekundärbatterie (200) aufweist, der unterhalb des Innenwiderstands Rider Sekundärbatterie (200) liegt, wobei der Kurzschlussschalter (110, 214) als Schaltelement einen elektrisch leitenden Schaltkolben (1), eine elektrisch leitende Membran (17, 19) oder eine elektrisch leitende Kontaktplatte (12, 30) aufweist, wobei das Schaltelement beim Übergang von der Trenn- in die Leitstellung des Kurzschlussschalters (110, 214) einer Bewegung unterzogen wird, und dabei zwei Kontakte des Kurzschlussschalters (110, 214) miteinander verbindet, wodurch die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie (200) überbrückt werden.Method for the targeted short-circuiting of a secondary battery (200), wherein the electrical connections of the secondary battery (200) are electrically bridged with a bridging unit (202), wherein the bridging unit (202) comprises a short-circuit switch (110, 214) which switches from a disconnected position to a Control position can be transferred, and wherein the bridging unit (202) has a load resistance RLast between the electrical connections of the secondary battery (200) which is below the internal resistance Rider secondary battery (200) when a short-circuit switch (110, 214) is in the control position, wherein the Short-circuit switch (110, 214) has an electrically conductive switching piston (1), an electrically conductive membrane (17, 19) or an electrically conductive contact plate (12, 30) as the switching element, the switching element at the transition from the disconnected to the control position of the Short circuit switch (110, 214) is subjected to a movement, and between ei contacts of the short-circuit switch (110, 214) connects to one another, whereby the electrical connections of the secondary battery (200) are bridged.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum gezielten Kurzschließen einer Sekundärbatterie unter Verwendung einer Überbrückungseinheit zum Verbinden der Anschlüsse bzw. Pole der Sekundärbatterie. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischen Schaltkreis mit einer Sekundärbatterie und einer Überbrückungseinheit, wobei die Überbrückungseinheit als Kurzschluss-/Trennschalter ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Schaltkreis weisen den Vorteil auf, dass bei einer Entladung der Sekundärbatterie über die Überbrückungseinheit keine Entzündung der Sekundärbatterie auftritt.The present invention relates to a method for the targeted short-circuiting of a secondary battery using a bridging unit for connecting the terminals or poles of the secondary battery. The invention also relates to an electrical circuit with a secondary battery and a bridging unit, the bridging unit being designed as a short-circuit / disconnector. The method according to the invention and the circuit according to the invention have the advantage that if the secondary battery is discharged via the bridging unit, no ignition of the secondary battery occurs.
Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen werden als Energiequellen Sekundärbatterien, insbesondere Lithium-Batterien beziehungsweise Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Ein häufiges Problem solcher Sekundärbatterien ist es, dass sie bei Kurzschluss zur Überhitzung neigen, so dass sie sich entzünden können und es zu einem Brand der Sekundärbatterie kommt. Dabei werden unumgänglich auch die Nachbarzellen entzündet, was auch hier in einem Batteriebrand resultiert, der bis zur Explosion der Zelle führen kann, unter Umständen sogar mit unerwünschter Schubentwicklung.In electric and hybrid vehicles, secondary batteries, in particular lithium batteries or lithium-ion batteries, are used as energy sources. A common problem with such secondary batteries is that if they are short-circuited, they have a tendency to overheat, which can ignite and cause the secondary battery to catch fire. The neighboring cells are inevitably ignited, which also results in a battery fire, which can lead to the cell exploding, possibly even with undesirable thrust development.
Um Kurzschlüsse in Sekundärbatterien, insbesondere bei Fahrzeugunfällen zu verhindern, werden in die Stromkreise sogenannte Trennschalter eingebaut, die bei einem Unfall oder je nach Bedarf den Stromkreis unterbrechen und somit einen Kurzschluss der Sekundärbatterie verhindern sollen. Da Sekundärbatterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge in der Regel Batterieklemmspannungen zwischen 600V und 1300V aufweisen, sind solche Trennschalter nicht immer zuverlässige Einheiten zur Unterbrechung des Stromkreises, da es bei solch hohen Spannungen zu Lichtbögen innerhalb des Trennschalters kommen kann, die letzten Endes dazu führen, dass der Strom aus der Batterie im Kurzschlussfall eben doch nicht sicher unterbrochen werden kann. Dabei kann im Extremfall sogar der Trennschalter in Brand gesetzt werden oder explodieren. In order to prevent short circuits in secondary batteries, especially in vehicle accidents, so-called disconnectors are installed in the circuits, which interrupt the circuit in the event of an accident or as required and thus prevent a short circuit in the secondary battery. Since secondary batteries for electric and hybrid vehicles usually have battery terminal voltages between 600V and 1300V, such circuit breakers are not always reliable units for interrupting the circuit, since at such high voltages electric arcs can occur within the circuit breaker, which ultimately lead to the current from the battery cannot be safely interrupted in the event of a short circuit. In extreme cases, the disconnector can even be set on fire or explode.
Weiterhin kann es im Fall eines Unfalls eines Kraftfahrzeuges beispielsweise zu schadhaften Stellen im Kabelbaum kommen, die im Fall der Bildung von multiplen Lichtbögen im Kabelbaum und zwischen Kabelbaum und Chassis bzw. Masse jeden möglichen Lastwiderstand für die Batterie haben können. Entspricht der Lastwiderstand, der an die elektrischen Anschlüsse einer Batterie angelegt wird, im Wesentlichen dem Innenwiderstand der Batterie, entwickelt diese ihre optimale Leistung, wobei sie sich auch maximal erwärmt. Die Temperatur innerhalb der Batterie kann dabei bis zur Entzündungstemperatur der Batteriematerialien - d.h. der Gehäusematerialien und/oder der Elektrolyten - steigen, wodurch sich die Batterie entzünden und in Brand geraten kann. Moderne Sekundärbatterien, wie beispielsweise Lithium-Batterien beziehungsweise Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in Elektro- und Hybridfahrzeugen verbaut werden, aber auch Lithium-Polymer-Batterien, können so ausgebildet sein, dass sie beim Kurzschluss der elektrischen Anschlüsse der Batterie eigensicher sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass nach einem Kurzschluss zwar zunächst noch eine hohe, aber nur sehr kurze Stromspitze und anschließend ein niedrigerer Entladestrom auftritt, bis die Energie der Batterie erschöpft ist. Bei üblichen Sekundärbatterien für elektrisch angetriebene PKW liegen die Stromspitze zwischen etwa 10kA und 40kA und der Entladestrom nur noch im Bereich von etwa 1kA bis 7kA. Dieser um etwa eine Größenordnung niedrigere Entladestrom kann, abhängig vom Energieinhalt der Batterie, über längere Zeit (beispielsweise mehrere bzw. viele Minuten) aufrechterhalten werden, jedoch kommt es während der gesamten Entladezeit nicht zu einer Erwärmung der Batteriezellen bis zu deren Entzündung. Ein Abbrand der Batteriezellen und damit ein Abbrand der ganzen Batterie sowie eine damit einhergehende Gefährdung der Umgebung wird somit sicher vermieden.Furthermore, in the event of an accident in a motor vehicle, for example, damaged areas in the wiring harness can occur which, in the event of multiple arcing in the wiring harness and between the wiring harness and the chassis or ground, can have any possible load resistance for the battery. If the load resistance that is applied to the electrical connections of a battery essentially corresponds to the internal resistance of the battery, it will develop its optimum performance, and it will also heat up to the maximum. The temperature inside the battery can rise to the ignition temperature of the battery materials - i.e. the housing materials and / or the electrolytes - which can ignite the battery and catch fire. Modern secondary batteries, such as lithium batteries or lithium-ion batteries, such as those installed in electric and hybrid vehicles, but also lithium polymer batteries, can be designed in such a way that they are intrinsically safe when the electrical connections of the battery are shorted. This can be achieved in that after a short circuit there is initially a high but only very short current peak and then a lower discharge current until the energy of the battery is exhausted. In conventional secondary batteries for electrically powered cars, the current peak is between about 10kA and 40kA and the discharge current is only in the range of about 1kA to 7kA. This discharge current, which is about an order of magnitude lower, can be maintained for a long time (for example several or many minutes), depending on the energy content of the battery, but the battery cells do not heat up until they ignite during the entire discharge time. A burn-up of the battery cells and thus a burn-up of the entire battery as well as an associated hazard to the environment is thus reliably avoided.
