DE102018206280B4 - ELECTRICAL CONTACT DEVICE, METHOD FOR DETERMINING WEAK CONTACTS, BATTERY CHARGER, AND LOADING DEVICE FOR AN ELECTRIC VEHICLE - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kontaktvorrichtung mit mindestens einem ersten elektrisch leitfähigen Kontaktelement und einem zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktelement, und mindestens einem Sensor zum Messen der differentiellen Temperatur zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Kontakteelementen (105a, 105b), wobei der Sensor umfasst: ein Temperaturdifferenzkonversionsmodul (100), ein thermisch leitendes Material (110), welches so angeordnet ist, dass es das Temperaturdifferenzkonversionsmodul (100) an das erste elektrische Kontaktelement (105a) und an das zweite elektrische Kontaktelement (105b) anschließt, und wobei das Temperaturdifferenzkonversionsmodul (100) konfiguriert ist, die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement (105a) und dem zweiten elektrischen Kontaktelement (105b) zu messen. In vorteilhaften Ausführungsformen liefert das Temperaturdifferenzkonversionsmodul eine Ausgangsspannung, die unabhängig von der absoluten Temperatur und linear abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Kontaktelementen (105a, 105b) ist. Ein schwacher oder ein Leckstrom oder Fehlerstrom führender Kontakt einer elektrischen Kontaktvorrichtung kann aus der Polarität der gemessenen Temperaturdifferenz identifiziert werden. The present invention relates to an electrical contact device having at least a first electrically conductive contact element and a second electrically conductive contact element, and at least one sensor for measuring the differential temperature between the two electrically conductive contact elements (105a, 105b), the sensor comprising Temperature difference conversion module (100), a thermally conductive material (110) arranged to connect the temperature difference conversion module (100) to the first electrical contact element (105a) and the second electrical contact element (105b), and wherein the temperature difference conversion module (100 ) is configured to measure the temperature difference between the first electrical contact element (105a) and the second electrical contact element (105b). In advantageous embodiments, the temperature difference conversion module provides an output voltage which is independent of the absolute temperature and linearly dependent on the temperature difference between the two electrically conductive contact elements (105a, 105b). A weak or a leakage current or leakage current leading contact of an electrical contact device can be identified from the polarity of the measured temperature difference.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kontaktvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines schwachen elektrischen Kontakts oder von Leckströmen, sowie ein damit versehenes Batterieladegerät und eine Ladevorrichtung für ein Elektrofahrzeug.The present invention relates to an electrical contact device and a method for determining a weak electrical contact or leakage currents, as well as a battery charger provided therewith and a charging device for an electric vehicle.
Elektrofahrzeuge können in unterschiedlichen Lademodi geladen werden. Diese unterscheiden sich unter anderem in Bezug auf Sicherheitseinrichtungen, Kommunikation mit dem Fahrzeug und Ladeleistung. Aus Sicherheitsgründen wählen die meisten Automobilhersteller die so genannte Mode-3-Ladung. Dagegen stellt der Lademodus
Die Mode-2-Ladung stellt die sicherste Alternative zur Mode-3-Ladung dar, wenn keine Ladeinfrastruktur verfügbar ist. Das Laden erfolgt aus einer haushaltsüblichen Steckvorrichtung (z.B. Schuko oder CEE) mit einer in das Ladekabel integrierten Steuer- und Schutzfunktion. Das Ladegerät ist im Fahrzeug eingebaut.Mode 2 charging is the safest alternative to Mode 3 charging when charging infrastructure is not available. Charging takes place from a standard household plug-in device (for example Schuko or CEE) with a control and protection function integrated in the charging cable. The charger is installed in the vehicle.
