DE102018206280B4 - ELECTRICAL CONTACT DEVICE, METHOD FOR DETERMINING WEAK CONTACTS, BATTERY CHARGER, AND LOADING DEVICE FOR AN ELECTRIC VEHICLE - Google Patents

ELECTRICAL CONTACT DEVICE, METHOD FOR DETERMINING WEAK CONTACTS, BATTERY CHARGER, AND LOADING DEVICE FOR AN ELECTRIC VEHICLE Download PDF

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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.

Figure DE102018206280B4_0000
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.
Figure DE102018206280B4_0000

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 2 eine für das Fahrzeug kompatible Ladung in Kombination mit einer haushaltsüblichen Steckvorrichtung dar. Diese Lademodi werden in der internationalen Norm IEC 61851-21:2010 wie folgt definiert: Die Mode-3-Ladung ist die sicherste Art, ein Fahrzeug zu laden. Sie erfolgt an Ladestationen mit einer speziellen Ladeeinrichtung gemäß IEC 61851, dem sogenannten „Electrical Vehicle Supply Equipment“ (EVSE), also der Ladeinfrastruktur. Das Ladegerät ist im Fahrzeug eingebaut. In der Ladestation sind PWM-Kommunikation, Fehler- und Überstromschutz, Abschaltung sowie eine spezifische Ladesteckdose vorgeschrieben.Electric vehicles can be charged in different charging modes. These differ among other things in terms of safety devices, communication with the vehicle and charging power. For safety reasons, most car manufacturers choose the so-called Mode 3 charge. On the other hand, the charging mode 2 This charge modes are defined in the international standard IEC 61851-21: 2010 as follows: The Mode 3 charge is the safest way to charge a vehicle. It takes place at charging stations with a special charging device in accordance with IEC 61851, the so-called "Electrical Vehicle Supply Equipment" (EVSE), ie the charging infrastructure. The charger is installed in the vehicle. The charging station requires PWM communication, fault and overcurrent protection, shutdown and a specific charging socket.

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 2 bekannt, welche über die Anforderungen der Norm hinaus verschiedene Parameter, wie z. B. die Temperatur im Schuko-Stecker, auf der Infrastrukturseite überwachen und so die Mode-2-Ladung erheblich sicherer machen. Für den Mode 2 schreibt die Norm IEC 61851 eine mobile Einrichtung zur Schutzpegelerhöhung (SPE-PRCD) vor. Darüber hinaus ist für die Leistungseinstellung und zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen eine Kommunikationseinrichtung (PWM-Modul) mit dem Fahrzeug erforderlich. Diese Komponenten sind in einem sogenannten „In-Cable Control-and Protecting Device“ (IC-CPD) vereint. Das fest in das Ladekabel integrierte IC-CPD kontrolliert die Schutzleiterverbindung und übermittelt die Ladestrom-Obergrenze an das Fahrzeug. Im Fehlerfall oder bei Spannungsausfall wird der Ladevorgang sofort unterbrochen, um Benutzer und Elektrofahrzeug zu schützen. Das intelligente IC-CPD erkennt auch eine falsche Verdrahtung der infrastrukturseitigen Steckdose und kontrolliert zusätzlich den ankommenden Schutzleiter, bevor die Ladung beginnt.The requirements for the charging infrastructure for Mode 3 charging are clearly defined. In the case of Mode 2 charging, on the other hand, the connection is made using a household, industrial or “camping” connector. The use of normal household installations for the charging connection of electric vehicles harbors dangers that have not been fully taken into account by the previous solutions. The charging connections and their supply lines must be suitable for continuous currents of up to 16 A. In practice, however, this is not always guaranteed. There are still house installations without residual current protective devices and sockets, whose supply lines overheat dangerously due to insufficient cross-sections with this continuous load. The consequences can be serious. The user must be able to rely on the fact that the charging process is safe and reliable, because the vehicle is often charged overnight. Therefore, charging cables are for fashion 2 known, which different parameters beyond the requirements of the standard, such. B. monitor the temperature in the Schuko plug on the infrastructure side and thus make mode 2 charging considerably safer. For fashion 2 the IEC 61851 standard prescribes a mobile device for increasing the protection level (SPE-PRCD). In addition, a communication device (PWM module) with the vehicle is required for the power setting and to meet the safety requirements. These components are combined in a so-called "In-Cable Control and Protecting Device" (IC-CPD). The IC-CPD, which is permanently integrated in the charging cable, controls the protective conductor connection and transmits the upper charging current limit to the vehicle. In the event of a fault or a power failure, the charging process is interrupted immediately to protect the user and the electric vehicle. The intelligent IC-CPD also detects incorrect wiring of the socket on the infrastructure side and additionally checks the incoming protective conductor before charging begins.

