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Die Erfindung betrifft ein Stecksystem für eine elektrische Hochvoltverbindung mit einer HV-Interlock (HVIL) Funktion.
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Ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb umfasst ein elektrisches Bordnetz, in dem sogenannte Hochvolt- oder Hazardous Voltage-(HV)Komponenten über Steckverbindungen miteinander gekoppelt werden können. Beispielsweise kann ein elektrischer Energiespeicher des HV-Bordnetzes über eine Steckverbindung mit einem Kabel eines Kabelbaums des HV-Bordnetzes verbunden sein.
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Eine solche Steckverbindung umfasst HV-Leitungen (z.B. eine Plus-Leitung und eine Minus-Leitung im Falle einer Gleichstrom-Steckverbindung oder eine Phasenleistung und eine Neutralleitung im Falle einer einphasigen Wechselstrom-Steckverbindung oder drei Phasenleistung und eine Neutralleitung im Falle einer dreiphasigen Wechselstrom-Steckverbindung) zur Übertragung der elektrischen Leistung von einer Komponente bzw. zu einer Komponente. Darüber hinaus umfasst eine solche Steckverbindung typischerweise ein oder mehrere Pilot-, Signal- oder Sicherheits-Leitungen, die dazu verwendet werden können, den Zustand der Steckverbindung zu detektieren. Insbesondere kann über eine Signalleitung (insbesondere über eine HVIL-Leitung) erkannt werden, dass eine Steckverbindung unterbrochen wird. In Reaktion darauf kann dann (noch vor dem endgültigen Lösen der Steckverbindung) die Stromübertragung auf den HV-Leitungen unterbrochen werden. So kann die Sicherheit von HV-Steckverbindungen erhöht werden.
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Steckverbindungen und/oder Kabel in einem Bordnetz sind typischerweise für bestimmte Maximalleistungen ausgelegt, durch die gewährleistet wird, dass bestimmte Maximaltemperaturen im HV-Bordnetz nicht überschritten werden.
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Die Auslegung der Steckverbindungen und/oder Kabel in Bezug auf Temperaturanforderungen kann dabei aus Sicherheitsgründen zu einer Überdimensionierung der Steckverbindung und/oder des Kabels bzw. zu einer relativ starken Begrenzung der zulässigen Maximalleistung und somit zu erhöhten Kosten führen.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Stecksystem bereitzustellen, durch das die Kosten in einem Bordnetz reduziert und die Sicherheit des Bordnetzes erhöht werden können.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Stecksystem zur Übertragung von elektrischer Leistung in einem Bordnetz, insbesondere in einem HV-Bordnetz, eines Fahrzeugs beschrieben. Die Spannungen in dem Bordnetz können bei 300V, 400V oder mehr liegen. Bei dem Bordnetz handelt es sich typischerweise um ein elektrisches Gleichstrom-Netz. Das in diesem Dokument beschriebene Stecksystem kann somit für eine Gleichstrom-Verbindung ausgelegt sein. Alternativ oder ergänzend kann das Stecksystem für eine einphasige oder eine mehrphasige Wechselstrom-Verbindung ausgelegt sein (z.B. für AC-Laden und/oder für die Verbindung von Antriebskomponenten, insbesondere für die Verbindung eines elektrischen Dreiphasen-Motors).
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Das Bordnetz kann eine Mehrzahl von Komponenten (z.B. ein oder mehrere Energiespeicher, ein oder mehrere elektrische Verbraucher und/oder ein oder mehrere Generatoren) umfassen, die über elektrische Kabel miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Leitungen in einem elektrischen Kabel hängt dabei von der Form der zu übertragenden elektrischen Energie (Gleichstrom, ein- oder mehrphasiger Wechselstrom, etc.) ab.
