DE102012008614A1 - Electrical plug connector for disconnecting electric current, has controller to control semiconductor electronics such that arc is prevented or reduced when disconnecting connector regardless of direction of flow of electric current - Google Patents

Electrical plug connector for disconnecting electric current, has controller to control semiconductor electronics such that arc is prevented or reduced when disconnecting connector regardless of direction of flow of electric current Download PDF

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Abstract

The electrical plug connector has main contact (5), and an electrical series arrangement (10) formed form auxiliary contact (3) and semiconductor electronics (2). The series arrangement is switched electrical parallel to that main contact. The main contact is obligatorily disconnected before the auxiliary contact when disconnecting the electrical plug connectors. A controller (7) controls the semiconductor electronics such that arc is prevented or reduced when disconnecting the electrical plug connector regardless of the direction of flow of electric current.

Description

Beim Trennen von Strömen unter Gleichspannung können an der Trennstelle stabile, langanhaltende Lichtbögen entstehen, die einen schädigenden Einfluss auf Personen und/oder Materialien in deren unmittelbaren Umgebung haben können. Besonders bei der Trennung von elektrischen Energiespeichern (beispielsweise in Elektrofahrzeugen) ist ein Trennen der Gleichspannungsverbindung während der Lade- bzw. Entladephase aufgrund der möglichen Lichtbogenbildung kritisch.When disconnecting currents under DC voltage, stable, long-lasting arcing may occur at the point of separation, which may have a damaging effect on people and / or materials in their immediate vicinity. Especially in the separation of electrical energy storage (for example, in electric vehicles) is a separation of the DC voltage connection during the charging or discharging phase due to the possible arcing critical.

Aus dem Stand der Technik sind nun bereits elektrische Steckverbinder zum Abschalten von Gleichströmen (also zum Trennen eines elektrischen Stroms unter elektrischer Gleichspannung) bekannt, siehe z. B. die DE 102 25 259 B3 oder auch die EP 1 480 241 A1 , die jedoch nicht bei bidirektionalem Stromfluss eingesetzt werden können. Zudem sind Hybridschalter zur Gleichstromunterbrechung bekannt, diese benötigen jedoch eine externe Energiequelle zur Ansteuerung und zum Betrieb. Aus der Praxis sind weiterhin mechanische Verriegelungen von Ladesteckern während der Ladephase bekannt. Eine solche mechanische Verriegelung wird meist über einen in den Stecker oder die Ladebuchse integrierten Stellmotor erreicht. Beim gewaltsamen Trennen der Steckverbindung (oder auch bei defekter Verriegelung) besteht jedoch kein ausreichender Schutz.Electrical connectors for switching off direct currents (ie for disconnecting an electric current under direct electrical voltage) are already known from the prior art, see, for example, US Pat. B. the DE 102 25 259 B3 or even the EP 1 480 241 A1 , which, however, can not be used with bidirectional current flow. In addition, hybrid switches for DC interruption are known, but these require an external power source for driving and for operation. From practice mechanical locks of charging plugs during the charging phase are also known. Such a mechanical locking is usually achieved via an integrated into the plug or the charging jack servomotor. When violent disconnection of the connector (or even with a broken lock), however, there is no adequate protection.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ausgehend vom Stand der Technik, einen elektrischen Steckverbinder zum Trennen eines elektrischen Stroms unter elektrischer Gleichspannung zur Verfügung zu stellen, der auch in Stromnetzen mit bidirektionalem Stromfluss (also unabhängig von der Flussrichtung des elektrischen Stroms bzw. bei Vorrichtungen, in denen der Stromfluss je nach Vorrichtungszustand in zwei entgegengesetzte Richtungen erfolgen kann) eingesetzt werden kann. Der elektrische Steckverbinder soll dabei keine externe Energiequelle zur Ansteuerung benötigen und auch beim gewaltsamen Trennen der Steckverbindung einen ausreichenden Schutz für den Steckverbinder selbst und für eine den elektrischen Steckverbinder bedienende Person ermöglichen.It is therefore an object of the present invention, starting from the state of the art, to provide an electrical plug connector for disconnecting an electric current under electrical DC voltage, which is also available in power grids with bidirectional current flow (that is to say independently of the flow direction of the electric current or in devices, in which the current flow can take place in two opposite directions depending on the device state) can be used. The electrical connector is intended to require no external power source for driving and also allow for the violent disconnection of the connector sufficient protection for the connector itself and for a person operating the electrical connector.

Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Steckverbinder gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsvarianten lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen. Die bevorzugte erfindungsgemäße Verwendung ist in Anspruch 14 beschrieben.This object is achieved by an electrical connector according to claim 1. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims. The preferred use according to the invention is described in claim 14.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand zweier Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben. Die in den Ausführungsbeispielen in Kombination miteinander verwirklichten Merkmale (also die konkrete Schaltung der Ausführungsbeispiele) muss dabei nicht wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt realisiert sein, sondern es können auch auf andere Art und Weise erfindungsgemäße Merkmale gemäß der abhängigen Ansprüche miteinander verknüpft werden. Insbesondere kann die Schaltung somit auch auf andere Art und Weise realisiert sein; z. B. können einzelne der in den Figuren der Ausführungsbeispiele gezeigten elektrischen Bauelemente auch weggelassen werden oder mit anderen elektrischen Bauelementen auch auf andere Art und Weise verschaltet werden.Hereinafter, the present invention will first be described in general, then with reference to two embodiments in detail. The realized in the embodiments in combination with each other features (ie, the concrete circuit of the embodiments) need not be realized as shown in the embodiments, but it can also be linked in other ways inventive features according to the dependent claims. In particular, the circuit can thus be realized in other ways; z. For example, individual of the electrical components shown in the figures of the embodiments may also be omitted or interconnected with other electrical components in other ways.

Ein elektrischer Steckverbinder zum Trennen eines elektrischen Stroms unter elektrischer Gleichspannung (beispielsweise beim mechanischen Trennen einer Ladesäule bzw. eines Anschlusses derselben für ein Elektrofahrzeug von dem Elektrofahrzeug bzw. einem Anschluss desselben) weist einen oder mehrere Hauptkontakt(e) sowie eine elektrische Reihenschaltung aus einem Hilfskontakt und einer Halbleiterelektronik (die nachfolgend alternativ auch als Halbleiterschaltung bezeichnet ist) auf. Letztgenannte Reihenschaltung ist elektrisch parallel zu mindestens einem der Hauptkontakte (bzw. zu dem einem Hauptkontakt, falls z. B. nur ein abtrennbarer Hauptkontakt vorhanden ist) geschaltet. Der elektrische Steckverbinder ist dabei so ausgebildet, dass beim Trennen desselben mindestens einer der Hauptkontakte zwangsweise vor dem Hilfskontakt getrennt wird.An electrical connector for disconnecting an electrical current under DC electrical voltage (for example, in the mechanical separation of a charging station or a connection thereof for an electric vehicle from the electric vehicle or a connection thereof) has one or more main contact (s) and an electrical series circuit of an auxiliary contact and a semiconductor electronics (which is also referred to below as a semiconductor circuit) on. The latter series connection is electrically connected in parallel to at least one of the main contacts (or to a main contact, if, for example, only one detachable main contact is present). The electrical connector is designed so that when disconnecting the same at least one of the main contacts is forcibly separated before the auxiliary contact.

Erfindungsgemäß ist die Halbleiterelektronik derart (an)steuerbar ausgebildet, dass beim Trennen des elektrischen Steckverbinders unabhängig von der gerade vorherrschenden Flussrichtung des elektrischen Stroms ein Lichtbogen verhindert oder zumindest reduziert wird. Aufgrund dieser Unabhängigkeit von der momentanen Flussrichtung des elektrischen Stroms durch den elektrischen Steckverbinder vor dem Trennen desselben ist der erfindungsgemäße Steckverbinder somit in Stromnetzen mit bidirektionalem Stromfluss einsetzbar. Entscheidend ist somit die Ausbildung bzw. die Verschaltung der Halbleiterelektronik (bzw. deren Bestandteile) dergestalt, dass im Moment des Trennens des elektrischen Steckverbinders (also in dem Moment, in dem sich der Lichtbogen auszubilden beginnt) basierend auf der Energie im Lichtbogen eine Steuerung dieser Halbleiterelektronik derart erfolgt, dass der Lichtbogen soweit wie möglich, bevorzugt vollständig, unterdrückt wird.In accordance with the invention, the semiconductor electronics are designed to be controllable such that an arc is prevented or at least reduced when the electrical connector is disconnected, irrespective of the currently prevailing flow direction of the electrical current. Due to this independence from the instantaneous flow direction of the electrical current through the electrical connector prior to disconnection thereof, the connector according to the invention can thus be used in power grids with bidirectional current flow. Decisive is thus the training or interconnection of the semiconductor electronics (or their components) such that at the moment of disconnecting the electrical connector (ie at the moment in which the arc begins to form) based on the energy in the arc control this Semiconductor electronics takes place such that the arc as far as possible, preferably completely, is suppressed.

