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Die Erfindung betrifft einen Steckvorrichtungseinsatz mit einem Temperatursensor, eine Steckvorrichtung mit einem derartigen Einsatz, sowie ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur eines Steckvorrichtungseinsatzes.
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Elektrische Steckvorrichtungen liegen in der Regel in Form eines Steckers oder einer Steckdose bzw. Kupplung vor und enthalten metallische Kontaktelemente (Stifte bzw. Buchsen), die sich im zusammengesteckten Zustand zweier Steckvorrichtungen mechanisch berühren und dadurch die Weiterleitung von elektrischem Strom erlauben. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung soll dabei der Begriff "Steckvorrichtung" breit verstanden werden und neben Steckvorrichtungen im engeren Sinne, welche auf viele Tausend Steckzyklen ausgelegt sind, unter anderem auch "Steckverbinder" umfassen, welche beispielsweise bei der Montage von Komponenten in Geräten zum Einsatz kommen und typischerweise nur wenige Steckvorgänge aushalten müssen.
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Steckvorrichtungen bestehen üblicherweise aus einem Steckvorrichtungseinsatz, in dem die Kontaktelemente gelagert und elektrisch angeschlossen sind, sowie einem Gehäuse, welches den mechanischen und elektrischen Schutz des Steckvorrichtungseinsatzes bereitstellt. Die über eine Steckvorrichtung übertragbare elektrische Leistung wird in der Praxis dadurch begrenzt, dass es bei zu hohen Stromflüssen zu einer Beschädigung der Steckvorrichtung durch Erwärmung kommen kann.
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Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur Steigerung der über eine Steckvorrichtung übertragbaren elektrischen Leistung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Steckvorrichtungseinsatz nach Anspruch 1, durch eine Steckvorrichtung nach Anspruch 9, sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich durch eine geeignete Ausgestaltung eines Steckvorrichtungseinsatzes verwirklichen, d.h. sie ist weitgehend unabhängig von der Art und Form des umgebenden Gehäuses. Gegebenenfalls kann ein Gehäuse auch komplett fehlen bzw. durch den Einbau des Steckvorrichtungseinsatzes in ein größeres Gerät wie etwa ein Elektrofahrzeug ersetzt werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Steckvorrichtungseinsatz, welcher (mindestens) die folgenden Komponenten enthält:
- – Mindestens ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement mit einem Kontaktbereich zur Herstellung eines Kontaktes zu einem komplementären Kontaktelement und mit einem Anschlussbereich für den Anschluss einer elektrischen Leitung.
- – Mindestens einen Temperatursensor, welcher die Temperatur in einem Messbereich des Kontaktelementes erfasst, der zwischen dem vorgenannten Anschlussbereich und dem Kontaktbereich liegt.
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Der Temperatursensor kann im Prinzip auf jede beliebige, für die vorliegende Anwendung geeignete Weise realisiert werden, insbesondere durch elektrisch betriebene Bauteile wie beispielsweise einen PTC-Widerstand, einen NTC-Widerstand, ein Thermoelement, einen Infrarotsensor oder dergleichen. Optional können einem Kontaktelement auch zwei oder mehr Temperatursensoren zugeordnet sein, welche sich einzeln oder (nur) gemeinsam auslesen lassen. Beispielsweise können elektrische Widerstände in Serie geschaltet sein.
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Der Steckvorrichtungseinsatz wird typischerweise in einer Steckvorrichtung (z.B. einem Stecker) verwendet, welche zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit einer komplementären Steckvorrichtung (Dose/Kupplung) zusammengesteckt wird. Dabei kommt das elektrisch leitfähige Kontaktelement des Steckvorrichtungseinsatzes mit einem komplementären Kontaktelement der anderen Steckvorrichtung mechanisch und elektrisch in Kontakt, sodass ein elektrischer Strom zwischen den beiden Steckvorrichtungen fließen kann. Das Kontaktelement des Steckvorrichtungseinsatzes kann beispielsweise ein Kontaktstift sein, in welchem Falle das zugehörige komplementäre Kontaktelement der anderen Steckvorrichtung eine Kontaktbuchse geeigneter Abmessungen ist. Ein Steckvorrichtungseinsatz enthält typischerweise zwei oder mehr Kontaktelemente, von denen jedoch nicht alle in der oben beschriebenen Weise ausgestaltet sein müssen.
