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WO2018011364A2 - Sicherung, insbesondere für einen verbraucher - Google Patents

Sicherung, insbesondere für einen verbraucher Download PDF

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WO2018011364A2
WO2018011364A2 PCT/EP2017/067750 EP2017067750W WO2018011364A2 WO 2018011364 A2 WO2018011364 A2 WO 2018011364A2 EP 2017067750 W EP2017067750 W EP 2017067750W WO 2018011364 A2 WO2018011364 A2 WO 2018011364A2
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WO
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fuse
characteristic
electrical
holder
contact
Prior art date
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PCT/EP2017/067750
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English (en)
French (fr)
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WO2018011364A3 (de
Inventor
Andreas HAMMA
Matthias Reckermann
Robert Hasenfratz
Michael Günther ZEYEN
Dietmar Bytzek
Günter Uhl
Original Assignee
Marquardt Gmbh
VANCOM GmbH & Co. KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Marquardt Gmbh, VANCOM GmbH & Co. KG filed Critical Marquardt Gmbh
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Publication of WO2018011364A2 publication Critical patent/WO2018011364A2/de
Publication of WO2018011364A3 publication Critical patent/WO2018011364A3/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/0039—Means for influencing the rupture process of the fusible element
    • H01H85/0047—Heating means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/093—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • H01M2200/103—Fuse

Definitions

  • the invention relates to a fuse according to the preamble of patent claim 1.
  • Such fuses are used in particular in the power supply for an electrical consumer.
  • the electrical load is connected to its power supply via an electrical
  • a fuse is arranged, wherein the fuse comprises a securing element and a holder for the securing element.
  • the fuse is used to protect the voltage source and / or the connected consumer. In unfavorable situations and / or unfavorable conditions, however, conditions may arise in which the fuse can no longer react within the required time, so that the reliability is impaired. There is then the risk of impairment and / or destruction of the voltage source and / or the consumer, for example by a fire in the voltage source and / or in the supply line and / or in the consumer.
  • the invention has for its object to further develop the backup such that the reliability is improved. This object is achieved in a generic fuse by the characterizing features of claim 1.
  • a means for changing the characteristic and / or influencing the tripping characteristic for the fuse element is provided.
  • it may be at the fuse element to a
  • the fuse may in turn comprise a fuse wire.
  • the securing element can be configured as a component with end-side electrical connection elements.
  • the component may be cylindrical, cuboidal, prismatic or the like, and / or the connection elements to be designed in the manner of connection caps.
  • the holder may have a contact element for receiving the connection element and a connection to the electrical supply line.
  • Fuse element in the holder the contact element resiliently, screwed o.
  • the means for changing the characteristic curve and / or for influencing the tripping characteristic can comprise a heat source in thermal connection with the fuse element.
  • the fuse element can be acted upon by thermal energy.
  • the fuse can be acted upon by the introduced into the molten wire heat with thermal energy.
  • the heat source may expediently comprise an electrical heating element arranged on the contact element.
  • the fuse can be acted upon by the introduced into the molten wire heat with thermal energy. For this can
  • the heat source comprise a built-in fuse element electric heating wire.
  • a built-in fuse element electric heating wire Such a configuration is characterized by special
  • the means for changing the characteristic and / or for influencing the tripping characteristic comprise a cold source which is in thermal connection with the fuse element and / or arranged in the fuse element.
  • the fuse element can be acted upon with cold.
  • the fuse can be cooled by the introduced into the fuse wire cooling.
  • the heat and / or cold source may be a Peltier element.
  • the fuse element may be operable as a shunt resistor.
  • the electrical current flowing in the supply line can be determined on the basis of a measurement of the electrical voltage drop across the shunt resistor. This can be a
  • the contacting element for measuring the electrical voltage drop across the shunt resistor with the connection element in electrical contact.
  • the contacting element can be arranged in the region of the contact element as well as electrically insulated relative to the contact element.
  • the state of the fuse element can be diagnosed on the basis of the voltage drop measured at the shunt resistor and / or the holder. In particular, depending on the measured voltage drop, the state of the fuse can be determined. For example, hereby the quality of the Fuse of the fuse and / or the quality of the contact can be determined by means of the contact elements. Consequently, the securing means offers a further extension of the functionality without additional costs.
  • a temperature sensor can be arranged on the fuse element and / or on the holder. Conveniently, the temperature sensor in the
  • Temperature sensor the temperature of the fuse element measurable.
  • the temperature sensor as an NTC resistor, as a PTC sensor, as a semiconductor temperature sensor o. The like.
  • Battery system systems are protected against line and / or consumer fire.
  • the protection can be done with known security elements.
  • the fuses must be operated safely as long as the energy source can supply sufficient energy.
  • the idea is to equip the fuse with a heat source. This means that one initiates targeted heat in the fuse wire. As a result, a heat accumulation in the fuse can be achieved even under unfavorable conditions, whereby a melting of the securing thread is achieved. Unfavorable condition means that the energy source can not provide the required energy. This measure directly influences the fuse characteristic. This influence has effects on the downstream systems.
  • the fuse may also be equipped with a cold source for introducing cold into the fuse wire.
  • the fuse is also operated as a shunt resistor. This means you measure the voltage drop across this shunt resistor and can thus determine the flowing electrical current. Depending on this current value, it is possible to infer the condition of the fuse
  • fuse holder for a fuse in particular for a high-current fuse, having the following properties:
  • the fuse holder for a replaceable fuse in particular a high-current Sclimelz rejoin should be designed so that even over long periods of operation, especially with high currents, ensures that there is no critical contact resistance, which otherwise cause massive heating of the arrangement between the Securing element and the contacts of the fuse holder comes.