Die Patentschrift DE 102010050562 B3 offenbart eine Vorrichtung zum Laden eines mit elektrischer Energie antreibbaren Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung wenigstens einen mit dem aufzuladenden Fahrzeug verbindbaren Stecker, wenigstens eine Stromquelle und wenigstens ein Kabel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Stecker und der Stromquelle umfasst und wenigstens ein Mittel zum Kühlen wenigstens eines Teils des Steckers. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als Mittel zum Kühlen wenigstens ein thermisch mit dem Stecker verbundener Kühlkreislauf vorgesehen ist, wobei der Kühlkreislauf auch bei von einem aufzuladenden Fahrzeug getrennten Stecker geschlossen ist. Auf diese Weise kann auch bei sich häufig wiederholenden Ladezyklen sichergestellt werden, dass eine ausreichende Kühlung des Ladesteckers erfolgt. So kann beispielsweise der Ladestecker auch zwischen den Ladevorgängen solange weiter gekühlt werden, bis eine vorgeschriebene Grenztemperatur unterschritten ist.The patent DE 102010050562 B3 discloses an apparatus for charging a vehicle drivable with electrical energy, the apparatus comprising at least one plug connectable to the vehicle to be charged, at least one power source and at least one cable for establishing an electrical connection between the plug and the power source and at least one means for cooling at least a part of the plug. According to the invention, at least one cooling circuit which is thermally connected to the plug is provided as the means for cooling, wherein the cooling circuit is closed even when the plug is disconnected from a vehicle to be charged up. In this way it can be ensured even with frequently repeated charging cycles that sufficient cooling of the charging plug takes place. Thus, for example, the charging plug can continue to be cooled between charges until a prescribed limit temperature is reached.

Die Offenlegungsschrift DE 102014111334 A1 bezieht sich auf einen Ladestecker für ein Elektrofahrzeug mit den folgenden Merkmalen: Kontaktstifte zum Herstellen einer Steckverbindung mit einer Kupplung und thermisch an die Kontaktstifte gekoppelte Temperatursensoren zum Erfassen eines Temperaturverlaufes zwischen dem Ladestecker und der Kupplung. Die Druckschrift offenbart außerdem ein Ladekabel mit einem solchen Stecker sowie ein entsprechendes Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs.The publication DE 102014111334 A1 relates to a charging connector for an electric vehicle having the following features: Contact pins for making a connector with a coupling and temperature sensors thermally coupled to the contact pins for detecting a temperature profile between the charging connector and the coupling. The document also discloses a charging cable with such a plug and a corresponding method for charging an electric vehicle.

Die Offenlegungsschrift WO 02/013 330 A1 bezieht sich auf einen Steckverbinder, umfassend ein Gehäuse mit mehreren in dessen Längsrichtung sich erstreckenden Aufnahmen mit in diesen angeordneten Kontakten, die in ihren freien äußeren Enden buchsen- oder hülsenförmig zur Aufnahme von Kontaktstiften ausgebildet sind, wobei zumindest einem der Kontakte ein Temperaturfühler zugeordnet ist.The publication WO 02/013330 A1 refers to a connector comprising a housing having a plurality of longitudinally extending receptacles arranged therein Contacts which are formed in their free outer ends socket or sleeve-shaped for receiving contact pins, wherein at least one of the contacts is associated with a temperature sensor.