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Die Herstellung des Kontaktes zwischen dem Kontaktelement des betrachteten Steckvorrichtungseinsatzes und einem komplementären Kontaktelement ist in der Regel reversibel, also wieder trennbar, da Steckvorrichtungen eine mehr oder weniger hohe Anzahl von Steckvorgängen erlauben sollen. Im Gegensatz dazu ist der Anschluss einer elektrischen Leitung an das Kontaktelement eher auf Dauer ausgelegt. So kann der Anschluss beispielsweise durch Stoffschluss (z.B. Löten) oder Formschluss (z.B. Crimpen) so hergestellt sein, dass er nicht einfach bzw. zerstörungsfrei wieder gelöst werden kann. Es sind diesbezüglich jedoch auch reversible Anschlusstechniken wie beispielsweise ein Schraubkontakt möglich.
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Der erfindungsgemäße Steckvorrichtungseinsatz hat den Vorteil, dass er die Übertragung hoher elektrischer Leistungen erlaubt. Eine die Leistungsübertragung begrenzende Erwärmung kann nämlich erkannt und unterbrochen werden, bevor sie empfindliche Komponenten der Steckvorrichtung beschädigt. Wichtig ist diesbezüglich, dass der Temperatursensor die Temperatur des Kontaktelementes in einem Messbereich zwischen dem Anschlussbereich und dem Kontaktbereich erfasst. Die beiden letztgenannten Bereiche erweisen sich in der Praxis als primäre Quellen für die Entstehung von Verlustwärme in einer Steckvorrichtung, wobei die dort entstehende Wärme sich über das in der Regel gut wärmeleitfähige Material des Kontaktelementes schnell entlang des Kontaktelementes ausbreitet. An einer Position zwischen Anschlussbereich und Kontaktbereich kann daher optimal eine in mindestens einem der Bereiche stattfindende Wärmeproduktion erfasst werden.
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Im Rahmen der Auswertung des Temperatursensors kann frühzeitig auf eine kritische Situation reagiert werden, beispielsweise durch eine Reduktion und/oder Unterbrechung der Leistungsübertragung, bevor die erzeugte Verlustwärme andere Komponenten der Steckvorrichtung erreicht und dort gegebenenfalls zu Schäden führt.
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Im Folgenden werden verschiedene optionale Weiterbildungen in der Erfindung näher erläutert.
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Beispielsweise bei einer berührungslosen Messung der Temperatur über Infrarotstrahlung kann sich der Temperatursensor in einem größeren Abstand vom Messbereich befinden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Steckvorrichtungseinsatzes ist der Temperatursensor indes in der Nähe des Messbereiches angeordnet, sodass ein möglichst geringer Zeitverlust durch eine Wärmeübertragung vom Messbereich zum Temperatursensor entsteht. Unter diesem Gesichtspunkt wäre dabei eine unmittelbare Berührung zwischen Temperatursensor und Messbereich des Kontaktelementes optimal. Bei den häufig verwendeten elektrisch betriebenen Temperatursensoren (z.B. PTC-Widerständen) wird jedoch auf eine ausreichende elektrische Isolation zwischen Kontaktelement und Temperatursensor zu achten sein, woraus sich ein gewisser Mindestabstand der beiden Komponenten ergibt. Eine Anordnung des Temperatursensors "in der Nähe" des Messbereiches wird dabei insbesondere als gegeben angesehen, wenn der Abstand zwischen Messbereich und Temperatursensor weniger als ca. 100 %, vorzugsweise weniger als ca. 50 %, besonders bevorzugt weniger als ca. 20 % des Durchmessers des Kontaktelementes (im Messbereich) beträgt.