Da die Zuverlässigkeit von Trennschaltern (Sicherungsschaltern) durch die mögliche Bildung von Lichtbögen nicht immer gewährleistet werden kann, besteht ein großer Bedarf an einer zusätzlichen Sicherungsmöglichkeit, die gewährleistet, dass sich Sekundärbatterien beim Kurzschluss im Kabelbaum bzw. im von der Batterie gespeisten Strompfad nicht entzünden können.Since the reliability of disconnectors (safety switches) cannot always be guaranteed due to the possible formation of arcs, there is a great need for an additional fuse option that ensures that secondary batteries cannot ignite in the event of a short circuit in the wiring harness or in the current path fed by the battery .
Die
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Es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum gezielten Kurzschließen einer Sekundärbatterie sowie einen Schaltkreis mit einer Überbrückungseinheit zu schaffen, wobei insbesondere im Falle eines unerwünschten Kurzschlusses in dem von der Sekundärbatterie gespeisten äußeren Strompfad, beispielsweise bei einem Unfall eines Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs, die Sekundärbatterie gezielt kurzgeschlossen werden kann, ohne dass diese auf eine unzulässig hohe Temperatur erhitzt wird, so dass die damit einhergehende Gefahr des Entzündens und Abbrennens der Sekundärbatterien weitestgehend reduziert bzw. vollständig vermieden wird.It was therefore the object of the present invention to provide a method for targeted short-circuiting of a secondary battery and a circuit with a bridging unit, especially in the event of an undesired short circuit in the external current path fed by the secondary battery, for example in the event of an accident in an electric or hybrid vehicle , the secondary battery can be specifically short-circuited without heating it to an impermissibly high temperature, so that the associated risk of the secondary batteries igniting and burning is largely reduced or completely avoided.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Verfahrens zum gezielten Kurzschließen einer Sekundärbatterie sowie einem elektrischen Schaltkreis mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 7 und 10 bzw. 12.The invention solves this problem by means of a method for the targeted short-circuiting of a secondary battery and an electrical circuit having the features of
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum gezielten Kurzschließen einer Sekundärbatterie werden die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie mit einer Überbrückungseinheit elektrisch überbrückt, wobei die Überbrückungseinheit einen Lastwiderstand RLast aufweist, der unterhalb des Innenwiderstands Ri der Sekundärbatterie liegt. Dabei geht der Lastwiderstand RLast der Überbrückungseinheit vorzugsweise gegen 0, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 0 < RLast < Ri, wobei der Kurzschlussschalter als Schaltelement einen elektrisch leitenden Schaltkolben, eine elektrisch leitende Membran oder eine elektrisch leitende Kontaktplatte aufweist, wobei das Schaltelement beim Übergang von der Trenn- in die Leitstellung des Kurzschlussschalters einer Bewegung unterzogen wird, und dabei zwei Kontakte des Kurzschlussschalters miteinander verbindet, wodurch die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie überbrückt werden.According to the inventive method for targeted short-circuiting of a secondary battery, the electrical connections of the secondary battery are electrically bridged with a bridging unit, the bridging unit having a load resistance R load which is below the internal resistance R i of the secondary battery. The load resistance R load of the bridging unit preferably approaches 0, but is preferably in the range of 0 <R load <R i , the short-circuit switch having an electrically conductive switching piston, an electrically conductive membrane or an electrically conductive contact plate as the switching element, the switching element is subjected to a movement during the transition from the disconnected to the control position of the short-circuit switch, and thereby connects two contacts of the short-circuit switch to one another, whereby the electrical connections of the secondary battery are bridged.
Ist der Lastwiderstand RLast kleiner als der Innenwiderstand Ri der Sekundärbatterie, so kann die Sekundärbatterie nicht die maximal mögliche Leistung abgeben und die Erwärmung der Batteriezellen hält sich deshalb in Grenzen. Auf diese Weise kommt es zu einer starken Verminderung der Gefahr der Entzündung der Sekundärbatterien, da ein Betrieb bei Leistungsanpassung, d.h. bei RLast= Ri vermieden wird.If the load resistance R load is less than the internal resistance R i of the secondary battery, the secondary battery cannot deliver the maximum possible power and the heating of the battery cells is therefore limited. In this way, the risk of the secondary batteries igniting is greatly reduced, since operation with power adjustment, ie when R load = R i , is avoided.
Unter dem Begriff „gezieltes Kurzschließen“ wird ein gewollter Kurzschluss der Sekundärbatterie verstanden, der durch das Überbrücken der zwei Anschlüsse der Sekundärbatterie mit der Überbrückungseinheit durchgeführt wird. Vorzugsweise wird das gezielte Kurzschließen dann durchgeführt, wenn bereits ein Kurzschluss im von der Sekundärbatterie gespeisten äußeren Strompfad erfolgt ist.The term “targeted short-circuiting” is understood to mean a deliberate short-circuit of the secondary battery, which is carried out by bridging the two connections of the secondary battery with the bridging unit. The targeted short-circuiting is preferably carried out when a short-circuit has already occurred in the external current path fed by the secondary battery.
Eine Sekundärbatterie ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis, der auch Akkumulator genannt wird.A secondary battery is a rechargeable store for electrical energy on an electrochemical basis, which is also called an accumulator.
Unter dem von der Sekundärbatterie gespeisten äußeren Strompfad versteht man den Strompfad den die Batterie unabhängig von dem Strompfad der Überbrückungseinheit speist.The external current path fed by the secondary battery is understood to be the current path that the battery feeds independently of the current path of the bridging unit.
Unter dem Lastwiderstand RLast versteht man allgemein den elektrischen Widerstand, mit dem die Sekundärbatterie belastet wird. Unter dem Lastwiderstand RLast der Überbrückungseinheit wird der Widerstand verstanden, den der Strompfad der Überbrückungseinheit zwischen den beiden Anschlüssen der Sekundärbatterie aufweist. Dabei ist die Überbrückungseinheit so definiert, dass sie an dem ersten Anschluss der Sekundärbatterie beginnt und an dem zweiten Anschluss der Sekundärbatterie endet, in anderen Worten verbindet die Überbrückungseinheit die beiden Anschlüsse der Sekundärbatterie und der Lastwiderstand RLast der Überbrückungseinheit ist damit der gesamte Widerstand dieser Einheit (ohne einen weiteren äußeren Lastwiderstand) zwischen den Anschlüssen der Batterie, d.h. insbesondere nicht nur der Widerstand eines einzelnen Bauteils der Überbrückungseinheit.The load resistance R load is generally understood to mean the electrical resistance with which the secondary battery is loaded. The load resistance R load of the bridging unit is understood to mean the resistance that the current path of the bridging unit has between the two terminals of the secondary battery. The bridging unit is defined in such a way that it begins at the first connection of the secondary battery and ends at the second connection of the secondary battery, in other words the bridging unit connects the two connections of the secondary battery and the load resistance R load of the bridging unit is thus the entire resistance of this unit (without a further external load resistance) between the connections of the battery, ie in particular not just the resistance of an individual component of the bridging unit.
Unter dem Innenwiderstand Ri wird erfindungsgemäß der konstruktionsbedingte Verlustfaktor im Inneren der Batterie verstanden. An diesem fällt bei Belastung der Batterie mit einer äußeren elektrischen Last eine Spannung Ui ab und die Klemmenspannung der Batterie verringert sich entsprechend, obwohl die Quellenspannung Uo im Inneren der Batterie selbst konstant bleibt.According to the invention, the internal resistance R i is understood to be the design-related loss factor inside the battery. When the battery is loaded with an external electrical load, a voltage U i drops across this and the terminal voltage of the battery decreases accordingly, although the source voltage Uo itself remains constant inside the battery.
Die Größe des Innenwiderstands ist bei real ausgeführten Batterien nicht konstant, sondern ist abhängig vom Laststrom, vom Lade- bzw. Entladezustand der Batterie, d.h. von dem jeweiligen Zustand der Chemie jeder einzelnen Batteriezelle, von der Temperatur der einzelnen Batteriezellen, vom Alter der Batteriezellen, d.h. vom generellen Zustand der Batteriezellenchemie, von den verwendeten Materialen und Elektrolyten sowie deren Reinheit und Aufbereitung und vom Aufbau der Batteriezellen und deren internen Verschaltung.The size of the internal resistance is not constant in real batteries, but depends on the load current, on the charge or discharge status of the battery, i.e. on the respective state of the chemistry of each individual battery cell, on the temperature of the individual battery cells, on the age of the battery cells, ie the general condition of the battery cell chemistry, the materials and electrolytes used as well as their purity and preparation, and the structure of the battery cells and their internal interconnection.