Dazu kann die Halbleiterelektronik eine Ansteuerelektronik umfassen, mittels derer ein Steuern der Halbleiterelektronik so erfolgt, dass beim Ausbilden des Lichtbogens über mindestens einem der Hauptkontakte eine Kommutierung des elektrischen Stroms von diesem/diesen Hauptkontakt(en) auf den Hilfskontakt erfolgt.For this purpose, the semiconductor electronics comprise a control electronics, by means of which a control of the semiconductor electronics takes place so that when forming the arc via at least one of the main contacts, a commutation of the electric current from this / this main contact (s) takes place on the auxiliary contact.

Vorzugsweise weist die Halbleiterelektronik zwei antiseriell verschaltete, von der Ansteuerelektronik ansteuerbare leistungselektronische Schalter und/oder Halbleiter-Schalter auf, um diese Kommutierung des elektrischen Stroms von dem mindestens einen Hauptkontakt auf den Hilfskontakt zu ermöglichen. Es kann sich bei diesen Schaltern um Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs von englisch Insulated Gate Bipolar Transistor) handeln. Jedoch ist auch der Einsatz von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder auch von Thyristoren als leistungselektronische Schalter und/oder Halbleiter-Schalter möglich. Preferably, the semiconductor electronics on two antiserial interconnected, controllable by the control electronics power electronic switches and / or semiconductor switches to allow this commutation of the electrical current from the at least one main contact on the auxiliary contact. These switches may be Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). However, the use of metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) or of thyristors as power electronic switches and / or semiconductor switches is possible.

Vorzugsweise umfasst die Ansteuerelektronik einen Energiespeicher (beispielsweise in Form eines Kondensators, einer Kondensator-Speicherbank oder dergleichen) und eine Ladungsschaltung, bei der es sich bevorzugt um einen Vollweggleichrichter handelt. Der Energiespeicher und die Ladungsschaltung sind dabei so verschaltet, dass beim Ausbilden des Lichtbogens über mindestens einem der Hauptkontakte der Energiespeicher über die Ladungsschaltung aufgeladen wird.The control electronics preferably comprise an energy store (for example in the form of a capacitor, a capacitor bank or the like) and a charge circuit, which is preferably a full-wave rectifier. The energy store and the charge circuit are connected so that when the arc is formed via at least one of the main contacts of the energy storage is charged via the charging circuit.

Die Halbleiterelektronik kann so ausgebildet sein, dass der mittels des Lichtbogens geladene Energiespeicher die Ansteuerelektronik nach seinem Aufladen mit elektrischer Energie versorgt und dass nach dem Versorgen der Ansteuerelektronik mit der elektrischen Energie die leistungselektronischen Schalter und/oder Halbleiter-Schalter (nachdem sich diese zuvor in einem stromsperrenden Zustand befunden haben) durch die Ansteuerelektronik in einen stromleitenden Zustand geschaltet werden, um das Kommutieren des elektrischen Stroms von dem mindestens einen Hauptkontakt auf den Hilfskontakt zu ermöglichen.The semiconductor electronics can be designed so that the charged by the arc energy storage supplies the control electronics after its charging with electrical energy and that after supplying the control electronics with the electrical energy, the power electronic switches and / or semiconductor switches (after these previously in a have been turned off by the control electronics in an electrically conductive state to enable the commutation of the electrical current from the at least one main contact to the auxiliary contact.

Vorzugsweise weist die Ansteuerelektronik ein Schaltglied auf (bei dem es sich insbesondere um ein Zeitglied handeln kann), das wie folgt arbeitet: Das Schaltglied kann einen definierten Einschaltimpuls mit definierter Zeitdauer liefern. Nach Ablauf einer ersten vorbestimmten Zeitspanne tv nach dem Beginn des Aufladens des Energiespeichers (oder alternativ auch beim Erreichen einer vordefinierten Mindestspannung über diesem Energiespeicher, nachdem eine solche erste vorbestimmte Zeitspanne tv abgelaufen ist) sorgt das Schaltglied dafür, dass die Halbleiterelektronik (insbesondere: die leistungselektronischen Schalter und/oder Halbleiter-Schalter derselben) von einem zuvor stromsperrenden Zustand (wenn der Energiespeicher noch nicht genügend aufgeladen ist) in einen stromleitenden Zustand geht. Anschließend, nach dem Ablauf einer zweiten vorbestimmten Zeitspanne (also nachdem ein Zeitintervall t nach dem Ablauf der ersten vorbestimmten Zeitspanne tv vergangen ist) sorgt das Zeitglied dafür, dass die Halbleiterelektronik bzw. deren Schalter wieder von dem stromleitenden Zustand in den stromsperrenden Zustand geht/gehen (Abschalten der Halbleiterelektronik).Preferably, the control electronics on a switching element (which may be in particular a timer), which operates as follows: The switching element can deliver a defined switch-on pulse with a defined period of time. After expiration of a first predetermined period of time t v after the beginning of the charging of the energy store (or alternatively also when a predefined minimum voltage across this energy store is reached after such a first predetermined time period t v has expired), the switching element ensures that the semiconductor electronics (in particular: the power electronic switches and / or semiconductor switches thereof) from a previously current-blocking state (when the energy storage is not sufficiently charged) goes into an electrically conductive state. Subsequently, after the expiration of a second predetermined period of time (ie after a time interval t has elapsed after the expiration of the first predetermined time period t v ), the timer ensures that the semiconductor electronics or their switches again go from the current-conducting state into the current-blocking state. go (switching off the semiconductor electronics).

Die Halbleiterschaltung kann erfindungsgemäß so ausgebildet sein, dass sie ohne eine externe elektrische Energiequelle (also z. B. ohne Energieversorgung durch eine Batterie oder dergleichen) alleine mittels der Energie aus dem Lichtbogen funktionsfähig ist. Vorzugsweise ist die Halbleiterschaltung insbesondere so ausgebildet, dass sie im geschlossenen, also im nicht getrennten Zustand der Steckverbindung, stromsperrend ist.According to the invention, the semiconductor circuit may be designed such that it can function without the use of an external electrical energy source (that is, for example, without energy supply by a battery or the like) solely by means of the energy from the arc. Preferably, the semiconductor circuit is in particular designed so that it is in the closed, ie in the non-disconnected state of the connector, current-blocking.

Vorzugsweise umfasst der elektrische Steckverbinder zwei bevorzugt parallel zueinander geschaltete Hauptkontakte. Er ist dann vorzugsweise so ausgebildet, dass beim Trennen des elektrischen Steckverbinders genau einer der beiden Hauptkontakte zwangsweise vor dem Hilfskontakt getrennt wird. Ein solcher nacheilender Hilfskontakt kann insbesondere durch eine mechanische Verlängerung ausgebildet werden. Es ist somit bevorzugt nur einer der beiden Hauptkontakte gegenüber dem Hilfskontakt verkürzt.Preferably, the electrical connector comprises two preferably parallel connected main contacts. He is then preferably designed so that when disconnecting the electrical connector exactly one of the two main contacts is forcibly separated before the auxiliary contact. Such a lagging auxiliary contact can be formed in particular by a mechanical extension. It is thus preferred only one of the two main contacts compared to the auxiliary contact shortened.

