DE19735552A1

DE19735552A1 - Sicherungselement für elektrische Anlagen

Info

Publication number: DE19735552A1
Application number: DE1997135552
Authority: DE
Inventors: Thomas Schulz; Rainer Dr Maeckel; Wolfgang H Dr Grueninger
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-08-16
Filing date: 1997-08-16
Publication date: 1999-02-18
Also published as: WO1999009575A2; EP1004131A2; JP2001516126A; WO1999009575A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherungselement für elektrische Anlagen, insbesondere für Fahrzeuge.

Insbesondere in Kraftfahrzeugen werden zur Absicherung von elektrischen Leitungen Schmelzsicherungen eingesetzt. Die Absicherung mit Schmelzsicherungen hat den Nachteil, daß sich mit diesen Sicherungen kein optimaler Leitungsschutz erreichen läßt.

Beim Auftreten kurzfristig anliegender Überströme kann eine übliche elektrische Leitung im Fahrzeug wesentlich mehr Strom tragen als die Schmelzsicherung, so daß für kurzzeitige Überströme eine übliche Schmelzsicherung unterdimensioniert ist. Im Bereich länger andau ernder Überströme schaltet die Sicherung dagegen zu spät ab, so daß in diesem Fall eine elektrische Leitung und/oder Verbraucher nicht ausreichend geschützt ist. Bei einem Über strom von 35% gegenüber dem nominalen Auslösestrom der Sicherung kann es bis zu einer halben Stunde dauern, bis eine Schmelzsicherung tatsächlich auslöst. Bei einem Überstrom von 250%, der dem 3,5fachen nominalen Auslösestrom der Sicherung entspricht, kann es noch 5 Sekunden bis zur Sicherungsauslösung dauern.

Ein weiteres Problem ist dadurch gegeben, daß bei Sicherungswerten mit hohen nominalen Auslösestromwerten der tatsächliche Auslösestrom wesentlich höher sein muß, um die Si cherung ausreichend schnell auszulösen. Für eine Schmelzsicherung mit einem nominalen Auslösestrom von 250 A oder mehr bedeutet dies, daß bei einem Überstrom von 250% dem nach ein Strom von mindestens 875 A fließen muß, um die Sicherung ausreichend schnell auszulösen. Bei einem Kurzschluß mehrerer Leitungen, insbesondere in einem Fahrzeug bei einem Unfall, kann nicht sichergestellt werden, daß die Batterie überhaupt einen ausreichend großen Strom zum Auslösen einer solchen Schmelzsicherung zur Verfügung stellen kann.

In der DE-A1-195 27 997 ist eine Anordnung offenbart, mit der das Auslösen einer Schmelzsicherung besser vorgebbar ist. Dabei wird der elektrische Strom durch die Siche rung gemessen und parallel zur abzusichernden Leitung ein Thyristor geschaltet, der im Fall eines Überstromes definiert eingeschaltet werden kann. Sobald ein Schwellwert überschrit ten ist, schaltet der Thyristor ein und erzeugt einen zusätzlichen, hohen Überstrom in der Sicherung, der zum Auslösen der Sicherung führen soll. Der Nachteil dieser Anordnung be steht darin, daß für große Sicherungswerte mit hohen nominalen Auslöseströmen große Thy ristoren mit Nennströmen von einigen hundert Ampere, bzw. mehrere Thyristoren parallel eingesetzt werden müssen. Es ist nicht sichergestellt, daß die notwendigen Nennströme für das Auslösen entsprechender Thyristoren überhaupt von einer Batterie in einem Fahrzeug aufgebracht werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schmelzsicherung anzugeben, die einen definierten Auslösestrom aufweist und die auch für hohe Auslöse-Nennströme geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu ent nehmen.

Die Erfindung besteht darin, daß das Sicherungselement einen Schmelzleiters aufweist, der zumindest partiell durch ein Reaktionselements gebildet ist, bei dem ein Zündsignal zu einer exothermen Reaktion führt, bei der die Schmelztemperatur des Reaktionselements und/oder des Schmelzleiters zumindest lokal überschritten wird.

Bevorzugt weist das Reaktionselement Aluminium und/oder Nickel und/oder Eisen auf.

