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Der Gegenstand betrifft ein Leistungsmodul einer Ladestation, ein Verfahren zum Bestücken eines Leistungsmoduls sowie eine Ladestation mit einem solchen Leistungsmodul.
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Bei aktuellen Ladestationen werden elektrische Sicherungselemente, insbesondere mechanisch schaltende Elemente, wie Relais und Schütze, in der Regel so dimensioniert, dass sie selbst bei einer Auslösung bei Überlast mechanisch integer bleiben. Das heißt, dass das Gehäuse dieser Elemente stets unversehrt bleibt, auch wenn eine Überlast auftritt. Bei Überlasten und Schalten unter Last kommt es jedoch regelmäßig dazu, dass trotz der Überdimensionierung die elektrische Funktion des Elementes nach dem Schalten nicht mehr gegeben ist. Da nach der Überlast das Element defekt ist, muss es ohnehin ausgetauscht werden.
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Bisherig eingesetzte schaltende Elemente sind aufgrund ihrer Überdimensionierung schwer, großbauend und teuer. Außerdem ist ihre Bestückung auf Leiterplatten problematisch, da diese nicht mit den Leiterplatten verlötet werden können, sondern manuell aufgesteckt werden müssen. Dies macht den Bestückungsvorgang zeitintensiv. Der einzige Vorteil der Überdimensionierung liegt darin, dass die Elemente mechanisch unversehrt, das heißt ohne eine Zerstörung des Gehäuses, bei allen Betriebssituationen schalten können.
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Dem Gegenstand lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für die Bestückung des Leistungsmoduls, den Platzverbrauch, sowie das Gewicht und die Kosten für ein Leistungsmodul zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gegenständlich durch ein Leistungsmodul nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 11 sowie eine Ladestation nach Anspruch 12 gelöst.
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Im Gegensatz zu bisherigen Schaltaktoren wird nunmehr vorgeschlagen, dass der Schaltaktor nur für den normalen Betriebsfall ausgelegt ist und daher bei einer Überlast nicht nur elektrisch sondern auch mechanisch zerstört werden kann. Dies führt jedoch dazu, dass bei dieser mechanischen Zerstörung andere Elemente der Leiterplatte sowohl mechanisch als auch elektrisch in Mitleidenschaft gezogen werden können. Insbesondere kommt es bei einer Zerstörung des Gehäuses des Schaltaktors zu einer Verteilung von elektrisch leitenden Splitterteilen über die gesamte Leiterplatte, so dass diese nicht mehr nutzbar wäre.
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Daher wird gegenständlich vorgeschlagen, dass der Schaltaktor durch eine Schutzwanne geschützt auf der Leiterplatte angeordnet wird.
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Die gegenständliche Leiterplatte, auch printed circuit board (PCB) genannt, wird mit diversen diskreten Bauelementen und Mikrocontrollern sowie Microchips bestückt, um einen elektrisch sicheren Anschluss der Ladestation an ein elektrisches Versorgungsnetz zu ermöglichen.
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Die gegenständliche Leiterplatte weist einen elektrischen Eingang zum Anschluss an ein elektrisches Versorgungsnetz als auch einen elektrischen Ausgang zum Anschluss an eine Ladesteuerschaltung auf. Sowohl der Eingang als auch der Ausgang können als separate Anschlussfahnen vorgesehen werden, um an von dem Leistungsmodul räumlich getrennte Komponenten angeschlossen zu werden. Auch kann das Leistungsmodul integriert mit einer Ladesteuerschaltung auf einer selben Leiterplatte angeordnet sein. Durch das Leistungsmodul erfolgt eine Ankopplung einer Ladesteuerschaltung an ein elektrisches Versorgungsnetz.
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Ein Element des Leistungsmoduls ist ein Schaltaktor, der zwischen dem Eingang und dem Ausgang auf der Leiterplatte elektrisch geschaltet ist. Dieser Schaltaktor ist ein Relais, ein Schütz oder ein sonstiger Leistungsschutzschalter. Dieser ist als diskretes Bauelement in einem eigenen Gehäuse gekapselt. Der Schaltaktor ist über aus dem Gehäuse heraus geführte Anschlusskontakte mit der Leiterplatte verbunden.