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Das Stecksystem umfasst eine erste Schnittstellen-Einheit mit ersten Leistungs-Kontaktteilen zur Übertragung von elektrischer Leistung für den Betrieb einer Komponente (z.B. eines Energiespeichers oder einer elektrischen Maschine) des Bordnetzes. Die erste Schnittstellen-Einheit kann insbesondere ein erstes Plus-Kontaktteil und ein erstes Minus-Kontaktteil umfassen (im Falle einer Gleichstrom-Verbindung). Alternativ oder ergänzend kann die erste Schnittstellen-Einheit Kontaktteile für eine ein- oder mehrphasige Wechselstrom-Verbindung aufweisen. Die ersten Leistungs-Kontaktteile können somit 2, 3, 4, 5 oder mehr Kontaktteile umfassen. Die erste Schnittstellen-Einheit kann z.B. mit einem Kabel des Bordnetzes verbunden sein. Des Weiteren kann die erste Schnittstellen-Einheit einen Stecker umfassen bzw. als Stecker ausgebildet sein. Die erste Schnittstellen-Einheit umfasst weiter eine Signal-Brücke. Die Signal-Brücke kann dabei eingerichtet sein, elektrische Ströme bzw. Signale im Niedervolt (NV) Bereich (z.B. von 48V, 12V oder weniger) zu übertragen.
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Das Stecksystem umfasst weiter eine zweite Schnittstellen-Einheit mit entsprechenden zweiten Leistungs-Kontaktteilen zur elektrisch leitenden Kontaktierung mit den ersten Leistungs-Kontaktteilen, wenn die erste Schnittstellen-Einheit und die zweite Schnittstellen-Einheit ineinander gesteckt sind. Die zweite Schnittstellen-Einheit kann insbesondere ein zweites Plus-Kontaktteilteil und ein zweites Negativ-Kontaktteil umfassen (im Falle einer Gleichstrom-Verbindung). Alternativ oder ergänzend kann die zweite Schnittstellen-Einheit Kontaktteile für eine ein- oder mehrphasige Wechselstrom-Verbindung aufweisen. Die zweiten Leistungs-Kontaktteile können somit 2, 3, 4, 5 oder mehr Kontaktteile umfassen.
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Die ersten und zweiten Leistungs-Kontaktteile sind zu Übertragung von Strömen im HV-Bereich (z.B. von 300V, 400V oder mehr ausgelegt). Des Weiteren umfasst die zweite Schnittstellen-Einheit Signalleitungen (z.B. eine Plus-Signalleitung und eine Minus-Signalleitung), die über die Signal-Brücke elektrisch leitend miteinander verbunden werden können, wenn die erste Schnittstellen-Einheit und die zweite Schnittstellen-Einheit ineinander gesteckt sind. Die Signalleitungen können dabei eingerichtet sein, elektrische Ströme bzw. Signale im Niedervolt (NV) Bereich (z.B. von 48V, 12V oder weniger) zu übertragen. Die zweite Schnittstellen-Einheit kann mit einer Komponente des Bordnetzes (z.B. mit einem Energiespeicher oder mit einer elektrischen Maschine) verbunden sein. Des Weiteren kann die zweite Schnittstellen-Einheit eine Buchse zur Aufnahme eines Steckers umfassen bzw. als Buchse ausgelegt sein.
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Das Stecksystem umfasst weiter eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, Temperatur-Information in Bezug auf eine Temperatur der Signal-Brücke zu ermitteln. Die Temperatur-Information kann z.B. mittels eines Temperatursensors ermittelt werden. Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, die über die ersten und zweiten Leistungs-Kontaktteile übertragene elektrische Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur-Information anzupassen (insbesondere zu regeln). Dabei kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die übertragene Leistung zu reduzieren, wenn die Temperatur-Information eine steigende Temperatur an der Signal-Brücke anzeigt (und/oder umgekehrt). So kann eine zuverlässige Überwachung des Stecksystems und eine Kosten- und Gewichts-effiziente Auslegung der elektrisch leitenden Module (z.B. der Kontaktteile und/oder eines Kabels) des Bordnetzes des Fahrzeugs erfolgen.
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Die Signal-Brücke kann einen Temperatur-abhängigen elektrischen Widerstand, insbesondere einen NTC (Negativ Temperatur Coefficient)- oder einen PTC (Positiv Temperatur Coefficient)-Widerstand, umfassen. So kann die Temperatur-Information in besonders effizienter Weise bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Temperatur-Information dann auf Basis eines Spannungsabfalls und/oder auf Basis eines Widerstandswertes des Temperatur-abhängigen elektrischen Widerstands ermittelt werden.