Der Lastwiderstand RLast der Überbrückungseinheit liegt nach der Erfindung vorzugsweise mindestens 10 %, höchst vorzugsweise mindestens 90 %, unterhalb des Innenwiderstands Ri der Sekundärbatterie. Darüber hinaus ist der Lastwiderstand RLast vorzugsweise größer als 0.According to the invention, the load resistance R load of the bridging unit is preferably at least 10%, most preferably at least 90%, below the internal resistance R i of the secondary battery. In addition, the load resistance R load is preferably greater than zero.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bevorzugt, dass der Gesamtlastwiderstand RGesamtlast, der sich aus dem Lastwiderstand der Überbrückungseinheit und dem äußeren Lastwiderstand RL des von der Sekundärbatterie gespeisten äußeren Strompfads ergibt, geringer als der Innenwiderstand der Sekundärbatterie ist. Dabei (und auch ganz allgemein im Sinne dieser Erfindung) ist der von der Sekundärbatterie gespeiste Strompfad so definiert, dass er an dem ersten Anschluss der Sekundärbatterie beginnt und an dem zweiten Anschluss der Sekundärbatterie endet, in anderen Worten verbindet der von der Sekundärbatterie gespeiste Strompfad die beiden Anschlüsse der Sekundärbatterie. Der Lastwiderstand der Überbrückungseinheit ist dabei wiederum so definiert, wie vorstehend beschrieben.In a further embodiment of the method according to the invention, it is preferred that the total load resistance R total load , which results from the load resistance of the bridging unit and the external load resistance R L of the external current path fed by the secondary battery, is less than the internal resistance of the secondary battery. The current path fed by the secondary battery is defined in such a way that it begins at the first connection of the secondary battery and ends at the second connection of the secondary battery; in other words, the current path fed by the secondary battery connects the both terminals of the secondary battery. The load resistance of the bridging unit is again defined as described above.
Im Falle von Sekundärbatterien für rein elektrisch oder mittels eines Hybridantriebs angetriebene PKW kann der Innenwiderstand Ri von geeigneten Sekundärbatterien beispielsweise im Bereich von 3 mΩ liegen. Liegt der äußere Lastwiderstand RL, d.h. der Lastwiderstand aller an der Batterie (bzw. der Überbrückungseinheit) angeschlossenen Verbraucher (einschließlich der Leitungswiderstände), bei Unfällen mit Kabelbaumschäden ebenfalls in diesem Bereich, d.h. in einem Bereich, in dem Leistungsanpassung besteht, so kommt es zu einer starken Erwärmung und ggf. Entzündung der Sekundärbatterie. Der Lastwiderstand RLast der Überbrückungseinheit wird daher erfindungsgemäß bei einer Sekundärbatterie mit einem Innenwiderstand im Bereich von 3 mΩ kleiner als 3 mΩ, vorzugsweise kleiner als 2 mΩ und höchst bevorzugt im Bereich von größer als 0 mΩ und kleiner oder gleich 2 mΩ gewählt. Ein entsprechend geringer Lastwiderstand wird in der Regel durch alle elektrisch gut leitenden Materialien ermöglicht.In the case of secondary batteries for cars driven purely electrically or by means of a hybrid drive, the internal resistance R i of suitable secondary batteries can be, for example, in the range of 3 mΩ. If the external load resistance R L , i.e. the load resistance of all consumers connected to the battery (or the bridging unit) (including the line resistances), is also in this area in the event of accidents with damage to the wiring harness, i.e. in an area in which there is power adjustment, it occurs excessive heating and possibly ignition of the secondary battery. The load resistance R load of the bridging unit is therefore selected according to the invention for a secondary battery with an internal resistance in the range of 3 mΩ, less than 3 mΩ, preferably less than 2 mΩ and most preferably in the range of greater than 0 mΩ and less than or equal to 2 mΩ. A correspondingly low load resistance is usually made possible by all materials with good electrical conductivity.
Der Kurzschlussschalter kann von einer Trennstellung in eine Leitstellung überführt werden. Bei der Trennstellung weisen die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie keinen elektrischen Kontakt über die Überbrückungseinheit auf. In der Leitstellung hingegen weisen die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie einen elektrischen Kontakt über die Überbrückungseinheit auf. In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, dass der Kurzschlussschalter im Falle des weiter oben genannten Kurzschlusses von einer Trennstellung in eine Leitstellung überführt wird.The short-circuit switch can be transferred from an isolated position to a control position. In the disconnected position, the electrical connections of the secondary battery have no electrical contact via the bridging unit. In the control position, however, the electrical connections of the secondary battery have an electrical contact via the bridging unit. In the method according to the invention, it is preferred that the short-circuit switch is transferred from a disconnected position to a control position in the event of the short-circuit mentioned above.
Der Kurzschlussschalter kann weiterhin einen Sensor, beispielsweise Draht- oder Glasfaser- oder PVDF-Sensor enthalten, der vorzugsweise so angeordnet ist, dass der Sensor bei einem Übergang des Kurzschlussschalters von der Trenn- in die Schaltstellung zerstört beziehungsweise zerquetscht beziehungsweise zerschnitten wird, ohne dass das den Kurzschlussvorgang beziehungsweise das Überbrücken der Anschlüsse der Sekundärbatterie stören würde. Ein solcher Sensor bietet die Möglichkeit zu detektieren, ob die Überbrückung tatsächlich stattgefunden hat.The short-circuit switch can also contain a sensor, for example a wire or glass fiber or PVDF sensor, which is preferably arranged so that the sensor is destroyed or crushed or cut when the short-circuit switch changes from the disconnected to the switch position, without this would interfere with the short-circuit process or the bridging of the connections of the secondary battery. Such a sensor offers the possibility of detecting whether the bridging has actually taken place.
Der Kurzschlussschalter enthält vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Kontakt, wobei jeweils einer der Kontakte mit einem der Anschlüsse der Sekundärbatterie verbunden ist.The short-circuit switch preferably contains a first and a second contact, one of the contacts being connected to one of the terminals of the secondary battery.
Im Falle des elektrisch leitenden Schaltkolbens als Schaltelement ist es bevorzugt, dass in der Trennstellung der Schaltkolben mit einem ersten Kontakt des Kurzschlussschalters verbunden ist und bei einer Bewegung des Schaltkolbens entlang seiner Achse auf einen zweiten Kontakt des Verbindungschalters trifft und somit eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt des Kurzschlussschalters herstellt. Der Schaltkolben kann in seinem Material massiv ausgelegt sein, er kann jedoch auch innen hohl sein, so dass seine Masse deutlich kleiner wird und damit schneller als ohne Aushöhlung beschleunigt werden kann, wobei ein Kurzschluss schneller erreicht wird. Die Aushöhlung im Kolben kann durch ein leichteres Material zum Beispiel Polyethylen oder Polyoxymethylen, oder Styropor gefüllt sein, um das Leervolumen für den aktivierbaren Antrieb so klein wie möglich zu halten. Hierdurch wird Treibladungspulver eingespart und gleichzeitig kann der Schaltkolben durch den dennoch höheren Brennkammerdruck schneller und auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Dies führt zu einem schneller erreichten Kurzschluss.In the case of the electrically conductive switching piston as a switching element, it is preferred that, in the disconnected position, the switching piston is connected to a first contact of the short-circuit switch and, when the switching piston moves along its axis, it encounters a second contact of the connecting switch and thus a connection between the first and the second contact of the short-circuit switch establishes. The switching piston can be made solid in its material, but it can also be hollow on the inside, so that its mass is significantly smaller and can thus be accelerated faster than without a hollow, with a short circuit being reached more quickly. The cavity in the piston can be filled with a lighter material, for example polyethylene or polyoxymethylene, or styrofoam, in order to keep the empty volume for the activatable drive as small as possible. This saves propellant powder and at the same time the switching piston can be accelerated faster and to higher speeds due to the higher combustion chamber pressure. This leads to a short circuit that is reached more quickly.
