DE19749896A1 - Pyrotechnischer Sicherheitsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Sicherheitsschalter für Kraft­ fahrzeuge, bei dem ein im Batteriestromkreis liegendes Leiterelement mit einem durch einen pyroelektrischen Treibsatz antreibbaren Trennmittel mechanisch und elektrisch durchtrennbar ist, wobei die abgetrennten Leiter­ enden innerhalb eines Gehäuses verbleiben.

Die vorgenannten Sicherheitsschalter für Verbrennungsmotor-getriebene Per­ sonen- und Lastkraftwagen dienen dazu, bei einem Unfall das Bordnetz von der Kraftfahrzeug-Starterbatterie elektrisch abzutrennen, d. h. bezüglich der Haupt-Stromversorgung stromlos zu schalten. Auf diese Weise wird vermieden, daß durch Kurzschlüsse bzw. Funkenbildung Brände verursacht werden. Zur Gewährleistung eines hohen Sicherheitsstandards müssen dabei die Kabelenden der unterbrochenen Leiterstrecke isoliert voneinander im Gehäuse gehalten werden, damit es nicht durch lose freiliegende Kabelenden durch die Entladung von Restkapazitäten bzw. -induktivitäten doch noch zur Funkenbildung kommt.

Zur sicheren Beherrschung der im Haupt-Batteriestromkreis im Normalbetrieb auftretenden Ströme in der Größenordnung von 1OOA und einer sicheren Unterbrechung im Notfall haben sich Ausführungsformen von Sicherheits­ schaltern bewährt, wie sie beispielsweise aus der DE 44 13 847 A1 bekannt sind. Ausgelöst wird diese Art von Sicherheitsschaltern durch einen als Unfallsensor wirkenden Beschleunigungssensor, der üblicherweise auch die Betätigung der Airbags ansteuert. Das von dem Sensor abgegebene elektri­ sche Signal zündet einen pyroelektrischen Treibsatz, der auf ein meißel- oder messerförmig ausgebildetes Trennmittel aus lsoliermaterial derart einwirkt, daß dieses das Leiterelement mechanisch kappt und auf diese Weise gleichzeitig eine elektrische Trennung herbeiführt.

Neben den vorgenannten Unfallsituationen, bei denen der Unfallsensor anspricht und den Sicherheitsschalter aktiviert, entsteht eine Gefährdung auch dann, wenn im Bordnetz ein Kurzschluß auftritt, ohne daß Begleitumstände gegeben sind, die der Unfallsensor registriert. In diesem Fall fließen ebenfalls erhebliche Kurzschlußströme - in der Größenordnung von mehreren 1OOA - wodurch es zu Bränden und anderen Beschädigungen kommen kann. Zur Vermeidung der vorgenannten Gefahren im Kurzschlußfall ist es derzeit üblich, das Bordnetz durch Hochstrom-Sicherungen abzusichern, beispielsweise durch die seit langem in den vielfältigsten Ausführungsformen bekannten Schmelzsicherungen, bei denen ein speziell präpariertes Leiterstück bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenzbelastung elektro-thermisch durchtrennt wird, d. h. durchbrennt. Spezielle, auf Anwendungen im Fahrzeugbereich konfigurierte, separate Schmelzsicherungen gehen beispielsweise aus der US-PS 5,229,739 hervor.

Grundsätzlich ist durch die nach dem Stand der Technik übliche Serienschal­ tung von pyrotechnischen Sicherheitsschaltern und elektrischen Hochlei­ stungssicherungen in Kraftfahrzeugen sowohl eine Gefährdung bei Unfällen als auch bei Kurzschlüssen relativ gut abgesichert. Nachteilig ist jedoch, daß beim Anschließen der einzelnen separaten Bauelemente jeweils Kontaktstel­ len mit unvermeidbaren Übergangswiderständen auftreten. Die Anschlußstel­ len müssen deswegen bei der Installation der Bauteile besonders sorgfältig gegen Korrosion und sonstige Umwelteinflüsse geschützt werden. Zu diesem Arbeitsaufwand beim Einbau kommt ein erheblicher Fertigungsaufwand hinzu. Weiterhin lassen sich die einzelnen Schalteinrichtungen nicht beliebig weit miniaturisieren, so daß im Fahrzeug relativ viel Einbauraum erforderlich ist.