Jedoch kann die elektrische Steckverbindung gemäß der Erfindung auch so ausgebildet sein, dass beide Hauptkontakte zwangsweise vor dem Hilfskontakt getrennt werden (also ein diesen beiden Hauptkontakten nacheilender Hilfskontakt vorliegt). Allerdings sind in diesem Falle die Abschaltbedingungen nicht mehr exakt definiert, so dass der Lichtbogen unter Umständen länger auftreten kann als in demjenigen Fall, in dem lediglich einer der beiden Hauptkontakte zwangsweise vor dem Hilfskontakt getrennt wird (während der andere Hauptkontakt gleichzeitig mit dem Hilfskontakt getrennt wird). Der Grund ist folgender: Beim Trennen der Verbindung kann sich über beiden Hauptkontakten ein Lichtbogen bilden. Wird die Halbleiterelektronik des elektrischen Steckverbinders aktiv und der Strom kommutiert auf diese Halbleiterelektronik, so wird zunächst nur der Lichtbogen über demjenigen der beiden Hauptkontakte, zu dem die elektrische Reihenschaltung aus Hilfskontakt und Halbleiterelektronik parallel geschaltet ist, gelöscht (beim Vorliegen mehrerer Hauptkontakte ist somit die Reihenschaltung aus dem Hilfskontakt und der Halbleiterelektronik vorzugsweise genau zu einem der Hauptkontakte parallel geschaltet, nicht jedoch zu dem/den anderen Hauptkontakt(en)). Erst nachdem die Energie im Ansteuerkreis verbraucht ist und die Halbleiterelektronik (bzw. die Schalter derselben) wieder in den elektrischen Sperrzustand (stromloser Zustand) zurück fallen, wird der Stromkreis komplett unterbrochen und auch der Lichtbogen über dem zweiten Hauptkontakt kann erlöschen. Erfindungsgemäß ist somit grundsätzlich auch dieser Fall möglich, obwohl die Zeit, in der der Lichtbogen über dem zweiten Hauptkontakt erlischt, gegebenenfalls nicht genau bestimmt werden kann. (Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, immer einen Hilfskontakt samt Halbleiterelektronik parallel zu jedem Hauptkontakt, der dann jeweils vorauseilt, auszuführen, obwohl dies natürlich mit höherem Aufwand und Materialeinsatz verbunden ist).However, the electrical connector according to the invention may also be designed so that both main contacts are forcibly disconnected from the auxiliary contact (ie, an auxiliary contact which follows these two main contacts). However, in this case, the shutdown conditions are no longer exactly defined, so that the arc may possibly occur longer than in that case in which only one of the two main contacts is forcibly separated before the auxiliary contact (while the other main contact is disconnected simultaneously with the auxiliary contact ). The reason is as follows: When disconnecting, an arc may form across both main contacts. If the semiconductor electronics of the electrical connector active and the current commutes to this semiconductor electronics, so initially only the arc over that of the two main contacts, to which the electrical series circuit of auxiliary contact and semiconductor electronics is connected in parallel, deleted (in the presence of multiple main contacts is thus the series circuit from the auxiliary contact and the semiconductor electronics preferably connected in parallel to one of the main contacts in parallel, but not to the / the other main contact (s)). Only after the energy has been consumed in the drive circuit and the semiconductor electronics (or the switches thereof) fall back into the electrical blocking state (de-energized state), the circuit is completely interrupted and the arc over the second main contact can go out. Thus, in principle, this case is also possible according to the invention, although the time in which the arc extinguishes over the second main contact may not be possible can be determined exactly. (However, it is also possible according to the invention to always carry out an auxiliary contact, including semiconductor electronics, parallel to each main contact, which then leads in each case, although this is of course associated with higher expenditure and use of material).

Vorzugsweise ist erfindungsgemäß somit die vorbeschriebene Reihenschaltung elektrisch parallel zu lediglich demjenigen der beiden (oder mehr als zwei) Hauptkontakte geschaltet, der als einzelner vorauseilender Hauptkontakt zwangsweise vor dem (nacheilenden) Hilfskontakt getrennt wird.Preferably, according to the invention, therefore, the above-described series connection is electrically connected in parallel to only that of the two (or more than two) main contacts, which is forcibly disconnected as a single leading main contact before the (trailing) auxiliary contact.

Jedoch ist es wie bereits beschrieben auch denkbar, mehrere Hauptkontakte auszubilden, wobei für jeden dieser Hauptkontakte jeweils eine elektrische Reihenschaltung aus einem Hilfskontakt und einer Halbleiterelektronik vorgesehen ist. Jede dieser Reihenschaltungen ist dann elektrisch parallel zu dem ihr zugeordneten Hauptkontakt geschaltet. Die Halbleiterelektroniken der einzelnen Hauptkontakte können dann wie vorstehend für die bisher beschriebene einzige Halbleiterelektronik ausgebildet sein. Beim Trennen des elektrischen Steckverbinders werden dann die mehreren Hauptkontakte jeweils zwangsweise vor ihren zugehörigen Hilfskontakten getrennt (mehrere nacheilende Hilfskontakte).However, as already described, it is also conceivable to form a plurality of main contacts, wherein an electrical series circuit comprising an auxiliary contact and a semiconductor electronics is provided for each of these main contacts. Each of these series circuits is then electrically connected in parallel with its associated main contact. The semiconductor electronics of the individual main contacts can then be designed as described above for the single semiconductor electronics described so far. When disconnecting the electrical connector then the multiple main contacts are each forcibly separated from their associated auxiliary contacts (several trailing auxiliary contacts).

Das zwangsweise Trennen eines Hauptkontakts vor seinem (jeweiligen) Hilfskontakt kann mechanisch realisiert sein. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass ein Hauptkontakt kürzer ausgeführt werden kann als sein zugehöriger Hilfskontakt. Auch ist es möglich, den Hauptkontakt gegenüber seinem (jeweiligen) Hilfskontakt zurückgesetzt im Rahmen geeignet ausgeformter Steckerteile auszubilden.The forced disconnection of a main contact before its (respective) auxiliary contact can be realized mechanically. This is in particular possible because a main contact can be made shorter than its associated auxiliary contact. It is also possible to set the main contact with respect to its (respective) auxiliary contact reset in the context of suitably shaped connector parts.

Vorzugsweise kann beim erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder mindestens ein spannungslimitierendes Element (vorzugsweise ein Kondensator oder ein Varistor) zum Schutz der Haltleiterelektronik(en) vorgesehen sein. Das/die spannungslimitierende(n) Element(e) kann/können dabei bevorzugt zwischen zwei Hauptkontakte geschaltet sein.Preferably, in the electrical connector according to the invention, at least one voltage-limiting element (preferably a capacitor or a varistor) may be provided for the protection of the semiconductor electronics. The voltage-limiting element (s) may preferably be connected between two main contacts.

Der elektrische Steckverbinder kann einen Stecker (oder eine Buchse) und ein passend zu diesem Stecker (bzw. der Buchse) ausgebildetes Gegensteckteil aufweisen. Die Halbleiterelektronik kann entweder als Bestandteil des Steckers (oder der Buchse) oder als Bestandteil des Gegensteckteils ausgebildet sein.The electrical connector may comprise a plug (or a socket) and a mating plug formed to match this plug (or socket). The semiconductor electronics can either be formed as part of the plug (or the socket) or as part of the mating plug.

Ein erfindungsgemäßer elektrischer Steckverbinder eignet sich insbesondere zum sicheren Trennen des elektrischen Stroms beim Abtrennen einer Ladesäule für ein Elektrofahrzeug vom Elektrofahrzeug (bzw. dem Energiespeicher desselben).An inventive electrical connector is particularly suitable for safe separation of the electric current when disconnecting a charging station for an electric vehicle from the electric vehicle (or the energy storage of the same).

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Steckverbindern zum Trennen eines elektrischen Stroms unter elektrischer Gleichspannung weist der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder insbesondere die folgenden Vorteile auf:

  • – Der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder weist eine Halbleiterelektronik auf, die im geschlossenen Zustand der Steckverbindung annähernd stromlos und somit verlustfrei ist.
  • – Der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder kann zuverlässig Lichtbögen verhindern bzw. zumindest löschen beim Trennen von Gleichspannungsverbrauchern und -quellen (im Speziellen von elektrischen Energiespeichern).
  • – Der elektrische Steckverbinder kann vollständig (und ohne externe Energiezuführung) in eine Steckverbindung für die Steuerung und den Betrieb der Halbleiterelektronik integriert werden. Ein Einsatz des elektrischen Steckverbinders gemäß der Erfindung ist in Gleichspannungsnetzen mit bidirektionalem Stromfluss (z. B. Ladesäule) möglich. Die elektrischen Kontakte der Steckverbindung können sich in einem gemeinsamen Steckergehäuse befinden, dies muss jedoch nicht der Fall sein; auch mehrere Steckergehäuse für die einzelnen elektrischen Kontakte sind möglich.
  • – Die Halbleiterelektronik (bzw. Bestandteile derselben) können nahezu beliebig räumlich auf beide Teile eines erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders aufgeteilt werden. Ein Teil des elektrischen Steckverbinders kann Bestandteil eines Gehäuses sein (Einbaubuchse oder -stecker).
  • – Unterschiedliche Arten von leistungselektronischen Schaltern und/oder Haltleiterschaltern der Halbleiterelektronik können verwendet werden.
  • – Somit ist eine lichtbogenreduzierte bzw. lichtbogenvermeidende Trennung auch bei bidirektionalem Stromfluss bei gleichzeitigem Verzicht auf eine zusätzliche Energieversorgung erfindungsgemäß möglich.
  • – Der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder eignet sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen. Insbesondere ist eine Integration in eine Ladesäule oder in das Ladekabel von Elektrofahrzeugen möglich. Auch eine Integration in beliebige Steckverbindungen in DC-Anwendungen zum Beispiel zum Anschluss von Gleichspannungsverbrauchern höherer Spannung im Haushalt oder im Büro ist möglich.
Compared with the known from the prior art electrical connectors for separating an electric current under electric DC voltage, the electrical connector according to the invention in particular the following advantages:
  • - The electrical connector according to the invention has a semiconductor electronics, which is approximately de-energized and thus lossless in the closed state of the connector.
  • - The electrical connector according to the invention can reliably prevent arcs or at least delete when disconnecting DC consumers and sources (in particular of electrical energy storage).
  • - The electrical connector can be fully integrated (and without external power supply) into a connector for the control and operation of the semiconductor electronics. An insert of the electrical connector according to the invention is possible in DC voltage networks with bidirectional current flow (eg charging station). The electrical contacts of the connector may be located in a common connector housing, but this need not be the case; Also several connector housing for the individual electrical contacts are possible.
  • - The semiconductor electronics (or components thereof) can be divided almost arbitrarily spatially on both parts of an electrical connector according to the invention. A part of the electrical connector can be part of a housing (socket or plug).
  • - Different types of power electronic switches and / or semiconductor switches semiconductor switches can be used.
  • - Thus, an arc-reduced or arc-avoiding separation according to the invention is possible even with bidirectional current flow while dispensing with an additional power supply.
  • - The electrical connector according to the invention is suitable for a variety of different applications. In particular, integration in a charging station or in the charging cable of electric vehicles is possible. It is also possible to integrate it into any plug-in connections in DC applications, for example for connecting DC voltage consumers of higher voltage in the household or in the office.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben. Dabei zeigen:Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to two embodiments. Showing:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel, das die grundlegende Basiskonfiguration eines erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders zeigt. 1 a first embodiment showing the basic basic configuration of an electrical connector according to the invention.