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In der Regel ist in einer Steckvorrichtung der Kontaktbereich, welcher von außen frei zugänglich sein muss, vom Anschlussbereich eines Kontaktelementes im Inneren der Steckvorrichtung baulich getrennt, um das Eindringen von Schmutz und/oder Feuchtigkeit zu verhindern. Der Steckvorrichtungseinsatz kann zu diesem Zweck eine Dichtung enthalten, welche das Kontaktelement im Messbereich berührt. Insbesondere kann die Dichtung das Kontaktelement im Messbereich vollumfänglich bzw. rundum berühren und umgeben, um jegliche Verbindungswege für Schmutz und Feuchtigkeit zu versperren. Typischerweise ist die Dichtung ein flaches, elastisches Element, welches von mehreren Kontaktelementen durchstoßen wird und im Übrigen dicht an den Rand des zugehörigen Gehäuses anschließt. Das Material der Dichtung ist in der Regel elektrisch isolierend, damit bei der Berührung des Kontaktelementes keine Übertragung von Spannung bzw. Strom erfolgt. Die Isolationseigenschaften der Dichtung lassen sich beispielsweise durch einen CTI-Wert der Kriechstromfestigkeit von über 100, vorzugsweise über 150, charakterisieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eines Steckvorrichtungseinsatzes mit einer Dichtung steht der Temperatursensor mit der Dichtung in Wärme übertragendem Kontakt. Insbesondere kann der Temperatursensor in Berührung zur Oberfläche der Dichtung angeordnet sein, stoffschlüssig mit der Dichtung verbunden sein (z.B. durch Kleben), und/oder ganz oder teilweise in das Material der Dichtung eingebettet sein. Eine Einbettung in das Material der Dichtung ist besonders bevorzugt, da sie gleichzeitig für einen mechanischen Schutz des Temperatursensors sorgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die beschriebene Dichtung in der Zone zwischen dem Kontaktelement (genau genommen zwischen dem Messbereich des Kontaktelementes) und dem Temperatursensor eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens ca. 0.3 W/mK, vorzugsweise von mindestens 1 W/mK. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass im Messbereich des Kontaktelementes auftretende Wärme schnell zum Temperatursensor weitergeleitet wird.
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Das Material der Dichtung wird aus Kostengründen in der Regel homogen sein, also an jeder Stelle gleiche Werte für die elektrische Isolationsfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Optional ist es jedoch auch denkbar, dass die Dichtung inhomogen aufgebaut ist und beispielsweise eine lokal variierende Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Insbesondere wenn der Temperatursensor durch ein elektrisches Bauteil wie beispielsweise einen PTC-Widerstand realisiert wird, ist er vorteilhafterweise auf einer Platine angeordnet, über welche die Auslesung und gegebenenfalls Verarbeitung der Signale des Temperatursensors erfolgen kann. Die Platine kann sich beispielsweise über eine größere Fläche erstrecken und die elektrische Verbindung zwischen dem Temperatursensor und einem auf der Platine angeordneten Steckverbinder herstellen. Weil das Kernmaterial einer Platine elektrisch isolierend und typischerweise schlecht wärmeleitend ist, kann die Platine vorzugsweise im Bereich des Temperatursensors eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sodass sie den Fluss der zu messenden Wärme zum Temperatursensor nicht behindert. Die Platine kann im Bereich um den Temperatursensor auf einer oder beiden Seiten beispielsweise eine Beschichtung mit einem gut wärmeleitenden Material tragen, beispielsweise mit Kupfer, Silber, oder Gold.
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Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung bestehen zwischen dem Temperatursensor und anderen Komponenten des Steckvorrichtungseinsatzes (ausgenommen die Komponente "Messbereich des Kontaktelementes") nur schlecht wärmeleitende Verbindungswege. Quantitativ kann dies z.B. so ausgedrückt werden, dass eine im Temperatursensor erzeugte Wärmemenge zu mehr als 50 %, vorzugsweise zu mehr als 80 % zum Messbereich des Kontaktelementes abfließt, da zwischen diesem Messbereich und dem Temperatursensor die beste Wärmeflussverbindung besteht. Im Einsatzfall kann daher umgekehrt auch Wärme vom Kontaktbereich schnell zum Temperatursensor fließen, wo sie sich ansammelt und zu einer schnellen Temperaturerhöhung führt, da ihr weiterer Fluss zu anderen Komponenten aufgrund der schlecht wärmeleitenden Verbindungswege behindert ist.
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Bei Ausführungsformen des Steckvorrichtungseinsatzes mit einer Platine und/oder einer Dichtung weist die Platine bzw. Dichtung vorzugsweise an der vom Messbereich abgewandten Seite des Temperatursensors eine Wärmeflussbarriere auf. Die Wärmeflussbarriere kann beispielsweise darin bestehen, dass die Platine bzw. Dichtung in dieser Zone aus einem Material geringerer Wärmeleitfähigkeit (als in der Zone zwischen Temperatursensor und Kontaktelement) besteht. Zusätzlich oder alternativ kann die Platine bzw. Dichtung auch an der vom Messbereich abgewandten Seite des Temperatursensors eine geringere Dicke aufweisen, sodass eine geometrische Querschnittverengung der Materialbrücke zu einer Behinderung des Wärmeflusses führt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Steckvorrichtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Steckvorrichtungseinsatz nach mindestens einer der oben beschriebenen Ausführungsformen enthält. Bei der Steckvorrichtung kann es sich insbesondere um einen Stecker, eine Steckdose, oder eine Kupplung handeln, beispielsweise für Kraftstrom nach DIN VDE 0623, EN 60309 2 ("CEE Steckvorrichtungen") oder nach IEC 62196 ("E Auto-Ladesteckvorrichtungen"). Des Weiteren kann die Steckvorrichtung auch fest in einem Gerät wie beispielsweise einem Elektrofahrzeug verbaut sein.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur eines Steckvorrichtungseinsatzes, der mindestens ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement mit einem Kontaktbereich zur Herstellung eines Kontaktes zu einem komplementären Kontaktelement und mit einem Anschlussbereich für den Anschluss einer elektrischen Leitung aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in einem zwischen dem Anschlussbereich und dem Kontaktbereich gelegenen Messbereich des Kontaktelementes erfasst wird.