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Der gegenständliche Schaltaktor ist lediglich für den Normalbetriebsfall ausgelegt. Im Falle einer Überlast oder einer Fehlfunktion oder einem Schalten unter einer Last, die größer ist, als vorgesehen, wird dieser explosionsartig zerstört. Da dann die Gefahr besteht, dass das Gehäuse aufplatzt und somit Splitterteile das Leistungsmodul über den Schaltaktor hinaus zerstören können, wird vorgeschlagen, dass eine Schutzwanne den Schaltaktor kapselt. Hierbei wird vorgeschlagen, dass zunächst zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte ein Boden einer Schutzwanne angeordnet ist.
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Gegenständlich wird somit der Schaltaktor nicht unmittelbar auf die Leiterplatte aufgesetzt, sondern eine Schutzwanne ist zwischen dem Gehäuse des Schaltaktors und der Leiterplatte vorgesehen. Diese Schutzwanne dient zur Abschirmung der Leiterplatte und der auf der Leiterplatte angeordneten Komponenten gegenüber Splitterteilen, welche sich im Falle der Zerstörung des Schaltaktors explosionsartig verteilen können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Schutzwanne in ihrem Boden Durchgangsöffnungen aufweist. Durch diese Durchgangsöffnungen sind die Anschlusskontakte geführt. Auf der einen Seite der Durchgangsöffnung ist der Schaltaktor mit seinem Gehäuse angeordnet und auf der anderen Seite der Durchgangsöffnung sind lediglich die durch die Durchgangsöffnungen geführten Anschlusskontakte abgreifbar.
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Die durch die Durchgangsöffnung geführten Anschlusskontakte dienen der Kontaktierung des Schaltaktors mit der Leiterplatte. Hierfür können auf der Leiterplatte Kontaktbereiche vorgesehen sein. Insbesondere können die Anschlusskontakte durch Anschlussbohrungen durch die Leiterplatte durchgesteckt werden und auf der dem Schaltaktor abgewandten Seite der Leiterplatte mit der Leiterplatte verlötet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Anschlusskontakte in Aufnahmen, die auf der Leiterplatte aufgebracht sind, mechanisch eingeführt werden und dort kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Anschlusskontakte in Presspassung durch die Durchgangsöffnungen geführt sind. Hierbei ist insbesondere bevorzugt, dass die Anschlusskontakte zwischen 0,1mm und 0,2mm im Durchmesser größer sind, als die lichte Weite der Durchgangsöffnungen. Durch die Presspassung wird erreicht, dass die Schutzwanne den Schaltaktor sicher gegenüber der Leiterplatte abdichtet. Insbesondere können durch die Durchgangsöffnungen keine Splitter hindurch treten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Anschlusskontakte als Lötfahne gebildet sind. Dadurch ist es möglich, den Schaltaktor über seine Anschlusskontakte unmittelbar auf der Leiterplatte zu verlöten. Durch die Lötverbindung wird gleichzeitig die Schutzwanne zwischen dem Gehäuse des Schaltkontakts und der Leiterplatte gehalten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Anzahl der Durchgangsöffnungen zahlenmäßig die Anzahl der Anschlusskontakte eines Schaltaktors überschreitet, insbesondere doppelt so groß ist wie die Anzahl der Anschlusskontakte des Schaltaktors. Für Leistungsmodule gibt es verschiedene Bestückungsvarianten, bei denen ein, zwei oder mehr Schaltaktoren jeweils bestückt werden müssen. So ist es in Europa notwendig, drei Phasen und den Neutralleiter zu schalten, so dass insgesamt vier Leitungsstränge mit Schaltaktoren zu schalten sind. In den USA, in einem sogenannten Einphasen-Dreileiternetz (auch split-phase Netz genannt) müssen nur zwei Phasen geschaltet werden, so dass insgesamt zwei Leitungsstränge mit Schaltaktoren zu schalten sind.
