CN110307909B - 用于检测温度的组件及具有这种组件的触头组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测至少一个导电元件(7)的温度(T)的组件(1)和触头组件(11),特别是具有用于接收至少一个导电元件的至少一个触头插口(55)的插座(29)或插头(31)。这种组件和触头组件在现有技术中是已知的,但一方面在导电元件和温度探头(9)之间会具有显着的温差(ΔT),并且会具有在时间上延迟的元件和温度探头的温度曲线。根据本发明的组件通过提供至少一个温度探头和至少一个由电绝缘且导热材料(39)制成的单独的热导体(37)来改进现有技术的解决方案,其中热导体至少部分地围绕温度探头,并且具有用于支承抵靠导电元件的支承表面(49)。根据本发明的触头组件(11)包括至少一个传感器插口(13),在传感器插座中布置至少一个根据本发明的组件。

Description

用于检测温度的组件及具有这种组件的触头组件
技术领域
本发明涉及用于检测至少一个导电元件的温度的组件。本发明进一步涉及触头组件,特别是具有至少一个触头插口和至少一个传感器插口的插座或插头,所述触头插口用于接收至少一个导电元件。
背景技术
用于检测温度的组件以及具有这样的组件的触头组件在现有技术中是已知的。所述组件例如被用于监测导电元件。例如是否达到温度阈值,这会指示最大允许电流是否流过导电元件,或甚至是否存在不完全或错误的接触。错误的接触例如会导致缩小的导电元件的有效导电横截面,使得在固定电流的情况下,所述元件会加热超过在规格中设定的温度阈值。特别是在电动车领域,这种类型的错误接触是至关重要的,必须避免。在这一领域中,1kV范围内的电压以及流入DC电路的大约200A的范围内的电流可以在不到一分钟内导致错误接触,从而导致导电元件过度加热超过预定的阈值。在这种过度加热的情况下,风险不仅包括触头组件和周围元件的热损坏,还包括有毒蒸汽/气体的泄漏和火灾的发生。借助于导电元件的温度可靠地识别被传输的过高电流以及错误的电接触可以减少或甚至消除上述风险。
然而,现有技术中已知的解决方案在确定的温度值上存在差异,而且可能引起所确定的温度阈值只能具有延迟地确定的缺陷,即,在特定时间确定的温度值不代表当前主导的导电元件的温度。
发明内容
因此,本发明的一个问题是形成一种用于检测至少一个导电元件的温度的组件,并且形成一种触头组件,特别是插座或插头,使得可以正确地且尽可能及时地确定导电元件的温度。
上述组件通过具有至少一个温度探头和至少一个单独的热导体解决了上述问题,所述至少一个单独的热导体包括电绝缘且导热的材料,并且所述热导体至少部分地包围温度探头,且具有用于支承抵靠导电元件的支承表面。
因为热导体是电绝缘的,且至少部分地包围温度探头,空气和爬电距离二者均增大,使得电路(高压-低压)可以彼此可靠地电绝缘。
进一步,根据本发明的方案允许与导电元件的良好的热链接,使得可以最小化温度差异和温度延迟。
根据本发明的组件和根据本发明的触头组件具有以下优势,待测量温度的导电元件和温度探头之间达成几乎形状配合的热连接。热连接被理解为指从导电元件到温度探头传导热量的热桥。进一步,借助于热导体,且特别是借助于其支承表面,热导体和导电元件之间或者热导体和温度探头之间的可能的气隙可以被消除或至少被最小化。结果,对于热传递以绝热方式作用的空气层的厚度可以缩小,并且实现及时的测量。
根据本发明的前述触头组件通过根据本发明的布置在传感器插口中的用于检测温度的至少一个组件解决了上述问题。
根据本发明的组件以及根据本发明的触头组件可以通过下文详细描述的构造进一步改进。在这一情况下,下文描述的具体构造的技术特征可以按期望彼此组合,也可以省略,只要被省略的技术特征所实现的技术效果不是重要的。
导热材料应理解为特别是指与绝缘材料无关并且具有至少0.2W/(mK)的导热率的材料。金属本身可以具有高达几百W/(mK)的更高的导热率,其实际上是更好的导热体(在更高导热率的意义上更好),但它们不能用于在导电元件和温度探头之间传递热量,因为它们不能保证电绝缘。然而,迫切需要将高压电路(大约1kV)与低压电路(例如12伏;电动车的车载电子设备)电隔离,以保护低压电路的电气部件免于缺陷和/或损坏。