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Das Verfahren lässt sich insbesondere mit dem oben erläuterten Steckvorrichtungseinsatz verwirklichen. Hinsichtlich weiterer Erläuterungen, Modifikationen und Vorteile des Verfahrens kann daher auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 perspektivisch einen Steckvorrichtungseinsatz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im montierten Zustand;
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2 den Steckvorrichtungseinsatz im montierten Zustand mit teilweise entfernter Dichtung;
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3 eine Explosionsansicht des Steckvorrichtungseinsatzes;
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4 einen Schnitt durch den Steckvorrichtungseinsatz;
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5 eine Vergrößerung des Bereiches V von 4;
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6 eine Draufsicht der Platine des Steckvorrichtungseinsatzes von 1 mit drei Temperatursensoren pro Kontaktelement;
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7 eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform einer Platine mit zwei Temperatursensoren pro Kontaktelement;
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8 eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform einer Platine mit einem Temperatursensor pro Kontaktelement.
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In den 1–6 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steckvorrichtungseinsatzes 100 bzw. seiner Komponenten in verschiedenen Ansichten gezeigt. Bei dem Steckvorrichtungseinsatz 100 handelt es sich speziell um einen solchen mit insgesamt sieben stiftförmigen Kontaktelementen KE, von denen sechs ringförmig um ein mittleres Kontaktelement (Schutzkontakt) herum angeordnet sind. Anstelle der Kontaktstifte könnten alternativ auch Buchsen als Kontaktelemente vorgesehen sein. Der dargestellte Steckvorrichtungseinsatz kann insbesondere in einer Steckvorrichtung zum Laden eines Elektrofahrzeuges verwendet werden (Stecker Typ 2 nach IEC 62196). Elektrische Leistung wird dabei in nur über die vier außen angeordneten großen Kontaktelemente KE (Außenleiterkontakte, Neutralleiter) übertragen, während die übrigen drei Kontaktelemente anderen Funktionen wie beispielsweise der Signalübertragung dienen.
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Der Steckvorrichtungseinsatz 100 ist in der Regel von einem Gehäuse (nicht dargestellt) umgeben, um so eine Steckvorrichtung zu ergeben, oder er ist in einem Gerät (z.B. Elektrofahrzeug) fest eingebaut.
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Um den nach außen hin zugänglichen Kontaktbereich KB der Kontaktelemente KE vom Innenbereich einer Steckvorrichtung und insbesondere vom Anschlussbereich AB der Kontaktelemente mechanisch zu trennen, sind die Kontaktelemente in einer plattenförmigen Dichtung 110 eingelagert. Die Dichtung 110 besteht dabei aus einem elektrisch isolierenden und typischerweise elastischen Material wie beispielsweise Silikon. Durch ein enges Anliegen an den Kontaktelementen KE (und am nicht dargestellten Gehäuse) sorgt sie für einen Schutz des Inneren der Steckvorrichtung vor Staub und Feuchtigkeit.
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Oberhalb der Dichtung 110 weisen die Kontaktelemente KE noch ein Anschlusselement AE auf, an das eine elektrische Leitung L beispielsweise durch Crimpen angeschlossen werden kann. In 4 ist das Anschlusselement AE schematisch für ein Kontaktelemente KE gezeigt. In den übrigen Fällen ist es der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Während des Betriebs des Steckvorrichtungseinsatzes 100 wird elektrische Energie über die (vier großen äußeren) Kontaktelemente KE übertragen. Dabei kommt es zur Entstehung von ohmscher Verlustwärme, und zwar insbesondere in den Bereichen potenziell höheren Widerstandes. Hierzu zählt zum einen der Kontaktbereich KB der Kontaktelemente KE, wo der mechanische und elektrische Kontakt zu einem komplementären Kontaktelement (vorliegenden einer Buchse) einer komplementären Steckvorrichtung (nicht dargestellt) stattfindet. Zum anderen kann Verlustwärme auch im Anschlussbereich AB entstehen, also am Übergang vom Kontaktelement KE zu einem elektrischem Leiter L, der die Verbindung zu den eigentlichen Verbrauchern herstellt.