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In einem Schaltaktor können zwei Leitungspfade bevorzugt geschaltet werden. Durch den Einsatz eines Schaltaktors und vier Durchgangsöffnungen kann eine Phase und ein Neutralleiter geschaltet werden. Durch einen weiteren Schaltaktor mit vier Anschlüssen und vier weiteren Durchgangsöffnungen können zwei weitere Phasen geschaltet werden, so dass mit einem oder zwei Schaltaktoren Bestückungsvarianten für Europa und USA möglich sind. Die Schutzwanne soll möglichst flexibel einsetzbar sein, so dass diese mit einem zahlenmäßigen Überschuss an Durchgangsöffnungen vorgesehen ist, so dass je nach Bestückungsvariante entweder einer oder zwei Schaltaktoren oder auch mehrere Schaltaktoren mit der Leiterplatte verbunden werden und durch die Schutzwanne geschützt werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass im Boden ein nach innen weisender Vorsprung vorgesehen ist. Dieser Vorsprung kann den Boden in zwei Bereiche unterteilen. In jedem Bereich kann ein Schaltaktor angeordnet sein. Durch den Vorsprung wird eine Positionierung des Schaltaktors auf dem Boden der Schutzwanne definiert. Dies vereinfacht die Bestückung des Leistungsmoduls mit Schaltaktoren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Schutzwanne aus dem Boden und den den Boden umschließenden Seitenwänden gebildet ist. Durch die Seitenwände wird ein Verteilen von Splittern auf die Leiterplatte verhindert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Schutzwanne auf der dem Boden gegenüberliegenden Seite offen ist. Es hat sich herausgestellt, dass bereits ein ausreichender Schutz gegeben ist, wenn die Schutzwanne ohne Deckel gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine gute Wärmeabfuhr an den Schaltaktoren möglich ist und gleichzeitig ein ausreichender Splitterschutz gegeben ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Schutzwanne aus einem schwerentflammbaren Material, insbesondere einem Kunststoff gebildet ist. Da im Auslösefall bei Überlast eine explosionsartige Zerstörung des Schaltaktors, insbesondere unter Bildung eines Lichtbogens, auftreten kann, sollte die Schutzwanne ausreichend sicher gegenüber Flammen sein. Daher wird auch vorgeschlagen, dass das Material der Klasse V0 nach UL94 „tests for flammability of plastic materials for parts in devices and appliances“ ist, dies ist die US-amerikanische Norm für schwer entflammbare Materialen. Entsprechend ist die Klasse V0 in DIN EN60695-11-10-20 sowie der Norm CAN/CSAC22.2 definiert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass der Boden und/oder die Seitenwände eine Wandstärke von weniger als 2mm und mehr als 0.5mm hat. Diese Wandstärke hat sich als ausreichend stabil herausgestellt, wobei der Materialeinsatz optimiert ist.
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Ein weiterer Aspekt ist ein Verfahren zum Bestücken eines Leistungsmoduls einer Ladestation. Dabei werden die Leiterplatte, der Schaltaktor und die Schutzwanne bereitgestellt. Der Schaltaktor ist in einem Gehäuse gekapselt und hat hieraus herausgeführte Anschlusskontakte. Zum Montieren wird die Schutzwanne auf der Leiterplatte positioniert, der Schaltaktor mit seinen Anschlusskontakten durch die Durchgangsöffnungen der Schutzwanne geführt und anschließend die Anschlusskontakte mit der Leiterplatte elektrisch kontaktiert, insbesondere verlötet. Auch ist es möglich, dass zunächst die Schutzwanne mit dem Schaltaktor bestückt wird, in dem die Anschlusskontakte des Schaltaktors durch die Durchgangsöffnungen der Schutzwanne geführt werden und die so bestückte Schutzwanne mit den Anschlusskontakten auf die Leiterplatte aufgesetzt wird, insbesondere in Kontaktbereichen, und dort verlötet wird.
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Ein weiterer Aspekt ist eine Ladestation mit einem Leistungsmodul nach Anspruch 1.
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Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert: In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Ansicht einer Schutzwanne;
- 2 eine Draufsicht auf eine unbestückte Leiterplatte;
- 3 ein Querschnitt durch eine bestückte Leiterplatte.
