Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers in einem Fahrzeug, mit einer pyrotechnischen Trenneinrichtung, einem zumindest zum Teil kapazitiven und/oder induktiven Zwischenkreis und einem Motor/Generator, wobei die pyrotechnische Trenneinrichtung zwischen Hochvoltstromspeicher und dem Zwischenkreis angeordnet und zum schnellen Trennen des Hochvoltstromspeichers von dem Zwischenkreis eingerichtet ist und ferner ein Entladewiderstand vorgesehen ist.

Aus dem Stand der Technik sind vielfach Sicherheitseinrichtungen zum Trennen von Hoch- voltstromspeichem bei Fahrzeugen bekannt, um insbesondere im Falle eines Unfalles mit Deformierungen der Karosserie des Fahrzeuges eine Verletzung der Unfallbeteiligten oder der beim Aufräumarbeiten beschäftigten Personen zu verhindern. Im Falle eines Unfalles bzw. bei Beschädigung des Fahrzeuges kann ein Stromschlag oder der Ausbruch eines Brandes durch einen unerwünschten Kurzschluss oder eine unkontrollierte Kontaktierung der Fahrzeugteile mit stromführenden Teilen des Antriebes des Fahrzeuges erfolgen. Um solche Verletzungen zu vermeiden werden geeignete Trenneinrichtungen eingesetzt, um - im Falle eines Unfalles - den Hochvoltstromspeicher so schnell als möglich von den stromführenden Installationen des Fahrzeuges zu trennen. Diese Trenneinrichtungen arbeiten vielfach mit pyrotechnischem Material und sind als sogenannte pyrotechnische Trenner ausgeführt, wobei über eine Sprengladung und ein entsprechendes Arbeitsmedium Druck aufgebaut wird und damit ein Trennmechanismus in Gang gesetzt wird, der zur Trennung einer oder mehrerer elektrischer Leitungen führt.

In der Veröffentlichung W02018/091307A1 ist beispielsweise ein pyrotechnischer Schalter geoffenbart, wobei eine Solltrennstelle eines elektrischen Leiters getrennt wird.

Aus der Veröffentlichung W02018/091308A1 ist ein Sicherungsverfahren für ein Hybridoder Elektrofahrzeug bekannt, wobei gelehrt wird, dass zusätzlich zu einer physikalischen Trennung eines Akkumulators von einem HV-Zwischenkreis dieser HV-Zwischenkreis entladen wird. Aus den Veröffentlichen US2010328014A1, DE 102020104617 Al, US2020211801A1 und DE102019200861A1 sind weitere Schalter bekannt.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu berücksichtigen, dass in Fahrzeugen Hochvoltnetze und entsprechende Hochvoltkomponenten angeordnet sind. Damit werden beispielsweise Wandler, Kühlaggregate und/oder Heizungen betrieben. Im Falle eines Unfalls kann eine Beschädigung dieser Hochvoltnetze ebenfalls ein Risiko darstellen. Beispielsweise könnten durch unzureichende Abschirmung im Falle eines Unfalls ein Niedervoltbauteil beschädigt werden oder sogar Personen zu Schaden kommen.

In solchen Hochvoltnetzen wird auch Energie gespeichert, da verschiedentlich angeordnete Komponenten beispielsweise kapazitive und/oder induktive Lasten darstellen.

Die aus dem Stand der Technik dazu bekannten Verfahren und Vorrichtungen erweisen sich in der Praxis als den neuen Anforderungen nicht gerecht und ineffizient.

Es ist deshalb eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung eine neuartige Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers, insbesondere mit höherem Sicherheitsniveau und/oder höherer Effizienz zu entwickeln.

Die erfinderische Aufgabe wird durch eine Vorrichtung entsprechend Anspruch 1 gelöst.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers in einem Fahrzeug, mit einer pyrotechnischen Trenneinrichtung, einem zumindest zum Teil kapazitiven und/oder induktiven Zwischenkreis und einem Motor/Generator vorgesehen, wobei die pyrotechnische Trenneinrichtung zwischen Hochvoltstromspeicher und dem Zwischenkreis angeordnet und zum schnellen Trennen des Hochvoltstromspeichers von dem Zwischenkreis eingerichtet ist und ferner ein Entladewiderstand vorgesehen ist, wobei der Entladewiderstand zum Entladen des Zwischenkreises eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Entladewiderstand um einen NTC- Widerstand handelt. Als NTC-Widerstände oder NTC-Thermistoren werden temperaturabhängige Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten bezeichnet. NTC-Widerständen leiten den elektrischen Strom bei höheren Temperaturen besser als bei niedrigen Temperaturen. Im Belastungsfall bei Anlegen einer Spannung leitet der kalte NTC-Widerstand deshalb durch seinen hohen Widerstand nur wenig Strom. Im weiteren Betrieb erwärmt sich der NTC-Widerstand, verringert damit seinen elektrischen Widerstand und der Stromfluss nimmt zu.