  • the fuse function of the fuse element is identical to the function of a fuse according to the prior art with all the known properties. Among other things, these fuses have very long tripping times at low overcurrents, for example at 1 10% of the rated fuse current. In addition, the fuse element by an external heating in the contact elements of the
  • Fuse holder integrated heating elements for triggering, i. to be melted.
  • the heating elements are preferably activated when through
  • Monitoring devices for example via a measurement of the load current
  • the fuse element is designed to have a defined and known behavior of its electrical resistance. This can be determined by measuring the voltage drop across the fuse element flowing through the fuse current. In addition, a poor contact of the fuse element in the fuse holder can be detected in this way.
  • the current measurement can be implemented with the fuse as a shunt element.
  • the diagnosis of the fuse can be implemented with the fuse shunt element.
  • Fig. 1 is a consumer system with a fuse in a schematic view
  • Fig. 2 shows the fuse in front and in side view
  • Fig. 3 shows the electrical circuit arrangement for the fuse.
  • a consumer system 1 with an electrical load 4 can be seen.
  • the consumer 4 is connected via a supply line 5 with an electrical voltage source 2 in electrical connection.
  • an electrical voltage source 2 As an electrical voltage source 2, a battery 3 is shown by way of example. Of course, the voltage source 2 may also be the mains voltage or the like.
  • a fuse 6 is arranged in the supply line 5, a fuse 6 is arranged.
  • the fuse 6 comprises a securing element 6 'and a holder 6 "for the securing element 6'
  • the fuse element 6 ' is in a further embodiment to a
  • the fuse 6 ' has a fuse wire 7, as shown schematically in FIG. 1.
  • the means 8 for changing the characteristic comprises a heat source 10 which is in thermal connection with the securing element 6 '. As a result, the securing element 6' is driven by corresponding activation of the means 8
  • the fuse 6 can be acted upon by heat introduced into the melting wire 7 with heat energy.
  • the fuse 6 even then functionally reliable operation, if the residual energy remaining in the battery 3 would not be sufficient for this purpose.
  • the fuse 6 in the manner of acceleration can be influenced, so that their missing and / or creeping off is prevented.
  • the securing element 6 ' as a cylindrical component with end-side electrical connection elements 12 in the manner of Connection caps designed.
  • the holder 6 has a resilient contact element 13 for receiving the connection element 12 and a connection 14 to the electrical supply line 5.
  • the securing element 6 ' is arranged in the holder 6" by clamping, so that the securing element 6 'is easily replaceable.
  • the electrical voltage is thereby from the terminal 14 via the contact element 13 to the holder 6 "to
  • Connection element 12 of the fuse element 6 ' is supplied. If desired, the securing element 6 'can also be screwed or the like can be fastened in the holder 6 ".
  • the heat source 10 comprises an electrical heating element 10 arranged on the holder 6 "or on the contact element 13.
  • the heating element 10 is located directly on the
  • Thermal energy includes.
  • Fuse element 6 'built-in electric heating wire include, but this is not shown.
  • Compound 9 standing cold source include.
  • the fuse element 6 ' is then acted upon with cold, and indeed the fuse 6' can be cooled by the introduced into the fuse wire 7 cold.
  • the fuse 6 can be influenced in the manner of a delay, so that their premature release is prevented.
  • a Peltier element is particularly suitable.
  • a Peltier element can be operated in the desired manner for heating and / or for cooling.
  • the fuse element 6 ' as a shunt resistor operable.
  • the electric current flowing in the supply line 5 is determined by means of a measurement 1 1 of the electrical voltage drop across the shunt resistor 6 'can be determined.
  • a contacting element 15 with the connection element 12 in electrical contact is arranged in the region of the contact element 13 and electrically insulated relative to the contact element 13 by passing the contacting element 15 through an opening 16 in the contact element 13 and at a distance from the contact element 13.
  • the state of the fuse element 6 'diagnosed In particular, depending on the measured voltage drop, the state of the fuse 6 ', namely the quality of the fuse filament 7 of the fuse 6' and / or the quality of the contact elements 13 of the fuse 6 'can be determined.
  • a temperature sensor 17 may be arranged on the securing element 6 'so that the temperature of the securing element 6' can be measured by means of the temperature sensor 17. Taking into account the current temperature of the fuse element 6 'is then a sensitive control of the means 8 for changing the characteristic and / or the
  • the temperature sensor 17 may be configured as an NTC resistor, a PTC sensor, a semiconductor temperature sensor, or the like.
  • the fuse (Si) 6 ' is preferably as a cylindrical component with the electrical connection caps 12 at the two ends of the
  • the fuse can also be a cuboidal component having a rectangular cross-section of, for example, 50 mm ⁇ 50 mm and a length of, for example, 100 be designed mm.
  • the fuse also another suitable design, such as a prismatic shape, with appropriate
  • the fuse wire 7 of the fuse element 6 ' is optimized in its electrical resistance Rsi (see Fig. 3) to this as a measuring shunt to
  • the fuse holder 6 "consists of metallic, resilient contact elements 13 with terminals (AI, A2) 14 to the load circuit (load current II), wherein the contact elements 13, the securing element (Si) 6 'engage around the terminal caps 12 and so the electrical contact between fuse holder and securing element 6 ', similar to the fuse holder for the known fuses described above.