Aus der vorangehenden geschilderten Problematik ergibt sich die Aufgaben­ stellung für die vorliegende Erfindung, einen Sicherheitsschalter zur Verfü­ gung zu stellen, der die vorteilhaften Wirkungen von pyrotechnischen Sicherheitsschaltern aufweist und darüber hinaus auch eine zuverlässige Kurzschluß-Absicherung gewährleistet, wobei der Herstellungs- und Montageaufwand über dem Stand der Technik minimiert werden soll und bei verbesserten elektrischen Eigenschaften ein kleinerer Einbauraum erforderlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung schlägt die Erfindung ausgehend von dem eingangs genannten Sicherheitsschalter vor, daß das Leiterelement eine bezüglich der Trennstelle des Trennmittels elektrisch in Serie angeordnete, elektro-thermisch durchtrennbare Sicherungsstrecke mit definierter Ansprechcharakteristik aufweist.

Gemäß der Erfindung ist nunmehr erstmals eine Durchschmelz-Sicherungs­ strecke unmittelbar in einen pyrotechnischen Sicherheitsschalter, d. h. in dessen Gehäuse integriert. Im einzelnen ist hierzu nach wie vor eine über entsprechende Anschlüsse zwischen die Kraftfahrzeugbatterie und das Bord­ netz einschaltbare Leiterschiene vorhanden, die durch einen pyrotechnisch angetriebenen Trennmeißel aus lsolierstoff mechanisch und damit auch elek­ trisch unterbrechbar ist. Außer dieser mechanischen Trennstelle ist erfin­ dungsgemäß eine thermo-elektrische Sicherungsstrecke vorgesehen, bei der ein Abschnitt der Leiterschiene wie der Schmelzdraht einer Schmelzsiche­ rung ausgebildet ist. Dieser erhält durch seine konkrete Ausbildung, bei­ spielsweise eine definierte Querschnittsverringerung bzw. die Anbringung von niedrigschmelzenden Bestandteilen, eine definierte Ansprechcharakteri­ stik, so daß er oberhalb einer vorgegebenen Strombelastung durchbrennt.

Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß man ein ausgespro­ chen kompaktes Bauteil erhält, welches die Vorteile der vormals getrennten pyrotechnischen und elektro-thermischen Sicherungen in sich vereint. Hinzu kommt, daß die Anzahl der Anschlußstellen und die damit verbundenen Nachteile, wie Übergangswiderstände und dergleichen, weitestgehend redu­ ziert werden. Die Fertigung als integriertes Bauteil läßt sich mit deutlich geringerem Aufwand als im Stand der Technik durchführen. Die Montage wird ebenfalls vereinfacht. Nicht zuletzt ist durch den kompakten Aufbau ein deutlich geringerer Einbaurraum als bisher erforderlich.

Zweckmäßigerweise befindet sich hierzu die elektro-thermische Sicherungs­ strecke innerhalb desselben Gehäuses wie die Trennstelle des Trennmittels. Damit möglichst kleine Übergangswiderstände auftreten, wird dabei das Lei­ terelement als einstückig durchgehende, metallische Leiterschiene ausgebil­ det, beispielsweise aus Kupfer.

Die elektro-thermische Sicherungsstrecke wird bevorzugt durch einen im Querschnitt verringerten Bereich des Leiterelements gebildet, der als Schmelzstrecke fungiert und im Kurzschlußfall, d. h. bei Überschreiten des zulässigen Belastungsstroms, durchbrennt. Zur optimalen Anpassung der Ansprechcharakteristik kann es weiterhin vorteilhaft sein, daß die Sicherungsstrecke einen Durchschmelzbereich aus einem Material mit niedrigerem Schmelzpunkt als dem des Leiterelements selbst aufweist. In der Praxis ist es hierzu bereits bekannt, Lötpunkte aus Zinn oder dergleichen in Öffnungen der Leiterschiene einzubringen, die bei einer Erwärmung zuerst wegschmelzen und der verbleibende, verkleinerte Leiterquerschnitt danach schlagartig durchbrennt.

Davon ausgehend, daß der Querschnitt des Leiterelements im Bereich der Trennstelle des Trennmittels im Leiterquerschnitt verringert ist, ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, daß diese zugleich die elektro-thermische Siche­ rungsstrecke, also den Durchschmelzbereich, bildet.

Alternativ kann die Sicherungsstrecke im Verlauf des Leiterelements mit Abstand von der Trennstelle des Trennmittels angeordnet sein. Für eine kleine Baugröße ist es hierbei von Vorteil, daß der Abstand entsprechend gering ist.