2 den inneren Aufbau der Ansteuerelektronik der in 1 (sowie auch in 3) gezeigten Halbleiterelektronik. 2 the internal structure of the control electronics of in 1 (as well as in 3 ) semiconductor electronics shown.

3 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit zwei Hauptkontakten. 3 a second embodiment according to the invention with two main contacts.

Der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder in 1 umfasst einen einzigen Hauptkontakt 5, der trennbar ausgebildet ist. Parallel zu diesem Hauptkontakt 5 ist eine elektrische Reihenschaltung 10 geschaltet. Diese Reihenschaltung 10 umfasst eine serielle Schaltung aus einem Hilfskontakt 3 sowie einer Halbleiterelektronik 2. Auch der Hilfskontakt 3 ist trennbar ausgebildet. Der Hauptkontakt 5 ist hier kürzer ausgebildet als der Hilfskontakt 3, so dass beim Trennen der elektrischen Verbindung (also beim Trennen des Hauptkontakts und des Hilfskontakts) sichergestellt ist, dass der Hauptkontakt 5 immer früher als der Hilfskontakt 3 getrennt wird. (Alternativ dazu ist es auch möglich, den Hauptkontakt in den hier nicht gezeigten Gehäuseteilen des elektrischen Steckverbinders gegenüber dem Hilfskontakt zurückzusetzen.)The electrical connector according to the invention in 1 includes a single main contact 5 which is formed separable. Parallel to this main contact 5 is an electrical series connection 10 connected. This series connection 10 includes a serial circuit of an auxiliary contact 3 and a semiconductor electronics 2 , Also the auxiliary contact 3 is designed separable. The main contact 5 is shorter here than the auxiliary contact 3 , so that when disconnecting the electrical connection (ie when disconnecting the main contact and the auxiliary contact) it is ensured that the main contact 5 always earlier than the auxiliary contact 3 is disconnected. (Alternatively, it is also possible to reset the main contact in the housing parts of the electrical connector not shown here relative to the auxiliary contact.)

Im gezeigten Beispiel sind die Halbleiterelektronik 2, der gegenüber dem entsprechenden Hilfskontaktabschnitt verkürzt ausgebildete Teil des Hauptkontakts 5 sowie besagter Hilfskontaktabschnitt des Hilfskontakts 3 in einem ersten Gehäuseteil (nicht gezeigt) des elektrischen Steckverbinders ausgebildet. Zum Schließen der Stromverbindung ist dieser erste Gehäuseteil formschlüssig mit einem hier ebenfalls nicht gezeigten zweiten Gehäuseteil des elektrischen Steckverbinders verbindbar, in dem sich die hier identisch ausgebildeten Gegensteckteile des Hauptkontakts 5 und des Hilfskontakts 3 befinden.In the example shown are the semiconductor electronics 2 , the portion of the main contact shortened with respect to the corresponding auxiliary contact portion 5 as well as said auxiliary contact portion of the auxiliary contact 3 formed in a first housing part (not shown) of the electrical connector. To close the power connection, this first housing part is positively connected to a likewise not shown here second housing part of the electrical connector, in which the identical here formed mating connector parts of the main contact 5 and the auxiliary contact 3 are located.

Die Halbleiterelektronik 2 umfasst eine Ansteuerelektronik 7, mit der die gesamte Haltleiterelektronik 2 gesteuert werden kann, zwei Halbleiter-Schalter 8a, 8b in Form von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (nachfolgend als IGBTs 8a, 8b bezeichnet) sowie zwei Dioden 9a und 9b. Die beiden IGBTs 8a und 8b sind antiserielle miteinander verschaltet. Vorzugsweise sind die beiden Emitter(Source)-Anschlüsse miteinander verbunden. Zu jedem der beiden IGBTs ist eine der Schutzdioden 9a, 9b parallel geschaltet, so dass sich eine ebenfalls antiserielle Reihenschaltung der beiden Schutzdioden 9a, 9b ergibt, die parallel zur antiseriellen Verschaltung der beiden IGBTs 8a, 8b geschaltet ist (siehe die gezeigte Schaltungskonfiguration). Über die beiden elektrischen Leitungen 11a und 11d ist die Ansteuerelektronik 7 der Halbleiterelektronik 2 ebenfalls parallel zu der antiseriellen Verschaltung der beiden IGBTs 8a, 8b geschaltet. Die Gate-Anschlüsse der IGBTs 8a, 8b sind jeweils über Steuerleitungen 11b, 11c mit der Ansteuerelektronik 7 verbunden, so dass die Ansteuerelektronik 7 die beiden IGBTs steuert.The semiconductor electronics 2 includes a control electronics 7 with which the entire semiconductor electronics 2 can be controlled, two semiconductor switches 8a . 8b in the form of insulated gate bipolar transistors (hereafter referred to as IGBTs 8a . 8b referred to) and two diodes 9a and 9b , The two IGBTs 8a and 8b are antiseries interconnected. Preferably, the two emitter (source) terminals are connected together. To each of the two IGBTs is one of the protection diodes 9a . 9b connected in parallel, so that there is also an antiserial series connection of the two protection diodes 9a . 9b which parallel to the antiserial interconnection of the two IGBTs 8a . 8b is switched (see the shown circuit configuration). Over the two electrical lines 11a and 11d is the control electronics 7 the semiconductor electronics 2 also parallel to the antiserial interconnection of the two IGBTs 8a . 8b connected. The gate terminals of the IGBTs 8a . 8b are each via control lines 11b . 11c with the control electronics 7 connected so that the control electronics 7 the two IGBTs are controlling.

Der elektrische Steckverbinder nach 1 (dies gilt dann ebenso für das nachfolgend noch bezüglich 3 beschriebene Ausführungsbeispiel) dient zum sicheren Trennen von Gleichstrompfaden. Der gezeigte Steckverbinder gewährleistet ein lichtbogenreduziertes Trennen der Steckverbindung auch unter Strombelastung. Der erfindungsgemäße Steckverbinder umfasst somit mindestens einen Hauptkontakt 5 und einen zu diesem parallel geschalteten Hilfskontakt 3, wobei durch den mechanischen Aufbau der Steckverbindung sichergestellt ist, dass der Hauptkontakt 5 früher als der Hilfskontakt 3 getrennt wird. (Vorzugsweise, vgl. 3, besteht die Steckverbindung aus zwei Hauptkontakten 5a, 5b und einem solchen nacheilenden Hilfskontakt 3). Die Halbleiterelektronik 2 und damit der Hilfskontakt 3 ist parallel zu dem/den (bzw. zu einem der beiden, vgl. 3) Hauptkontakt(en) geschaltet. Die Halbleiterelektronik 2 ist dabei so ausgelegt, dass sie unabhängig von der Stromrichtung (also bidirektional) die Reduzierung bzw. Unterdrückung des Lichtbogens gewährleistet. Dies ist insbesondere bei einem bidirektionalen Stromfluss bei mit Gleichspannung versorgten Ladesäulen von Elektrofahrzeugen als Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung wichtig, da in diesem Fall sowohl beim Laden des Energiespeichers 4 (vgl. hierzu 3) des Elektrofahrzeugs, als auch beim Rückspeisen in den Netzanschluss 1 die sichere Trennung und damit die Begrenzung von gefährlichen Lichtbögen sichergestellt werden muss. Dies wird erfindungsgemäß erreicht.The electrical connector after 1 (this then also applies to the following with respect to 3 described embodiment) is used for safe separation of Gleichstrompfaden. The connector shown ensures an arc-reduced disconnection of the connector even under current load. The connector according to the invention thus comprises at least one main contact 5 and a parallel to this auxiliary contact 3 , wherein is ensured by the mechanical structure of the connector that the main contact 5 earlier than the auxiliary contact 3 is disconnected. (Preferably, cf. 3 , the connector consists of two main contacts 5a . 5b and such a lagging auxiliary contact 3 ). The semiconductor electronics 2 and thus the auxiliary contact 3 is parallel to the (or to one of the two, cf. 3 ) Main contact (s) switched. The semiconductor electronics 2 It is designed so that it ensures the reduction or suppression of the arc regardless of the current direction (ie bidirectional). This is particularly important in a bidirectional current flow in DC voltage supplied charging stations of electric vehicles as a field of application of the present invention, since in this case both when charging the energy storage 4 (cf 3 ) of the electric vehicle, as well as when feeding back into the grid connection 1 the safe separation and thus the limitation of dangerous arcing must be ensured. This is achieved according to the invention.

