DE102009002429A1 - Thermische Sicherheit für eine Stecker-Einrichtung für ein Aufladekabel eines Hybridfahrzeugs und Verfahren hierfür - Google Patents
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Abstract
Es wird ein System geliefert, um den Strom in einem elektrischen Kabel zu unterbrechen, welches einen Endstecker besitzt. Das System weist einen Sensor, welcher mit dem Stecker gekoppelt ist, und ein Ausgangssignal besitzt, welches indikativ für die Temperatur des Steckers ist, und eine Stromunterbrechungseinrichtung auf, welche mit dem Sensor gekoppelt ist, um den Strom in dem Kabel zu unterbrechen, wenn die Temperatur eine vorgegebene Temperatur erreicht.
Description
- TECHNISCHER BEREICH
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Anwendungen bei einem Hybrid-/Elektro-Fahrzeug, und bezieht sich insbesondere auf ein System zum Detektieren, wenn ein Stecker von einem Kabel eines Aufladesystem eine vorgegebene Temperatur erreicht, um den Stromfluss durch das Kabel zu dieser Zeit zu unterbrechen.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- In den letzten Jahren haben die Fortschritte in der Technologie zu wesentlichen Veränderungen in der Gestaltung von Automobilen geführt. Viele dieser Veränderungen beinhalten die Komplexität und die Größe der Leistungsnutzung verschiedener elektrischer Systeme innerhalb der Automobile, und insbesondere jene der hybriden und elektrischen Fahrzeuge. Diese Fahrzeuge sind typischerweise so gestaltet, dass sie einen signifikanten Betrag ihrer Leistung aus wieder aufladbaren Batterien ziehen. Um den Verbrauchern besser entgegenzukommen, haben die Hersteller derartiger Fahrzeuge den Vorgang des Wiederaufladens der Batterien leichter und bequemer gemacht, indem sie Aufladesysteme kompatibel zu den allgemeinen 110/120-V-Wohnungs-/Garagensteckdosen gestaltet haben. Ein Fahrer kann ein Fahrzeug während der Zeiträume des Nichtnutzens, wie z. B. über Nacht, ”auftanken”, indem er einfach ein speziell gestaltetes Versorgungskabel eines Aufladegeräts in eine derartige Steckdose steckt. Das System behält die Wiederaufladerate während des ganzen Vorgangs auf sicherem Niveau bei und stellt automatisch den Strom ab, wenn ein voller Ladepegel erreicht ist.
- Automobil-Leistungskabel für das Fahrzeugaufladen zu Hause sind so gestaltet, dass sie verhältnismäßig hohe Strombelastungen über längere Zeiträume verarbeiten können. Um einen zusätzlichen Schutz zu liefern, haben die Hersteller häufig eingebaute Sicherheitsmerkmale vorgesehen, welche im Allgemeinen eine Stromunterbrechungseinrichtung aufweisen, wie z. B. ein Erdschluss-Schaltkreis-Unterbrechungsglied oder GFCI, welches bei oder nahe dem Stecker des Kabels platziert ist. Ein GFCI verhindert Stromverlust durch automatisches Öffnen des Schaltkreises, wann immer ein ausreichender Unterschied zwischen den ausgehenden und zurückkehrenden Strompegeln detektiert wird. Jedoch kann das Steckerende eines Aufladeleistungskabels noch locker und/oder mit der Zeit gekrümmt werden, was möglicherweise den elektrischen Kontakt von der Steckdose zum Stecker herabsetzt und einen Beitrag zur Überhitzung leistet. Außerdem wird Wiederaufladen häufig über eine Periode von mehreren Stunden ohne Überwachung durchgeführt, und ein überhitzter Stecker könnte keinen Stromverlust auslösen und könnte so durch ein GFCI nicht detektiert werden.
- Entsprechend ist es wünschenswert, ein System bereitzustellen, das die Temperatur des Steckers an einem Aufladekabel einer Fahrzeugbatterie während eines Aufladezyklus detektiert. Ferner ist es auch wünschenswert, den Stromfluss in dem Aufladekabel anzuhalten, wenn die Steckertemperatur einen spezifizierten Schwellwertpegel erreicht. Außerdem werden andere wünschenswerte Merkmale und Charakteristika der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den angehängten Ansprüchen offensichtlich, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorausgegangenen technischen Bereich und Hintergrund gegeben werden.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Entsprechend einer Ausführungsform, nur anhand eines Beispiels, wird ein System bereitgestellt, um den Strom in einem elektrischen Kabel zu unterbrechen, welches am Ende einen Stecker besitzt. Das System weist einen Sensor, welcher mit dem Stecker gekoppelt ist, und einen Ausgang auf, welcher für die Temperatur des Steckers indikativ ist, und eine Stromunterbrechungseinrichtung, welche mit dem Sensor gekoppelt ist, um den Strom in dem Kabel zu unterbrechen, wenn die Temperatur eine vorgegebene Temperatur erreicht.