  • electrical heating elements (Hei, He2) 10 are fixed, which are connected for example electrically in series.
  • the fuse holder 6 "additionally contains two further contacting elements 15, which likewise touch the terminal caps 12 of the fuse element 6 '. These contacting elements 15 are arranged spatially in the area of the contact elements 13, but are electrically insulated from them For example, the voltage drop across the actual fuse element 6 'can be measured in the sense of a sense connection.
  • a temperature sensor (Ts) 17 for example configured as an NTC, is integrated into the fuse holder 6 ", via which the temperature of the NTC
  • Fuse element 6 ' can be detected.
  • the electrical circuit diagram for the fuse 6 is shown in more detail in FIG.
  • the load current II flows via the terminal (AI) 14 through the resistor Rio, which represents the electrical contact resistance between the first contact element 13 and the fuse element 6 ', through the resistor Rsi of the fuse element 6' and then through the resistor R, the electrical Contact resistance between the second
  • Contact element 13 and the fuse element 6 ' represents the connection (A2) 14.
  • the voltage drop Usi on the fuse element 6' can be measured.
  • the contact resistance RKI and RK2 of the contacting can then be determined from the total voltage drop UGes.
  • the optional temperature sensor (Ts) 17 the temperature of the fuse element 6 'and a temperature increase can be determined by the flowing load current II.
  • the resistance RTS at the terminals Tsl and Ts2 of the temperature sensor 17 is measured.
  • Household appliances in machine tools o. The like. Are used as well as in
  • Connection element on securing element
  • Connection cap 3 Contact element (on the holder)

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  • Power Engineering (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Fuses (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sicherung (6) zur Anordnung in einer elektrischen Versorgungsleitung (5) eines Verbrauchers (4), wobei die Sicherung (6) ein Sicherungselement und eine Halterung für das Sicherungselement umfasst. Es ist ein Mittel (8) zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik für das Sicherungselement vorgesehen.

Description

Sicherung, insbesondere für einen Verbraucher
Die Erfindung betrifft eine Sicherung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Sicherungen kommen insbesondere bei der Energieversorgung für einen elektrischen Verbraucher zum Einsatz.
Der elektrische Verbraucher ist zu dessen Energieversorgung über eine elektrische
Versorgungsleitung mit einer elektrischen Spannungsquelle, beispielsweise mit einer Batterie, verbunden. In der elektrischen Versorgungsleitung des Verbrauchers ist eine Sicherung angeordnet, wobei die Sicherung ein Sicherungselement und eine Halterung für das Sicherungselement umfasst. Die Sicherung dient zum Schutz der Spannungsquelle und/oder des angeschlossenen Verbrauchers. In ungünstigen Situationen und/oder bei ungünstigen Zuständen können jedoch Bedingungen auftreten, bei denen die Sicherung nicht mehr innerhalb der erforderlichen Zeit reagieren kann, so dass die Funktionssicherheit beeinträchtigt ist. Es besteht dann die Gefahr einer Beeinträchtigung und/oder Zerstörung der Spannungsquelle und/oder des Verbrauchers, beispielsweise durch einen Brand in der Spannungsquelle und/oder in der Versorgungsleitung und/oder im Verbraucher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherung derart weiterzuentwickeln, dass die Funktionssicherheit verbessert ist. Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Sicherung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Sicherung ist ein Mittel zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik für das Sicherungselement vorgesehen. Vorteilhafterweise lässt sich dadurch die Kennlinie und/oder die
Auslösecharakteristik des Sicherungselements der jeweiligen Situation und/oder dem jeweiligen Zustand anpassen, womit einer Beeinträchtigung und/oder einer Zerstörung der Spannungsquelle und/oder des Verbrauchers auch unter ungünstigen Bedingungen begegnet ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In kostengünstiger Art und Weise kann es sich bei dem Sicherungselement um eine
Schmelzsicherung handeln. Die Schmelzsicherung kann wiederum einen Schmelzdraht aufweisen. In zweckmäßiger Weise kann das Sicherungselement als ein Bauelement mit endseitigen elektrischen Anschlusselementen ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich anbieten, dass das Bauelement zylindrisch, quaderförmig, prismatisch o. dgl. und/oder die Anschlusselemente in der Art von Anschlusskappen ausgestaltet sind. Die Halterung kann ein Kontaktelement zur Aufnahme des Anschlusselements sowie einen Anschluss zur elektrischen Versorgungsleitung aufweisen. Zwecks einfacher Anordnung des
Sicherungselements in der Halterung kann das Kontaktelement federnd, verschraubbar o. dgl. ausgestaltet sein.
In weiterer Ausgestaltung kann das Mittel zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik eine mit dem Sicherungselement in thermischer Verbindung stehende Wärmequelle umfassen. Dadurch ist das Sicherungselement mit Wärmeenergie beaufschlagbar. Insbesondere kann die Schmelzsicherung durch die in den Schmelzdraht eingeleitete Wärme mit Wärmeenergie beaufschlagbar sein. Hierfür kann zweckmäßigerweise die Wärmequelle ein am Kontaktelement angeordnetes elektrisches Heizelement umfassen. Somit ist die Betriebssicherheit für das Sicherungsmittel in einfacher Art und Weise gesteigert. In einer anderen Ausgestaltung kann das Mittel zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik eine im Sicherungselement angeordnete
Wärmequelle umfassen. Dadurch ist das Sicherungselement mit Wärmeenergie
beaufschlagbar. Insbesondere kann die Schmelzsicherung durch die in den Schmelzdraht eingeleitete Wärme mit Wärmeenergie beaufschlagbar sein. Hierfür kann
zweckmäßigerweise die Wärmequelle einen im Sicherungselement eingebauten elektrischen Heizdraht umfassen. Eine derartige Ausgestaltung zeichnet sich durch besondere
Kompaktheit aus.