Die Anforderungen an die Ladeinfrastruktur für die Mode-3-Ladung klar definiert. Bei der Mode-2-Ladung erfolgt der Anschluss dagegen über eine Haushalts-, Industrie- oder „Camping“-Steckvorrichtung. Die Nutzung von normalen Haushalts-Installationen für den Ladeanschluss von Elektrofahrzeugen birgt Gefahren, die von den bisherigen Lösungen nicht vollumfänglich berücksichtigt wurden. Die Ladeanschlüsse und deren Zuleitung müssen für Dauerströme von bis zu 16 A geeignet sein. Dies ist in der Praxis jedoch nicht durchgängig sichergestellt. Es gibt immer noch Hausinstallationen ohne Fehlerstrom-Schutzeinrichtung und Steckdosen, deren Zuleitung aufgrund zu geringer Querschnitte bei dieser Dauerbelastung gefährlich überhitzen. Die Folgen können gravierend sein. Der Nutzer muss sich darauf verlassen können, dass der Ladevorgang sicher und verlässlich abläuft, denn häufig wird das Fahrzeug über Nacht geladen. Daher sind Ladekabel für den Mode
Die Patentschrift
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Die vorliegende Erfindung adressiert zwei mögliche Probleme, die mit einer Kontaktvorrichtung, wie sie beispielsweise beim Laden eines Elektrofahrzeugs verwendet wird, verbunden sein können: Das Auftreten schwacher Kontakte und das Auftreten von Leckströmen.The present invention addresses two potential problems associated with a contact device, such as that used in charging an electric vehicle: the occurrence of weak contacts and the occurrence of leakage currents.
In jeder elektrischen Anlage fließt ein Teil des Stroms durch den Schutzleiter zur Erde. Diesen Strom bezeichnet man im Allgemeinen als Leckstrom. Leckstrom fließt meistens über die die Leiter umgebende Isolierung. Leckströme an elektrischen Kontakten sind unerwünschte Begleiterscheinungen elektrischer Schaltkreise, und insbesondere von Steckdosen, Batterieladegeräten oder Elektroautoladegeräten. Leckströme treten auf, wenn ein Isolator nicht ideal ist, er also eine (geringe) elektrische Leitfähigkeit besitzt, oder wenn die Oberfläche eines Isolators einen Kriechstrom führt, insbesondere, wenn Verunreinigungen und/oder Feuchtigkeit auf der Oberfläche vorhanden sind.In each electrical system, part of the current flows through the protective conductor to earth. This current is generally referred to as leakage current. Leakage current mostly flows through the insulation surrounding the conductors. Leakage currents on electrical contacts are undesirable side effects of electrical circuits, and in particular of sockets, battery chargers or electric car chargers. Leakage occurs when an insulator is not ideal, that is, it has (low) electrical conductivity, or when the surface of an insulator conducts leakage current, especially when contaminants and / or moisture are present on the surface.
Eine Isolierung hat sowohl einen elektrischen Widerstand als auch eine Kapazität - und leitet Strom auf beiden Wegen. Durch den hohen Widerstand der Isolierung sollte die Höhe des Leckstroms sehr gering sein. Wenn die Isolierung jedoch alt oder beschädigt ist, nimmt der Widerstand ab, und es kann höherer Strom fließen. Hinzu kommt, dass längere Leiter eine höhere Kapazität besitzen, was zu höherem Leckstrom führt.Insulation has both electrical resistance and capacitance - and conducts electricity in both ways. Due to the high resistance of the insulation, the level of the leakage current should be very low. However, if the insulation is old or damaged, the resistance decreases and higher current can flow. In addition, longer conductors have a higher capacitance, which leads to higher leakage current.
Leckströme können auch auftreten, wenn im Inneren von Halbleitern spontan freie Ladungsträger entstehen, die durch eine angelegte elektrische Spannung im Halbleiterkristall wandern. Dies kann z. B. durch erhöhte Temperatur oder Strahlung verursacht bzw. verstärkt werden.Leakage currents can also occur when free charge carriers spontaneously arise in the interior of semiconductors, which migrate through an applied electrical voltage in the semiconductor crystal. This can e.g. B. caused or increased by increased temperature or radiation.
Bei durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen geschützten Stromkreisen kann Leckstrom unnötiges und intermittierendes Auslösen verursachen. Im Extremfall kann er zu einem Spannungsanstieg in zugänglichen und stromführenden Teilen führen.Leakage current can cause unnecessary and intermittent tripping in circuits protected by RCCBs. In extreme cases, it can lead to a voltage increase in accessible and live parts.