Die Patentschrift DE 112007002307 B4 offenbart ein Verfahren zum Vorhersagen bei einem Verbindungsanschluss, ob ein normalisierter Kontaktwiderstandswert Rter in den Einheiten Ohm pro Millimeter mit einer erlaubten Temperaturerhöhung ΔT in den Einheiten Kelvin vereinbar ist, wobei die erlaubte Temperaturerhöhung ΔT eine Temperaturerhöhung bis zu einem Temperaturstandard des Verbindungsanschlusses repräsentiert, wobei der Verbindungsanschluss einen männlichen Anschluss mit einem Drahtcrimpabschnitt, mit dem ein Ende eines Drahtes vercrimpt ist; einen weiblichen Anschluss mit einem Drahtcrimpabschnitt, mit dem ein Ende eines Drahtes vercrimpt ist; und einen Verbindungsabschnitt, wo der männliche und der weibliche Anschluss miteinander verbunden sind, umfasst, wobei ein Kontaktwiderstandswert des gesamten Verbindungsanschlusses eine Summe aus einem Kontaktwiderstandswert des Drahtcrimpabschnitts des männlichen Anschlusses, einem Kontaktwiderstandswert des Drahtcrimpabschnitts des weiblichen Anschlusses und einem Kontaktwiderstandswert des Verbindungsabschnitts ist, und wobei eine Länge eines Kontaktabschnitts eine Summe aus einer Länge des Drahtcrimpabschnitts des männlichen Anschlusses, einer Länge des Drahtcrimpabschnitts des weiblichen Anschlusses und einer Länge des Verbindungsabschnitts ist; wobei der normalisierte Kontaktwiderstandswert Rter durch Dividieren des Kontaktwiderstandswerts des gesamten Verbindungsanschlusses durch die Länge des Kontaktabschnitts bestimmt wird; wobei ein normalisierter Drahtwiderstandswert RDraht des Drahtes in den Einheiten Ohm pro Millimeter bestimmt wird, wobei ein Stromwert I in den Einheiten Ampere vorgegeben wird, und wobei die Vereinbarkeit über die Beziehung Rter < ΔT/(752 × I2) - 3,7 × RDraht vorhergesagt wird.The patent DE 112007002307 B4 discloses a method of predicting at a connection terminal whether a normalized contact resistance value R ter in units of ohms per millimeter is compatible with a permitted temperature increase ΔT in units of Kelvin, the permitted temperature increase ΔT representing a temperature increase up to a temperature standard of the connection terminal, the Connection terminal a male terminal with a wire crimping portion with which one end of a wire is crimped; a female terminal having a wire crimp portion with which one end of a wire is crimped; and a connection portion where the male and female terminals are connected to each other, wherein a contact resistance value of the entire connection terminal is a sum of a contact resistance value of the wire crimp portion of the male terminal, a contact resistance value of the wire crimp portion of the female terminal and a contact resistance value of the connection portion, and wherein a length of a contact portion is a sum of a length of the wire crimp portion of the male terminal, a length of the wire crimp portion of the female terminal, and a length of the connection portion; wherein the normalized contact resistance value R ter is determined by dividing the contact resistance value of the entire connection terminal by the length of the contact portion; wherein a normalized wire resistance value R wire of the wire is determined in units of ohms per millimeter, a current value I is specified in units of amperes, and wherein the compatibility is based on the relationship R ter <ΔT / (752 × I 2 ) - 3.7 × R wire is predicted.

Die Gebrauchsmusterschrift DE 202017102652 U1 offenbart eine Netzspannungssteckdose mit einem in einen netzspannungsbeaufschlagten Leiter eingeschalteten Schaltkontakt zum Ein- und Ausschalten der Netzspannungssteckdose, wobei die Netzspannungssteckdose eine Messeinrichtung zum Erfassen des Stromflusses und der anliegenden Spannung, eine Temperaturmesseinrichtung zum Erfassen der Temperatur zumindest eines der zum Kontaktieren durch einen an die Netzspannungssteckdose angeschlossenen Steckkontaktes eines Netzsteckers einer elektrischen Last vorgesehenen Steckdosenkontakt, eine Auswerteeinheit zum Auswerten der erfassten Messdaten sowie einen Signalpfad zum Übermitteln der Messdaten von den Messeinrichtungen an die Auswerteeinheit aufweist.The Utility Model DE 202017102652 U1 discloses a mains voltage socket with a switched into a netzspannungsbeaufschlagten conductor switching contact for switching on and off the mains voltage socket, the mains voltage socket a measuring device for detecting the current flow and the applied voltage, a temperature measuring device for detecting the temperature of at least one of the connected by a to the mains voltage socket Plug contact of a power plug of an electrical load provided socket contact, an evaluation unit for evaluating the acquired measurement data and a signal path for transmitting the measurement data from the measuring devices to the evaluation has.

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:

  • 1 eine Kontaktvorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Kontaktvorrichtung gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
For a better understanding of the present invention, this will be explained in more detail using the exemplary embodiments shown in the following figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, some features or combinations of features from the different embodiments shown and described can also represent independent, inventive or inventive solutions. Show it:
  • 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 1.The invention will now be described with reference to the figures beginning with 1 ,

1 zeigt eine elektrische Kontaktvorrichtung 102 gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kontaktvorrichtung 102 weist einen ersten Kontaktstift 105a und einen zweiten Kontaktstift 105b auf. Die Kontaktvorrichtung 102 ist beispielsweise ein Ladestecker für ein Elektrofahrzeug. Das zugehörige Gehäuse sowie die Anschlussleitungen sind in den Figuren nicht dargestellt. 1 shows an electrical contact device 102 according to a first advantageous embodiment of the present invention. The contact device 102 has a first contact pin 105a and a second contact pin 105b on. The contact device 102 is for example a charging plug for an electric vehicle. The associated housing and the connecting lines are not shown in the figures.