In einer nochmals anderen Ausgestaltung kann das Mittel zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik eine mit dem Sicherungselement in thermischer Verbindung stehende und/oder im Sicherungselement angeordnete Kältequelle umfassen. Dadurch ist das Sicherungselement mit Kälte beaufschlagbar. Insbesondere kann die Schmelzsicherung durch die in den Schmelzdraht eingeleitete Kälte kühlbar sein.
Bei der Wärme- und/oder Kältequelle kann es sich um ein Peltier-Element handeln.
Hierdurch lässt sich eine besonders feinfühlige Veränderung der Kennlinie und/oder Beeinflussung der Auslösecharakteristik für das Sicherungselement erreichen.
Das Sicherungselement kann als ein Shunt- Widerstand betreibbar sein. Dadurch kann der in der Versorgungsleitung fließende elektrische Strom anhand einer Messung des elektrischen Spannungsabfalls am Shunt- Widerstand ermittelbar sein. Hierfür kann ein
Kontaktierungselement zur Messung des elektrischen Spannungsabfalls am Shunt- Widerstand mit dem Anschlusselement in elektrischem Kontakt stehen. Zweckmäßigerweise kann das Kontaktierungselement im Bereich des Kontaktelements sowie gegenüber dem Kontaktelement elektrisch isoliert angeordnet sein. Somit ist die Funktionalität des
Sicherungselements ohne wesentliche zusätzliche Kosten erweitert.
In weiterer Ausgestaltung kann anhand des am Shunt- Widerstand und/oder der Halterung gemessenen Spanungsabfalls der Zustand des Sicherungselements diagnostizierbar sein. Insbesondere kann in Abhängigkeit vom gemessenen Spannungsabfall der Zustand der Schmelzsicherung ermittelbar sein. Beispielsweise können hiermit die Qualität des Sicherungsfadens der Schmelzsicherung und/oder die Qualität der Kontaktierung mittels der Kontaktelemente ermittelbar sein. Folglich bietet das Sicherungsmittel eine nochmalige Erweiterung der Funktionalität ohne zusätzliche Kosten.
Zwecks Berücksichtigung der in der Sicherung herrschenden Temperatur für die
Veränderung der Kennlinie und/oder Beeinflussung der Auslösecharakteristik für das Sicherungselement kann ein Temperatursensor am Sicherungselement und/oder an der Halterung angeordnet sein. Zweckmäßigerweise kann der Temperatursensor in die
Halterung integriert sein. Dadurch ist in einfacher Art und Weise mittels des
Temperatursensors die Temperatur des Sicherungselements messbar. In kostengünstiger sowie funktionssicherer Art und Weise kann es sich anbieten, dass der Temperatursensor als ein NTC-Widerstand, als ein PTC-Sensor, als ein Halbleiter-Temperatursensor o. dgl.
ausgestaltet ist.
Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sicherung ist nachfolgendes festzustellen.
In elektromechanischen Verteilungssystemen für eine elektrische Spannungsquelle, beispielsweise von Batteriesystemen, werden elektrische Lasten mit großen elektrischen Schaltern, beispielsweise mittels Relais, Schütz o. dgl., geschaltet. Bei gefährlichen
Situationen, die durch Unfälle und/oder auch fehlerhafte Betriebsbedingungen entstehen können, müssen die Batteriesysteme vor Batteriebrand und/oder die außerhalb des
Batteriesystems angeschlossenen Systeme vor Leitungs- und/oder Verbraucherbrand geschützt werden. Der Schutz kann mit bekannten Sicherungselementen erfolgen.
Die Schmelzsicherungen sind sicher zu betreiben, so lange die Energiequelle ausreichend Energie liefern kann. Die ungünstigen Situationen bei Energiesystemen, beispielsweise bei Batterien, entstehen allerdings unter Bedingungen, bei denen diese nicht mehr die erforderliche Energie liefert. Das bedeutet, die Schmelzsicherungen können nicht mehr innerhalb der erforderlichen Zeiten reagieren. Das verursacht enorme Aufwände in den nachfolgenden Systemen. Die Idee besteht darin, die Schmelzsicherung mit einer Wärmequelle auszustatten. Das bedeutet, dass man gezielt Wärme in den Schmelzdraht einleitet. Dadurch kann auch bei ungünstigen Bedingungen ein Wärmestau in der Schmelzsicherung erreicht werden, wodurch ein Durchschmelzen des Sicherungsfadens erreicht wird. Ungünstige Bedingung bedeutet, dass die Energiequelle nicht die erforderliche Energie bereitstellen kann. Mit dieser Maßnahme beeinflusst man direkt die Sicherungskennlinie. Diese Einflussnahme hat Auswirkungen auf die nachgeschalteten Systeme. Alternativ kann die Schmelzsicherung auch mit einer Kältequelle zum Einleiten von Kälte in den Schmelzdraht ausgestattet sein.