NTC-Widerstände werden üblicherweise aus Metalloxiden, beispielsweise Eisenoxid (Fe2O3), ZnTiO4 und Magnesiumdichromat (MgCr2O4), gefertigt. Üblicherweise werden NTC-Widerstände durch ihren Widerstand bei 25°C gekennzeichnet (R25).

Ein temperaturabhängiger Widerstand ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil der Entladekontakt sehr frühzeitig geschlossen werden kann. Eine Entladung ist somit bereits während dem Auftreten eines Lichtbogens beim Öffnen des primären Kontaktes durch die pyrotechnische Ladung möglich. Während der Lichtbogen, der an oder im Bereich der Trennstelle des primären Kontaktes entsteht, gelöscht wird, kann der Entladekontakt bereits kontaktiert werden. Diese zeitliche Abfolge führt damit zu einem besonders frühen Zeitpunkt nach Auslösung der Trennfunktion zu Energieeinträgen, insbesondere von Teilenergieeinträgen aus der Batterie und/oder des Zwischenkreises und/oder anderen im Fahrzeug gespeicherten Energien, beispielsweise Induktivitäten, in den Entladekreis um zumindest teilweise über den Entladewiderstand abgebaut zu werden.

Durch die anfängliche Hochohmigkeit des NTC bei niedrigen Temperaturen wird einerseits der Kontakt zur Kontaktierung des Entladekreises bzw. des Entladewiderstandes während dem Schaltvorgang geschützt und/oder die Strombelastung des Widerstands verringert. In einer speziellen Ausführungsform können bei Trennen des primären Kontaktes Zwischenkreisspannungen bis zu 1000V durch den Entladewiderstand verarbeitet werden. Da im Zuge der weiteren technischen Entwicklungen insbesondere bei Elektrofahrzeugen die Betriebsspannungen der Energiespeicher voraussichtlich weiter erhöht werden, ist der Gegenstand der Erfindung von hoher technischer und wirtschaftlicher Bedeutung. Als zusätzlichen Vorteil entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung ergeben sich durch die kleinere Spitzenleistungsbeaufschlagung des Entladekreises geringere notwendige Wärmekapazitäten und mehr Zeit für die Wärmeableitung, wodurch ein kleinerer Bauraum des Entladekreises und/oder kleinere Leitungsquerschnitte ermöglicht werden.

Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung ergibt sich durch die Entladung des Zwischenkreises über den erfindungsgemäßen Entladewiderstand sowie die Belastung der weiteren Energiequellen eine Temperaturerhöhung des Entladewiderstandes und somit eine Widerstandsverringerung. Diese führt nach einer besonderen Ausführungsform in der Folge zu einer schnelleren Entladung des Zwischenkreises und somit zur Verringerung der Entladezeiten des Zwischenkreises.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist einen weist der Entladewiderstand - bei einer Nenntemperatur von 25°C -einen Nennwiderstand kleiner als IkQ aufweist.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der Entladewiderstand einen Nennwider stand < Ikfi, bei Umgebungstemperatur auf.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der Entladewiderstand einen Widerstand < 10Q bei 200°C auf.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung hält der Widerstand Spannungsbeaufschlagungen bis zu 1000V stand.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Entladewiderstand zur Kühlung zumindest teilweise in ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit eingebettet. Hierdurch kann eine verbesserter Wärmeabfluss und damit eine bessere Kühlung des Entladewiderstandes gewährleistet werden.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist dem NTC-Widerstand ein Vorwiderstand, insbesondere ein Festwiderstand, beispielsweise ein ohmscher Widerstand, in Serie vorgeschalten. Nach weiteren möglichen Ausführungsformen der Erfindung sind als Vorwiderstand verschiedene Bauarten von linear/ohmschen oder nicht-linearen Vorwiderständen möglich.