Ähnlich zu den oben beschriebenen Leckströmen fließt bei Isolationsfehlern elektrischer Strom über eine gegebene Fehlerstelle (Fehlerstrom).Similar to the leakage currents described above, in the case of insulation faults, electric current flows through a given fault location (fault current).
Ein weiteres Problem bei elektrischen Kontaktvorrichtungen ist das mögliche Auftreten eines ungenügenden elektrischen Kontakts zwischen zwei miteinander verbundenen Kontaktelementen, z. B. aufgrund der Oxidation von Kontaktstiften. Ein solcher schlechter Kontakt entspricht einem erhöhten elektrischen Widerstand, der bei Laststrom zu einer erhöhten Wärmebildung führt. Another problem with electrical contact devices is the possible occurrence of insufficient electrical contact between two interconnected contact elements, e.g. B. due to the oxidation of contact pins. Such a bad contact corresponds to an increased electrical resistance, which leads to increased heat generation at load current.
Weiterhin ist bekannt, die Temperatur an einzelnen Kontaktelementen zu überwachen und den Ladevorgang bei Überschreiten eines Grenzwertes zu modifizieren oder abzubrechen.It is also known to monitor the temperature at individual contact elements and to modify or cancel the charging process when a limit value is exceeded.
Dabei tritt jedoch häufig das Problem auf, dass eine hohe absolute Temperatur an einem einzelnen Kontaktelement noch nicht unbedingt ein Anzeichen für einen Leckstrom oder einen ungenügenden elektrischen Kontakt sein muss, und deshalb der Ladevorgang möglicherweise unnötig früh modifiziert oder abgebrochen wird. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn die Kontaktvorrichtung sich in einer Umgebung befindet, in der bereits bei normalen Betriebsbedingungen hohe Temperaturen herrschen.However, the problem often arises that a high absolute temperature at a single contact element does not necessarily have to be an indication of a leakage current or an insufficient electrical contact, and the charging process may therefore be modified or terminated unnecessarily early. This problem occurs in particular when the contact device is in an environment in which high temperatures already exist under normal operating conditions.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, eine elektrische Kontaktvorrichtung anzugeben, die sicher daraufhin überwacht werden kann, ob Leckströme, Fehlerströme oder eine fehlerhafte elektrische Kontaktgabe vorliegen, aber dennoch auch bei höheren Umgebungsbedingungen noch mit ausreichender Leistung betrieben werden kann.The object on which the present invention is based is therefore to provide an electrical contact device which can be safely monitored for leakage currents, fault currents or faulty electrical contact, but can still be operated with sufficient power even under higher ambient conditions ,
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, Leckströme oder eine ungenügende Kontaktgabe in einer elektrischen Kontaktvorrichtung über den erzeugten Temperaturunterschied zwischen mindestens zwei Kontaktelementen zu identifizieren.The present invention is based on the idea of identifying leakage currents or insufficient contact in an electrical contact device via the generated temperature difference between at least two contact elements.
Temperaturerhöhungen treten z.B. nach dem Anschalten beim Warmlaufen eines Gerätes auf. Diese Temperaturerhöhung ist allerdings gleichverteilt und nicht relevant für Leckströme. Auf der anderen Seite ist ein elektrischer Kontakt, an dem ein Leckstrom auftritt, wärmer als Kontakte ohne Leckstrom, so dass die Messung von Temperaturunterschieden zwischen den Kontakten finite Temperaturdifferenzen und somit Leckströme aufdecken kann.Temperature increases occur e.g. after switching on when a device is warming up. However, this temperature increase is equally distributed and not relevant for leakage currents. On the other hand, an electrical contact on which leakage occurs is warmer than contacts without leakage, so that the measurement of temperature differences between the contacts can reveal finite temperature differences and thus leakage currents.