Der elektrische Steckverbinder aus 1 (sowie aus 3, siehe nachfolgend) umfasst mindestens einen Stecker oder eine Buchse und ein entsprechendes Gegensteckteil (hier nicht im Detail gezeigt). Die Halbleiterelektronik 2 kann vollständig in eine beliebige Seite der Steckverbindung integriert werden, da sich die Halbleiterelektronik ausschließlich aus dem auftretenden bzw. sich ausbildenden Lichtbogen (der ja auf beide Teile der elektrischen Steckverbindung wirkt) versorgt.The electrical connector off 1 (as well as off 3 , see below) comprises at least one plug or socket and a corresponding mating plug (not shown in detail here). The semiconductor electronics 2 can be completely integrated into any side of the connector, as the semiconductor electronics exclusively from the occurring or forming arc (which acts on both parts of the electrical connector) supplies.

Da der Anwender keine konstante Geschwindigkeit beim Trennen der Steckverbindung gewährleisten kann, ist die Halbleiterelektronik 2 so ausgelegt (siehe nachfolgende Beschreibung), dass unter allen Umständen ein sicheres Trennen und damit auch ein lichtbogenarmes Trennen der Steckverbindung erfolgen kann. Zu diesem Zweck ist ein entsprechendes Energiespeicherelement (beispielsweise Kondensator) C1 Bestandteil der Ansteuerelektronik 7. Die elektronische Halbleiterschaltung 2 arbeitet dabei bidirektional.Since the user can not guarantee a constant speed when disconnecting the connector, the semiconductor electronics 2 designed (see description below) that under all circumstances a safe separation and thus a low-arc separation of the connector can be done. For this purpose, a corresponding energy storage element (for example capacitor) C1 is part of the control electronics 7 , The electronic semiconductor circuit 2 works bidirectionally.

Wird der gezeigte elektrische Steckverbinder vom Anwender getrennt, so wirkt der innere Aufbau (umfassend die Elemente 7, 8a, 8b und 9a, 9b sowie die elektrischen Verbindungsleitungen 11a–11d usw.) des Leistungsteils der Halbleiterelektronik 2 wie folgt. Der sich über dem Hauptkontakt 5 beim Trennen der Verbindung ausbildende Lichtbogen versorgt die Ansteuerelektronik 7. Diese sorgt für die Ansteuerung der Halbleiterschalter bzw. IGBTs 8a, 8b so, dass eine Kommutierung des Stroms vom Hauptkontakt 5 auf den Hilfskontakt 3 erfolgt und damit der Lichtbogen über dem Hauptkontakt 5 erlischt. Die Kommutierung vom Hauptkontakt 5 auf den Hilfskontakt 3 tritt ausschließlich beim Auftreten bzw. beim Sich-Ausbilden eines Lichtbogens über dem Hauptkontakt 5 auf. Hierbei ist durch den gezeigten Aufbau des Leistungsteils der Halbleiterelektronik 2 die Richtung des Stromfluss irrelevant, da die verwendete Halbleiterschaltung 2 so ausgelegt ist, dass immer eine lichtbogenreduzierte Trennung der Steckverbindung erfolgt. Die Halbleiterelektronik 2 arbeitet völlig ohne zusätzliche externe Energiequellen oder dergleichen und wird lediglich dann aktiv, wenn sich über dem zum nacheilenden Hilfskontakt 3 parallel geschalteten Hauptkontakt 5 ein Lichtbogen ausbildet. Für die Kommutierung des Stroms auf den Hilfskontakt 3 sind die beiden leistungselektronischen Schalter bzw. IGBTs 8a, 8b vorgesehen, die antiseriell verschaltet sind, um die bidirektionale Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Zum Schutz dieser beiden Halbleiterschalter 8a, 8b sind hier zu diesen parallel geschaltete Dioden 9a, 9b vorgesehen. If the electrical connector shown disconnected by the user, so does the internal structure (comprising the elements 7 . 8a . 8b and 9a . 9b as well as the electrical connection lines 11a - 11d etc.) of the power section of the semiconductor electronics 2 as follows. The above the main contact 5 when forming the connection forming arc supplies the control electronics 7 , This ensures the control of the semiconductor switches or IGBTs 8a . 8b such that a commutation of the current from the main contact 5 on the auxiliary contact 3 takes place and thus the arc over the main contact 5 goes out. The commutation of the main contact 5 on the auxiliary contact 3 occurs only when an arc forms over the main contact 5 on. This is due to the structure shown of the power section of the semiconductor electronics 2 the direction of the current flow irrelevant, since the semiconductor circuit used 2 is designed so that there is always an arc-reduced separation of the connector. The semiconductor electronics 2 works completely without additional external energy sources or the like and only becomes active when it is above the to the trailing auxiliary contact 3 parallel main contact 5 forms an arc. For commutation of the current to the auxiliary contact 3 are the two power electronic switches or IGBTs 8a . 8b provided, which are connected in antiserial to ensure bidirectional functionality. To protect these two semiconductor switches 8a . 8b are here to these parallel-connected diodes 9a . 9b intended.

2 zeigt die die Halbleiterelektronik 2 aus 1 (sowie aus 3) steuernde Ansteuerelektronik 7 im Detail. Die Ansteuerelektronik 7 ist in Form einer die vier Dioden D1–D4 umfassenden Vollweggleichrichtung mit dem Zeitglied t und dem in Form eines Kondensators ausgebildeten Energiespeicher C1 ausgeführt. Das Zeitglied t sowie der Energiespeicher C1 sind dabei so geschaltet, dass der Energiespeicher C1 das Zeitglied ab einem bestimmten Spannungsniveau versorgt und damit das Zeitglied in Gang setzt. Die Gleichrichterschaltung sorgt hierbei für eine definierte Polarität am Kondensator C1. Das Zeitglied t ist nur schematisch dargestellt. Es wird über den Energiespeicher C1 ebenfalls geladen und besitzt eine eigene Schaltung, die über die Schaltzeitpunkte der Transistoren T1 und T2 bestimmt. 2 shows the semiconductor electronics 2 out 1 (as well as off 3 ) controlling control electronics 7 in detail. The control electronics 7 is in the form of the four diodes D1-D4 comprehensive full-wave rectification with the timer t and designed in the form of a capacitor energy storage C1 executed. The timer t and the energy storage C1 are connected so that the energy storage C1 supplies the timer from a certain voltage level and thus sets the timer in motion. The rectifier circuit ensures a defined polarity at the capacitor C1. The timer t is shown only schematically. It is also charged via the energy store C1 and has its own circuit, which determines the switching times of the transistors T1 and T2.