Für die praktische Handhabung ist es besonders vorteilhaft, daß das Leitere­ lement am Gehäuse angebrachte Anschlußterminals mit größerem Leiter­ querschnitt und mindestens einen im Gehäuse dazwischenliegenden Leiter­ abschnitt mit geringerem Querschnitt aufweist, in dessen Verlauf sich die mechanisch durchtrennbare Trennstelle und die elektro-thermische Siche­ rungsstrecke befinden. Als Anschlußterminals zum Einbau in das Bordnetz dienen dann beispielsweise vorstehende Anschlußfahnen mit Befestigungs­ öffnungen zur Verschraubung, Einschraubgewinde, Steckkontakte oder der­ gleichen. Das Gehäuse selbst kann besonders kompakt ausfallen und dichtet die Funktionselemente hermetisch dicht nach außen ab.

Um das Ansprechverhalten bei niedrigen Überströmen zu verbessern, ist es vorteilhaft, daß der im Querschnitt dünnere Leiterabschnitt bei einem gege­ benen Widerstandswert möglichst lang ist. Um dennoch zu einer kleinen Bauform zu kommen schlägt deswegen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß der zwischen den Anschlußterminals liegende Leiter­ abschnitt mindestens einfach gebogen geformt ist. Durch die U-, S- oder mäanderförmig ausgebildeten Bereiche ergibt sich ein relativ langer Leiter bei besonders kompakten Außenabmessungen.

Falls mehrere gegen Überstrom abzusichernde Stromkreise des Bordnetzes abzusichern sind, schlägt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß mehrere elektro-thermische Sicherungsstrecken vorhanden sind, deren Leiter durch ein gemeinsames Trennmittel durchtrennbar sind. Wäh­ rend die einzelnen Schmelzsicherungen bei Überstrom jeweils einzeln durch­ brennen können, unterbricht der pyroelektrisch angetriebene Trennmeißel bei einem Unfall alle Stromkreise gleichzeitig.

Sowohl montagetechnisch als auch im Hinblick auf möglichst geringe Kon­ taktwiderstände ist es vorteilhaft, daß an das Leiterelement einstückig Anschlußmittel zur Verbindung mit einer Polklemme der Fahrzeugbatterie angebracht sind. Dadurch, daß an die Leiterschiene beispielsweise eine Befe­ stigungsschelle unmittelbar angeformt ist, läßt sich die gesamte erfindungs­ gemäße Sicherungsbox besonders leicht unmittelbar an der Fahrzeugbatterie befestigen.

Sowohl das Trennmittel, welches meißel-, messer- bzw. schwertförmig aus­ gebildet ist, als auch das Gehäuse bestehen aus einem lsolierstoff, bei­ spielsweise Kunststoff, Keramik, Glas oder dergleichen.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sicherheitsschalters ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen im einzelnen:

Fig. 1: eine Schnittansicht von oben bezüglich des Leiterelements;

Fig 2: einen Querschnitt des Sicherheitsschal­ ters gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Sicherheitsschalter als solcher mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Dieser weist ein - gestrichelt eingezeichnetes - Gehäuse 2 auf, in dem ein einstückiges, beispielsweise aus Kupferblech geformtes Leiterele­ ment 3 eingebettet ist.

Das Leiterelement 3 weist als Anschlußterminals dienende Anschlußfahnen 3a und 3b auf, die fest in das lsoliermaterial des Gehäuses 2 eingebettet sind und auf ihren nach außen vorstehenden Abschnitten mit Befestigungs­ bohrungen versehen sind. Zwischen der batterieseitigen Anschlußfahne 3a und den bordnetzseitigen Anschlußfahnen 3b befinden sich Abschnitte mit geringerem Querschnitt 3c, die im hier dargestellten Beispiel Z- bzw. S-förmig sind. Etwa in der Mitte dieser Abschnitte 3c befindet sich jeweils eine elektro-thermisch durchtrennbare Sicherungsstrecke 3d. An dieser Stelle 3d ist der Querschnitt der Bereich 3c nochmals verringert und beispielsweise mit leichter schmelzendem Material, beispielsweise Zinn, ausgefüllt.