Im Falle einer elektrisch leitenden Membran als Schaltelement ist es bevorzugt, dass in der Trennstellung die elektrisch leitende Membran mit einem ersten Kontakt des Kurzschlussschalters verbunden ist. Zur Überführung des Kurzschlussschalters in die Schaltstellung wird die Membran vorzugsweise in eine Richtung bewegt beziehungsweise gedehnt, in der sich ein zweiter Kontakt des Kurzschlussschalters befindet. Ab einer bestimmten Dehnung beziehungsweise Bewegungsgröße der Membran wird diese mit dem zweiten Kontakt des Kurzschlussschalters verbunden. Auf diese Weise kann Strom durch den Kurzschlussschalter fließen.In the case of an electrically conductive membrane as the switching element, it is preferred that, in the disconnected position, the electrically conductive membrane is connected to a first contact of the short-circuit switch. To transfer the short-circuit switch into the switching position, the membrane is preferably moved or stretched in a direction in which there is a second contact of the short-circuit switch. Once the membrane has stretched or moved a certain amount, it is connected to the second contact of the short-circuit switch. This allows current to flow through the short circuit switch.
Im Falle einer elektrisch leitenden Kontaktplatte als Schaltelement des Kurzschlussschalters ist in der Trennstellung die Kontaktplatte selbst vorzugsweise mit keinem der beiden Kontakte des Kurzschlussschalters verbunden. Zur Überführung des Kurzschlussschalters in die Leitstellung wird die Kontaktplatte gleichzeitig auf die elektrischen Kontakte bewegt und mit diesen verbunden. Auf diese Weise kann Strom zwischen den beiden Kontakten fließen.In the case of an electrically conductive contact plate as the switching element of the short-circuit switch, the contact plate itself is preferably not connected to either of the two contacts of the short-circuit switch in the disconnected position. To transfer the short-circuit switch to the control position, the contact plate is simultaneously moved onto the electrical contacts and connected to them. This allows current to flow between the two contacts.
Im Falle der Verwendung einer Kontaktplatte als Schaltelement kann beispielsweise die Kontaktplatte zwei Kontaktstifte aufweisen, und die beiden Kontakte können als Multikontakte (Multikontaktbuchsen) ausgestaltet sein, so dass in der Schaltstellung die Kontaktstifte der Kontaktplatte in die kontaktseitigen Multikontakte eingebracht werden. Umgekehrt kann auch die Kontaktplatte Multikontakte aufweisen, und die Kontakte selbst als Kontaktstifte ausgestaltet sein, die dann in der Schaltstellung in die plattenseitigen Multikontakte eingebracht bzw. eingefahren werden.If a contact plate is used as a switching element, the contact plate can, for example, have two contact pins, and the two contacts can be designed as multi-contacts (multi-contact sockets) so that in the switching position the contact pins of the contact plate are inserted into the contact-side multi-contacts. Conversely, the contact plate can also have multi-contacts, and the contacts themselves can be configured as contact pins, which are then introduced or retracted into the multi-contacts on the plate in the switching position.
In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Überbrückungseinheit oder der von der Sekundärbatterie gespeiste äußere Strompfad als Sicherungselement im Fall eines Kurzschlusses im äußeren Strompfad einen Trennschalter aufweist. Dabei ist es bevorzugt, dass die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie dann mit der Überbrückungseinheit elektrisch überbrückt werden, wenn der Trennschalter den Strom im Strompfad nicht abschaltet. Die Auslösung des Kurzschlussschalters von der Trennstellung in die Leitstellung überzugehen, kann beispielsweise durch eine Steuereinheit vorgenommen werden. Die Steuereinheit kann jegliche denkbare Steuereinheit sein, bspw. kann es eine Steuereinheit sein, wie sie beim Auslösen von Airbags verwendet wird. Die Steuereinheit löst dabei vorzugsweise auch einen Übergang des Trennschalters von der Leitstellung in die Trennstellung aus.In a further embodiment, it is preferred that, in the method according to the invention, the bridging unit or the external current path fed by the secondary battery has a circuit breaker as a fuse element in the event of a short circuit in the external current path. It is preferred here that the electrical connections of the secondary battery are electrically bridged with the bridging unit when the isolating switch does not switch off the current in the current path. The tripping of the short-circuit switch from the disconnected position to the control position can be carried out, for example, by a control unit. The control unit can be any conceivable control unit, for example it can be a control unit such as is used when airbags are triggered. The control unit preferably also triggers a transition of the disconnector from the master position to the disconnected position.
Der Kurzschlussschalter der Überbrückungseinheit kann auch dazu verwendet werden, einen Trennschalter zu unterstützen, indem dieser den Kurzschlusspfad der Überbrückungseinheit kurz schließt und somit kurzzeitig den Entladestrom der Batterie weitestgehend über den Kurzschlusspfad fließen lässt. Hierdurch können die Kontakte des Trennschalters geöffnet werden, ohne dass ein Lichtbogen entsteht. Kurz nach dem Öffnen des Trennschalters kann dann der durch die Überbrückungseinheit erreichte Kurzschluss der Batterieanschlüsse wieder ganz oder teilweise aufgehoben werden, um beispielsweise die Batterie zu schonen und nicht weiter aufzuheizen. Es genügt ebenfalls, den Kurzschlusspfad gleichzeitig oder innerhalb einer kleinen Zeitspanne von maximal ca. 1 bis 1,5 ms nach dem Öffnen des Trennschalters zu schließen, da sich in dieser kurzen Zeitspanne ein Lichtbogen nicht stabil ausbilden kann und sofort wieder gelöscht würde.The short-circuit switch of the bridging unit can also be used to support a disconnector by short-circuiting the short-circuit path of the bridging unit and thus briefly allowing the discharge current of the battery to flow as far as possible via the short-circuit path. This allows the contacts of the circuit breaker to be opened without creating an arc. Shortly after the disconnector has been opened, the short circuit of the battery connections achieved by the bridging unit can then be completely or partially canceled again in order, for example, to protect the battery and not heat it up any further. It is also sufficient to close the short-circuit path at the same time or within a short time span of a maximum of approx. 1 to 1.5 ms after opening the disconnector, since an arc cannot develop in a stable manner in this short time span and would be extinguished again immediately.
Auch kann man durch die Wahl eines geeigneten Kolben- bzw. Kontaktplattenmaterials mit einem höheren spezifischen elektrischen Widerstand nur so viel Strom übernehmen, dass der Reststrom über den Trennschalter im Augenblick des Öffnens dessen Kontakte kein Lichtbogen gezogen wird bzw. sich der dennoch bildende Lichtbogen nur schwach ausbildet und ausreichend gut im Trennschalter gelöscht werden kann.By choosing a suitable piston or contact plate material with a higher specific electrical resistance, you can only accept so much current that the residual current is not drawn through the circuit breaker at the moment its contacts are opened, or the arc that is still formed is only weak forms and can be extinguished sufficiently well in the disconnector.
Vorzugsweise wird die Bewegung des Schaltelements durch einen aktivierbaren Antrieb erfolgen.The movement of the switching element is preferably carried out by an activatable drive.
Der aktivierbare Antrieb kann ein induktiver Antrieb, ein Wirbelstromantrieb, ein Pin-Puller-Antrieb oder ein Gasdruckantrieb sein, wobei bei einem Gasdruckantrieb der Gasdruck mittels eines gaserzeugenden Materials erzeugt wird, insbesondere durch die Verbrennung oder Oxidation eines flüssigen und/oder festen gaserzeugenden Materials, insbesondere eines aktivierbaren pyrotechnischen gaserzeugenden Materials. Solche aktivierbaren Antriebe haben den Vorteil, dass die Überbrückung mit dem angegebenen Lastwiderstand unterhalb des Innenwiderstandes innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgen kann, und somit eine Erhitzung beziehungsweise ein Hitzeanstieg in der Sekundärbatterie verhindert wird.The activatable drive can be an inductive drive, an eddy current drive, a pin-puller drive or a gas pressure drive, whereby in the case of a gas pressure drive the gas pressure is generated by means of a gas-generating material, in particular by the combustion or oxidation of a liquid and / or solid gas-generating material, in particular an activatable pyrotechnic gas-generating material. Such actuators that can be activated have the advantage that bridging with the specified load resistance below the internal resistance can take place within a very short time, thus preventing the secondary battery from overheating or increasing heat.