- Ein Verfahren zum Verhindern, dass sich ein Fahrzeug-Aufladekabelstecker, welcher an einem Kabel angebracht ist, während eines Aufladezyklus überhitzt, wird in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Erzeugen eines temperaturabhängigen Signals in dem Stecker, welches für die Steckertemperatur indikativ ist, Führen des Signals zu einer Stromunterbrechungseinrichtung, welche mit dem Aufladekabel gekoppelt ist, und Unterbrechen des fließenden Stromes in dem Kabel, wenn das Signal einen vorgegebenen Pegel überschreitet.
- BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei ähnliche Ziffern ähnliche Elemente bezeichnen, und:
-
1 ein Hybridfahrzeug darstellt, welches ein Verbindungs- bzw. Anschlusskabel beinhaltet, welches in eine externe Steckdose gesteckt ist; -
2 ein Funktionsblockdiagramm eines Fahrzeugsaufladesystems ist, welches bei dem Fahrzeug, welches in1 gezeigt ist, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird; -
3 eine schematische Zeichnung ist, welche ein Aufladekabel und einen Stecker entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
4 eine schematische Zeichnung einer beispielhaften elektronischen Einrichtung ist, welche für den Gebrauch in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist; und -
5 eine schematische Zeichnung einer beispielhaften Wheatstone-Brückenschaltung ist, welche für den Gebrauch in Zusammenhang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist. - BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
- Die folgende detaillierte Beschreibung ist von ihrer Art her nur beispielhaft, und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung oder die Anwendung und den Gebrauch der Erfindung einzugrenzen. Außerdem gibt es keine Absicht, an irgendeine ausgedrückte oder inbegriffene Theorie gebunden zu sein, welche in dem vorausgegangenen technischen Bereich, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung gegeben wird.
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1 ist eine isometrische Ansicht eines Fahrzeugs100 , wie beispielsweise eines batteriegetriebenen elektrischen Fahrzeugs oder eines hybriden elektrischen Fahrzeugs zum Einstecken. Das Fahrzeug100 ist wenigstens teilweise durch eine eingebaute Batterieanordnung getrieben, welche durch das Anschließen eines Aufladekabels102 an eine externe Spannungsquelle wieder aufgeladen werden kann. Beispielsweise kann das Aufladekabel102 ein Ende beinhalten, welches mehrere Steckerstifte besitzt, welche so gestaltet sind, dass sie in eine herkömmliche elektrische Sockelsteckdose104 gesteckt werden, welche mit dem nationalen Stromnetz gekoppelt ist (z. B. in eines der drei Hauptleistungs-Netzwerkverbindungen, welche sich über die 48 benachbarten Staaten erstrecken). Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist das Fahrzeug100 mit einem Fahrzeugaufladesystem ausgestattet, welches eine optimale Lade-Initialisierungszeit (CIT) bestimmen kann und das Laden des Fahrzeugs100 entsprechend der vorgegebenen CIT beginnen kann. -
2 ist eine funktionelle Ansicht eines beispielhaften Fahrzeugaufladesystems106 , welches an dem Fahrzeug100 angewendet ist. Das Fahrzeugaufladesystem106 beinhaltet eine hybride Batterieanordnung108 , welche mehrere Batterien aufweist, von denen wenigstens eine davon aufladbare, chemische Eigenschaften besitzt (z. B. Nickelmetallhydrid, Lithiumionen, etc.). Eine Leistungselektronikeinheit110 , welche ein Zeitglied112 (z. B. einen Prozessor) beinhaltet, ist zwischen der Batterieanordnung108 und dem Aufladekabel102 gekoppelt. Die Leistungselektronikeinheit110 kann auch einen Spannungsdetektor113 beinhalten, um zu bestimmen, wenn das Aufladekabel102 an einer externen elektrischen Quelle angeschlossen ist, wie z. B. der elektrischen Steckdose104 . Die Leistungselektronikeinheit110 kann das Aufladen der Batterieanordnung108 durch selektives Koppeln der externen elektrischen Steckdose104 an die Batterieanordnung108 über das Aufladekabel112 steuern. Ein Energiespeichersteuermodul (ESCM)114 ist auch an die Batterieanordnung108 und die Leistungselektronikeinheit110 gekoppelt. Das ESCM114 überwacht verschiedene Betriebsparameter der Batterieanordnung108 (z. B. Spannung, Strom, Temperatur und/oder den Ladepegel). -