在根据本发明的组件的一种可能的构造中,至少支承表面是能够弹性且可逆变形的。这具有的优点是,这种构造可以在物理上适合于温度探头和/或导电元件,导电元件的温度旨在被测量。
因此,在热导体和导电元件和/或温度探头之间保证尽可能广泛的机械接触。不会出现绝缘气隙,绝缘气隙显着降低从导电元件到温度探头的热传导。
由于至少支承表面能够可逆变形的事实,同一热导体可以适于本身略微不同的元件。因此确保与导电元件的最佳热链接总是被确保,而与可能的制造误差无关。
在根据本发明的另一组件中,支承表面至少部分地形成为凹面。这具有的优点是,这种类型的凹面组件可以部分地施加在导电元件周围,该导电元件以对应的凸面形式形成。特别地,导电元件可以是圆柱形或杆形的,在导电元件的温度测量点处的外半径可以对应凹面支承表面的半径。
然而,同样地,可以想到任何形状的支承表面,这些特别优选地能够适应导电元件的外部形状。
在特别有利的构造中,完整单独的热导体是能够弹性且可逆地变形的。
在根据本发明的组件的另一种构造中,热导体可以具有硅树脂。硅树脂是一种良好的电绝缘体,其可以可靠地将高压电路与低压电路分离。
所谓的高填充硅树脂可特别优选用于热导体。这种类型的高填充硅树脂与高导热率材料的微粒混合,其中微粒有助于热传导,但是,它们仍然嵌入电绝缘硅树脂中,因此它们本身不必构造成是电绝缘的。
同样,高度填充的硅树脂可以包含颗粒(granulate)。颗粒/纳米颗粒尤其可以由硅或陶瓷组成。尽管硅固有地具有特定的电特性(导电性),但由于硅嵌入硅树脂中,所述电特性不起作用。
颗粒/纳米颗粒还可以由一种或多种下列物质或化合物组成:铝,氧化铝,氮化铝,碳化硅和氮化硅。
这些物质/化合物的导热率可以高于纯硅树脂的导热率。此外,它们也可以是电绝缘的(例如氧化铝),其中,如已经提到的,通过硅树脂的电绝缘效果的电热传导性(例如,在铝的情况下)不排除使用这种导电填料。
在根据本发明的另一组件中,至少一个温度探头可以布置在电路板上。这种组件的优点在于,温度探头一方面固定在其位置中并且可以容易地安装,另一方面可以以简单的方式电接触。特别地,可以使用印刷电路板(PCB)。
在特别有利的构造中,电路板可以具有两个温度探头,使得可以同时且彼此独立地针对可能的过热检查和监测两个导电元件。
特别地,两个导电元件可以是用于电动车辆的充电设备的触头。自由可触达的充电站的充电插头或充电插座可能具有可能导致电接触不足的缺陷,并且如前所述,在某些情况下会导致过度加热或甚至导致插座或插头的损坏。
此外,在电动车辆的充电插座或充电插头中的应用可有利地用于识别在车辆装置或充电装置中发生的缺陷,例如故障电流或先前未知的下降(dip),并对应地针对电连接质量调整所提供的充电电流。
根据本发明的组件可以通过在至少三个侧面至少部分地围绕温度探头的热导体进一步改进。温度探头或具有温度探头的电路板的这种U形外壳的优点在于,可以进一步增加爬电距离,并且可以改善两个电路的电绝缘。
特别地,U形热导体的基部可以由支承表面形成。U形热导体的侧面元件可以在它们之间至少部分地包围温度探头或具有温度探头的电路板。
在根据本发明的组件的特别有利的构造中,电路板的至少一部分因此可以插入热导体中。这种插入还具有以下优点,热导体可以以简单的方式附接到包含温度探头的电路板上,并且所述热导体可以以简单的方式更换。
在根据本发明的组件的另一种构造中,热导体具有用于接收至少一个温度探头的狭缝。热导体中的这种狭缝具有与构造为具有U形横截面的热导体相似的优点,因为电路板也可以插入所述狭缝中。特别地,狭缝可以形成为袋状,使得狭缝仅可从一侧触达,并且使得从狭缝的基部完全围绕基部的侧壁远离基部延伸。特别地,所述侧壁远离导电元件延伸。