Bei einem induktiven Antrieb kann dazu in geeignetem Abstand zum Schaltergehäuse eine Induktionsspule vorgesehen sein. Das Schaltelement kann in geeigneter Weise magnetisch ausgeführt sein. Das Schaltelement kann aber auch mit einer Induktionsspule ausgerüstet sein. Ebenfalls wäre es denkbar, das Schaltelement mit einer Induktionsspule auszurüsten und in geeigneter Entfernung zum Schaltelement einen elektromagnetischen Bezugspunkt vorzusehen, beispielsweise einen Permanentmagneten. In dieser Weise kann das Schaltelement also alternativ oder zusätzlich induktiv bewegt werden.In the case of an inductive drive, an induction coil can be provided for this purpose at a suitable distance from the switch housing. The switching element can be designed magnetically in a suitable manner. However, the switching element can also be equipped with an induction coil. It would also be conceivable to equip the switching element with an induction coil and to provide an electromagnetic reference point, for example a permanent magnet, at a suitable distance from the switching element. In this way, the switching element can therefore alternatively or additionally be moved inductively.
Ist der aktivierbare Antrieb als Wirbelstromantrieb ausgebildet, so weist dieser vorzugsweise eine Kraftspule auf, die für das gewünschte Schalten durch einen Stoßstrom von außen durchflossen wird. Hierzu ist das Schaltelement vorzugsweise aus einem elektrisch gut leitenden Material, wodurch durch den Stoßstrom in der Kraftspule ein Strom induziert wird, der entsprechend der Lenzschen Regel dem Erregerstrom in der Kraftspule entgegengesetzt ist, wodurch das Schaltelement von der Kraftspule extrem schnell und mit hoher Kraft abgestoßen wird und dabei die im Gehäuse angeschlossenen Abschnitte der Verbindungselemente abreißen.If the activatable drive is designed as an eddy current drive, it preferably has a power coil through which a surge current flows from the outside for the desired switching. For this purpose, the switching element is preferably made of a material with good electrical conductivity, whereby the surge current in the power coil induces a current which, according to Lenz's rule, is opposite to the excitation current in the power coil, whereby the switching element is repelled from the power coil extremely quickly and with high force and thereby tear off the sections of the connecting elements connected in the housing.
Wird die Bewegung des Schaltelements durch Gasdruck vorgenommen, so wird dieser vorzugsweise auf das Schaltelement übertragen und dabei bewegt. Ein solcher Gasdruck kann pyrotechnisch erzeugt werden oder durch geeignete Gasleitungen aufgebaut werden. Wird der Gasdruck pyrotechnisch erzeugt, so ist es zweckmäßig, eine im Inneren des Antriebsgehäuses befindliche Brennkammer mit eingebrachtem Treibladungspulver vorzusehen, das mittels eines Zünd- oder Anzündstücks aktivierbar ist. Als Treibladungen kommen jedoch neben Treibladungspulvern auch flüssige oder gasförmige Brennstoffe und Oxidatoren zum Einsatz, die beispielsweise in die Brennkammer eingespritzt werden können, die vorzugsweise in den Schalter integriert vorliegt. Solche Brennstoffe und Oxidatoren werden im Folgenden als gaserzeugende Materialien bezeichnet. Auch die pyrotechnischen gaserzeugenden Materialien, unabhängig davon, ob diese deflagrierend oder detonativ reagieren, sollen hierdurch umfasst sein. Nach der Aktivierung des Verbrennungs- beziehungsweise Oxidationsvorgangs erzeugen diese gaserzeugenden Materialien einen Gasdruck (beziehungsweise bei bereits gasförmigen Brennstoffen und/oder Oxidatoren einen gegenüber dem Ausgangszustand deutlich höheren Gasdruck), der den Antriebskolben und das damit verbundene Ausrückelement beaufschlagt und den Schalter aus der Leitstellung in die Trennstellung bewegt. Zur Zündung kann eine Zündkerze, ein Glühdraht oder ein Anzünder dienen. Alternativ oder zusätzlich könnte die Brennkammer auch bereits entweder Brennstoff oder Oxidatoren (in flüssiger, fester oder gasförmiger Form) enthalten. Um eine pyrotechnische Erzeugung von Gasdruck und damit die pyrotechnische Auslösung des Schalters vorzusehen, muss nur eine pyrotechnische Mischung in eine Brennkammer eingefügt werden. Zum gewünschten Zeitpunkt kann diese dann durch ein Zünd- oder Anzündmittel gezündet werden.If the movement of the switching element is carried out by gas pressure, this is preferably transmitted to the switching element and moved in the process. Such a gas pressure can be generated pyrotechnically or built up through suitable gas lines. If the gas pressure is generated pyrotechnically, it is expedient to provide a combustion chamber located in the interior of the drive housing with propellant powder introduced, which can be activated by means of an igniter or igniter. In addition to propellant charge powders, however, liquid or gaseous fuels and oxidizers are also used as propellant charges, which can for example be injected into the combustion chamber, which is preferably integrated into the switch. Such fuels and oxidizers are referred to below as gas-generating materials. The pyrotechnic gas-generating materials, regardless of whether they react deflagrantly or detonatively, should also be included. After the activation of the combustion or oxidation process, these gas-generating materials generate a gas pressure (or in the case of already gaseous fuels and / or oxidizers, a gas pressure that is significantly higher than the initial state), which acts on the drive piston and the associated release element and moves the switch from the control position to Separated position moved. A spark plug, a glow wire or a Serve lighter. Alternatively or additionally, the combustion chamber could already contain either fuel or oxidizers (in liquid, solid or gaseous form). In order to provide a pyrotechnic generation of gas pressure and thus the pyrotechnic triggering of the switch, only a pyrotechnic mixture has to be inserted into a combustion chamber. At the desired point in time, this can then be ignited by an ignition or ignition means.
Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkammer auch mit einem Zünd- oder Anzündstück ausgerüstet werden. Bei einem geeignet gewählten Zünd- oder Anzündstück können bei dessen Zündung genügend Gas- und/oder Abgasprodukte erzeugt werden, so dass sich ein genügender Druck in der Brennkammer aufbaut. Dieser kann dann über eine Endplatte, die auch als Ausrückplatte bezeichnet wird, die als Treibspiegel wirkt, das Schaltelement ein ausreichend großes Stück bewegen, um mit dem Kontakt oder den Kontakten des Kurzschlussschalters verbunden zu sein. Wenn die pyrotechnische Auslösung des Schalters über eine Brennkammer vorgesehen wird, so kann die Wirkung der Brennkammer dadurch gesteigert werden, dass Füllkörper in die Brennkammer eingebracht werden. Solche Füllkörper können das nicht benötigte Leervolumen in der Brennkammer reduzieren, so dass eine bereits viel kleinere Gasmenge den zur Bewegung des Treibspiegels und damit des Schaltelements erforderlichen Druck aufbringt.Alternatively or additionally, the combustion chamber can also be equipped with an igniter or igniter piece. With a suitably selected igniter or igniter, sufficient gas and / or exhaust gas products can be generated when it is ignited, so that sufficient pressure builds up in the combustion chamber. This can then move the switching element a sufficiently large piece via an end plate, which is also referred to as a release plate, which acts as a sabot, in order to be connected to the contact or the contacts of the short-circuit switch. If the pyrotechnic triggering of the switch is provided via a combustion chamber, the effect of the combustion chamber can be increased by introducing fillers into the combustion chamber. Such fillers can reduce the unneeded empty volume in the combustion chamber, so that an already much smaller amount of gas applies the pressure required to move the sabot and thus the switching element.
Unter einem Pin-Puller-Antrieb versteht man einen Antrieb, der das Schaltelement nicht drückend in die Leitstellung des Verbinundgsschalters bewegt, sondern durch Zug.A pin-puller drive is understood to mean a drive that does not push the switching element into the control position of the connection switch, but rather by pulling it.
Ein elektrischer Schaltkreis nach der Erfindung weist eine Sekundärbatterie und eine Überbrückungseinheit auf, welche mit einem äußeren Strompfad mit einem elektrischen Verbraucher verbunden ist, wobei die Überbrückungseinheit einen Strompfad zur Überbrückung der elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie aufweist, in welchem ein gezielt auslösbarer Kurzschlussschalter vorgesehen ist, der von einer Trennstellung in eine Leitstellung überführbar ist, und wobei der Strompfad der Überbrückungseinheit in der Leitstellung des Kurzschlussschalters einen Lastwiderstand RLast aufweist, der geringer ist als der Innenwiderstand Ri der Sekundärbatterie, wobei der Kurzschlussschalter als Schaltelement einen elektrisch leitenden Schaltkolben, eine elektrisch leitende Membran oder eine elektrisch leitende Kontaktplatte aufweist, wobei das Schaltelement beim Übergang von der Trenn- in die Leitstellung des Kurzschlussschalters einer Bewegung unterzogen wird, und dabei zwei Kontakte des Kurzschlussschalters miteinander verbindet, wodurch die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie überbrückt werden.An electrical circuit according to the invention has a secondary battery and a bridging unit, which is connected to an external current path with an electrical consumer, the bridging unit having a current path for bridging the electrical connections of the secondary battery, in which a selectively triggerable short-circuit switch is provided can be transferred from a disconnected position to a control position, and wherein the current path of the bridging unit in the control position of the short-circuit switch has a load resistance R load which is lower than the internal resistance R i of the secondary battery, the short-circuit switch as a switching element having an electrically conductive switching piston, an electrically conductive one Has membrane or an electrically conductive contact plate, the switching element being subjected to a movement during the transition from the disconnected to the control position of the short-circuit switch, and two contacts of the short-circuit switch connects to each other, whereby the electrical connections of the secondary battery are bridged.