Bevorzugt besteht das Reaktionselement aus einer Schweißfolie, welche aus einer Schicht folge einer Mehrzahl von abwechselnd angeordneten, sehr dünnen Metallfolien besteht. Der Vorteil dabei ist, daß durch ein Zündsignal eine Reaktion der Metallfolien untereinander auslösbar ist, wobei die Schweißfolie schmilzt und den Stromkreis sehr schnell bleibend unterbricht.

Eine bevorzugte Ausbildung besteht darin, daß das Reaktionselement zumindest bereichs weise durch ein feinkörniges Pulver gebildet ist.

Vorzugsweise ist das Heizelement gesteuert einschaltbar, indem ein Zündsignal abhängig von unerwünschten Betriebszuständen im Bordnetz und/oder eines Fahrzeugs auslösbar ist.

Ein besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, das Sicherungselement mit einer Steuerungseinheit zur Steuerung des Zündimpulse zu verbinden. Dies ermöglicht es, mit demselben Sicherungselement unterschiedliche Charakteristiken und auch unterschiedliche nominale Auslöseströme nachzubilden, so daß die Auslösekurve des Sicherungselements dynamisch veränderbar ist.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von einer Prinzipskizze einer Schaltung näher beschrieben.

Übliche Schmelzsicherungen gemäß dem Stand der Technik bestehen aus einem definiert geformten elektrischen Leiter mit einem definierten Widerstand. Durch den Stromfluß wird der Leiter erhitzt, bevorzugt in einem speziell präparierten Bereich, im folgenden Schmelz leiter genannt, und erreicht, je nach Sicherungstyp, zwischen 420°C und über 1000°C sei nen Schmelzpunkt. Das Aufschmelzen des Schmelzleiters führt zu einer Unterbrechung des Stromkreises. Häufig wird eine Zinnpille auf den Schmelzleiter aufgebracht, welche ober halb von 230°C aufschmilzt und eine Reaktion mit dem Schmelzleitermaterial eingeht, die eine Erniedrigung des Schmelzpunktes des Schmelzleiters zur Folge hat.

Durch einen dem Verbraucher parallelgeschalteten Thyristor gemäß dem aus der DE-A1 195 27 997 bekannten Stand der Technik wird der Schmelzleiter mit einem zusätzlichen, hohen Strom belastet, der durch zusätzliche ohmsche Verluste den Schmelzleiter zum Durch schmelzen bringt, ohne daß die Leitung mit dem zusätzlich auftretenden Überstrom belastet wird.

Ein erfindungsgemäßes Sicherungselement weist einen Schmelzleiter auf, der zumindest par tiell aus einem Material besteht, welches eine selbsterhaltende exotherme Reaktion ausführt, sobald diese durch einen Zündimpuls ausgelöst wird.

Ganz besonders vorteilhaft ist, wenn Mittel vorgesehen sind, die den Zündimpuls zu defi nierten Zeitpunkten und/oder in definierten Zuständen einschaltbar macht. Zweckmäßiger weise erst dann ausgelöst, wenn ein Fehlerfall ansteht. Als Einschaltkriterien können unter schiedliche Zustände, insbesondere Fehlersignale, dienen, vorzugsweise Überstromsignale zur Überstromüberwachung eines Verbrauchers und/oder Temperatursignale zur Übertempe raturüberwachung eines Verbrauchers und/oder Spannungssignale und/oder Crash-Signale, insbesondere, um elektrische Verbraucher bei einem Unfall eines Fahrzeugs vom Bordnetz zu trennen. Durch das gesteuerte Einschalten des Zündsignals ist sichergestellt, daß im Normalbetrieb die Schmelzsicherung nicht versehentlich ausgelöst wird, im Fehlerfall dage gen sehr schnell und zuverlässig auslösbar ist.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Anforderungen an das ursprüngliche Sicherungselement hinsichtlich von Auslegungstoleranzen verringert werden können.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der ohmsche Widerstand des Sicherungs elements gesenkt werden kann, da das Sicherungselement nicht mehr selbst die ohmsche Verlustleistung zum Auslösen des Schmelzleiters erzeugen muß. Dadurch wird der Span nungsabfall von der Batterie bis zum Verbraucher vorteilhaft verringert.