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1 zeigt eine Schutzwanne 2 mit einem Boden 2a und vier den Boden umschließenden Seitenwänden 2b. Der Boden 2a der Schutzwanne 2 weist mehrere Durchgangsöffnungen 4-10 auf. Jeweils zwischen zwei Durchgangsöffnungen 4a, 4b, 6a, 6b; 8a, 8b sowie 10a, 10b wird ein Leiterpfad in einem Schaltaktor geschaltet. Hierbei wird der Schaltaktor mit seinen Anschlusskontakten durch die jeweiligen Öffnungen 4-6 sowie 8-10 eingesetzt. Die Schutzwanne 2 ist mit zwei Schaltaktoren bestückbar und weist einen mittigen Steg 12 auf, welcher am Boden angeordnet ist und in Richtung der Seitenwände weist. Auf jeweils einer Seite des Vorsprungs 12 kann ein Schaltaktor angeordnet werden.
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Die Schutzwanne 2 wird auf einer Leiterplatte 14 bestückt, wie in der 2 angedeutet ist. Die Leiterplatte 14 weist einen elektrischen Eingang 14b sowie einen elektrischen Ausgang 14a auf. Der elektrische Eingang 14b kann durch Kontaktbereiche oder Anschlussfahnen gebildet sein und dient zum Anschluss eines elektrischen Versorgungsnetzes ein- oder dreiphasig. Der elektrische Ausgang 14a kann ebenfalls durch Kontaktbereiche oder Anschlussfahnen gebildet sein und kann ebenfalls für einen ein- oder dreiphasigen Anschluss eines Ladereglers hergerichtet sein.
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Zwischen dem Eingang 14b und dem Ausgang 14a sind zumindest für jede Phase und den Neutralleiter Schutzschaltungen vorgesehen, die insbesondere auch einen Schaltaktor aufweisen. Der Schaltaktor dient zum Schalten eines Leiterpfads pro Phase bzw. Nullleiter zwischen dem Eingang 14b und dem Ausgang 14a.
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Zur Bestückung hat die Leiterplatte 14 einen Anschlussbereich, auf den die Schutzwanne 2 aufgesetzt werden kann. In dem Anschlussbereich sind Kontaktbereiche, insbesondere Lötpunkte vorgesehen, mit denen Anschlusskontakte eines Schaltaktors verlötet werden können. Im montierten Zustand fluchten die Bohrungen der Anschlusskontakte auf der Leiterplatte 14 oder die Kontaktbereiche mit den Durchgangsöffnungen 4-10 der Schutzwanne 2.
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Zur Bestückung wird, wie in der 3 dargestellt, die Schutzwanne 2 auf die Leiterplatte 14 aufgesetzt. Ein Schaltaktor 16 mit einem Gehäuse 16a und Anschlusskontakten 16b wird in die Schutzwanne 2 eingesetzt und mit den Anschlusskontakten 16b durch zwei oder vier Durchgangsöffnungen 4-6, 8-10 eingesetzt. Jeweils zwischen zwei Anschlusskontakten 16b ist ein Leiterpfad durch den Schaltaktor 16 schaltbar. Mit Hilfe der Anschlusskontakte 16b wird der Schaltaktor 16 mit der Leiterplatte 14 verbunden. Insbesondere wird auf der der Schutzwanne 2 gegenüber liegenden Seite der Leiterplatte 14 eine Lötverbindung 18 zwischen den Anschlusskontakten 16b und Kontaktbereichen der Leiterplatte 14 gebildet.
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Die Schutzwanne 2 schützt die Leiterplatte 14 bzw. die darauf verbauten Komponenten vor Splitterteilen, die entstehen können, wenn der Schaltaktor 16 bei Überlast schaltet und explosionsartig zerstört wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Schaltaktor 16 lediglich für normale Betriebsmodi ausgelegt ist und bei Überlast zerstört wird. Dabei entstehende Lichtbögen führen zu einer explosionsartigen Zerstörung. Die umherfliegenden Teile werden durch die Schutzwanne 2 aufgehalten, so dass diese nicht in Kontakt mit dem Rest der Leiterplatte 14 gelangen können.