Der elektrische Verbraucher kann jegliche elektrische oder elektronische Vorrichtung oder Einheit sein, die von der oder einer anderen Sekundärbatterie betrieben werden kann.The electrical consumer can be any electrical or electronic device or unit that can be operated by the or another secondary battery.
Die Überbrückungseinheit kann zusätzlich einen von einer Leitstellung in eine Trennstellung überführbaren Trennschalter für das Auftrennen des äußeren Strompfades aufweisen, wobei der Trennschalter und der Kurzschlussschalter vorzugsweise als eine einzige Baueinheit in Form eines Kurzschluss-/Trennschalters ausgestaltet sind, und wobei der Trennschalter und der Kurzschlussschalter vorzugsweise so ausgestaltet oder ansteuerbar sind, dass das Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 5 ausgeführt wird.The bridging unit can additionally have an isolating switch that can be transferred from a control position to an isolating position for disconnecting the external current path, the isolating switch and the short-circuit switch preferably being designed as a single structural unit in the form of a short-circuit / isolating switch, and the isolating switch and the short-circuit switch preferably are designed or controllable in such a way that the method according to one of
Die Überbrückungseinheit bzw. der erfindungsgemäße elektrische Schaltkreis können zusätzlich eine Steuereinheit zum Überführen des Kurzschlussschalters von der Trennstellung in die Leitstellung und/oder zum Überführen des Trennschalters von der Leitstellung in die Trennstellung umfassen. Die Steuereinheit kann jegliche denkbare Steuereinheit sein, bspw. kann es eine Steuereinheit sein, wie sie beim Auslösen von Airbags verwendet wird.The bridging unit or the electrical circuit according to the invention can additionally comprise a control unit for moving the short-circuit switch from the disconnected position to the control position and / or for moving the disconnector from the control position to the disconnected position. The control unit can be any conceivable control unit, for example it can be a control unit such as is used when airbags are triggered.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum gezielten Kurzschließen einer Sekundärbatterie, wobei die elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie mit einer Überbrückungseinheit elektrisch überbrückt werden, wobei die Überbrückungseinheit einen Kurzschlussschalter umfasst, der von einer Trennstellung in eine Leitstellung überführt werden kann, und wobei die Überbrückungseinheit bei einem in der Leitstellung befindlichen Kurzschlussschalter einen Lastwiderstand RLast zwischen den elektrischen Anschlüssen der Sekundärbatterie aufweist, der unterhalb des Innenwiderstands Ri der Sekundärbatterie liegt, wobei die Überbrückungseinheit als Kurzschluss-/Trennschalter ausgebildet
- (a) welcher aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung überführt werden kann,
- (b) welcher ein Gehäuse, einen ersten Kontakt, einen zweiten Kontakt, einen dritten Kontakt, ein im Gehäuse bewegbares Ausrückelement und mindestens ein Verbindungselement aufweist, das in der ersten Stellung des Schalters eine elektrische Verbindung zwischen dem dritten Kontakt und dem zweiten Kontakt herstellt,
- (c) wobei das Gehäuse einen das mindestens eine Verbindungselement umgebenden Innenraum aufweist,
- (d) wobei das mindestens eine Verbindungselement an einem Ende an der Grundseite des Gehäuses und an dem anderen Ende an dem Ausrückelement im Inneren des Gehäuses befestigt ist, und
- (e) welcher so ausgebildet ist, dass eine mechanische Bewegung des Ausrückelements den Schalter von der ersten Stellung in die zweite Stellung überführen kann, wobei das Ausrückelement mechanisch so auf das im Innenraum verlaufende mindestens eine Verbindungselement wirkt, dass die elektrische Verbindung zwischen dem dritten Kontakt und dem zweiten Kontakt an mindestens einer Trennstelle des Verbindungselements unterbrochen wird, und dabei eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt entsteht, vorzugsweise dadurch, dass die Ausrückplatte elektrisch leitend ist und den ersten und den zweiten Kontakt verbindet.
- (a) which can be transferred from a first position to a second position,
- (b) which has a housing, a first contact, a second contact, a third contact, a release element movable in the housing and at least one connecting element which, in the first position of the switch, establishes an electrical connection between the third contact and the second contact,
- (c) wherein the housing has an interior space surrounding the at least one connecting element,
- (d) wherein the at least one connecting element is fastened at one end to the base side of the housing and at the other end to the release element in the interior of the housing, and
- (e) which is designed so that a mechanical movement of the release element can transfer the switch from the first position to the second position, the release element mechanically acting on the at least one connecting element running in the interior in such a way that the electrical connection between the third contact and the second contact is interrupted at at least one separation point of the connecting element, and a connection is created between the first and the second contact, preferably in that the release plate is electrically conductive and connects the first and second contacts.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen elektrischen Schaltkreis mit einer Sekundärbatterie und einer Überbrückungseinheit, welche mit einem äußeren Strompfad verbunden ist, der einen elektrischen Verbraucher aufweist, wobei die Überbrückungseinheit einen Strompfad zur Überbrückung der elektrischen Anschlüsse der Sekundärbatterie aufweist, in welchem ein gezielt auslösbarer Kurzschlussschalter vorgesehen ist, der von einer Trennstellung in eine Leitstellung überführbar ist, und wobei der Strompfad der Überbrückungseinheit in der Leitstellung des Kurzschlussschalters einen Lastwiderstand RLast aufweist, der geringer ist als der Innenwiderstand Ri der Sekundärbatterie, wobei die Überbrückungseinheit als Kurzschluss-/Trennschalter ausgebildet ist,
- (a) welcher aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung überführt werden kann,
- (a) welcher ein Gehäuse, einen ersten Kontakt, einen zweiten Kontakt, einen dritten Kontakt, ein im Gehäuse bewegbares Ausrückelement und mindestens ein Verbindungselement aufweist, das in der ersten Stellung des Schalters eine elektrische Verbindung zwischen dem dritten Kontakt und dem zweiten Kontakt herstellt,
- (b) wobei das Gehäuse einen das mindestens eine Verbindungselement umgebenden Innenraum aufweist und
- (c) wobei das mindestens eine Verbindungselement an einem Ende an der Grundseite des Gehäuses und an dem anderen Ende an dem Ausrückelement im Inneren des Gehäuses befestigt ist, und
- (d) welcher so ausgebildet ist, dass eine mechanische Bewegung des Ausrückelements den Schalter von der ersten Stellung in die zweite Stellung überführen kann, wobei das Ausrückelement mechanisch so auf das im Innenraum verlaufende mindestens eine Verbindungselement wirkt, dass die elektrische Verbindung zwischen dem dritten Kontakt und dem zweiten Kontakt an mindestens einer Trennstelle des Verbindungselements unterbrochen wird, und dabei eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt entsteht.
- (a) which can be transferred from a first position to a second position,
- (a) which has a housing, a first contact, a second contact, a third contact, a release element movable in the housing and at least one connecting element which, in the first position of the switch, establishes an electrical connection between the third contact and the second contact,
- (b) wherein the housing has an interior space surrounding the at least one connecting element, and
- (c) wherein the at least one connecting element is fastened at one end to the base side of the housing and at the other end to the release element in the interior of the housing, and
- (d) which is designed so that a mechanical movement of the release element can transfer the switch from the first position to the second position, the release element mechanically acting on the at least one connecting element running in the interior in such a way that the electrical connection between the third contact and the second contact is interrupted at at least one separation point of the connecting element, and a connection is thereby created between the first and the second contact.