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Die Steuereinheit kann z.B. eingerichtet sein, Widerstands-Information in Bezug auf einen elektrischen Widerstand der Signal-Brücke zu ermitteln und/oder Spannungs-Information in Bezug auf einen Spannungsabfall an der Signal-Brücke zu ermitteln. Die Temperatur-Information kann dann in effizienter und zuverlässiger Weise auf Basis der Widerstands-Information und/oder der Spannungs-Information ermittelt werden (z.B. unter Berücksichtigung einer Kennlinie, die die Temperatur der Signal-Brücke in Abhängigkeit von der Widerstands-Information und/oder der Spannungs-Information anzeigt).
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Die Signalleitungen und die Signal-Brücke können derart ausgelegt sein, dass beim Lösen der Steckverbindung zwischen der ersten Schnittstellen-Einheit und der zweiten Schnittstellen-Einheit zunächst die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Signalleitungen getrennt wird und erst anschließend die elektrisch leitende Verbindung zwischen den ersten und zweiten Leistungs-Kontaktteilen. Insbesondere können die Signalleitungen und die Signal-Brücke Teil einer HV-Interlock Funktion des Bordnetzes und/oder des Stecksystems sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine erste Schnittstellen-Einheit für ein Stecksystem zur Übertragung von elektrischer Leistung in einem Bordnetz eines Fahrzeugs beschrieben. Das Stecksystem umfasst die erste Schnittstellen-Einheit und eine zweite Schnittstellen-Einheit. Die erste Schnittstellen-Einheit umfasst, erste Leistungs-Kontaktteile zur Übertragung von elektrischer Leistung für den Betrieb einer Komponente des Bordnetzes und zur Kontaktierung mit entsprechenden zweiten Leistungs-Kontaktteilen der zweiten Schnittstellen-Einheit. Die Anzahl der Kontaktteile kann dabei in Abhängigkeit von der damit zu erstellenden elektrischen Verbindung (Gleichstrom- bzw. ein- oder mehrphasige Wechselstrom-Verbindung) festgelegt sein. Außerdem umfasst die erste Schnittstellen-Einheit eine Signal-Brücke mit einem Temperatur-abhängigen elektrischen Widerstand, insbesondere mit einem NTC- oder einem PTC-Widerstand, zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen Signalleitungen der zweiten Schnittstellen-Einheit.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung einer Steckverbindung zwischen einer ersten Schnittstellen-Einheit und einer zweiten Schnittstellen-Einheit in einem Bordnetz eines Fahrzeugs beschrieben. Die erste Schnittstellen-Einheit umfasst erste Leistungs-Kontaktteile zur Übertragung von elektrischer Leistung für den Betrieb einer Komponente des Bordnetzes und eine Signal-Brücke. Die zweite Schnittstellen-Einheit umfasst entsprechende zweite Leistungs-Kontaktteile zur Kontaktierung mit den ersten Leistungs-Kontaktteilen und Signalleitungen, die über die Signal-Brücke elektrisch leitend miteinander verbunden werden können. Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Temperatur-Information in Bezug auf eine Temperatur der Signal-Brücke. Außerdem umfasst das Verfahren das Anpassen der über die ersten und zweiten Leistungs-Kontaktteile übertragenen elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur-Information.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das das in diesem Dokument beschriebene Bordnetz bzw. das in diesem Dokument beschriebene Stecksystem umfasst.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 ein beispielhaftes Stecksystem mit HV-Interlock Funktion;
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2 ein beispielhaftes Stecksystem mit einem integrierten Temperatursensor; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Anpassung der über eine Steckverbindung übertragenen elektrischen Leistung.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung eines Stecksystems für ein HV-Bordnetz eines Fahrzeugs, durch das die Kosten in einem HV-Bordnetz reduziert werden können und durch das die Sicherheit des HV-Bordnetzes erhöht werden kann. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein beispielhaftes Stecksystem 100 mit einer Kabel-seitigen Schnittstellen-Einheit 110 (z.B. mit einem Stecker) und einer Komponenten-seitigen Schnittstellen-Einheit 120 (z.B. mit einer Buchse). Die Kabel-seitige Schnittstellen-Einheit 110 (auch als die erste Schnittstellen-Einheit bezeichnet) ist fest mit einem Kabel 111 verbunden, das z.B. zwei HV-Leitungen 114, 115 umfasst. Insbesondere sind HV-Kontaktteile der Kabel-seitigen Schnittstellen-Einheit 110 mit den HV-Leitungen 114, 115 verbunden. Die Komponenten-seitige Schnittstellen-Einheit 120 (auch als die zweite Schnittstellen-Einheit bezeichnet) ist mit den entsprechenden HV-Leitungen 124, 125 der Komponente 121 des Bordnetzes fest verbunden. Insbesondere sind HV-Kontaktteile der Komponenten-seitigen Schnittstellen-Einheit 120 mit den HV-Leitungen 124, 125 verbunden. Die Schnittstellen-Einheiten 110, 120 umfassen somit Kontaktteile, durch die die entsprechenden HV-Leistungen 114, 124 und 115, 125 miteinander verbunden werden können.