Die nicht mit dem Energiespeicher C1 verbundene Seite des Zeitglieds t ist über einen ohmschen Vorwiderstand R1 mit der Basis eines ersten Transistors T1 verbunden. Der Kollektor des Transistors T1 ist über die beiden in Reihe geschalteten ohmschen Widerstände R2 und R3 eines Spannungsteilers mit dem Emitter eines weiteren, zweiten Transistors T2 elektrisch verbunden. Die Basis des Transistors T2 führt über den ohmschen Vorwiderstand R4 zur elektrischen Verbindung zwischen den beiden Widerständen R2 und R3. Die Emitterseite des zweiten Transistors T2 ist mit derjenigen Seite des Energiespeichers C1 verbunden, die nicht mit dem Zeitglied t in elektrischer Verbindung steht. Die Emitterseite des ersten Transistors T1 ist zunächst an die Seite des Energiespeichers C1 verbunden, die mit dem Zeitglied t verbunden ist. Zudem ist die Emitterseite des ersten Transistors T1 über einen weiteren ohmschen Vorwiderstand R5 sowie eine mit dem Widerstand R5 in Reihe geschaltete Zenerdiode D5 mit den beiden Steuerleitungen 11b und 11c (die jeweils einen ohmschen Vorwiderstand R6 bzw. R7 umfassen) zur Ansteuerung der Gate-Anschlüsse der beiden IGBTs 8a und 8b verbunden. Der Kollektor des Transistors T2 ist ebenfalls elektrisch über die beiden Verbindungsleitungen 11b, 11c (und somit über die Vorwiderstände R6 und R7) mit den Gate-Anschlüssen der beiden IGBTs zur Ansteuerung derselben verbunden. (Somit ist der Kollektor des Transistors T2 in Sperrrichtung der Zenerdiode D5 über letztere sowie den ohmschen Widerstand R5 mit dem Emitter des ersten Transistors T1 verbunden.) Der Abgriff für die Versorgung der Ansteuerelektronik 7 mittels der Leitung 11a (die mit dem Kollektor des IGBTs 8a verbunden ist) erfolgt zwischen den beiden seriell verschalteten Dioden D1 und D3 der Vollweggleichrichtung. Der Abgriff für die Versorgung der Ansteuerelektronik 7 mittels der Leitung 11d (die mit dem Kollektor des IGBTs 8b verbunden ist) erfolgt zwischen den beiden seriell verschalteten Dioden D2 und D4 der Vollweggleichrichtung D1 bis D4.The non-connected to the energy storage C1 side of the timer t is connected via a resistive resistor R1 to the base of a first transistor T1. The collector of the transistor T1 is electrically connected via the two series-connected ohmic resistors R2 and R3 of a voltage divider to the emitter of a further, second transistor T2. The base of the transistor T2 leads via the ohmic resistor R4 to the electrical connection between the two resistors R2 and R3. The emitter side of the second transistor T2 is connected to that side of the energy storage C1, which is not in electrical communication with the timer t. The emitter side of the first transistor T1 is first connected to the side of the energy storage C1, which is connected to the timer t. In addition, the emitter side of the first transistor T1 via a further ohmic resistor R5 and connected to the resistor R5 in series Zener diode D5 with the two control lines 11b and 11c (each comprising an ohmic resistor R6 or R7) for driving the gate terminals of the two IGBTs 8a and 8b connected. The collector of the transistor T2 is also electrically via the two connecting lines 11b . 11c (And thus on the series resistors R6 and R7) connected to the gate terminals of the two IGBTs for driving the same. (Thus, the collector of the transistor T2 in the reverse direction of the zener diode D5 via the latter and the ohmic resistor R5 to the emitter of the first transistor T1 is connected.) The tap for the supply of the control electronics 7 by means of the line 11a (the one with the collector of the IGBT 8a Connected) takes place between the two series-connected diodes D1 and D3 of the full-wave rectification. The tap for the supply of the control electronics 7 by means of the line 11d (the one with the collector of the IGBT 8b is connected) takes place between the two series-connected diodes D2 and D4 of the full-wave rectification D1 to D4.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der in 2 gezeigten Ansteuerelektronik 7 der Halbleiterelektronik 2 der 1 und 3 beschrieben.Below is the operation of the in 2 shown control electronics 7 the semiconductor electronics 2 of the 1 and 3 described.

Tritt ein Lichtbogen über dem Hauptkontakt 5 auf, so wird, unabhängig von der Stromrichtung des auftretenden Lichtbogens (antiserielle Verschaltung) der Energiespeicher C1 über die Vollweggleichrichtung D1–D4 geladen. Hat der Lichtbogen bzw. die dadurch verursachte Spannung ein vorher festgelegtes Spannungsniveau erreicht (liegt also eine vordefinierte Mindestspannung über dem Energiespeicher C1 vor), so schaltet das Zeitglied t den Transistor T1 über den ohmschen Vorwiderstand R1 ein. Hieraus resultiert eine Verzögerungszeit tv. (Siehe 4: UG ist der Verlauf der Gateansteuerspannung der beiden IGBTs. UArc stellt den Verlauf der auftretenden Lichtbogenspannung über dem Steckkontakt dar. tv ist die durch die Aufladephase des Energiespeichers C1 und Zeitgliedes t verursachte Verzögerungszeit. Die Zeit t ist die durch das Zeitglied bestimmte und festgelegte Zeitdauer, die die beiden Leistungshalbleiter (IGBTs) eingeschaltet bleiben. Dabei ist tv die Verzögerungszeit, die beim Aufladen des Energiespeichers C1 entsteht, um zu gewährleisten, dass der Ansteuerkreis 7 genügend Energie zur Verfügung hat, um den Strom für eine genügend lange Zeit über den Hilfskontakt 3 umleiten zu können, so dass der Lichtbogen sicher erloschen ist. t ist die Zeit, die die Halbleiterschalter 8a, 8b eingeschaltet bleiben, um das sichere Trennen zu gewährleisten. Die Zeit t legt das Zeitglied t fest, das ebenfalls über den Energiespeicher C1 versorgt wird.)If an arc occurs over the main contact 5 is, regardless of the current direction of the arc occurring (antiserial interconnection) of the energy storage C1 via the full-wave rectification D1-D4 loaded. If the arc or the voltage caused thereby has reached a previously defined voltage level (ie if a predefined minimum voltage is present across the energy store C1), the timer t switches on the transistor T1 via the ohmic series resistor R1. This results in a delay time t v . (Please refer 4 : U G is the variation of the gate drive voltage of the two IGBTs. U Arc represents the course of the arc voltage occurring across the plug contact. T v is the delay time caused by the charging phase of the energy store C1 and the timer t. The time t is the time period determined by the timer that the two power semiconductors (IGBTs) remain on. In this case, t v is the delay time that arises when charging the energy storage device C1 to ensure that the drive circuit 7 has enough energy available to power for a long enough time via the auxiliary contact 3 to redirect, so that the Arc is extinguished. t is the time that the semiconductor switches 8a . 8b remain switched on to ensure safe disconnection. The time t defines the timer t, which is also supplied via the energy storage C1.)

Über die beiden ohmschen Widerstände R2 und R3 des Spannungsteilers sowie den ohmschen Vorwiderstand R4 des Transistors T2 wird letzterer leitend. Der Stromkreis über die Zenerdiode D5 wird geschlossen, so dass eine definierte Spannung an den ohmschen Vorwiderständen R6 und R7 der Halbleiterschalter 8a, 8b entsteht. Das Zeitglied t schaltet nach einer vorher definierten Zeit (t in 4), die so festgelegt ist, dass der Lichtbogen sicher erloschen ist, den Transistor T1 aus. Damit geht die gesamte Ansteuerschaltung 7 in den inaktiven Zustand über und die Halbleiterschalter 8a, 8b wechseln daraufhin in den sperrenden Zustand.About the two ohmic resistors R2 and R3 of the voltage divider and the ohmic resistor R4 of the transistor T2 latter becomes conductive. The circuit via the zener diode D5 is closed, so that a defined voltage at the resistive resistors R6 and R7 of the semiconductor switches 8a . 8b arises. The timer t switches after a predefined time (t in 4 ) set so that the arc is surely extinguished turns off the transistor T1. This goes the entire drive circuit 7 in the inactive state via and the semiconductor switches 8a . 8b then switch to the blocking state.

Alternativ zur Einschaltung des Transistors T1 durch das Zeitglied t nach Erreichen eines vorher festgelegten Spannungsniveaus über C1 kann das Zeitglied t den Transistor T1 auch nach Ablauf einer vordefinierten Zeit (die dann der Zeit tv in 4 entspricht) einschalten. Letztere Zeit tv liegt beispielsweise im Bereich von einigen Millisekunden (die genaue Zeitdauer für tv ist, ebenso wie bei der Zeit t, abhängig vom Anwendungsfall bzw. von der Konfiguration des Zeitglieds auf den Anwendungsfall).As an alternative to the switching on of the transistor T1 by the timer t after reaching a predetermined voltage level via C1, the timer t the transistor T1 even after a predetermined time (which then the time t v in 4 corresponds). The latter time t v is, for example, in the range of a few milliseconds (the exact time duration for t v , as well as the time t, depending on the application or by the configuration of the timer on the application).

Die Vollweggleichrichtung D1–D4 dient somit der Spannungsgleichrichtung zur Versorgung des Energiespeichers C1. Bevor der Energiespeicher C1 nicht geladen wird, ist die Ansteuerelektronik 7 nicht mit Energie versorgt. Folglich ist kein Einschalten der Halbleiterschalter 8a, 8b und somit der Halbleiterelektronik 2 möglich. Beim Auftreten eines Lichtbogens über dem Hauptkontakt 5 wird der Energiespeicher C1 unabhängig von der Stromrichtung über die Gleichrichterschaltung D1–D4 zunächst aufgeladen. Der Energiespeicher C1 versorgt daraufhin die Ansteuerelektronik 7, die wiederum die Energie für die Ansteuerung der Halbleiterschalter 8a, 8b zur Verfügung stellt.The full-wave rectification D1-D4 thus serves for the voltage rectification for the supply of the energy store C1. Before the energy storage C1 is not charged, the control electronics 7 not energized. Consequently, there is no turning on of the semiconductor switches 8a . 8b and thus the semiconductor electronics 2 possible. When an arc occurs over the main contact 5 the energy storage C1 is first charged independently of the current direction via the rectifier circuit D1-D4. The energy storage C1 then supplies the control electronics 7 which in turn provides the power for driving the semiconductor switch 8a . 8b provides.