3 ist eine schematische Zeichnung eines Aufladekabels102 entsprechend einer ersten beispielhaften Ausfüh rungsform. Das Kabel102 weist drei getrennte Drähte auf, welche einen Leistungsdraht144 , einen neutralen Draht146 und einen Erddraht148 aufweisen. Jeder der drei Drähte ist individuell mit einer nicht leitenden Beschichtung isoliert, um den Kontakt mit einem benachbarten Draht und/oder einem externen Leiter zu verhindern, was dadurch zu einem Kurzschluss führen kann. Die drei individuell isolierten Drähte sind von einer äußeren Isolierschicht103 umgeben, welche aus einem geeigneten nicht leitenden Material besteht, welche dadurch zusammen das Aufladekabel102 bilden. Die Isolierung, welche für die Drähte und Kabel genutzt wird, kann typischerweise aus einem widerstandsfähigen, flexiblen und nicht leitenden Material bestehen, wie z. B. einem geeigneten typischen Thermoplast, Polymer. - Ein männlicher Verbindungsstecker
134 aus drei Sockelstiften wird an einem Ende des Kabels102 angebracht und wird dazu benutzt, ihn mit einer externen, typischerweise Wechselstromquelle zu verbinden, auf welche über eine weibliche elektrische Steckdose194 zugegriffen wird. Der Leistungsdraht144 , der neutrale Draht146 und der Erddraht148 sind jeweils mit einem separaten Sockelstift150 ,152 bzw.154 des Steckers134 verbunden, welcher in Übereinstimmung mit einem Standarddesign, wie z. B. NEMA 5 (National Electrical Manufacturers Association) für eine 3-Draht-Einrichtung mit einer Erde konfiguriert ist. Der Stecker134 kann in seiner Querschnittsfläche wesentlich größer als das Kabel102 sein und Konturen aufweisen, um das Bedienen durch einen Benutzer zu erleichtern. Der Stecker134 weist typischerweise ein nicht leitendes Material auf, um die elektrische Isolation der internen leitenden Elemente (Drähte und Sockelstifte) beizubehalten, und kann thermisch isolierend wirken, um einen Benutzer gegenüber dem Aussetzen der Hitze zu schützen, welche während eines Aufladezyklus auftreten kann. - Der Schutz gegenüber Effekten in den Aufladekreisen kann durch das Benutzen einer eingebauten Stromunterbrechungseinrichtung (CID), wie z. B. einem Masseschlußunterbrechungsschaltung oder GFCI erreicht werden. Mit Bezug auf
3 weist die CID136 in einer beispielhaften Ausführungsform eine Spule156 auf, welche mit einem Temperatursensor138 gekoppelt ist, welcher in dem Stecker134 eingebettet ist, um einen thermischen Schutz hierfür zu liefern. Der Sensor138 weist ein temperatursensitives Element RT, wie z. B. einen thermischen Widerstand (Thermistor), oder einen Widerstandstemperaturdetektor auf, welcher den Widerstand als Funktion der Temperatur ändert. In einer weiteren Ausführungsform weist RT ein Element auf, wie z. B. ein Thermoelement, welches eine Spannung erzeugt, welche sich als Funktion der Temperatur ändert. TT ist in dem Stecker134 nahe zu den Steckerstiften150 ,152 und154 eingebettet und verändert dadurch die Temperatur mit diesen umgebenden Dingen. Der Sensor138 ist so aufgebaut, dass er detektiert, wenn die Temperatur des Steckers134 eine vorgegebene Schwellwerttemperatur übersteigt, und erzeugt ein Ausgangssignal, welches für die Temperatur indikativ ist. Die Spule156 ist so gestaltet, dass sie das Ausgangssignal empfängt und dadurch so getriggert wird, dass sie die Schaltung bzw. den Schaltkreis öffnet und den Strom im Kabel102 unterbricht, wenn die Temperatur die vorgegebene Temperatur übersteigt. In einer weiteren Ausführungsform weist das CID136 ein GFCI158 auf, und die Spule156 ist von der Art, wie sie typischerweise in einem GFCI eingebaut ist. Wenn der Sensor138 ein Ausgangssignal erzeugt, welches eine Temperatur anzeigt, welche die vorgegebene Temperatur übersteigt, wird die Spule156 getriggert, dass sie den Schaltkreis öffnet und den fließenden Strom im Kabel102 unterbricht. In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das CID136 in kurzer Entfernung von dem Stecker134 platziert sein (z. B. ungefähr 2 bis ungefähr 24 inch), oder in einer weiteren Ausfüh rungsform können der Sensor138 und das CID136 integral mit dem Stecker134 gebildet und von ihm umfasst sein. - Die vorgegebene Schwellwerttemperatur kann von vielen Faktoren abhängen, wobei die physikalischen Eigenschaften der Polymermaterialien beinhaltet sind, welche benutzt werden, den Stecker