在触头组件的特别有利的构造中,温度探头因此可以构造在电路板的舌部上,所述舌部能够接收在热导体的狭缝中。尽管在电路板上仅存在很小的机械力作用,但由于电路板能够以形状配合的方式被接收,所以形成为袋的这种类型的狭缝可以以捕获方式(captive manner)保持在电路板上。
如果使用所谓的表面安装器件(SMD),则热导体可能必须不与SMD机械接触。在这种构造中,热导体和SMD之间的距离应选择得尽可能小,以使出现的气隙尽可能小(例如几个100μm)。
根据本发明的组件可以通过由热导体完全地围绕至少一个温度探头而进一步改进。如果要保护温度探头免受有害影响,例如气体或液体,则温度探头和热导体之间的这种不可分离的连接可能是有利的。此外,以这种方式封闭温度探头的优点在于,在汽车领域中常见的振动也不会导致热导体与温度探头分离。
在根据本发明的触头组件的对应构造中,在触头组件的传感器插口中的组件可以用热导体的材料封装。换句话说,用于检测温度的组件和触头组件的传感器插口的边界之间的中间空间由热导体的材料完全地封闭或填充。如前所述,这种封闭导致不可分离的连接,并且在这种情况下,保护整个组件免受有害环境条件和振动的影响。
此外,热导体可以构造成中空的,并且在根据本发明的组件的另一有利构造中,可以包括电绝缘的外壳和接收在所述外壳中的另外的导热介质。这种结构的优点在于,通过选择另外的导热介质,可以增加可以达到的导热体的可能的导热率。在这种情况下,重要的是要注意,另外的导热介质可以具有高于绝缘的外壳的导热率,并且特别地,不一定必须是电绝缘的。
特别地,热导体可以具有>500V的击穿电压。击穿电压更高是特别优选的,例如>600V,>700V,>800V,>900V并且特别优选地>1000V。
在根据本发明的触头组件的优选构造中,传感器插口可以形成在辅助闩锁元件中。特别地,用于检测温度的组件可以与辅助闩锁元件一起移动,并且辅助闩锁元件的至少一个位置可以设置为其中热导体支承抵靠所述至少一个触头插口或与所述触头插口重叠。
由于导电元件可以接收在触头插口中,因此保证导电元件的温度测量在辅助闩锁元件的至少一个位置中是可能的。所述至少一个位置优选地对应于闩锁位置,到达该位置是为了通过导电元件启动电流连接的基本要求。
在触头组件的这种构造中,其特别可以是电动车的直流插座或直流插头,因此,可以直接将承载电流的导电元件的温度与热导体接触,并因此间接地将热量传导到至少一个温度探头。
组件优选地具有两个温度探头。因此,可以以高度精确且几乎瞬时的方式跟踪导电元件的温度曲线,并且在某些情况下,可以改变(即,重新调整)被传导的电流。
因此,当使用这种直流插座或这种直流插头时,这可以提高安全性。由于可以防止相邻元件的导电元件过热,寿命也可以通过本发明得以延长。
通过在汽车领域中使用根据本发明的组件或根据本发明的触头组件,热导体的至少支承表面的经典和可逆的可变形性是有利的,因为即使当导电元件振动时,这种元件可以连续地机械接触,即不会由于振动而中断,并且可以监测所述元件的温度。
因此可以防止损坏触头组件或甚至损坏电动车辆,同时高压电路可以与低压电路(车载电子设备)绝缘。
附图说明
在下文中,将使用附图更详细地解释本发明。附图示出了根据本发明的组件以及根据本发明的触头组件的具体构造。下文显示的构造的技术特征可以按期望彼此组合,也可以在其它构造中省略,只要被省略的技术特征所实现的技术效果不是重要的。所描述的具体构造不限制预期的保护范围,而是简单地表示本发明的多个可能构造中的一些。此外,根据本发明的组件或根据本发明的触头组件不限于特定数量的技术特征,并且因此可以具有例如多个温度探头,例如3、4、5或更多个温度探头。相同技术特征和具有相同技术功能的技术特征在下文中在每个情况下具有相同的附图标记。省略重复的描述,并且对于不同附图中所示的构造之间的差异做明确标记。
在附图中:
图1显示温度探头和导电元件的示例测量温度曲线;
图2显示现有技术的触头组件;
图3显示根据本发明的触头组件的第一构造,其不具有触头壳体;
图4显示图3的触头组件分解图;
图5显示根据本发明用于检测至少一个导电元件的温度的组件的示意图;