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Die Dichtung 110 berührt die Kontaktelemente KE in einem Messbereich MB, welcher gerade zwischen dem erwähnten Anschlussbereich AB und den Kontaktbereich KB liegt. Im Anschlussbereich AB und/oder im Kontaktbereich KB entstehende Wärmemengen erreichen daher innerhalb kürzester Zeit den Messbereich des Kontaktelementes KE (Wärmeströme WA bzw. WK in 5).
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Erfindungsgemäß ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, mindestens einen Temperatursensor TS so anzuordnen, dass er die Temperatur des Messbereiches MB erfassen kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind pro zu überwachendem Kontaktelement KE drei Temperatursensoren TS in dessen Nähe angeordnet und elektrisch in Serie geschaltet. Die Temperatursensoren TS sind in dabei auf einer Platine 120 angebracht, welche sie mechanisch trägt und für die elektrische Verbindung nach außen sorgt. Letzteres erfolgt beispielsweise über Steckverbinder SV, an welche eine nicht näher dargestellte Elektronik zur Signalerfassung und -verarbeitung angeschlossen werden kann.
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Bei einer Serienschaltung von Temperatursensoren, die beispielsweise als PTC-Widerstände realisiert sind, lässt sich in der Regel nur ein Gesamtsignal aller Widerstände auslesen. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei denen (z.B. über eine digitale Adressierung) einzelne Temperatursensoren separat abgefragt und ausgelesen werden können.
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Wie am besten aus der Detaildarstellung von 5 erkennbar ist, sind die Temperatursensoren TS und die zugehörige Platine 120 möglichst dicht am Messbereich MB des Kontaktelementes KE angeordnet, wobei sich der einzuhaltenden Mindestabstand durch die Notwendigkeit einer elektrischen Isolierung ergibt. Um den Wärmetransport vom Kontaktelement zum Temperatursensor zu optimieren, kann das Material der Dichtung 110 zumindest im Bereich zwischen Temperatursensor TS und Kontaktelement KE optional eine hohe Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise über 1 W/mK aufweisen. Des Weiteren kann das Kernmaterial 121 der Platine 120 in der Zone um den Temperatursensor TS herum bzw. zwischen Temperatursensor TS und Kontaktelement KE auf einer oder beiden Seiten eine gute wärmeleitfähige Beschichtung 122 tragen, beispielsweise aus Gold, Silber oder Kupfer.
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Aus 5 ist weiterhin erkennbar, dass die Dichtung 110 an der vom Messbereich MB bzw. Kontaktelement KE abgewandten Seite des Temperatursensors TS eine Wärmeflussbarriere in Form einer Querschnittverengung durch Einschnürungen 111 an der oberen und unteren Seite aufweist. Hierdurch wird eine schnelle Temperaturerhöhung des Temperatursensors TS unterstützt.
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Mit dem beschriebenen Steckvorrichtungseinsatz 100 ist es möglich, sowohl im Anschlussbereich AB als auch im Kontaktbereich KB eines Kontaktelementes KE entstehende Verlustwärme frühzeitig zu erkennen, bevor sie andere Komponenten der Steckvorrichtung erreichen und beschädigen kann. Dies erlaubt es wiederum, möglichst hohe Leistungen über den Steckvorrichtungseinsatz zu übertragen, da die Stromstärke immer dicht an das zulässige Maximum hochgeregelt werden kann. So kann beispielsweise die zeitlich optimierte Ladung der Batterie eines Elektrofahrzeuges erfolgen.
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Während beim Steckvorrichtungseinsatz 100 nach den 1–6 auf der Platine 120 drei Temperatursensoren TS pro zu überwachendem Kontaktelement KE angeordnet sind, zeigt 7 eine Platine 220 mit zwei Temperatursensoren TS und 8 einen Platine 320 mit nur einem Temperatursensor TS pro zu überwachendem Kontaktelement. Wie viele Temperatursensoren pro Kontaktelement eingesetzt werden entscheidet sich letztlich nach der gewünschten Genauigkeit der Messung sowie nach Kostengesichtspunkten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN VDE 0623 [0022]
- EN 60309 2 [0022]
- IEC 62196 [0022]
- IEC 62196 [0034]