Hierbei kann zwischen Leckströmen und einer ungenügenden Kontaktgabe in einer elektrischen Kontaktvorrichtung dadurch unterschieden werden, dass eine ungenügende Kontaktgabe nur bei vorhandenem Laststrom, ein Leckstrom jedoch auch ohne Laststrom zu einer erhöhten Wärmebildung führt.In this case, a distinction can be made between leakage currents and an insufficient contact input in an electrical contact device in that an insufficient contact only when there is a load current, but a leakage current without load current leads to increased heat generation.
Insbesondere bei Ladevorrichtungen für Elektrofahrzeuge, die in einer heimischen Garage betrieben werden und deshalb wenig gesichert sind, sind Sicherungsmechanismen der Kontaktvorrichtung besonders wichtig.In particular, in charging devices for electric vehicles, which are operated in a domestic garage and therefore are poorly secured, securing mechanisms of the contact device are particularly important.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektrische Kontaktvorrichtung mit mindestens einem ersten elektrisch leitfähigen Kontaktelement und einem zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktelement, und mindestens einem Sensor zum Messen der differentiellen Temperatur zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Kontaktelementen. Der Sensor umfasst ein Temperaturdifferenzkonversionsmodul und ein thermisch leitendes Material, welches so angeordnet ist, dass es das Temperaturdifferenzkonversionsmodul an das erste elektrische Kontaktelement und an das zweite elektrische Kontaktelement anschließt. Dabei ist das Temperaturdifferenzkonversionsmodul konfiguriert, die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement zu messen.In particular, the present invention relates to an electrical contact device with at least a first electrically conductive contact element and a second electrically conductive contact element, and at least one sensor for measuring the differential temperature between the two electrically conductive contact elements. The sensor comprises a temperature difference conversion module and a thermally conductive material which is arranged such that it connects the temperature difference conversion module to the first electrical contact element and to the second electrical contact element. The temperature difference conversion module is configured to measure the temperature difference between the first electrical contact element and the second electrical contact element.
In vorteilhaften Ausführungsformen umfasst das Temperaturdifferenzkonversionsmodul ein Peltierelement. Ein Peltierelement ist ein elektrothermischer Wandler, der basierend auf dem Peltier-Effekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss (Seebeck-Effekt) erzeugt. Peltierelemente können sowohl zur Kühlung als auch - bei Stromrichtungsumkehr - zum Heizen verwendet werden.In advantageous embodiments, the temperature difference conversion module comprises a Peltier element. A Peltier element is an electrothermal transducer that, based on the Peltier effect, generates a temperature difference when the current flows through or a current flow when the temperature differs (Seebeck effect). Peltier elements can be used both for cooling and - if the current direction is reversed - for heating.
Grundlage für den Peltier-Effekt ist der Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau (entweder p- oder n-leitend) der Leitungsbänder besitzen. Leitet man einen Strom durch zwei hintereinanderliegende Kontaktstellen dieser Materialien, so muss an der einen Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen werden, damit das Elektron in das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials gelangt, folglich kommt es zur Abkühlung. An der anderen Kontaktstelle fällt das Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird. The basis for the Peltier effect is the contact of two semiconductors that have a different energy level (either p- or n-type) in the conduction bands. If you conduct a current through two contact points of these materials, one behind the other, thermal energy must be absorbed at one contact point so that the electron enters the higher energy band of the neighboring one Semiconductor material arrives, consequently it cools down. At the other contact point, the electron falls from a higher to a lower energy level, so that energy is given off in the form of heat.
Da n-dotierte Halbleiter ein niedrigeres Energieniveau des Leitungsbandes aufweisen, erfolgt die Kühlung dabei an der Stelle, an der Elektronen vom n-dotierten in den p-dotierten Halbleiter übergehen (technischer Stromfluss also vom p-dotierten zum n-dotierten Halbleiter).Since n-doped semiconductors have a lower energy level in the conduction band, cooling takes place at the point at which electrons pass from the n-doped to the p-doped semiconductor (technical current flow, i.e. from p-doped to n-doped semiconductor).