Nach einer besonderen Ausführungsform ist die Erfindung durch eine Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers gekennzeichnet, wobei die pyrotechnische Trenneinrichtung zum Trennen einer primären Verbindung eines ersten Leiter von einem zweiten Leiter eingerichtet ist, wobei der erste Leiter zur Verbindung mit dem Hochvoltstromspeicher vorgesehen ist und der zweite Leiter zur Verbindung mit zu mindestens einem der pyrotechnischen Trenneinrichtung nachgeschalteten Verbraucher vorgesehen ist, und ein dritter Leiter vorgesehen ist, wobei die pyrotechnischen Trenneinrichtung so ausgeführt ist, dass nach dem Trennen des ersten von dem zweiten Leiter, der zweite Leiter zur Herstellung einer sekundären Verbindung mit einem dritten Leiter verbunden werden kann, wobei der dritte Leiter zur Verbindung mit dem Entladewiderstand geeignet ist.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist dabei der dritte Leiter als Vorwiderstand, mit einem vorbestimmten elektrischen Widerstandswert, vor dem Entladewiderstand vorgesehen. Nach einer besonderen bildet der dritte Leiter zumindest teilweise den Vorwiderstand.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Kühleinrichtung, beispielsweise ein Kühlkörper, vorgesehen und ist der dritte Leiter zumindest teilweise in ein Kühlgas und/oder eine Kühlflüssigkeit in der Kühleinrichtung eingebettet ist. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine gemeinsame Einbettung des dritten Leiters sowie des Entladewiderstandes in ein Kühlgas und/oder eine Kühlflüssigkeit vorgesehen. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der dritte Leiter als Vorwiderstand ausgestaltet ist.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers ist der dritte Leiter und/oder der Vorwiderstand und/oder der Entladewiderstand jeweils zumindest teilweise in ein Kühlgas und/oder eine Kühlflüssigkeit eingebettet. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die pyrotechnische Trenneinrichtung zum Trennen einer Verbindung eines ersten Leiter von einem zweiten Leiter eingerichtet, wobei der ersten Leiter zur Verbindung mit dem Hochvoltstromspeicher geeignet ist und der zweite Leiter zur Verbindung mit zumindest einem der pyrotechnischen Trenneinrichtung nachgeschalteten Verbraucher geeignet ist und die pyrotechnischen Trenneinrichtung zum Trennen des ersten von dem zweiten Leiter zeitlich versetztes Verbinden des zweiten Leiter mit einem dritten Leiter eingerichtet ist, wobei der dritte Leiter zur Verbindung mit dem Entladewiderstand geeignet ist. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Kontaktherstellung mit dem Entladewiderstand bereits erfolgen, während der Lichtbogen der Trenneinrichtung noch aktiv ist.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist diese durch ein Verfahren zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gekennzeichnet, wobei nach der Trennung der primären Verbindung die sekundäre Verbindung in einem Zeitintervall von höchsten 3 ms, vorzugsweise von höchstens 1,5 ms, besonders bevorzugt von höchstens 0,5 ms hergestellt wird.

Nach einer besonderen Ausführungsform ist die Erfindung durch ein Verfahren zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers, insbesondere in einem Fahrzeug, gekennzeichnet, wobei eine pyrotechnische Trenneinrichtung, ein kapazitiver und/oder induktiver Zwischenkreis und ein Motor/Generator vorgesehen ist, wobei die pyrotechnische Trenneinrichtung zwischen Hochvoltstromspeicher und dem Zwischenkreis angeordnet und zum schnellen Trennen des Hochvoltstromspeichers von dem Zwischenkreis eingerichtet ist und ferner ein Entladewiderstand vorgesehen ist, wobei der Entladewiderstand zum Entladen des Zwischenkreises eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Entladewiderstand um einen NTC- Widerstand handelt und die pyrotechnische Trenneinrichtung zum Trennen einer primären Verbindung eines ersten Leiter von einem zweiten Leiter eingerichtet ist, wobei der erste Leiter zur Verbindung mit dem Hochvoltstromspeicher vorgesehen ist und der zweite Leiter zur Verbindung mit zu mindestens einem der pyrotechnischen Trenneinrichtung nachgeschalteten Verbraucher vorgesehen ist, und ein dritter Leiter vorgesehen ist, wobei die pyrotechnischen Trenneinrichtung so ausgeführt ist, dass nach dem Trennen des ersten von dem zweiten Leiter, der zweite Leiter zur Herstellung einer sekundären Verbindung mit einem dritten Leiter verbunden werden kann, wobei der dritte Leiter zur Verbindung mit dem Entladewiderstand geeignet ist und die primäre Verbindung mechanisch getrennt wird und danach die sekundäre Verbindung mechanisch geschlossen wird, während an der getrennten primären Verbindung noch ein Lichtbogen brennt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung durch Verfahren zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers gekennzeichnet, wobei nach der mechanischen Trennung der primären Verbindung die sekundäre Verbindung in einem Zeitintervall von höchstens 3 ms, vorzugsweise von höchstens 1,5 ms, besonders bevorzugt von höchstens 0,5 ms hergestellt wird.