Die konkrete Kapazität des Energiespeichers C1 hängt von den in der konkreten Anwendung zu erwartenden Strömen und Spannungen ab (sowie vom Kontaktmaterial der/des Hauptkontakte(s)). Sie ist so bemessen, dass genügend Energie zur Verfügung steht, um die Stromführung für eine genügend lange Zeit (normalerweise im Millisekundenbereich; abhängig vom Anwendungsfall) über die Halbleiterschalter 8a, 8b zu führen, so dass der Lichtbogen über dem Hauptkontakt 5 sicher gelöscht wird. Des Weiteren sorgt das Zeitelement t für einen definierten Schaltablauf, so dass unabhängig von der Trenngeschwindigkeit der Steckverbindung ein sicheres Abschalten gewährleistet wird.The actual capacity of the energy storage device C1 depends on the currents and voltages expected in the specific application (as well as on the contact material of the main contact (s)). It is dimensioned so that sufficient energy is available to conduct the current for a sufficiently long time (usually in the millisecond range, depending on the application) via the semiconductor switches 8a . 8b to lead, leaving the arc above the main contact 5 safely deleted. Furthermore, the time element t ensures a defined switching sequence, so that a safe shutdown is ensured regardless of the separation speed of the connector.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das grundsätzlich wie das in den 1 und 2 gezeigte ausgebildet ist, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden. Statt eines Hauptkontakts 5 umfasst der in 3 gezeigte erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder zwei Hauptkontakte 5a und 5b. Diese sind durch zwischen den beiden Hauptkontakten 5a und 5b sitzende spannungslimitierende Elemente 6a und 6b (jeweils eines dieser spannungslimitierenden Elemente 6a und 6b sitzt in einem der beiden zusammensteckbaren, hier nicht gezeigten Gehäuseteile der elektrischen Steckverbinder) verbunden. Als spannungslimitierende Elemente 6a, 6b können Kondensatoren oder Varistoren zum Einsatz kommen. Die Elemente 6a, 6b dienen somit zum Schutz der Halbleiterschaltung 2 bzw. der Halbleiterelektronik 2. Sie sitzen zwischen den beiden Hauptkontakten 5a, 5b und verhindern eine für die Halbleiterelektronik 2 schädliche Überspannung beim Trennen der Steckverbindung. Der erste Hauptkontakt 5a ist hier gegenüber dem zweiten Hauptkontakt 5b verkürzt ausgebildet. Die elektrische Reihenschaltung 10 aus der Halbleiterelektronik 2 und dem Hilfskontakt 3 ist somit parallel zum verkürzt ausgebildeten Hauptkontakt 5a (nicht jedoch zum Hauptkontakt 5b) geschaltet. 3 shows a further embodiment, which basically like that in the 1 and 2 is shown formed, so that only the differences will be described below. Instead of a main contact 5 includes the in 3 shown inventive electrical connector two main contacts 5a and 5b , These are through between the two main contacts 5a and 5b sitting stress-limiting elements 6a and 6b (each one of these stress-limiting elements 6a and 6b sits in one of the two mating, not shown here housing parts of the electrical connector) connected. As stress-limiting elements 6a . 6b Capacitors or varistors can be used. The Elements 6a . 6b thus serve to protect the semiconductor circuit 2 or the semiconductor electronics 2 , They sit between the two main contacts 5a . 5b and prevent one for the semiconductor electronics 2 Dangerous overvoltage when disconnecting the plug connection. The first main contact 5a is here opposite the second main contact 5b shortened trained. The electrical series connection 10 from the semiconductor electronics 2 and the auxiliary contact 3 is thus parallel to the shortened main contact 5a (but not the main contact 5b ).

Die Funktionsweise des in 3 gezeigten elektrischen Steckverbinders entspricht derjenigen des Ausführungsbeispiels aus den 1 und 2. (Das Bezugselement 1 bezeichnet hier den DC-Netzanschluss einer Ladestation für ein Elektrofahrzeug, das Bezugszeichen 4 den Energiespeicher des Elektrofahrzeugs).The functioning of the in 3 shown electrical connector corresponds to that of the embodiment of the 1 and 2 , (The reference element 1 Here, the DC power supply of a charging station for an electric vehicle, the reference numeral 4 the energy storage of the electric vehicle).

Um die Spannungsfestigkeit zu erhöhen, können bei den beiden Ausführungsbeispielen der 1 und 3 weitere Halbleiterschalter (z. B. IGBTs, MOSFETS, Bipolartransistoren, ...) in Reihe und in dieselbe Richtung wie der entsprechende erste Schalter geschaltet werden. Die Ansteuerung erfolgt zeitgleich mit den bestehenden, bereits vorhandenen Halbleiterschaltern. Neben den IGBTs 8a, 8b können prinzipiell im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Halbleiterschalter wie MOSFETs oder Thyristoren verwendet werden. Da die unterschiedlichen Schalter unterschiedliche Schaltcharakteristiken aufweisen, müssen im Wesentlichen der Energiespeicher und das Zeitglied entsprechend geändert werden, um erneut eine genügend lange Schaltzeit der Schalter zu gewährleisten.In order to increase the dielectric strength, in the two embodiments of the 1 and 3 further semiconductor switches (eg, IGBTs, MOSFETs, bipolar transistors, ...) are connected in series and in the same direction as the corresponding first switch. The control takes place simultaneously with the existing, existing semiconductor switches. In addition to the IGBTs 8a . 8b can in principle be used in the context of the present invention, other semiconductor switches such as MOSFETs or thyristors. Since the different switches have different switching characteristics, essentially the energy store and the timer must be changed accordingly to ensure a sufficiently long switching time of the switch again.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10225259 B3 [0002] DE 10225259 B3 [0002]
  • EP 1480241 A1 [0002] EP 1480241 A1 [0002]

Claims (14)