Ein großer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, mit dem gleichen Sicherungselement verschiedene Charakteristiken und/oder verschiedene nominale Auslöseströme nachzubil den. Der Auslösezeitpunkt des Sicherungselements kann vorteilhaft durch eine geeignete intelligente Steuereinheit dynamisch verändert werden. Dies hat die günstige Folge, daß das gleiche Sicherungselement für unterschiedliche Belastungen eines elektrischen Leiters ver wendet werden kann, insbesondere bei unterschiedlichen Fahrzeugen oder Fahrzeugvarian ten. Damit ist es möglich, unterschiedliche Fahrzeuge mit einer relativ einheitlichen elektri schen Schutzausrüstung zu versehen, was die Fertigung sehr vereinfacht und Kostenvorteils bringt.

Vorteilhafterweise können sich mehrere solcher erfindungsgemäßen Sicherungselemente bevorzugt über Mehrfachschalter angesteuert werden.

Ein bevorzugtes exothermes Reaktionselement besteht insbesondere aus einer Schweißfolie, die durch Einwirkung eines Zündimpulses eine stark exotherme Reaktion auslöst und in sehr kurzer Zeit sehr hohe Temperaturen erreicht. Die Schweißfolie besteht vorzugsweise aus einer Serie von sehr dünnen Metallfolien, insbesondere aus Aluminium- und Nickelfolien und/oder Eisenfolien, die alternierend aufeinander gestapelt sind. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Folien liegt im Bereich von wenigen Atomlagen bis 100 Atomlagen. Durch einen geeigneten Zündimpuls ausgelöst, reagieren die Metallfolien-Konstituenten miteinan der und erwärmen sich typischerweise in wenigen Millisekunden von 25°C auf über 1000°C.

Auch andere Materialkombinationen, die eine derartige exotherme Reaktion eingehen, sind als Reaktionselemente in Folien- oder Pulverform geeignet. Dabei kann das Reaktionsele ment den Schmelzleiter umgeben, insbesondere kann ein pulverförmiges Reaktionsmaterial den Schmelzleiter in einer Kapsel umgeben oder benachbart zum Schmelzleiter in einer Kapsel angeordnet sein. Die Körnung des Pulvers liegt dabei vorzugsweise im Submikron bereich.

Eine bevorzugte Zündmethode ist, das Reaktionselement mit einem Transistor oder mit ei nem Stromstoß aus einem Kondensator zu beaufschlagen. Eine weitere bevorzugte Zünd methode ist, das Reaktionselement mittels optischer Anregung, insbesondere mit ultravio letter Strahlung, und/oder thermischer Fremdheizung zu beaufschlagen. Es ist ausreichend, das Reaktionselement lokal zu erwärmen, um dort die Reaktion in Gang zu setzen. Eine weitere geeignete Zündmethode besteht darin, das Reaktionselement einem Zündfunken einer Batterie oder einem Lichtbogen auszusetzen.

Der Vorteil hierbei ist, daß diese Ausführung eines Reaktionselements keine eigene Strom versorgung zum Zünden benötigt, sondern nur einen geeigneten Zündimpuls. Vorteilhaft ist, daß sich der Zündimpils durch eine geeignete Ansteuerung erzeugen und/oder steuern läßt, so daß eine zuverlässige und schnelle Auslösung im Fehlerfall ermöglicht ist.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Eine Batterie 1 in einem Bord netz versorgt einen Verbraucher 10. Zwischen Batterie 1 und Verbraucher 10 ist ein Siche rungselement angeordnet, welches einen verbraucherseitigen Anschluß 3, einen batterieseiti gen Anschluß 2 und einen dazwischenliegenden Schmelzleiter 12 aufweist. Hier ist der Schmelzleiter vollständig aus dem Reaktionselement gebildet. Es ist jedoch möglich, den Schmelzleiter nur partiell durch das Reaktionselement zu bilden. Der Schmelzleiter 12 ist mit einem Bauelement 7 verbunden, insbesondere mit dem Drainanschluß eines MOSFET, welcher sourceseitig mit Masse verbunden ist. Das Bauelement 7 ist über einen als Steuer anschluß ausgebildeten Kontaktpunkt 13 mit dem Reaktionselement 12 verbunden.

Das abhängig von einem Fehlerfall gesteuerte Bauelement 7 kann je nach verwendeter Zündmethode auch einen Kondensator, eine Heizquelle, eine Batterie, ein Hochspannung selement oder eine Lichtquelle umfassen, die im Fehlerfall die Auslöseenergie bereitstellen oder schalten.