Ein Peltier-Element besteht aus zwei oder mehreren kleinen Quadern je aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial (z.B. Bismut-Tellurid oder Silicium-Germanium), die abwechselnd oben und unten durch Metallbrücken miteinander verbunden sind. Die Metallbrücken bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen und sind durch eine aufliegende Folie oder eine Keramikplatte isoliert. Immer zwei unterschiedliche Quader sind so miteinander verbunden, dass sie eine Reihenschaltung ergeben. Der zugeführte elektrische Strom durchfließt alle Quader nacheinander. Abhängig von Stromstärke und -richtung kühlen sich die oberen Verbindungsstellen ab, während die unteren sich erwärmen. Der Strom pumpt somit Wärme von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten.A Peltier element consists of two or more small cuboids, each made of p- and n-doped semiconductor material (e.g. bismuth telluride or silicon germanium), which are alternately connected at the top and bottom by metal bridges. The metal bridges also form the thermal contact surfaces and are insulated by a foil or a ceramic plate. Always two different cuboids are connected so that they form a series connection. The electrical current supplied flows through all the cuboids one after the other. Depending on the current strength and direction, the upper connection points cool down while the lower ones heat up. The current thus pumps heat from one side to the other and creates a temperature difference between the plates.
Die gebräuchlichste Form von Peltier-Elementen besteht aus zwei meist quadratischen Platten aus Aluminiumoxid-Keramik mit einer Kantenlänge von 5 mm bis 90 mm und einem Abstand von 1 mm bis 5 mm, zwischen denen die Halbleiter-Quader eingelötet sind. Die Keramikflächen sind hierzu an ihren zugewandten Flächen mit lötbaren Metallflächen versehen.The most common form of Peltier elements consists of two mostly square plates of alumina ceramic with an edge length of 5 mm to 90 mm and a distance of 1 mm to 5 mm, between which the semiconductor cuboids are soldered. The ceramic surfaces are provided for this purpose on their facing surfaces with solderable metal surfaces.
Kühlt man die warme Seite z. B. mittels eines aufgesetzten Kühlkörpers mit Ventilator, so wird die kühlende Seite noch kälter. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten kann, je nach Element und Strom, bei einstufigen Elementen bis ca. 70 Kelvin betragen.If you cool the warm side z. B. by means of an attached heat sink with fan, the cooling side is even colder. Depending on the element and current, the temperature difference between the two sides can be up to approx. 70 Kelvin for single-stage elements.
Die Umkehrung des Peltier-Effekts ist der Seebeck-Effekt. So ist es möglich, durch Herstellen einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten eines Peltier-Elements eine Spannung und/oder einen elektrischen Strom zu erzeugen (thermoelektrischer Generator). Dies ist der Effekt, der in der vorliegenden Erfindung vorteilhaft genutzt wird. Die Spannung ergibt ein Ausgangssignal, welches unabhängig von der absoluten Temperatur und linear abhängig ist von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktelementen, zwischen denen das Peltierelement angeordnet ist. Aus der Spannung kann somit über eine entsprechende Kalibrierung die Temperaturdifferenz ermittelt werden.The inverse of the Peltier effect is the Seebeck effect. It is thus possible to generate a voltage and / or an electric current by producing a temperature difference between the two sides of a Peltier element (thermoelectric generator). This is the effect that is used to advantage in the present invention. The voltage results in an output signal which is independent of the absolute temperature and linearly dependent on the temperature difference between the two contact elements, between which the Peltier element is arranged. The temperature difference can thus be determined from the voltage via a corresponding calibration.
Darüber hinaus kann die erzeugte elektrische Spannung genutzt werden, um beispielsweise eine Auswerteschaltung zumindest teilweise mit Strom zu versorgen. Hier ist allerdings zu vermerken, dass heute verfügbare thermoelektrische Elemente nur einen verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad aufweisen (17% des theoretisch höchst möglichen Wirkungsgrades, des Carnot-Wirkungsgrades).In addition, the generated electrical voltage can be used, for example, to supply an evaluation circuit with current at least partially. However, it should be noted here that thermoelectric elements available today only have a relatively low efficiency (17% of the theoretically highest possible efficiency, the Carnot efficiency).