Die Erfindung ist anhand der folgenden schematischen, nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Teil eines schematischen Schaltbildes für eine Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer pyrotechnischen Trenneinrichtung zur Verwendung in einer Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer pyrotechnischen Trenneinrichtung nach Auslösung der Trennfunktion

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines schematischen Schaltbildes für eine Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers

In Fig. 1 ist schematisch ein Teil eines Schaltbildes einer Vorrichtung zum sicheren Trennen eines Hochvoltstromspeichers dargestellt. Nur schematisch dargestellt ist dabei der Hochvoltstromspeicher 11 mit gegebenenfalls allen ohmschen, kapazitiven und induktiven Lastanteilen.

Dieser Hochvoltstromspeicher 11 ist über eine pyrotechnische Trenneinrichtung 12 mit einem Hochvoltnetzwerk verbunden, das in der schematischen Darstellung durch eine Kapazität 13 vereinfacht dargestellt ist. Dieses Hochvoltnetzwerk kann beispielsweise als Teil einer Inverterschaltung ausgestaltet sein. Nicht dargestellt ist zudem ein Motor/Generator der ebenfalls Teil des Hochvoltnetzwerkes sein kann. Über einen geeigneten Schaltmechanismus 14, der wiederum beispielsweise über einen geeigneten Triggermechanismus 15 angesteuert werden kann, kann ein Entladewiderstand 16 geschalten werden. Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dabei der Entladewiderstand 16 während oder nachfolgend der Trennung des Hochvoltspeichers 11 von der Kapazität 13 durch die pyrotechnische Trenneinrichtung 12 durch den Schaltmechanismus 14 in einen Entladeschaltkreis mit der Kapazität 13 geschalten. Dadurch kann die gespeicherte Energie in der Kapazität 13 über den Entladewiderstand 16 abgebaut werden. Der Entladewiderstand 16 ist dabei als NTC-Widerstand ausgeführt.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführung einer pyrotechnischen Trenneinrichtung 12 als Sicherung 1 zur Trennung von zwei elektrischen Leitern. Es ist ein erster Leiter 2 vorgesehen, der in der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration mit einem zweiten Leiter 5 verbunden ist. Die Verbindung der beiden Leiter wird über den Kolben 3 und den Leiterab schnitt 4 des zweiten Leiters sowie einen Verbindungsbereich 6 des ersten Leiters hergestellt. Im Inneren des ersten Leiters ist eine Zündpille 9 angeordnet, die über 2 Kontakte 10 aktiv angesteuert und gezündet werden kann. Dabei wird der Verbindungsbereich 6, der als Hohlzylinder mit einem dünnen Querschnitt ausgeführt ist, durch die Detonation der Zündpille getrennt. Durch dieses Trennen und den durch die Zündpille sowie den Lichtbogen entstehenden Druck wird der Kolben 3 in Richtung des zweiten Leiters 5 bewegt. Der Leiterabschnitt 4, welcher das ebenfalls als Hohlzylinder mit dünnem Querschnitt ausgeführt ist, wird dabei verformt, insbesondere gefaltet. Diese Verformung und/oder Faltung findet in dem Faltungsraum 7 der Sicherung statt. Durch die Trennung des ersten Leiter 2 vom zweiten Leiter 5, entsteht im Trennungsbereich des Verbindungsbereiches 6 ein Lichtbogen. In diesem Bereich ist zum Zwecke des Löschens des Lichtbogens ein Lichtbogenlöschmedium 8, insbesondere Silikonöl, angeordnet. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung verdampft das Lichtbogenlöschmedium 8, wodurch der Innendruck in diesem Bereich steigt und dieser Druck auf den Kolben 3 und einen Treibspiegel 18 wirkt. Damit wird die Bewegung des Kolbens3, des Treibspiegels 18 und damit die Verformung und/oder Faltung des Zwischenstückes 4 in Richtung des zweiten Leiters 5 bewirkt. Durch die Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden Leitern 2 und 5 einerseits und durch die Wirkung des Lichtbogenlöschmediums 8, insbesondere das Silikonöl, andererseits, erfolgt ein Löschen des gegebenenfalls auftretenden Lichtbogens. Das Silikonöl verdampft endotherm und trägt einerseits durch Bildung von Gas zur Bewegung des Treibspiegels bei und absorbiert andererseits die Energie des Lichtbogens und kühlt die Sicherung. Wie in Fig. 2 ersichtlich weist die Sicherung ferner einen dritten Kontakt 17 auf, der bei ausgelöster Sicherung über den Treibspiegel 3 kontaktiert wird. Somit bildet die Sicherung nicht nur die pyrotechnische Trenneinrichtung 12, sondern bildet damit auch die Funktion des Schalters 14 und dessen Ansteuerung 15 ab. Im Auslösefall der Sicherung 1 wird zuerst der Hochvoltstromspeicher getrennt, d.h. der erste Leiter 2 von dem zweiten Leiter 5 getrennt. Entsprechend der sich in Elektrofahrzeugen ergebenden hohen Ströme und Induktivitäten ergibt sich ein Lichtbogen, dessen Löschung Zeit benötigt. Wird die Kontaktierung bereits während dieses Löschvorgangs durchgeführt, so ergibt sich eine hohe Belastung des Entladewiderstands bei einer möglichen Verkürzung der Gesamtentladezeit.