Mit Hilfe eines Stromsensors 9 und einer Auswerte- und Auslöseeinheit 8 kann der Strom in einer Leitung 11 bestimmt werden, die vom Sicherungselement 2, 3, 12 zum Verbraucher 10 führt. In der Auswerteeinheit 8 ist eine Auslösekurve des Sicherungselements abgelegt. Im einfachsten Fall kann dies ein Schwellwert und/oder ein Strom/Zeit-Verhalten des Siche rungselements sein.

Übersteigt der aktuelle Stromwert in der Leitung 11 diese Auslösekurve oder entsprechend festgesetzte Grenzwerte, so schaltet die Einheit 8 das Bauelement 7 ein, so daß ein Start- oder Zündimpuls erzeugt wird und das als Schmelzleiter wirkende Reaktionselement zündet. Dieses erwärmt sich sehr schnell durch exotherme Erhitzung seines Materials und schmilzt, wodurch der Stromkreis sicher und in kurzer Frist unterbrochen wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird im Fehlerfall der als Schalter eingesetzte MOSFET durch die Auslöseeinheit 8 in den leitenden Zustand gesteuert, so daß zusätzlich Fehlerstrom auch ein Kurzschlußstrom durch das Sicherungselement 2, 3, 12 gegen Masse fließt und die dadurch jedenfalls ausgelöste Zusatzerwärmung des Schmelzleiters 12 seine exotherme Selbstzerstörung einleitet.

Zusätzlich kann die Auswerteeinheit 8 auch von einem Aufprallsensor angesteuert werden, der bei einem Unfall des damit ausgestatteten Fahrzeugs das z. B. als Hauptsicherung einge setzte Sicherungselement 2, 3, 12 oder andere Sicherungselemente auslöst.

Claims

1. Sicherungselement für einen Stromkreis, insbesondere in Fahrzeugen, mit einer Schmelzsicherung, die bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung des Stromkreis bleibend unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungselement (2, 3, 12) in einem zum Schmelzen vorgesehenen Bereich ein exothermes Reaktionselement (12) aufweist.

2. Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionselement Aluminium und Eisen aufweist.

3. Sicherungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionselement (12) Aluminium und Nickel aufweist.

4. Sicherungselement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionselement (12) ein Pulver ist.

5. Sicherungselement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionselement (12) eine Schweißfolie ist.

6. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungselement (2, 3, 12) im Bereich seines exothermen Reaktionselements (12) einen zusätzlichen Steueranschluß (13) aufweist.

7. Verfahren zum Betreiben eines Sicherungselements, bei dem ein Strom durch das Siche rungselement gemessen wird, wobei das Sicherungselement bei einer über dem Nenn strom liegenden Strombelastung ausgelöst wird und den Stromkreis bleibend unter bricht, insbesondere nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten eines Fehlersignals im Stromkreis zumindest der Schmelzleiter (12) des Sicherungselements (2, 3, 12) mit einem Zündimpuls beaufschlagt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromschwellwert als Fehlersignal verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromschwellwert aus einer Auslösekurve des Sicherungselements bestimmt wird, die in einer Auswerteeinheit (8) abgelegt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturschwellwert als Fehlersignal verwendet wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsschwellwert als Fehlersignal verwendet wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufprallsignal als Fehlersignal verwendet wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündimpuls durch Fremdbeheizung des Reaktionselements (12) entsteht.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündimpuls durch Einwirkung eines Stromstoßes auf das Reaktionselement (12) entsteht.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündimpuls durch Einwirkung eines Lichtpulses auf das Reaktionselement (12) entsteht.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündimpuls durch Einwirkung eines Zündfunkens einer Batterie auf das Reak tionselement (12) entsteht.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündimpuls durch Einwirkung eines Lichtbogens auf das Reaktionselement (12) entsteht.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündimpuls durch Einwirkung eines Zündfunkens eines Kondensators auf das Reaktionselement (12) entsteht.

19. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungselement (2, 3, 12) in Serie in eine Leitung (11) zwischen einer Stromquelle (1) und einem Verbraucher (10) geschaltet ist und einen zusätzlichen Steu eranschluß (13) aufweist, der an ein steuerbares Bauelement (7) angeschlossen ist, über welches zusätzliche Energie auf das Sicherungselement (2, 3, 12) aufschaltbar ist.