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Die Komponente 121 sowie die Komponenten-seitige Schnittstellen-Einheit 120 umfassen weiter Signalleitungen 122, 123 (z.B. 12V Leitungen), die über eine Signal-Brücke 112 in der Kabel-seitigen Schnittstellen-Einheit 110 miteinander elektrisch leitend verbunden werden können. Das Herstellen bzw. Lösen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Signalleitungen 122, 123 über die Signal-Brücke 112 kann durch eine Steuereinheit (nicht eingezeichnet) der Komponente 121 und/oder einer weiteren Komponente des Fahrzeugs detektiert werden. Die durch die Signalleitungen 122, 123 und die Signal-Brücke 112 gebildete Signalschleife ist dabei typischerweise derart ausgelegt, dass bereits vor Lösen der elektrische leitenden HV-Verbindungen zwischen den HV-Leistungen 114, 124 bzw. 115, 125 eine Unterbrechung der elektrisch leitenden Signalverbindung zwischen den Signalleitungen 122, 123 erfolgt. So kann bereits frühzeitig ein Stromfluss über die HV-Leistungen 114, 124 bzw. 115, 125 unterbunden werden.
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Um die Temperaturen zwischen den Schnittstellen-Einheiten 110, 120 zu begrenzen, sind typischerweise die zulässige Maximalleistung für ein Stecksystem 100 begrenzt und/oder die elektrischen Module (insbesondere die Kabel 114, 115) der Steckverbindung ausreichend groß ausgelegt. Dabei werden typischerweise substantielle Sicherheitsmargen berücksichtigt.
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2 zeigt ein beispielhaftes Stecksystem 100 mit einem Temperatursensor 200. Insbesondere umfasst die Signal-Brücke 112 der Kabel-seitigen Schnittstellen-Einheit 110 einen Temperatur-abhängigen Widerstand 200 als Temperatursensor. Des Weiteren umfasst die Komponente 121 eine Auswerteeinheit bzw. Steuereinheit 201, die eingerichtet ist, den über die Signalleitungen 122, 123 fließenden Strom und/oder die an der Signal-Brücke 112, 200 anliegende Spannung zu erfassen und auszuwerten, um Temperatur-Information in Bezug auf die Temperatur an der Signal-Brücke 112, 200 der Kabel-seitigen Schnittstellen-Einheit 110 zu ermitteln. Die über die HV-Leitungen 114, 115 bzw. 124, 125 übertragene elektrische Leistung kann dann in Abhängigkeit von der Temperatur-Information in Bezug auf die Temperatur der Signal-Brücke 112, 200 angepasst werden. So kann in effizienter Weise die über ein Stecksystem 100 übertragene Leistung, bei Berücksichtigung einer zulässigen Maximaltemperatur, erhöht werden. Alternativ oder ergänzend können Module der Steckverbindung für reduzierte Leistungen ausgelegt werden (bei Berücksichtigung einer zulässigen Maximaltemperatur).
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HV-Stecksysteme 100 für ein Fahrzeug können somit neben der Kontaktierung der Leitungen (HV+ und HV–) zur Leistungsübertragung aufgrund von HV-Sicherheitsanforderungen (z.B. gemäß LV123) eine HV-Interlock (HVIL) Funktion umfassen. Diese HVIL-Funktion kann durch eine integrierte Signal-Brücke 112 bzw. HVIL-Brücke im Stecksystem 100 realisiert werden. Bei einem vorliegenden Interlock-Ereignis kann dann z.B. das HV-System nicht aus dem ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand hochgefahren werden. Die HVIL-Funktion ist dazu z.B. derart ausgelegt, dass kein Stromfluss über die Signalleitungen 122, 123 erfolgt, wenn das Stecksystem 100 nicht zu 100% gesteckt ist. Solange kein Stromfluss über die Signalleitungen 122, 123 erfolgt kann auch der Stromfluss über die HV-Leistungen 114, 115, 124, 125 unterbunden werden.