Elektrischer Steckverbinder zum Trennen eines elektrischen Stromes unter elektrischer Gleichspannung mit mindestens einem Hauptkontakt (5, 5a, 5b), und einer elektrische Reihenschaltung (10) aus einem Hilfskontakt (3) und einer Halbleiterelektronik (2), wobei diese Reihenschaltung (10) elektrisch parallel zu dem mindestens einen Hauptkontakt (5, 5a, 5b) geschaltet ist und wobei der elektrische Steckverbinder so ausgebildet ist, dass beim Trennen desselben mindestens einer der Hauptkontakte (5, 5a, 5b) zwangsweise vor dem Hilfskontakt (3) getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelektronik (2) derart steuerbar (7) ausgebildet ist, dass beim Trennen des elektrischen Steckverbinders unabhängig von der Flussrichtung des elektrischen Stromes ein Lichtbogen verhindert oder zumindest reduziert wird.Electrical connector for separating an electric current under DC electrical voltage with at least one main contact ( 5 . 5a . 5b ), and an electrical series circuit ( 10 ) from an auxiliary contact ( 3 ) and a semiconductor electronics ( 2 ), this series circuit ( 10 ) electrically parallel to the at least one main contact ( 5 . 5a . 5b ) and wherein the electrical connector is formed so that when disconnecting the same at least one of the main contacts ( 5 . 5a . 5b ) compulsorily before the auxiliary contact ( 3 ), characterized in that the semiconductor electronics ( 2 ) are controllable ( 7 Is formed) that when disconnecting the electrical connector, regardless of the flow direction of the electric current, an arc prevents or at least reduced. Elektrischer Steckverbinder nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelektronik (2) eine Ansteuerelektronik (7) aufweist und mittels dieser Ansteuerelektronik (7) so steuerbar ist, dass beim Ausbilden des Lichtbogens über dem mindestens einen Hauptkontakt (5, 5a, 5b) eine Kommutierung des elektrischen Stromes von dem mindestens einen Hauptkontakt (5, 5a, 5b) auf den Hilfskontakt (3) erfolgt.Electrical connector according to the preceding claim, characterized in that the semiconductor electronics ( 2 ) a control electronics ( 7 ) and by means of this control electronics ( 7 ) is controllable so that when forming the arc above the at least one main contact ( 5 . 5a . 5b ) a commutation of the electric current from the at least one main contact ( 5 . 5a . 5b ) to the auxiliary contact ( 3 ) he follows. Elektrischer Steckverbinder nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelektronik (2) zur Kommutierung des elektrischen Stromes von dem mindestens einen Hauptkontakt (5, 5a, 5b) auf den Hilfskontakt (3) zwei antiseriell verschaltete, von der Ansteuerelektronik (7) ansteuerbare leistungselektronische Schalter und/oder Halbleiter-Schalter (8a, 8b), bevorzugt zwei Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), zwei Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Mosfets) oder zwei Thyristoren, aufweist.Electrical connector according to the preceding claim, characterized in that the semiconductor electronics ( 2 ) for commutating the electric current from the at least one main contact ( 5 . 5a . 5b ) to the auxiliary contact ( 3 ) two anti-serially connected, by the control electronics ( 7 ) controllable power electronic switches and / or semiconductor switches ( 8a . 8b ), preferably two insulated gate bipolar transistors (IGBT), two metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) or two thyristors. Elektrischer Steckverbinder nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (7) einen Energiespeicher (C1), insbesondere einen Kondensator, und eine Ladungsschaltung (D1–D4), insbesondere einen Vollweggleichrichter, aufweist, die so verschaltet sind, dass beim Ausbilden des Lichtbogens über dem mindestens einen Hauptkontakt (5, 5a, 5b) der Energiespeicher (C1) über die Ladungsschaltung (D1–D4) geladen wird.Electrical connector according to one of the two preceding claims, characterized in that the control electronics ( 7 ) has an energy store (C1), in particular a capacitor, and a charge circuit (D1-D4), in particular a full-wave rectifier, which are connected so that when forming the arc above the at least one main contact ( 5 . 5a . 5b ) the energy store (C1) is charged via the charge circuit (D1-D4). Elektrischer Steckverbinder nach dem vorhergehenden Anspruch bei Rückbezug auf Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelektronik (2) so ausgebildet ist, dass der mittels des Lichtbogens geladene Energiespeicher (C1) die Ansteuerelektronik (7) mit elektrischer Energie versorgt und dass nach dem Versorgen der Ansteuerelektronik (7) mit der elektrischen Energie die leistungselektronischen Schalter und/oder Halbleiter-Schalter (8a, 8b) durch die Ansteuerelektronik (7) in einen stromleitenden Zustand schaltbar sind zur Kommutierung des elektrischen Stromes von dem mindestens einen Hauptkontakt (5, 5a, 5b) auf den Hilfskontakt (3).Electrical connector according to the preceding claim when referring back to claim 3, characterized in that the semiconductor electronics ( 2 ) is designed such that the energy storage device (C1) charged by means of the arc (2) controls the control electronics ( 7 ) supplied with electrical energy and that after supplying the control electronics ( 7 ) with the electrical energy the power electronic switches and / or semiconductor switches ( 8a . 8b ) by the control electronics ( 7 ) are switchable into a current-conducting state for commutation of the electric current from the at least one main contact ( 5 . 5a . 5b ) to the auxiliary contact ( 3 ). Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei Rückbezug auf die Ansprüche 2 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (7) ein Schaltglied (t), insbesondere ein Zeitglied, aufweist, das nach Ablauf einer ersten vorbestimmten Zeitspanne tv nach dem Beginn des Aufladens des Energiespeichers (C1) oder das beim Erreichen einer vordefinierten Mindestspannung über dem Energiespeicher (C1) nach dem Ablauf einer solchen ersten vorbestimmten Zeitspanne tv dafür sorgt, dass die Halbleiterelektronik (2), insbesondere (die) leistungselektronische(n) Schalter und/oder Halbleiter-Schalter (8a, 8b) derselben, von einem stromsperrenden Zustand in einen stromleitenden Zustand geht/gehen, und das anschließend nach Ablauf einer zweiten vorbestimmten Zeitspanne tv + t mit t > 0 dafür sorgt, dass die Halbleiterelektronik (2), insbesondere (die) leistungselektronische(n) Schalter und/oder Halbleiter-Schalter (8a, 8b) derselben, wieder von dem stromleitenden Zustand in den stromsperrenden Zustand geht/gehen.Electrical connector according to one of the preceding claims, with reference back to claims 2 and 4, characterized in that the control electronics ( 7 ) a switching element (t), in particular a timing element, which after a first predetermined time t v after the start of charging of the energy store (C1) or when reaching a predefined minimum voltage across the energy storage (C1) after the expiration of such first predetermined period t v ensures that the semiconductor electronics ( 2 ), in particular the power electronic switch (s) and / or semiconductor switches ( 8a . 8b ) thereof, from a current-blocking state to a current-conducting state go / go, and then after a second predetermined period of time t v + t with t> 0 ensures that the semiconductor electronics ( 2 ), in particular the power electronic switch (s) and / or semiconductor switches ( 8a . 8b ) thereof, go back from the current-conducting state to the current-blocking state. Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelektronik (2) ohne eine externe elektrische Energiequelle, also alleine vermittels der Energie des Lichtbogens, funktionsfähig ist und/oder so ausgebildet ist, dass sie (2) im geschlossenen, also im nicht getrennten Zustand der Steckverbindung stromsperrend ist.Electrical connector according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor electronics ( 2 ) is without an external electrical energy source, that is, alone by means of the energy of the arc, is functional and / or is designed so that they ( 2 ) in the closed, that is in the non-disconnected state of the connector current blocking. Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch zwei bevorzugt parallel zueinander geschaltete Hauptkontakte (5a, 5b), wobei der elektrische Steckverbinder so ausgebildet ist, dass beim Trennen desselben genau einer (5a) der beiden Hauptkontakte (5a, 5b) zwangsweise vor dem Hilfskontakt (3) getrennt wird.Electrical connector according to one of the preceding claims characterized by two preferably parallel to each other main contacts ( 5a . 5b ), wherein the electrical connector is designed so that when disconnecting exactly one ( 5a ) of the two main contacts ( 5a . 5b ) compulsorily before the auxiliary contact ( 3 ) is separated. Elektrischer Steckverbinder nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung (10) elektrisch parallel zu demjenigen (5a) der beiden Hauptkontakte (5a, 5b) geschaltet ist, der zwangsweise vor dem Hilfskontakt getrennt wird.Electrical connector according to the preceding claim, characterized in that the series circuit ( 10 ) electrically parallel to the one ( 5a ) of the two main contacts ( 5a . 5b ), which is forcibly disconnected before the auxiliary contact. Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch mehrere Hauptkontakte, wobei für jeden dieser Hauptkontakte jeweils eine elektrische Reihenschaltung aus einem Hilfskontakt und einer Halbleiterelektronik so vorgesehen ist, dass diese Reihenschaltung elektrisch parallel zu ihrem Hauptkontakt geschaltet ist, wobei jede dieser Halbleiterelektroniken wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Halbleiterelektronik (2) geschildert ausgebildet ist und wobei der elektrische Steckverbinder so ausgebildet ist, dass beim Trennen desselben die mehreren Hauptkontakte jeweils zwangsweise vor ihren zugehörigen Hilfskontakten getrennt werden.Electrical connector according to one of the preceding claims characterized by a plurality of main contacts, wherein for each of these main contacts in each case an electrical series circuit of an auxiliary contact and a Semiconductor electronics is provided so that this series circuit is electrically connected in parallel to its main contact, wherein each of these semiconductor electronics as in one of claims 1 to 7 for semiconductor electronics ( 2 ) is formed and wherein the electrical connector is formed so that when disconnecting the same, the plurality of main contacts are each forcibly separated from their associated auxiliary contacts. Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zwangsweise Trennen des/der Hauptkontakte(s) vor dem/ihrem jeweiligen Hilfskontakt mechanisch realisiert ist, insbesondere dadurch, dass der/die Hauptkontakt(e) kürzer ausgeführt ist/sind, als der (jeweilige) Hilfskontakt oder dass der/die Hauptkontakt(e) gegenüber dem/ihrem jeweiligen Hilfskontakt zurückgesetzt ausgeführt ist/sind.Electrical connector according to one of the preceding claims, characterized in that the forced separation of the / the main contacts (s) is mechanically realized before the / their respective auxiliary contact, in particular by the / the main contact (s) is made shorter than the (respective) auxiliary contact, or that the main contact (s) is / are reset relative to the respective auxiliary contact. Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein spannungslimitierendes Element (6a, 6b), bevorzugt mindestens ein Kondensator oder ein Varistor, zum Schutz der Halbleiterelektronik (2) vorgesehen ist, wobei bei Rückbezug auf Anspruch 8 das mindestens eine spannungslimitierende Element (6a, 6b) bevorzugt zwischen die beiden Hauptkontakte (5a, 5b) geschaltet ist.Electrical connector according to one of the preceding claims, characterized in that at least one voltage-limiting element ( 6a . 6b ), preferably at least one capacitor or a varistor, for the protection of the semiconductor electronics ( 2 ), wherein, when referring back to claim 8, the at least one voltage-limiting element ( 6a . 6b ) preferably between the two main contacts ( 5a . 5b ) is switched. Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Steckverbinder einen Stecker oder eine Buchse einerseits und ein passend zu diesem/r ausgebildetes Gegensteckteil andererseits umfasst, wobei die Halbleiterelektronik (2) entweder als Bestandteil des Steckers oder der Buchse einerseits oder als Bestandteil des Gegensteckteils andererseits ausgebildet ist.Electrical connector according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical connector comprises a plug or a socket on the one hand and a mating connector part adapted to this / r on the other hand, the semiconductor electronics ( 2 ) is formed either as part of the plug or the socket on the one hand or as part of the mating plug part on the other. Verwendung eines elektrischen Steckverbinders nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum sicheren Trennen des elektrischen Stromes beim Abtrennen einer Ladesäule für ein Elektrofahrzeug von einem Energiespeicher (4) des Elektrofahrzeugs.Use of an electrical connector according to one of the preceding claims for safely disconnecting the electric current when disconnecting a charging station for an electric vehicle from an energy store ( 4 ) of the electric vehicle.
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