Des Weiteren betreibt man die Sicherung auch als Shunt- Widerstand. Das bedeutet, man misst den Spannungsabfall über diesen Shunt- Widerstand und kann dadurch den fließenden elektrischen Strom ermitteln. Abhängig von diesem Stromwert kann auf den Zustand der Schmelzsicherung geschlossen werden, wodurch
- die Qualität des Sicherungsfadens der Schmelzsicherung,
- die Qualität des Kontaktsystems der Schmelzsicherung
feststellbar ist.
Geschaffen ist somit eine Schmelzsicherung, insbesondere eine Hochstrom- Schmelzsicherung, mit veränderbarer Kennlinie und/oder Diagnose mit den folgenden Eigenschaften:
- Diagnosefähige Sicherung.
Sicherung als Shunt-Element.
Sicherung mit veränderbarer Kennlinie.
Weiterhin geschaffen ist ein Sicherungshalter für eine Schmelzsicherung, insbesondere für eine Hochstrom-Schmelzsicherung, mit folgenden Eigenschaften:
- Externe elektrische Beheizung der Sicherung.
- Auswechselbares Sicherungselement.
Verwendung des Sicherungselementes als Strommess-Shunt.
Eine wichtige Randbedingung der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Sicherung nur sehr selten auslösen muss. Kommt es zu einem Auslösen der Sicherung, so ist gefordert, dass das Sicherungselement ausgetauscht werden kann. Der Sicherungshalter für eine wechselbare Schmelzsicherung, insbesondere eine Hochstrom-Sclimelzsicherung, soll so ausgeführt sein, dass auch über längere Betriebszeiten, insbesondere mit hohen Strömen, gewährleistet ist, dass es zu keinen kritischen Kontaktübergangswiderständen, die ansonsten eine massive Erwärmung der Anordnung verursachen, zwischen dem Sicherungselement und den Kontakten des Sicherungshalters kommt.
Eine weitere, möglichst zu erfüllende Randbedingung ist, dass sich das eigentliche, insbesondere wechselbare, Sicherungselement nur wenig von dem heute üblicherweise eingesetzten Sicherungselement unterscheidet. Insbesondere soll dies für die mechanische Ausführung, die Kontaktierung, die Herstellung usw. gelten.
Die Sicherungsfunktion des Sicherungselementes ist identisch mit der Funktion einer Schmelzsicherung nach dem Stand der Technik mit all den bekannten Eigenschaften. Unter Anderem besitzen diese Schmelzsicherungen sehr lange Auslösezeiten bei niedrigen Überströmen, beispielsweise bei 1 10 % des Sicherungsnennstromes. Zusätzlich kann das Sicherungselement durch eine externe Beheizung über in die Kontaktelemente des
Sicherungshalters integrierte Heizelemente zum Auslösen, d.h. zum Schmelzen, gebracht werden. Die Heizelemente werden vorzugsweise aktiviert, wenn durch
Überwachungseinrichtungen, beispielsweise über eine Messung des Laststromes,
Abschaltkriterien erkannt werden.
Zusätzlich wird das Sicherungselement so ausgebildet, dass es ein definiertes und bekanntes Verhalten seines elektrischen Widerstandes hat. Damit kann über eine Messung des Spannungsabfalls über dem Sicherungselement der durch die Sicherung fließende Strom bestimmt werden. Außerdem kann auf diesem Wege auch eine schlechte Kontaktierung des Sicherungselements im Sicherungshalter erkannt werden.
Ist eine Auswertung der Spannungsabfälle bei bekanntem Sicherungswiderstand nicht ausreichend, so kann optional eine Bestimmung der Temperatur des Sicherungselementes, beispielsweise über einen in den Sicherungshalter integrierten Temperatursensor, erfolgen. Zusammenfassend sind somit die folgenden Merkmale bei der erfindungsgemäßen
Sicherung beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Batteriesystem gegeben:
- Beeinflussung der Auslösecharakteristik einer Standard- Sicherung durch eine externe Beheizung und/oder auch Kühlung.
- Überwachung der Übergangswiderstände der Sicherungskontaktierung über die
Lebensdauer und/oder nach Sicherungsaustausch sowie gegebenenfalls Abschaltung des Strompfades bei kritischen Betriebszuständen.
- Verwendung des bekannten ohmschen Widerstandes einer Sicherung als Mess-Shunt zur Messung des Laststroms. Optional erfolgt eine zusätzliche Messung der
Sicherungstemperatur und das Unterbrechen des Strompfades bei kritischen
Betriebszuständen, beispielsweise bei Überstrom o. dgl., durch Auslösen der Sicherung mittels der externen Beheizung.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in Folgendem:
- Es kann eine bewährte Technik eingesetzt werden.
- Niedrige elektrische Ströme, die lediglich minimal über dem Nennstrom liegen, können abgesichert werden.
- Die Kennlinie der Sicherung„Strom über die Zeit" ist veränderbar.
- Die Strommessung ist mit der Sicherung als Shunt-Element umsetzbar.
- Die Diagnose der Sicherung ist mit dem Sicherungs-Shunt-Element umsetzbar.
- Es ist ein deutlicher Kostenvorteil durch die einfache Technik erreicht.
- Es ist ein deutlicher Kostenvorteil in den nachfolgenden Systemen gegeben.