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Peltierelement zwei galvanische isolierte keramische Platten, die mit dem thermisch leitfähigen Material verbunden sind. Dadurch wird das Peltierelement gegen mögliche Leckströme über das leitfähige Material isoliert. In einer vorteilhaften Ausführungsform generiert jeder Bismut-Tellurid-Block eine Ausgangsspannung von 0.4 mV/K.In an advantageous embodiment, the Peltier element comprises two galvanically insulated ceramic plates, which are connected to the thermally conductive material. As a result, the Peltier element is isolated against possible leakage currents via the conductive material. In an advantageous embodiment, each bismuth telluride block generates an output voltage of 0.4 mV / K.
In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteschaltung so ausgebildet, dass sie aus dem Vorzeichen der Ausgangsspannung bestimmt, welcher Kontakt die höhere Temperatur hat. Dies hat den Vorteil, dass der Leckstrom genau lokalisiert werden kann.In advantageous embodiments of the invention, the evaluation circuit is designed so that it determines from the sign of the output voltage, which contact has the higher temperature. This has the advantage that the leakage current can be precisely located.
In manchen Ausführungen der Erfindung gibt das Temperaturdifferenzkonversionsmodul eine Spannung unabhängig von der absoluten Temperatur, aber linear abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen den zwei elektrischen Kontakten an. Die lineare Beziehung ist insofern vorteilhaft, als sie eine einfache Methode zur Konvertierung der Spannungswerte in Temperaturwerte ermöglicht.In some embodiments of the invention, the temperature difference conversion module indicates a voltage independent of the absolute temperature but linearly dependent on the temperature difference between the two electrical contacts. The linear relationship is advantageous in that it allows a simple method of converting the voltage values to temperature values.
Wie oben erwähnt, sollen die Temperaturunterschiedsmessungen verwendet werden, um Leckströme, Fehlerströme oder ungenügende elektrische Kontakte mit hohem Übergangswiderstand zu finden. Deshalb ist die oben erwähnte Spannung ein Maß für die Kontaktqualität.As noted above, the temperature differential measurements are to be used to find leakage currents, fault currents, or insufficient high contact resistance electrical contacts. Therefore, the above-mentioned stress is a measure of contact quality.
In einer vorteilhaften Ausführungsform liefert der Sensor eine Ausgangsspannung, die unabhängig von der absoluten Temperatur und linear abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Kontaktelementen ist. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor sehr leicht kalibriert werden kann.In an advantageous embodiment, the sensor supplies an output voltage that is independent of the absolute temperature and linearly dependent on the temperature difference between the two electrically conductive contact elements. This has the advantage that the sensor can be calibrated very easily.
In einer vorteilhaften Ausführungsform hat die Kontaktvorrichtung eine elektrische Erfassungs- und Auswerteeinheit, die betrieben werden kann um das Ausgangssignal des Sensors als Maß für eine Kontaktqualität des ersten und zweiten Kontaktelements auszuwerten. Dies hat den Vorteil, dass es erlaubt, die Kontaktqualität der Kontaktvorrichtung über die Temperaturmessung zu überprüfen. Diese Erfindung bezieht sich deshalb auch auf ein Verfahren, bei dem ein Kontaktelement, das einen Leckstrom, einen Fehlerstrom oder einen schwachen Kontakt aufweist, aus der Polarität der gemessenen Temperaturdifferenz identifiziert wird. In an advantageous embodiment, the contact device has an electrical detection and evaluation unit that can be operated to evaluate the output signal of the sensor as a measure of a contact quality of the first and second contact elements. This has the advantage that it allows the contact quality of the contact device to be checked via the temperature measurement. This invention therefore also relates to a method in which a contact element which has a leakage current, a fault current or a weak contact is identified from the polarity of the measured temperature difference.
In vorteilhaften Ausführungsformen der elektrischen Kontaktvorrichtung umfasst das Peltierelement eine Vielzahl von Bismut-Tellurid-Blöcken, die in Serie geschaltet sind. Durch die Reihenschaltung einer Vielzahl von Bismut-Tellurid-Blöcken kann der Wertebereich des Peltierelements annähernd beliebig groß gemacht werden.In advantageous embodiments of the electrical contact device, the Peltier element comprises a plurality of bismuth telluride blocks which are connected in series. By connecting a large number of bismuth telluride blocks in series, the value range of the Peltier element can be made almost arbitrarily large.
In vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die elektrische Kontaktvorrichtung ein drittes Kontaktelement, wobei die Energie zum Betreiben der Auswerteschaltung von dem Temperaturdifferenzkonversionsmodul bereitgestellt wird. Hierdurch ist es möglich, das Prinzip auf Drei-Phasenstecker zu erweitern und die Energie, die beim Betreiben der Auswerteschaltung frei wird, sinnvoll zu nutzen und so den Energieverbrauch der Kontaktvorrichtung zu minimeren.In advantageous embodiments, the electrical contact device comprises a third contact element, the energy for operating the evaluation circuit being provided by the temperature difference conversion module. This makes it possible to extend the principle to three-phase plugs and to make sensible use of the energy that is released when the evaluation circuit is operated, and thus to minimize the energy consumption of the contact device.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Batterieladegerät, welches eine wie oben beschriebene elektrische Kontaktvorrichtung umfasst. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mögliche Leckströme beim Laden der Batterie identifiziert werden können.The present invention also relates to a battery charger comprising an electrical contact device as described above. This embodiment has the advantage that possible leakage currents can be identified during charging of the battery.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Ladestation für ein Elektroauto, umfassend ein Ladekabel sowie eine wie oben beschriebene elektrische Kontaktvorrichtung, wobei die Kontaktvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie einen elektrischen Kontakt zwischen dem Ladekabel und dem Betriebsstromkreis eines Autos herstellt.The present invention also relates to a charging station for an electric car, comprising a charging cable and an electrical contact device as described above, the contact device being configured to make electrical contact between the charging cable and the operating circuit of a car.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
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1 eine Kontaktvorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Darstellung einer Kontaktvorrichtung gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 a contact device according to an advantageous embodiment of the present invention; -
2 is a schematic representation of a contact device according to a second advantageous embodiment of the present invention.
Die Erfindung wird nun in Bezug auf die Figuren beschrieben, beginnend mit
Die elektrische Kontaktvorrichtung
Wie schematisch in
Die Metallbrücken
Das Peltierelement
Liegt nun eine Temperaturdifferenz zwischen den ersten und zweiten Kontaktstiften
Die Auswerteeinheit ermittelt eine Temperaturdifferenz, welche der Spannung entspricht, die von der Peltierelement
Ferner kann die Spannung zwischen den Kabelenden gegebenenfalls genutzt werden, um die Auswerteeinheit zumindest teilweise mit Strom zu versorgen.Furthermore, the voltage between the cable ends can optionally be used to at least partially supply power to the evaluation unit.
Die elektrische Kontaktvorrichtung
Über die Peltierelemente
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es also, die Temperaturdifferenz zwischen zwei Kontaktstiften, hauptsächlich in Leistungsanwendungen, zu messen und über die Temperaturerhöhung bei Stromfluss einen schwachen Kontakt zu identifizieren.The present invention thus makes it possible to measure the temperature difference between two contact pins, mainly in power applications, and to identify a weak contact via the temperature increase when the current flows.