图6a-6c以截面图显示根据本发明的热导体的不同构造;且
图7显示模拟的温差,各自处于静态。
具体实施方式
图1显示现有技术组件1的示例测量温度曲线5。在该图中,温度T相对于时间t绘制,其中示出了温度T从20℃到120℃的范围以及时间t从0到100分钟的范围。
点划线表示环境温度的温度曲线,其用附图标记5a表示。虚线表示两个温度曲线5,其描述了两个导电元件7(参见图2)的温度T的变化,并且用附图标记5c表示。两个温度曲线5c彼此仅略微不同,这可归因于与结构相关的偏差和/或测量期间的可能的经验偏差。
实线表示温度探头9的温度曲线5,该温度曲线用附图标记5s标记。
在图1的表示中,现有技术的方案的缺点变得清楚。一方面,可以观察到温度曲线5c和5s之间的温差ΔT,其在所示的测量中约为15K。此外,温度曲线5s在时间上相对于温度曲线5c延迟,例如在图1中由延迟时间Δt表示。
例如,导电元件7在大约16分钟后达到80℃的温度T,而温度探头大约30分钟后才达到这一温度。因此,利用现有技术的方案,不可能以及时和精确的方式确定导电元件7的温度。
在本公开的过程中,术语“及时”不应理解为即刻。温度测量总是与某一时间延迟相关联,因为待测物体的热量必须传递到温度探头。这种传输,特别是其发生的时间范围取决于不同参数,例如导电元件和温度探头之间的温差,两个元件之间的热导率,温度探头的比热容,等等。
图1中所示的测量表明有时可能发生10到20分钟范围内的延迟时间Δt。如果以这样的延迟时间Δt为基准,则延迟时间Δt在一分钟或两分钟范围内的温度测量确实可以被描述为及时的。
此外,精确确定的温度不应被理解为高度准确的测定,确切到1/10摄氏度的温度,而是具有±5℃的准确度的测量。
图2示出了现有技术的用于检测至少一个导电元件7的温度T的相关组件1。
组件1被绘制成部分透明,并且在所示构造中,被提供用于触头组件11中。在这种情况下,组件1被接收在辅助闩锁元件15的传感器插口13中。
组件1包括电路板17,其可以被构造为例如印刷电路板(PCB)19,并且在所示构造中,还包括两个温度探头9,其机械和电气地连接到PCB 19。组件1还可以包括评估单元21、存储单元23和接触区域25,其用于接触PCB 19和附接到其上的元件(例如温度探头9)。通过接触区域25,PCB 19可以提供值(未示出),其例如表示由温度探头9测量的温度T。
因此,PCB 19被接收在辅助闩锁元件15中,所述辅助闩锁元件15又被布置和/或固定在触头组件11的触头壳体27中。触头组件11可以(如图所示)是插座29或插头31(未示出),并且可以优选地用于电动车辆领域中,例如具有充电插座和充电插头的形状。在这一应用中,这一组件允许测量或监测一个或多个导电元件的温度。
图3和4显示根据本发明的组件1,其与两个导电元件7和辅助闩锁元件15连接处于安装状态33(图3),或处于分解表示(图4)。图5显示根据本发明的组件1,其仅与导电元件7连接。在安装状态33中,辅助闩锁元件15处于位置34中,其中,热导体37抵靠接触触头插口55,或与所述触头插口55重叠。
在这些表示中,辅助闩锁元件15和/或PCB 19也被绘制成部分透明,从而可以看到布置在底侧35的温度探头9(与图5相比)。
所示的组件1在PCB 19旁边包括两个热导体37,热导体37包括电绝缘且导热的材料39,例如硅树脂41,并且优选地是所谓的高填充硅树脂43。这些材料39、41优选具有大于500V的击穿电压40,进一步优选地大于1000V。后者与微粒47混合,其在一个热导体37的放大图中示出。
热导体37能够弹性且可逆地变形,因此具有弹性45。
热导体37还包括用阴影表示的支承表面49,所示的支承表面49具有曲率51。所示的支承表面49构造成是凹面的。