Erfindungsgemäß kann der Kurzschluss-/Trennschalter so ausgebildet sein, dass er durch eine mechanische Bewegung des Ausrückelements zunächst die Batterieanschlüsse ganz oder teilweise kurzschließt und kurz danach mit dem Trennen des äußeren Stromkreises beginnt.According to the invention, the short-circuit / disconnector switch can be designed such that it first short-circuits the battery connections in whole or in part by a mechanical movement of the release element and shortly thereafter begins to disconnect the external circuit.
Weiterhin kann der Kurzschluss-/Trennschalter auch so ausgebildet sein, dass nach dem erfolgten Öffnen des äußeren Stromkreises der vollständige oder teilweise Kurzschlusspfad der Batterie wieder ganz oder teilweise geöffnet wird.Furthermore, the short-circuit / isolating switch can also be designed in such a way that, after the external circuit has been opened, the full or partial short-circuit path of the battery is completely or partially opened again.
Die Überbrückungseinheit mit einem so beschaffenen Kurzschluss-/Trennschalter kann im Kurzschlusspfad einen bestimmten elektrischen (von Null verschiedenen) Widerstand aufweisen, der klein genug ist, um den bei geschlossenem Schalter im Kurzschlusspfad fließenden Strom so groß werden zu lassen, dass im äußeren Stromkreis der Strom so niedrig ist, dass beim Auftrennen des äußeren Stromkreises eine Lichtbogenausbildung verhindert bzw. ausreichend stark geschwächt wird und dennoch so hoch ist, dass er weiter die Batterieanschlüsse überbrücken kann, ohne dass die Batteriezellen zu stark durch den Kurzschlussstrom erhitzt werden würden.The bridging unit with a short-circuit / isolating switch made in this way can have a certain electrical (non-zero) resistance in the short-circuit path that is small enough to allow the current flowing in the short-circuit path when the switch is closed to become so large that the current in the external circuit is so low that when the external circuit is opened, an arc formation is prevented or weakened sufficiently, and yet is so high that it can continue to bridge the battery connections without the battery cells being heated too much by the short-circuit current.
Der erfindungsgemäß verwendbare Kurzschluss-/Trennschalter kann auch zwei oder mehr Verbindungselemente zwischen der Grundseite und der Ausrückplatte aufweisen, die den zweiten und den dritten Kontakt entweder elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe verbinden.The short-circuit / isolating switch that can be used according to the invention can also have two or more connecting elements between the base side and the release plate, which connect the second and third contacts either electrically in parallel or electrically in series.
Der erfindungsgemäß verwendbare Kurzschluss-/Trennschalter (Schalter) wird vorzugsweise zum Unterbrechen eines ersten von einer Sekundärbatterie gespeisten Strompfades und zum Überbrücken der beiden Anschlüsse der Sekundärbatterie in einem zweiten Strompfad verwendet. Dabei ist der erste Anschluss der Sekundärbatterie vorzugsweise mit dem ersten und dem dritten Kontakt des Schalters und der zweite Anschluss der Sekundärbatterie vorzugsweise mit dem zweiten Kontakt des Schalters verbunden.The short-circuit / isolating switch (switch) that can be used according to the invention is preferably used to interrupt a first current path fed by a secondary battery and to bridge the two connections of the secondary battery in a second current path. The first connection of the secondary battery is preferably connected to the first and the third contact of the switch and the second connection of the secondary battery is preferably connected to the second contact of the switch.
Der erfindungsgemäße Schalter kann auch eine aktivierbare Einheit aufweisen, wie sie weiter oben beschrieben ist.The switch according to the invention can also have a unit that can be activated, as described above.
Weitere Merkmale, aber auch Vorteile der Erfindung, ergeben sich aus den folgenden aufgeführten Zeichnungen und der dazugehörigen Beschreibung. In den Abbildungen und in den dazugehörigen Beschreibungen sind Merkmale der Erfindung in Kombination beschrieben. Die Abbildungen sind teilweise leicht vereinfacht und schematisch dargestellt.
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1a : zeigt einen Kurzschlussschalter mit einem Schaltkolben als Schaltelement in der Trennstellung; -
1b : zeigt den Kurzschlussschalter der1a in der Leitstellung; -
2a : zeigt einen Kurzschlussschalter mit einer elektrisch leitenden Membran in der Trennstellung; -
2b : zeigt den Kurzschlussschalter der2a in der Leitstellung; -
3a : zeigt einen Kurzschlussschalter mit einer Kontaktplatte als Schaltelement in der Trennstellung; -
3b : zeigt den Kurzschlussschalter der3a in der Leitstellung; -
4a : zeigt einen Kurzschlussschalter mit einer Kontaktplatte als Schaltelement mit einem Pin-Puller-Antrieb in der Trennstellung; -
4b : zeigt den Kurzschlussschalter der4a in der Leitstellung; -
5a : zeigt einen Kurzschlussschalter mit einer Kontaktplatte als Schaltelement mit Kontaktstift in der Trennstellung; -
5b : zeigt den Kurzschlussschalter der5a in der Leitstellung.; -
6a : zeigt einen Kurzschlussschalter mit einer Verbindungsplatte mit kontaktplattenseitigen Multikontakten in der Trennstellung; -
6b : zeigt den Kurzschlussschalter der6a in der Leitstellung; -
7a : zeigt einen erfindungsgemäß verwendbaren Kurzschluss-/Trennschalter in einer ersten Stellung, der die gleichzeitige Unterbrechung eines ersten Strompfads mit der Verbindung eines zweiten Strompfads ermöglicht, wobei die Trennung des ersten Strompfads durch die Unterbrechung von zwei seriell verbundenen Verbindungselementen ermöglicht wird; -
7b : zeigt den Schalter aus7a in einer zweiten Stellung; -
8a : zeigt einen erfindungsgemäß verwendbaren Kurzschluss-/Trennschalter in einer ersten Stellung, der die gleichzeitige Unterbrechung eines ersten Strompfads mit der Verbindung eines zweiten Strompfads ermöglicht, wobei die Trennung des ersten Strompfads durch die Unterbrechung von vier seriell verbundenen Verbindungselementen ermöglicht wird; -
8b : zeigt den Schalter aus8a in einer zweiten Stellung; -
9a : zeigt einen erfindungsgemäß verwendbaren Kurzschluss-/Trennschalter in einer ersten Stellung, der die gleichzeitige Unterbrechung eines ersten Strompfads mit der Verbindung eines zweiten Strompfads ermöglicht, wobei die Trennung des ersten Strompfads durch die Unterbrechung von zwei parallel geschalteten Verbindungselementen ermöglicht wird; -
9b : zeigt den Schalter aus9a in einer zweiten Stellung; und -
10 zeigt ein Prinzipschaltbild für eine Vorrichtung zum Vermeiden des Entzündens einer Sekundärbatterie mit einem erfindungsgemäß verwendbaren Kurzschluss-/Trennschalter.
-
1a : shows a short-circuit switch with a switching piston as a switching element in the disconnected position; -
1b : shows the short-circuit switch of the1a in the control center; -
2a : shows a short-circuit switch with an electrically conductive membrane in the disconnected position; -
2 B : shows the short-circuit switch of the2a in the control center; -
3a : shows a short-circuit switch with a contact plate as a switching element in the disconnected position; -
3b : shows the short-circuit switch of the3a in the control center; -
4a : shows a short-circuit switch with a contact plate as a switching element with a pin-puller drive in the disconnected position; -
4b : shows the short-circuit switch of the4a in the control center; -
5a : shows a short-circuit switch with a contact plate as a switching element with a contact pin in the disconnected position; -
5b : shows the short-circuit switch of the5a in the control center .; -
6a : shows a short-circuit switch with a connection plate with multi-contacts on the contact plate side in the disconnected position; -
6b : shows the short-circuit switch of the6a in the control center; -
7a : shows a short-circuit / disconnection switch that can be used according to the invention in a first position, which enables the simultaneous interruption of a first current path with the connection of a second current path, the separation of the first current path being made possible by the interruption of two serially connected connecting elements; -
7b : shows the switch off7a in a second position; -
8a : shows a short-circuit / isolating switch which can be used according to the invention in a first position, which enables the simultaneous interruption of a first current path with the connection of a second current path, the separation of the first current path being made possible by the interruption of four serially connected connecting elements; -
8b : shows the switch off8a in a second position; -
9a : shows a short-circuit / isolating switch which can be used according to the invention in a first position, which enables the simultaneous interruption of a first current path with the connection of a second current path, the separation of the first current path being made possible by the interruption of two connecting elements connected in parallel; -
9b : shows the switch off9a in a second position; and -
10 shows a basic circuit diagram for a device for avoiding the ignition of a secondary battery with a short-circuit / disconnector that can be used according to the invention.