134 aufzubauen. Entsprechend kann die Schwellwerttemperatur typischerweise unterhalb der Hitzezerstörungstemperatur (oder der Hitzebiegetemperatur) des wenigstens thermisch stabilen Materials eingestellt sein, welches benutzt wird, um Deformation aufgrund exzessiver Erweichung zu verhindern. Ferner kann es wünschenswert sein, die Steckeroberfläche bei einer Temperatur beizubehalten, welche für einen Benutzer komfortabel ist. Entsprechend werden Gestaltungsmerkmale des Steckers134 , welche die Gestalt, die Abmessung, die benutzten Materialien und die Entfernung von der Oberfläche gegenüber den Wärme erzeugenden Komponenten (Drähte und Steckerstifte) beinhalten, die zulässige Schwellwerttemperatur beeinflussen, wobei dies nicht auf diese Komponenten begrenzt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Stecker134 aus thermoplastischem Material, welches für die Art von Spritzgussprozessen geeignet ist, die benutzt werden, um elektrische Stecker zu fertigen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Stecker134 aus Ryton® [Poly(p-phenylensulphid)] aufgebaut; ein thermisch stabiles, lösungsmittelresistentes und schwer entflammbares thermoplastisches Material. In noch einer weiteren Ausführungsform liegt die maximal vorgegebene Schwellwerttemperatur des Inneren des Steckers134 im Bereich von ungefähr 80°C bis 150°C, und vorzugsweise ist diese ungefähr 100°C. -
4 stellt einen Schaltkreis dar, welcher für das Benutzen eines Sensors138 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform geeignet ist. Der Sensor138 weist auf: einen operativen Verstärker160 , welcher einen ersten Eingang be sitzt, welcher an eine konstante Spannungsquelle VR gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, welcher gekoppelt ist, um eine Spannung VT zu empfangen, und einen Ausgang, welcher ein Signal iS liefert. Der thermische Widerstand RT ist in dem Stecker134 (3 ) eingebettet, wie vorher beschrieben, und verändert den Widerstand als Funktion seiner Temperatur. Der konstante Strom von der Quelle iA liefert eine Ausgangsspannung VT, abhängig von dem Widerstand des thermischen Widerstandes RT. Wenn RT einen Schwellwertwiderstand erreicht, welcher für eine vorgegebene Schwellwerttemperatur indikativ ist, welche in dem Stecker134 abgetastet wird, wird die Spannung VT ausreichend, um einen Operationsverstärker160 zu veranlassen, ein Ausgangssignal iS zu erzeugen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Ausgangssignal iS zu der Spule156 geführt, welche so konfiguriert ist, dass sie dadurch geöffnet wird, so dass dadurch der Strom, welcher in dem Kabel102 fließt, unterbrochen wird, wenn die Temperatur des Steckers134 die vorgegebene Temperatur erreicht. - Der Sensor
138 kann andere Konfigurationen, wie z. B. eine Wheatstone-Brückenschaltung, annehmen, welche schematisch in5 gezeigt ist. Diese Schaltung weist die Widerstände R1, R2, R3 und RT auf, welche zusammen, wie gezeigt, an eine Spannungsquelle VS gekoppelt sind. Das Ausgangssignal iS verändert sich in einer wohlbekannten Weise, abhängig von den Werten der vier Widerstände. Die Widerstandsgrößen von R1, R2 und R3 sind so konfiguriert, dass sie invariant zur Temperatur sind, während RT, eingebettet im Stecker134 , so konfiguriert ist, dass es einen Widerstand besitzt, der sich mit der Temperatur in einer bekannten Weise verändert. Entsprechend ist das Ausgangssignal iS indikativ für die Temperatur des Steckers134 und kann benutzt werden, eine Spule156 (4 ) in einer Weise zu öffnen, wie sie zuvor beschrieben wurde, wenn die Temperatur des Steckers134 die vorgegebene Temperatur erreicht. - Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorausgegangenen detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte gewürdigt werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte auch gewürdigt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind, und es ist nicht beabsichtigt, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise zu begrenzen. Vielmehr wird die vorausgegangene detaillierte Beschreibung den Fachleuten ein geeignetes Konzept liefern, um die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhafte Ausführungsformen zu implementieren. Es sollte davon ausgegangen werden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und in der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den angehängten Ansprüchen und deren legalen Äquivalenten veröffentlicht sind.