在安装状态33中,热导体37的支承表面49在示意性示出的凹部53中。这一凹部53将传感器插口13(由虚线表示)连接到辅助闩锁元件15的触头插口55,所示的导电元件7可插入其中。在安装状态33中,热导体37的支承表面49因此组装成支承抵靠触头插口55或与所述触头插口55重叠,使得支承表面49抵靠安置于相应的导电元件7的测量点57,并且,由于其弹性45(至少支承表面49具有这一弹性45),支撑表面紧靠测量点57安置,并且最小化气隙(未示出)的出现。热导体37通过其支承表面49抵靠测量点57的安置也在图5中示出。
热导体37还具有用于接收所述至少一个温度探头9的狭缝59。狭缝59可以具有对应对于PCB 19的宽度61的宽度61(参见图5)。
进一步,凹槽63设置成延伸到热导体37的本体中,从狭缝59沿着平行于支承表面49的方向。附接至PCB 19的温度探头9可以接收在这一凹槽中。凹槽63和接收在其端部65上的温度探头9的情况也在图5中示意性示出。
如果PCB 19被接收在热导体37中,所述热导体37因此围绕温度探头9,并且在所示的构造中,还从至少3个侧面围绕PCB 19的部分,使得爬电距离显着增加,且导电元件7与PCB 19的元件电绝缘。电路板17或PCB 19的至少一部分18可以插入热导体37中。在图3中示出插入相应的热导体37中的两个部分18。
在根据本发明的组件1的另一构造中,热导体37不能如图5所示地与PCB 19端接,而是可以完全地包围所述PCB 19。在这种构造中只有接触区域25可以触达。这种完全的包围具有以下优点:保护PCB 19及其诸如至少一个温度探头9的电气元件免受外部环境的影响,例如腐蚀性气体或液体。这种构造的热导体如图6c所示。
图7显示取决于所施加的电流I的模拟(FEM)温度增加ΔTR。温度增加ΔTR的模拟值各自在静态下确定,即与时间无关。所述模拟是在导电元件7在两侧具有70mm2的横截面且具有90微欧的总电阻的假定条件下进行的。假定室温为30℃。
即使在这一表示中,也可以识别导电元件7的温度曲线5c(圆点)与温度探头9的温度曲线5s之间的明显温差ΔT。
在电流约为300A的情况下,通过使用根据本发明的热导体37,温差ΔT可以从18K减小到大约6K。使用热导体37获得的温度曲线5h绘制成具有十字的线。可以参考该温度曲线5h检测温度曲线5c,其具有明显更低的误差,如温度曲线5s的情况。
通过进一步优化,例如优化热导体37的材料,可以进一步减小第二温差ΔT2
图6a至6c显示根据本发明的热导体37的不同构造的横截面。所有三种构造都在狭缝59中居中地取截面,其中,在图6c所示的构造中,可以讨论接收体积67。
此外,所示的所有构造都具有支承表面49,其成形为具有半径69的凹面。这一半径69有利地对应于对应的导电元件7的测量点57的半径69。
结合图4,显而易见的是,可以设置相对于对称轴71镜像的第二热导体37。仅通过示例的方式在图6a中绘出对称轴71。
图6a和图6b的构造在狭缝59中具有凹槽63,凹槽63在支承表面49的方向上延伸到端部5。从PCB 19伸入绘图平面中的温度探头可沿着这一凹槽63接收直到最终位置73(虚线)。例如,在安装状态33中达到最终位置73。
图6a的热导体37的本体75包括完全的硅树脂41且特别是填充硅树脂43。在其它构造中本体75还可以包括其它材料,只要他们是电绝缘且导热的。部分轮廓77(虚线)被构造为与辅助闩锁元件15的传感器插口13互补。部分轮廓77的部分可以与测量点57互补。
狭缝59的形状可以在其它构造中具有其他形状,例如其可以是圆形、矩形或三角形。特别地,狭缝59的形状适于PCB 19的形状,即,其形状与PCB 19的形状互补。
图6b的热导体37的构造具有本体75,其包括外壳79以及接收在这一外壳79中的另一导热介质81。外壳79包括电绝缘且导热的材料39,而所述另一导热介质81优选但非必须为电绝缘的。只要外壳79具有足够高的击穿电压,并因此可靠地将导电元件7和PCB 19的电路彼此电隔离,导电介质也可用于进一步导热介质81。对于进一步的技术特征和功能,图6b所示的构造对应图6a的那些。
图6c显示热导体37的一种构造,其中电绝缘且导热材料39完全地围绕PCB 19,至少在指出的温度探头9的区域中。材料39随后完全包围PCB 19,包括温度探头9,温度探头位于截取示出的PCB 19的下方的绘制面中。因此防止了对PCB 19,特别是温度探头9的化学影响。