Zum einfacheren Verständnis der Erfindung wird im Folgenden zunächst das ihr zu Grunde liegende Prinzip anhand
Das Prinzipschaltbild in
Bei der Sekundärbatterie
Die Überbrückungseinheit
Wie nachstehend beschrieben, können der Kurzschlussschalter
Die Schalter
Selbstverständlich kann die Steuereinheit 216 auch außerhalb der Überbrückungseinheit
Nach dem der Erfindung zu Grunde liegenden Prinzip weist eine Überbrückungseinheit zumindest den in
Der Widerstandswert des Lastwiderstands RL ist dabei kleiner gewählt als der Innenwiderstand Ri der Sekundärbatterie
Weist die Überbrückungseinheit
Erfolgt das Betätigen des Kurzschlussschalters
Weist die Überbrückungseinheit
Hierzu kann der Kurzschlussstrompfad zwischen den beiden Eingangsports der Überbrückungseinheit
Im Folgenden werden eine Reihe von Ausführungsformen für Kurzschlussschalter
Anstelle des in
Der Kurzschlussschalter, wie er beispielsweise in den
Die
Die
Die
Alle Schalter nach
Dieses passive Abschalten kann homogenisiert werden, indem man die Trennstellen mit einer Anzündmischung umgibt, die bei einer bestimmten, durch den erhöhten Stromfluss erhöhte Temperatur an diesen Stellen der Verbindungselemente zündet. Damit werden die Trennstellen zusätzlich bzw. weiter erhitzt und das Material dort schneller zum Schmelzen gebracht als durch den auslösenden Stromfluss alleine.This passive switch-off can be homogenized by surrounding the separation points with an ignition mixture which ignites at these points of the connecting elements at a certain temperature, which is increased due to the increased current flow. This means that the separation points are additionally or further heated and the material is melted there faster than by the triggering current flow alone.
Selbstverständlich muss eine Sekundärbatterie, die mit dem Verfahren nach der Erfindung gezielt kurzgeschlossen werden soll, hierfür geeignet sein. Dies ist jedoch in der Regel bei allen heute verfügbaren, als eigensicher bezeichneten Sekundärbatterien gegeben.Of course, a secondary battery that is to be short-circuited in a targeted manner using the method according to the invention must be suitable for this. As a rule, however, this is the case with all secondary batteries known as intrinsically safe that are available today.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Schaltkolben, vorne und über die gesamte Länge vorzugsweise leicht konisch zulaufend, mit oder ohne Stege außenSwitching piston, preferably slightly tapered at the front and over the entire length, with or without webs on the outside
- 22
-
elektrischer Kontakt, mit einem Anschluss
1 der Sekundärbatterie verbundenelectrical contact, with a connector1 connected to the secondary battery - 33
- Gehäuse, verbindet die elektrischen Kontakte des KurzschlussschaltersHousing, connects the electrical contacts of the short-circuit switch
- 44th
- aktivierbarer Antrieb, bspw. Gasgenerator oder Kraftelementactivatable drive, for example gas generator or power element
- 55
- Aufnahmebohrung für beschleunigten Kolben, evtl. konisch zulaufend, Press-stelleLocation hole for accelerated piston, possibly tapered, pressing point
- 66th
- kontaktseitige Verrastung/Wegbegrenzer für KolbenLatching on the contact side / travel limiter for pistons
- 77th
- kolbenseitige Verrastung/Wegbegrenzerpiston-side locking / travel limiter
- 88th
- gasgefüllter Raum nach Auslösung des aktivierbaren Antriebs 4Gas-filled space after the activatable drive has been triggered 4
- 99
-
kolbenseitige Verrastung
7 des Kolben1 an kontaktseitiger Verrastung6 angekommen und hierbei in Kontakt11 fest eingepresstlocking on the piston side7th of the piston1 on contact-side latching6th arrived and here incontact 11 firmly pressed in - 1010
-
Kolbenkonus in kegelig zulaufender Bohrung
5 fest eingepresstPiston cone in atapered bore 5 firmly pressed in - 1111
-
elektrischer Kontakt, mit einem Anschluss
2 der Sekundärbatterie verbundenelectrical contact, with aconnector 2 connected to the secondary battery - 1212th
- KontaktplatteContact plate
- 1313th
- aktivierbarer Antrieb oder Kraftelementactivatable drive or force element
- 1414th
-
Stößel/Kolben des aktivierbaren Antriebs
13 Plunger / piston of the activatable drive13th - 1515th
- aktivierbarer Antrieb, bspw. Pin-Puller Antriebactivatable drive, e.g. pin-puller drive
- 1616
-
Zugstange des aktivierbaren Antriebs
15 Pull rod of the activatable drive15th - 1717th
- Membran, elektrisch leitendMembrane, electrically conductive
- 1818th
- aktivierbarer Antrieb, z.B. Anzünder, Gasgenerator oder DetonatorActivatable drive, e.g. igniter, gas generator or detonator
- 1919th
-
Membran
17 , verformt nach der Aktivierung des aktivierbaren Antriebs 18membrane17th , deformed after activation of theactivatable drive 18 - 2020th
-
elektrischer Kontakt, mit einem Anschluss
1 der Sekundärbatterie verbundenelectrical contact, with a connector1 connected to the secondary battery - 2121
- Fluid- oder GelfüllungFluid or gel filling
- 2222nd
-
elektrischer Kontakt, mit einem Anschluss
2 der Sekundärbatterie verbundenelectrical contact, with aconnector 2 connected to the secondary battery - 2323
-
elektrischer Kontakt, mit einem Anschluss
1 der Sekundärbatterie verbundenelectrical contact, with a connector1 connected to the secondary battery - 2424
-
elektrischer Kontakt, mit einem Anschluss
2 der Sekundärbatterie verbundenelectrical contact, with aconnector 2 connected to the secondary battery - 2525th
-
Fluid-/Gelfüllung nach Auslösung bzw. Durchgang der vom aktivierbaren Antrieb 18 erzeugten StoßwelleFluid / gel filling after triggering or passage of the shock wave generated by the
activatable drive 18 - 2626th
-
kontaktseitiger Multikontakt
1 multi-contact on the contact side1 - 2727
-
kontaktseitiger Multikontakt
2 multi-contact on thecontact side 2 - 2828
-
plattenseitiger Multikontakt
1 plate-side multi-contact1 - 2929
-
plattenseitiger Multikontakt
2 plate-side multi-contact 2 - 3030th
- Kontaktplatte mit KontaktstiftenContact plate with contact pins
- 3131
- Kontaktplatte mit MultikontakteinsätzenContact plate with multi-contact inserts
- 3232
-
Multikontaktträger für Kontakt
1 Multi-contact carrier for contact1 - 3333
-
Multikontaktträger für Kontakt
2 Multi-contact carrier forcontact 2 - 3434
-
Kontaktstift für Kontakt
1 Contact pin for contact1 - 3535
-
Kontaktstift für Kontakt
2 Contact pin forcontact 2 - 110110
- Kurzschluss-/TrennschalterShort circuit / disconnector
- 112112
- Gehäusecasing
- 114114
- Grundseite des GehäusesBase side of the housing
- 118118
- Innenraum des GehäusesInterior of the case
- 120120
- IsolatormediumIsolator medium
- 122122
- VerbindungselementeFasteners
- 123123
- QuerschnittsschwächungenCross-sectional weakening
- 124124
- AusrückelementRelease element
- 126126
- aktivierbarer Antriebactivatable drive
- 128128
- dritter Kontaktthird contact
- 130130
- zweiter Kontaktsecond contact
- 131131
- erster Kontaktfirst contact
- 132132
- Kollektorcollector
- 136136
- AntriebsgehäuseDrive housing
- 138138
- AntriebskolbenDrive piston
- 200200
- SekundärbatterieSecondary battery
- 202202
- ÜberbrückungseinheitBridging unit
- 204204
- erster Eingangsportfirst input port
- 206206
- zweiter Eingangsportsecond input port
- 208208
- erster Ausgangsportfirst output port
- 210210
- zweiter Ausgangsportsecond output port
- 212212
- TrennschalterDisconnector
- 214214
- KurzschlussschalterShort circuit switch
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