- Die Verkabelungen können deutlich in den Querschnitten verringert werden, was wiederum Kostenvorteile mit sich bringt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und
Ausgestaltungen ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Verbrauchersystem mit einer Sicherung in schematischer Ansicht, Fig. 2 die Sicherung in Front- sowie in Seitenansicht und Fig. 3 die elektrische Schaltungsanordnung für die Sicherung.
In Fig. 1 ist ein Verbrauchersystem 1 mit einem elektrischen Verbraucher 4 zu sehen. Der Verbraucher 4 steht über eine Versorgungsleitung 5 mit einer elektrischen Spannungsquelle 2 in elektrischer Verbindung. Als elektrische Spannungsquelle 2 ist beispielhaft eine Batterie 3 gezeigt. Selbstverständlich kann es sich bei der Spannungsquelle 2 auch um die Netzspannung o. dgl. handeln. In der Versorgungsleitung 5 ist eine Sicherung 6 angeordnet.
Die nähere Ausgestaltung der in Fig. 1 lediglich schematisch gezeigten Sicherung 6 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Sicherung 6 umfasst ein Sicherungselement 6' und eine Halterung 6" für das Sicherungselement 6'. Für das Sicherungselement 6' ist weiter ein Mittel 8 zur
Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik vorgesehen.
Bei dem Sicherungselement 6' handelt es sich in weiterer Ausgestaltung um eine
Schmelzsicherung. Die Schmelzsicherung 6' weist einen Schmelzdraht 7 auf, wie in der Fig. 1 schematisch zu sehen ist. Das Mittel 8 zur Veränderung der Kennlinie umfasst eine mit dem Sicherungselement 6' in thermischer Verbindung 9 stehende Wärmequelle 10. Dadurch ist das Sicherungselement 6' durch entsprechende Ansteuerung des Mittels 8 mit
Wärmeenergie beaufschlagbar. Und zwar ist insbesondere die Schmelzsicherung 6' durch die in den Schmelzdraht 7 eingeleitete Wärme mit Wärmeenergie beaufschlagbar. Somit kann die Schmelzsicherung 6' auch dann noch funktionssicher betrieben werden, falls die in der Batterie 3 noch vorhandene Restenergie hierfür an sich nicht mehr ausreichen würde. Insbesondere ist damit die Sicherung 6 in der Art einer Beschleunigung beeinflussbar, so dass deren fehlendes und/oder schleichendes Ausschalten verhindert ist.
Wie weiter anhand der Fig. 2 zu sehen ist, ist das Sicherungselement 6' als ein zylindrisches Bauelement mit endseitigen elektrischen Anschlusselementen 12 in der Art von Anschlusskappen ausgestaltet. Die Halterung 6" weist wiederum ein federndes Kontaktelement 13 zur Aufnahme des Anschlusselements 12 sowie einen Anschluss 14 zur elektrischen Versorgungsleitung 5 auf. Mit Hilfe des federnden Kontaktelements 13 ist somit das Sicherungselement 6' klemmend in der Halterung 6" angeordnet, so dass das Sicherungselement 6' in einfacher Weise auswechselbar ist. Die elektrische Spannung wird dabei vom Anschluss 14 über das Kontaktelement 13 an der Halterung 6" zum
Anschlusselement 12 des Sicherungselements 6' zugeführt. Falls gewünscht kann das Sicherungselement 6' auch verschraubbar o. dgl. in der Halterung 6" befestigt sein.
Die Wärmequelle 10 umfasst ein an der Halterung 6" beziehungsweise am Kontaktelement 13 angeordnetes elektrisches Heizelement 10. Das Heizelement 10 liegt direkt am
Kontaktelement 13 an, so dass ein gute thermische Verbindung 9 zum Sicherungselement 6' geschaffen ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Mittel 8 zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik eine im Sicherungselement 6' angeordnete Wärmequelle 10 zur Beaufschlagung des Sicherungselements 6' mit
Wärmeenergie umfasst. Beispielsweise kann hierfür die Wärmequelle 10 einen im
Sicherungselement 6' eingebauten elektrischen Heizdraht umfassen, was jedoch nicht weiter gezeigt ist.
Desweiteren kann das Mittel 8 zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik auch eine mit dem Sicherungselement 6' in thermischer
Verbindung 9 stehende Kältequelle umfassen. Das Sicherungselement 6' ist dann mit Kälte beaufschlagbar, und zwar ist die Schmelzsicherung 6' durch die in den Schmelzdraht 7 eingeleitete Kälte kühlbar. Damit ist die Sicherung 6 in der Art einer Verzögerung beeinflussbar, so dass deren vorzeitiges Auslösen verhindert ist. Als Wärme- und/oder Kältequelle für das Mittel 8 zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik ist in besonderer Weise ein Peltier-Element geeignet. Ein Peltier- Element kann in gewünschter Weise zur Erwärmung und/oder zur Kühlung betrieben werden.
Weiterhin ist das Sicherungselement 6' als ein Shunt- Widerstand betreibbar. Dadurch ist der in der Versorgungsleitung 5 fließende elektrische Strom anhand einer Messung 1 1 des elektrischen Spannungsabfalls am Shunt- Widerstand 6' ermittelbar. Zur Messung 1 1 des elektrischen Spannungsabfalls am Shunt- Widerstand 6' steht ein Kontaktierungselement 15 mit dem Anschlusselement 12 in elektrischem Kontakt. Wie näher in Fig. 2 zu sehen ist, ist das Kontaktierungselement 15 im Bereich des Kontaktelements 13 sowie gegenüber dem Kontaktelement 13 elektrisch isoliert angeordnet, indem das Kontaktierungselement 15 durch einen Durchbruch 16 im Kontaktelement 13 sowie beabstandet zum Kontaktelement 13 hindurchgeführt ist.