Erfindungsgemäß wird ein thermoelektrischer Generator (TEG), insbesondere ein Peltierelement, das als Generator genutzt wird, verwendet, welches eine lineare Spannung erzeugt, die nur von der Temperaturdifferenz an den beiden Seiten abhängig ist. Die gemessene Spannung ist positiv oder negativ, je nachdem, welcher der beiden Kontaktstifte die höhere Temperatur hat. Damit kann die Temperaturdifferenz Aufschluss darüber geben, welcher der beiden Kontaktstifte gegebenenfalls einen zu hohen Übergangswiderstand oder einen Leckstrom aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Peltierelement eingesetzt, das Bismut-Tellurid-Blöcke aufweist, die jeweils eine Ausgangsspannung von ca. 0,4 mV/Kelvin liefern und in Serie geschaltet sind, um insgesamt eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen. Typischerweise werden diese Blöcke zwischen Aluminiumoxidkeramikplatten montiert, die gute elektrische Isolatoren sind, aber gleichzeitig eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. In vorteilhafter Weise haben solche TEG-Elemente eine geringe Größe, so dass die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in einen haushaltsüblichen Steckverbinder eingebaut werden kann.According to the invention, a thermoelectric generator (TEG), in particular a Peltier element, which is used as a generator, is used which generates a linear voltage which is only dependent on the temperature difference on the two sides. The measured voltage is positive or negative, depending on which of the two contact pins has the higher temperature. The temperature difference can thus provide information about which of the two contact pins may have an excessively high contact resistance or a leakage current. According to the present invention, a Peltier element is used which has bismuth telluride blocks, each of which provides an output voltage of approximately 0.4 mV / Kelvin and is connected in series in order to generate a higher output voltage overall. Typically, these blocks are mounted between alumina ceramic plates, which are good electrical insulators but at the same time have high thermal conductivity. Advantageously, such TEG elements are small in size, so that the arrangement according to the present invention can be installed in a household connector.
Im Unterschied zu konventionellen Temperatursensoren ist die Ausgangsspannung des TEG unabhängig von der absoluten Umgebungstemperatur, benötigt nur zwei Anschlussdrähte und es besteht keine Notwendigkeit für eine Kompensation oder Messung der Umgebungstem peratur.Unlike conventional temperature sensors, the output voltage of the TEG is independent of the absolute ambient temperature, requires only two connecting wires and there is no need for compensation or measurement of the ambient temperature.
Die Genauigkeit der Differenzmessung ist lediglich eine Funktion der physikalischen Eigenschaften des TEG-Materials und seine geringe Impedanz vereinfacht außerdem in vorteilhafter Weise das Entwerfen der Signalverstärker. Wenn man darüber hinaus die Auswerteschaltung unmittelbar in dem Steckverbinder anordnet, kann außerdem vermieden werden, dass Störsignale in die Signalverarbeitung einkoppeln.The accuracy of the differential measurement is only a function of the physical properties of the TEG material and its low impedance also advantageously simplifies the design of the signal amplifiers. If the evaluation circuit is also arranged directly in the connector, it can also be avoided that interference signals are coupled into the signal processing.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es damit, die Kontaktqualität oder die Verdrahtung eines Steckverbinders oder eines Ladeanschlusses zu überwachen, auch wenn die Umgebungstemperatur hoch oder sehr niedrig ist. Die Polarität der Spannung gibt an, welcher der Kontaktstifte die höhere Temperatur hat. Durch Verwendung von mehr als einem Peltierelement in einem Steckverbinder können außerdem Anordnungen mit mehr als zwei Kontaktelementen, beispielsweise mit zwei Sensoren ein Dreiphasensystem, überwacht werden. Bei dieser Anordnung kann der schwache Kontakt dadurch identifiziert werden, dass die Polarität und der Wert von zwei Sensoren miteinander verglichen werden.The present invention thus makes it possible to monitor the contact quality or the wiring of a connector or a charging connection, even if the ambient temperature is high or very low. The polarity of the voltage indicates which of the contact pins has the higher temperature. By using more than one Peltier element in a connector, arrangements with more than two contact elements, for example with a three-phase system, can also be monitored. With this arrangement, the weak contact can be identified by comparing the polarity and the value of two sensors.
Obwohl in den obigen Erläuterungen stets davon ausgegangen wurde, dass die erfindungsgemäße Kontaktvorrichtung Kontaktstifte umfasst, zwischen denen eine Temperaturdifferenz überwacht wird, ist für einen Fachmann selbstverständlich klar, dass die erfindungsgemäße Lösung für jede Art von elektrischen Kontaktelementen, also auch z. B. Steckbuchsen, Einpressverbindungen oder Lötverbindungen, angewendet werden kann.Although it was always assumed in the above explanations that the contact device according to the invention comprises contact pins between which a temperature difference is monitored, it is of course clear to a person skilled in the art that the solution according to the invention for any type of electrical contact elements, that is to say also for. B. sockets, press-in connections or soldered connections can be applied.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Claims (12)
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