图6c中所示的热导体37的构造尤其可以被构造为单件的,并且包含第二温度探头9。
附图标记列表
1 组件
3 温度
5 温度曲线
5a 环境温度的温度曲线
5c 导电元件的温度曲线
5h 具有热导体的温度曲线
5s 温度探头的温度曲线
7 导电元件
9 温度探头
11 触头组件
13 传感器插口
15 辅助闩锁元件
17 电路板
18 部分
19 印刷电路板(PCB)
21 评价单元
23 存储单元
25 接触区域
27 触头壳体
29 插座
31 插头
33 安装状态
34 位置
35 底侧
37 热导体
39 电绝缘且导热的材料
40 击穿电压
41 硅树脂
43 高填充硅树脂
45 弹性
47 微粒
49 支承表面
51 曲率
53 凹部
55 触头插口
57 测量点
59 狭缝
61 宽度
63 凹槽
65 端部
67 接收体积
69 半径
71 对称轴
73 最终位置
75 本体
77 局部轮廓
79 外壳
81 另一导热介质
Δt 延迟时间
ΔT 温差
t 时间
T 温度
I 电流
ΔTR 温度增加
ΔT2 第二温差

Claims (11)

1.一种用于检测至少一个导电元件(7)的温度(T)的组件(1),其具有至少一个温度探头(9)和由电绝缘且导热材料(39)制成的至少一个单独的热导体(37),其中所述热导体(37)至少部分地围绕所述温度探头(9),并且具有用于支承抵靠所述导电元件(7)的支承表面(49),
所述支承表面(49)至少部分地形成为凹面,并部分地施加在导电元件周围,该导电元件以对应的凸面形式形成,
该组件还包括电路板,并且电路板的至少一部分通过狭缝插入热导体中,凹槽位于狭缝中,并用于接收温度探头,温度探头布置在电路板上。
2.根据权利要求1所述的组件(1),其中,至少所述支承表面(49)是能够弹性且可逆变形的。
3.根据权利要求1所述的组件(1),其中,所述热导体(37)具有硅树脂(41)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的组件(1),其中,所述热导体(37)在至少三侧上至少部分地围绕所述温度探头(9)。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的组件(1),其中,所述至少一个温度探头(9)由所述热导体(37)完全地围绕。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的组件(1),其中,所述热导体(37)包括电绝缘的外壳(79),以及接收在所述外壳(79)中的另一导热介质(81)。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的组件(1),其中,所述热导体(37)具有大于500V的击穿电压(40)。
8.一种触头组件(11),具有用于接收至少一个导电元件(7)的至少一个触头插口(55)和至少一个传感器插口(13),根据权利要求1至7中的任一项所述的至少一个组件(1)布置在所述至少一个传感器插口中。
9.根据权利要求8所述的触头组件(11),其中,所述传感器插口(13)形成在辅助闩锁元件(15)中。
10.根据权利要求9所述的触头组件(11),其中,所述组件(1)能够与所述辅助闩锁元件(15)一起移动,并且所述辅助闩锁元件(15)的至少一个位置(34)设置为在其中,所述热导体(37)支承抵靠所述至少一个触头插口(55)或与所述触头插口(55)重叠。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的触头组件(11),其中,在所述触头组件(11)的传感器插口(13)中的所述组件(1)由所述热导体的材料(39)封闭。
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