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Aufgrund des Kontaktwiderstands an den Kontaktteilen des Stecksystems 100 kann es zu Stromerwärmung in der Kontaktzone kommen. Dabei nimmt die Verlustleistung in der Regel mit dem Alter der Kontaktteile aufgrund von Reibkorrosion oder Vibrationsbelastungen oder Steckzyklen oder weiteren Belastungen im Vergleich zum Neuzustand zu, so dass die Temperaturerhöhung an den Kontaktstellen typischerweise mit dem Alter des Stecksystems 100 zunimmt.
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Wie in 2 dargestellt kann die HVIL-Brücke 112 in einem HV-Stecksystem 100 durch einen Temperatursensor (z.B. durch einen PTC- oder NTC-Widerstand) erweitert werden. Durch eine Steuereinheit 201 kann dann Information in Bezug auf die Temperatur an der HVIL-Brücke 112 ermittelt werden. Des Weiteren kann die Strommenge über die HV+ und HV– Leitungen abhängig von der Information in Bezug auf die Temperatur angepasst bzw. geregelt werden. Insbesondere kann die Steuereinheit 201 über die Signal_in + und Signal_in – Leitungen 122, 123 den HVIL-Status sowie über den temperatursensorabhängigen Spannungsfall die Umgebungstemperatur an der HVIL-Brücke 112 ermitteln. Die Leistung über die HV-Leitungen 114, 115, 124, 125 kann dann über Aktoren von Energiequellen (z.B. anhand von Spannungsreglern) des Bordnetzes angepasst werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Überwachung einer Steckverbindung zwischen einer ersten Schnittstellen-Einheit 110 und einer zweiten Schnittstellen-Einheit 120 in einem Bordnetz eines Fahrzeugs. Die erste Schnittstellen-Einheit 110 umfasst erste Leistungs-Kontaktteile 114, 125 zur Übertragung von elektrischer Leistung für den Betrieb einer Komponente des Bordnetzes und eine Signal-Brücke 112, 200. Die zweite Schnittstellen-Einheit 120 umfasst entsprechende zweite Leistungs-Kontaktteile 124, 125 zur Kontaktierung mit den ersten Leistungs-Kontaktteilen 114, 125 und Signalleitungen 122, 123, die über die Signal-Brücke 112 elektrisch leitend miteinander verbunden werden können.
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Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301 von Temperatur-Information in Bezug auf eine Temperatur der Signal-Brücke 112, 200. Das Verfahren 300 umfasst weiter das Anpassen 302 (insbesondere das Regeln) der über die ersten und zweiten Leistungs-Kontaktteile 114, 115, 124, 125 übertragenen elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur-Information.
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Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen erfordern keine Schnittstellenänderung an der Komponente 121. Insbesondere kann die Komponenten-seitige Schnittstellen-Einheit 120 unverändert bleiben. Es sind nur geringfügige Änderungen an der Kabel-seitigen Schnittstellen-Einheit 110 (z.B. an dem Kabelbaum-Stecker) erforderlich. Die beschriebenen Maßnahmen können somit in effizienter Weise nachgerüstet werden. Die Maßnahmen ermöglichen eine Erhöhung der Langzeitqualität und eine Minimierung der Ausfallwahrscheinlichkeit durch Anpassung der über das Stecksystem 100 übertragenen Leistung. Ggf. kann aufgrund der Überwachung der Kontakttemperatur des Stecksystems 100 der Querschnitt der HV-Leitungen 114, 115 reduziert werden, wodurch Kosten und Gewicht eines Bordnetzes reduziert werden können. Des Weiteren sind erweiterte Funktionen möglich, wie z.B. ein beschleunigtes Laden einer HV-Batterie des Bordnetzes mit erhöhten Ladeleistungen bei relativ niedrigen Temperaturen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