Claims (20)
- System zum Unterbrechen des Stromes in einem elektrischen Kabel, welches einen Endstecker besitzt, wobei das System aufweist: einen Sensor, welcher mit dem Stecker gekoppelt ist und ein solches Ausgangssignal aufweist, welches für die Temperatur des Steckers indikativ ist; und eine Stromunterbrechungseinrichtung, welche mit dem Sensor gekoppelt ist, um den Strom in dem Kabel zu unterbrechen, wenn die Temperatur eine vorgegebene Temperatur erreicht.
- System nach Anspruch 1, wobei der Sensor integral mit dem Stecker ausgebildet ist.
- System nach Anspruch 1, wobei die Stromunterbrechungseinrichtung integral mit dem Stecker ausgebildet ist.
- System nach Anspruch 1, wobei die Stromunterbrechungseinrichtung und der Stecker so konfiguriert sind, dass sie in einem Bereich von ungefähr 2 inch bis 24 inch (ca. 5,1 cm bis 61 cm) voneinander getrennt sind.
- System nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein Thermoelement aufweist.
- System nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Wheatstone-Brückenschaltung aufweist.
- System nach Anspruch 1, wobei der Sensor einen Thermistor oder einen Widerstandstemperaturdetektor aufweist.
- System nach Anspruch 1, wobei der Stecker ein thermoplastisches Polymer aufweist.
- System nach Anspruch 8, wobei das thermoplastische Polymer Ryton® aufweist.
- System nach Anspruch 1, wobei die Strom unterbrechende Einrichtung ein Solenoid aufweist.
- System nach Anspruch 1, wobei die Strom unterbrechende Einrichtung ferner ein Erdschlussschaltungs-Unterbrechungsglied aufweist, welches mit des Solenoid gekoppelt ist.
- System zum Unterbrechen des Stromes in einem Fahrzeug-Aufladekabel, welches einen Stecker besitzt, wobei das System aufweist: eine temperatursensitive Einrichtung, welche von dem Stecker eingebettet ist und welche ein solches Ausgangssignal aufweist, welches für die Temperatur des Steckers indikativ ist; und eine Stromunterbrechungseinrichtung, welche mit der Temperaturabtasteinrichtung gekoppelt ist, um das Ausgangssignal zu empfangen und den Strom in dem Fahrzeug-Aufladekabel zu unterbrechen, wenn die Temperatur eine vorgegebene Temperatur erreicht.
- System nach Anspruch 12, wobei die Strom unterbrechende Einrichtung in dem Stecker integriert ist.
- System nach Anspruch 12, wobei die Strom unterbrechende Einrichtung ein Solenoid aufweist.
- System nach Anspruch 12, wobei die Strom unterbrechende Einrichtung ferner eine erste Masseschlussunterbrechungsschaltung aufweist, welches mit des Solenoids gekoppelt ist.
- Verfahren, um einen Fahrzeug-Aufladestecker, welcher an einem Kabel angebracht ist, vor dem Überhitzen während eines Aufladezyklusses zu bewahren, wobei dieses die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen eines temperaturabhängigen Signals in dem Stecker, welches für die Steckertemperatur indikativ ist; Führen des Signals zu einer Stromunterbrechungseinrichtung, welche mit dem Aufladekabel gekoppelt ist; und Unterbrechen des Stromes, welcher in dem Kabel fließt, wenn das Signal einen vorgegebenen Pegel übersteigt.
- Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Unterbrechens ferner das Unterbrechen des Stromes aufweist, wenn die Temperatur des Steckers eine vorgegebene Temperatur erreicht, welche geringer als die Wärme- bzw. Hitzezerstörungstemperatur des Steckers ist.
- Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Unterbrechens ferner das Unterbrechen des Stromes aufweist, wenn die Temperatur des Steckers eine vorgegebene Temperatur erreicht, welche in einem Bereich von ungefähr 80°C bis 150°C liegt.
- Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Unterbrechens ferner das Unterbrechen des Stromes aufweist, wenn die Temperatur des Steckers eine vorgegebene Temperatur erreicht, welche ungefähr 100°C beträgt.
- Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner das Einbetten eines Temperatursensors und der Stromunterbrechungseinrichtung in den Stecker umfasst.
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