Anhand des am Shunt- Widerstand 6' und/oder der Halterung 6" gemessenen
Spanungsabfalls ist des Weiteren der Zustand des Sicherungselements 6' diagnostizierbar. Insbesondere sind in Abhängigkeit vom gemessenen Spannungsabfall der Zustand der Schmelzsicherung 6', nämlich die Qualität des Sicherungsfadens 7 der Schmelzsicherung 6' und/oder die Qualität der Kontaktelemente 13 der Schmelzsicherung 6' ermittelbar.
Schließlich kann ein Temperatursensor 17 am Sicherungselement 6' angeordnet sein, so dass mittels des Temperatursensors 17 die Temperatur des Sicherungselements 6' messbar ist. Unter Berücksichtigung der aktuellen Temperatur des Sicherungselements 6' ist dann eine feinfühlige Steuerung des Mittels 8 zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur
Beeinflussung der Auslösecharakteristik ermöglicht. Bevorzugterweise ist der
Temperatursensor 17 an der Halterung 6" angeordnet, beispielsweise in die Halterung 6" integriert. Der Temperatursensor 17 kann als ein NTC- Widerstand, als ein PTC-Sensor, als ein Halbleiter-Temperatursensor o. dgl. ausgestaltet sein.
Nachfolgend soll noch eine detailliertere Beschreibung der Sicherung 6 sowie deren Funktionsweise gegeben werden.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist die Schmelzsicherung (Si) 6' vorzugsweise als zylindrisches Bauelement mit den elektrischen Anschlußkappen 12 an den beiden Enden des
Bauelementes ausgebildet, und zwar ähnlich einer bekannten Schmelzsicherung mit einem Durchmesser von in etwa 5 mm und einer Länge von in etwa 20 mm. Falls gewünscht kann die Schmelzsicherung auch als ein quaderförmiges Bauelement mit einem rechteckigen Querschnitt von beispielsweise 50 mm x 50 mm sowie einer Länge von beispielsweise 100 mm ausgestaltet sein. Selbstverständlich kann die Schmelzsicherung auch eine sonstige geeignete Bauform, beispielsweise eine prismaförmige Gestalt, mit zweckmäßigen
Abmessungen aufweisen. Der Schmelzdraht 7 des Sicherungselementes 6' ist in seinem elektrischen Widerstand Rsi (siehe Fig. 3) optimiert, um diesen als Mess-Shunt zur
Strommessung einsetzen zu können.
Der Sicherungshalter 6" besteht aus metallischen, federnden Kontaktelementen 13 mit Anschlüssen (AI, A2) 14 zum Laststromkreis (Laststrom II), wobei die Kontaktelemente 13 das Sicherungselement (Si) 6' an den Anschlusskappen 12 umgreifen und so die elektrische Kontaktierung zwischen Sicherungshalter 6" und Sicherungselement 6' darstellen, ähnlich dem Sicherungshalter für die oben beschriebenen bekannten Schmelzsicherungen. An beiden Kontaktelementen 13 sind elektrische Heizelemente (Hei, He2) 10 befestigt, die beispielsweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der Sicherungshalter 6" enthält zusätzlich zwei weitere Kontaktierungselemente 15, die ebenfalls die Anschlusskappen 12 des Sicherungselementes 6' berühren. Diese Kontaktierungselemente 15 sind räumlich im Bereich der Kontaktelemente 13 angeordnet, sind aber elektrisch gegen diese isoliert. Über die Anschlüsse Asl, As2 der Kontaktierungselemente 15 kann im Sinne eines Sense- Anschlusses der Spannungsabfall über dem eigentlichen Sicherungselement 6' gemessen werden. Optional ist weiterhin in den Sicherungshalter 6" ein Temperatursensor (Ts) 17, beispielsweise ausgeführt als ein NTC, integriert, über den die Temperatur des
Sicherungselementes 6' erfasst werden kann.
Das elektrische Schaltbild für die Sicherung 6 ist in Fig. 3 näher dargestellt. Der Laststrom II fließt über den Anschluss (AI) 14 durch den Widerstand Rio, der den elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem ersten Kontaktelement 13 und dem Sicherungselement 6' darstellt, durch den Widerstand Rsi des Sicherungselementes 6' und dann durch den Widerstand R , der den elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem zweiten
Kontaktelement 13 und dem Sicherungselement 6' darstellt, zum Anschluss (A2) 14. An den Anschlüssen Asl und As2 kann der Spannungsabfall Usi über dem Sicherungselement 6' gemessen werden. Bei bekanntem Widerstand Rsi kann damit der Laststrom II bestimmt werden. In einem weiteren Rechenschritt kann dann aus dem gesamten Spannungsabfall UGes der Übergangswiderstand RKI und RK2 der Kontaktierung bestimmt werden. Mit dem optionalen Temperatursensor (Ts) 17 kann die Temperatur des Sicherungselements 6' bzw. eine Temperaturerhöhung durch den fließenden Laststrom II ermittelt werden. Hierzu wird der Widerstand RTS an den Anschlüssen Tsl und Ts2 des Temperatursensors 17 gemessen.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausfuhrungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die Erfindung bei beliebigen elektrischen Verbrauchersystemen in der Haustechnik, in Kraftfahrzeugen, in
Haushaltsgeräten, in Werkzeugmaschinen o. dgl. eingesetzt werden sowie auch in
Batteriesystemen, in denen Wärmeenergie entsteht, Verwendung finden.