Senkrecht zu den in der Zeichnung rechts liegenden Bereichen der Abschnitte 3c ist die Schneidkante eines pyroelektrisch antreibbaren Trenn­ meißels 4 aus lsolierstoff sichtbar. Bei dessen Betätigung senkrecht zur Zeichnungsebene, d. h. senkrecht zum Leiterelement 3, wird dieses an den mechanischen Trennstellen 3e mechanisch und mithin auch elektrisch durchtrennt.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Anschlußfahne 3a des Leitere­ lements 3 mit einer Polklemme 5 verschraubbar. Es ist jedoch auch denkbar, daß die beiden Elemente ein einstückiges Bauteil bilden.

In dem seitlichen Schnitt gemäß Fig. 2 werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Man erkennt hier besonders deutlich die Anordnung des Trennmeißels 4 mit dem pyroelektrischen Treibsatz 6.

Der erfindungsgemäße Sicherheitsschalter 1 funktioniert wie folgt: Falls der Strom zwischen der Anschlußfahne 3a und einer der Anschlußfahnen 3b einen bestimmten Grenzwert übersteigt, wird der Abschnitt 3c im Bereich seiner elektro-thermischen Sicherungsstrecke 3d durchschmelzen, d. h. durchbrennen. Der Kontakt wird dabei unterbrochen, wobei die verbleiben­ den Leiterenden in definierter, isolierter Stellung in dem Gehäuse 2 verblei­ ben.

Bei einem Unfall wird durch einen Beschleunigungssensor oder dergleichen die pyroelektrische Treibladung 6 gezündet, wobei der aus lsoliermaterial bestehende Trennmeißel 4 so beschleunigt wird, daß er das Leiterelement 3 an den Trennstellen 3e mechanisch und elektrisch durchtrennt. Damit wer­ den im Gefahrenfall alle an den Anschlußfahnen 3b angeschlossenen Strom­ kreise unterbrochen.

Durch die Anordnung der Trennstellen 3e und der elektro-thermischen Siche­ rungsstrecken 3c in dem kompakten Gehäuse 2 ergibt sich insgesamt ein sehr kompakter Aufbau.

Claims (13)

1. Pyrotechnischer Sicherheitsschalter für Kraftfahr­ zeuge, bei dem ein im Batteriestromkreis liegendes Leiterelement mit einem durch einen pyroelektrischen Treibsatz antreibbaren Trennmittel mechanisch und elektrisch durchtrennbar ist, wobei die abgetrennten Leiterenden inner­ halb eines Gehäuses verbleiben, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement (3) eine bezüglich der Trennstelle (3e) des Trennmit­ tels (4) elektrisch in Serie angeordnete, elektro-thermisch durchtrennbare Sicherungsstrecke (3d) mit definierter Ansprechcharakteristik aufweist.

2. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-thermische Sicherungsstrecke (3d) sich innerhalb des Gehäuses (2) der Trennstelle (3e) befindet.

3. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement (3) als einstückig durchgehende metallische Leiterschiene ausgebildet ist.

4. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-thermische Sicherungsstrecke (3d) durch einen im Querschnitt verringerten Bereich des Leiterelements (3) gebildet wird.

5. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-thermische Sicherungsstrecke (3d) einen Durchschmelzbereich aus einem Material mit niedrigerem Schmelzpunkt als dem des Leiterelements (3) aufweist.

6. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (3e) des Trennmittels (4) zugleich die elektro-thermische Sicherungsstrecke (3d) bildet.

7. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-thermische Sicherungsstrecke (3d) in Rich­ tung des Leiterelements (3) mit Abstand zur Trennstelle (3e) des Trennmit­ tels (4) angeordnet ist.

8. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement (3) am Gehäuse (2) angebrachte Anschlußterminals (3a, 3b) mit größerem Leiterquerschnitt und mindestens einen im Gehäuse (2) dazwischenliegenden Leiterabschnitt (3c) mit geringe­ rem Querschnitt aufweist, in dessen Verlauf sich die mechanisch durch­ trennbare Trennstelle (3e) und die elektro-thermische Sicherungsstrecke (3d) befinden.

9. Sicherheitsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Anschlußterminals (3a, 3b) liegende Leiterabschnitt (3c) mindestens einfach gebogen geformt ist.

10. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektro-thermische Sicherungsstrecken (3d) vorhanden sind, deren Leiter (3c) durch ein gemeinsames Trennmittel (4) durchtrennbar sind.

11. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an das Leiterelement (3) einstückig Anschlußmittel (5) zur Verbindung mit einer Polklemme der Fahrzeugbatterie angebracht sind.

12. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmittel (4) aus lsolierstoff besteht.

13. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) aus lsolierstoff besteht.