Während dem Auseinanderfahren der getrennten Leitermaterialien wird das Zwischenstück 3 zum dritten Kontakt 17 geführt und somit der Entladekontakt hergestellt. Damit kann der Entladekreis, wie das in Fig. 1 gezeigt ist, geschlossen werden.

In Fig. 3 ist die Sicherung 1 nach der Auslösung dargestellt. Nach einer besonderen Ausführung sform erfolgt die zeitlich versetzte Kontaktierung nach folgendem Ablauf: Zuerst trennt die Zündpille 9 den Verbindungsbereich 6 des ersten Leiters. Durch den entstehenden Druck verschiebt sich der Kolben 3 in Richtung des Entladekontaktes 17. Durch das Trennen des Verbindungsbereiches 6 und damit der Verbindung des ersten Leiters 2 mit dem zweiten Leiter 5 bildet sich ein Lichtbogen. Die Verschiebung des Kolbens 3 hin zum Entladekontakt 17 führt zum Schließen des Entladekontakts 17. Der hochohmige kalte Entladewiderstand der über den Entladekontakt 17 kontaktiert wird, wird damit kurzfristig mit einer hohen Spannung beaufschlagt. Durch seine Hochohmigkeit wird der Entladewiderstand und der Entladekontakt vor Abbrand geschützt. Wie in Fig. 3 ersichtlich verformt und faltet sich der Leiterabschnitt 4 durch die Bewegung des Kolbens 3. Im weiteren Verlauf erfolgt ein Energieabbau der Trennfunktion, beispielsweise durch das Verdampfen des Lichtbogenlöschmediums 8, solange, bis der Lichtbogen gelöscht ist. Durch das Verdampfen des Lichtbogenlöschmediums 8, insbesondere des Silikonöls, entsteht weiteres Gas und Überdruck. Dieser Überdruck wirkt auf den Kolben 3 sowie den Treibspiegel 18 und führt zu einer Förderung der Bewegung des Kolbens 3 in Richtung zum Entladekontakt 17. Im Zuge der Lichtbogenlöschung wird der Strompfad zwischen dem ersten Leiter 2 und dem zweiten Leiter 5 schließlich hochohmig und es erfolgt die weitere Entladung des Zwischenkreises über den Entladewiderstand, der sich erwärmt und damit niederohmig wird. In Fig. 4 ist gegenüber Fig.l schematisch ein Vorwiderstand 19 vorgesehen. Hier kann beispielsweise ein Festwiderstand verwendet werden. Alternativ kann natürlich auch der dritte Kontakt bzw. Entladekontakt 17 als Vorwiderstand 19 vorgesehen sein. Aus diesem Grund ist die Darstellung auch nur vereinfacht und schematisch zu verstehen. Ferner ist in Fig. 4 schematisch eine Kühleinrichtung 20 vorgesehen. Diese Kühleinrichtung weist ein Kühlgas und/oder eine Kühlflüssigkeit auf, durch welche der dritte Leiter bzw. Entladekontakt 17 und/oder der Vorwiderstand 19 und/oder der Entladewiderstand 16 gekühlt werden kann. Nach einer besonderen Ausführungsform ist dabei der dritte Leiter bzw. Entladekontakt 17 und/oder der Vorwiderstand 19 und/oder der Entladewiderstand 16 in das Kühlgas und/oder die Kühlflüssigkeit eingebettet. Nach einer besonderen Ausführungsform weist die Kühleinrichtung 20 ein Kühlgehäuse auf, in welchem beispielsweise das Kühlgas und/oder die Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.