Bezugszeichen-Liste : : Verbrauchersystem
: (elektrische) Spannungsquelle
: Batterie
: Verbraucher
: Versorgungsleitung
: Sicherung
': Sicherungselement / Schmelzsicherung / Shunt- Widerstand
": Halterung (für Sicherungselement) / Sicherungshalter
: Schmelzdraht / Sicherungsfaden
: Mittel zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der
Auslösecharakteristik
: thermische Verbindung
0 : Wärmequelle / Heizelement
1 : Messung des Spannungsabfalls (am Shunt- Widerstand)
2: Anschlusselement (am Sicherungselement) / Anschlusskappe 3 : Kontaktelement (an der Halterung)
4: Anschluss (an der Halterung)
5: Kontaktierungselement
6 : Durchbruch (im Kontaktelement)
7 : Temperatursensor

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Sicherung zur Anordnung in einer elektrischen Versorgungsleitung (5) eines Verbrauchers (4) umfassend ein Sicherungselement (6') und eine Halterung (6") für das Sicherungselement (6'), dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (8) zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik für das Sicherungselement (6') vorgesehen ist.
2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
Sicherungselement (6') um eine Schmelzsicherung, die insbesondere einen Schmelzdraht (7) aufweist, handelt, dass vorzugsweise das Sicherungselement (6') als ein, insbesondere zylindrisches, quaderförmiges, prismatisches o. dgl., Bauelement mit endseitigen elektrischen Anschlusselementen (12), insbesondere in der Art von Anschlusskappen, ausgestaltet ist, und dass weiter vorzugsweise die Halterung (6") ein, insbesondere federndes, verschraubbares o. dgl., Kontaktelement (13) zur Aufnahme des
Anschlusselements (12) sowie einen Anschluss (14) zur elektrischen Versorgungsleitung (5) aufweist.
3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (8) zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik eine mit dem Sicherungselement (6') in thermischer Verbindung (9) stehende Wärmequelle (10) umfasst, derart dass das Sicherungselement (6') mit Wärmeenergie beaufschlagbar ist, insbesondere dass die Schmelzsicherung (6') durch in den Schmelzdraht (7) eingeleitete Wärme mit Wärmeenergie beaufschlagbar ist, und dass vorzugsweise die Wärmequelle (10) ein am Kontaktelement (13) angeordnetes elektrisches Heizelement (10) umfasst.
4. Sicherung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (8) zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik eine im Sicherungselement (6') angeordnete Wärmequelle (10) umfasst, derart dass das
Sicherungselement (6') mit Wärmeenergie beaufschlagbar ist, insbesondere dass die
Schmelzsicherung (6') durch in den Schmelzdraht (7) eingeleitete Wärme mit Wärmeenergie beaufschlagbar ist, und dass vorzugsweise die Wärmequelle (10) einen im
Sicherungselement (6') eingebauten elektrischen Heizdraht umfasst.
5. Sicherung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (8) zur Veränderung der Kennlinie und/oder zur Beeinflussung der Auslösecharakteristik eine mit dem Sicherungselement (6') in thermischer Verbindung (9) stehende und/oder im Sicherungselement (6') angeordnete Kältequelle umfasst, derart dass das Sicherungselement (6') mit Kälte beaufschlagbar ist, insbesondere dass die Schmelzsicherung (6') durch in den Schmelzdraht (7) eingeleitete Kälte kühlbar ist.
6. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärme- und/oder Kältequelle (10) um ein Peltier-Element handelt.
7. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (6') als ein Shunt- Widerstand betreibbar ist, derart dass der in der Versorgungsleitung (5) fließende elektrische Strom anhand einer Messung (1 1) des elektrischen Spannungsabfalls am Shunt- Widerstand (6') ermittelbar ist, dass vorzugsweise ein Kontaktierungselement (15) zur Messung (1 1) des elektrischen Spannungsabfalls am Shunt- Widerstand (6') mit dem Anschlusselement (12) in elektrischem Kontakt steht, und dass weiter vorzugsweise das Kontaktierungselement (15) im Bereich des Kontaktelements (13) sowie gegenüber dem Kontaktelement (13) elektrisch isoliert angeordnet ist.
8. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des am Shunt- Widerstand (6') und/oder der Halterung (6") gemessenen Spannungsabfalls der Zustand des Sicherungselements (6') diagnostizierbar ist, insbesondere dass in Abhängigkeit vom gemessenen Spannungsabfall der Zustand der Schmelzsicherung (6'), wie die Qualität des Sicherungsfadens (7) der Schmelzsicherung (6') und/oder die Qualität der Kontaktierung mittels der Kontaktelemente (13), ermittelbar ist.
9. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (17) am Sicherungselement (6') und/oder an der Halterung (6") angeordnet ist, insbesondere in die Halterung (6") integriert ist, derart dass mittels des Temperatursensors (17) die Temperatur des Sicherungselements (6') messbar ist, und dass vorzugsweise der Temperatursensor (17) als ein NTC- Widerstand, als ein PTC-Sensor, als ein Halbleiter-Temperatursensor o. dgl. ausgestaltet ist.
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