Die elektrische Kontaktvorrichtung 102 gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Peltierelement 100 auf, welches über ein thermisch leitfähiges Material 110 mit dem zwei Kontaktstiften 105a, 105b verbunden ist.The electrical contact device 102 according to the present invention comprises a Peltier element 100 on which over a thermally conductive material 110 with the two pins 105a . 105b connected is.

Wie schematisch in 1 dargestellt, weist das Peltierelement 100 eine Vielzahl von hintereinander geschalteten ersten und zweiten Bismut-Tellurid-Blöcken 104, 106 auf. Die Bismut-Tellurid-Blöcke 104, 106 des Peltierelements 100 sind abwechselnd durch elektrisch leitfähige Brücken 120, die beispielsweise aus Metall bestehen, miteinander. Immer zwei unterschiedliche Quader sind so miteinander verbunden, dass sie eine Reihenschaltung ergeben. Selbstverständlich kann jedes andere geeignete Material, wie beispielsweise Silicium-Germanium, anstelle des Bismut-Tellurids verwendet werden.As schematically in 1 shown, has the Peltier element 100 a plurality of first and second bismuth telluride blocks connected in series 104 . 106 on. The bismuth telluride blocks 104 . 106 of the Peltier element 100 are alternated by electrically conductive bridges 120 that are made of metal, for example. Always two different cuboids are connected so that they form a series connection. Of course, any other suitable material, such as silicon germanium, can be used in place of the bismuth telluride.

Die Metallbrücken 120 bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen und die Reihenschaltung der ersten und zweiten Bismut-Tellurid-Blöcke 104, 106 ist zwischen galvanisch isolierenden Platten 130 eingebettet. Die galvanisch isolierenden Platten 130 sind in vorteilhafter Weise aus einem thermisch gut leitfähigen Material, beispielsweise einer Keramik, hergestellt. Ein erstes und ein zweites Anschlusskabel 108a, 108b greifen die von dem Peltierelement 100 erzeugte Spannung ab.The metal bridges 120 at the same time form the thermal contact surfaces and the series connection of the first and second bismuth telluride blocks 104 . 106 is between galvanically insulating plates 130 embedded. The galvanically insulating plates 130 are advantageously made of a thermally highly conductive material, such as a ceramic. A first and a second connection cable 108a . 108b grab those from the Peltier element 100 generated voltage.

Das Peltierelement 100 ist erfindungsgemäß über ein wärmeleitendes Material 110 mit dem ersten Kontaktstift 105a und dem zweiten Kontaktstift 105b verbunden. Auf diese Weise kann eine an den Kontaktstiften auftretende Wärmeentwicklung mit möglichst geringer Zeitverzögerung an die Bismut-Tellurid-Blöcke 104, 106 des Peltierelements 100 geleitet werden. Wärmeleitende Materialien sind oft Metalle und somit auch elektrisch leitfähig. Deshalb könnten in dem wärmeleitenden Material der vorliegenden Erfindung auch Leckströme fließen. Erfindungsgemäß ist daher das Peltierelement 100 über die beiden galvanisch isolierenden Keramikplatten 130 gegen die wärmeleitenden Materialien 110 elektrisch isoliert. The Peltier element 100 is according to the invention via a heat-conducting material 110 with the first contact pin 105a and the second contact pin 105b connected. In this way, heat development occurring at the contact pins can be imparted to the bismuth telluride blocks with the least possible time delay 104 . 106 of the Peltier element 100 be directed. Thermally conductive materials are often metals and therefore also electrically conductive. Therefore, leakage currents could also flow in the thermally conductive material of the present invention. The Peltier element is therefore according to the invention 100 over the two galvanically insulating ceramic plates 130 against the thermally conductive materials 110 electrically isolated.

Liegt nun eine Temperaturdifferenz zwischen den ersten und zweiten Kontaktstiften 105a, 105b vor, erzeugt das Peltierelement 100 eine elektrische Spannung, die an den Enden der beiden Anschlusskabel 108a, 108b anliegt. Diese elektrisch leitfähigen Brücken 120 sind mit einer Auswerteeinheit (in den Figuren nicht gezeigt) verbunden.Now lies a temperature difference between the first and second contact pins 105a . 105b before, generates the Peltier element 100 an electrical voltage applied to the ends of the two connection cables 108a . 108b is applied. These electrically conductive bridges 120 are connected to an evaluation unit (not shown in the figures).

Die Auswerteeinheit ermittelt eine Temperaturdifferenz, welche der Spannung entspricht, die von der Peltierelement 100 an den Enden der beiden Anschlusskabel 108a, 108b ausgegeben wird. Indem die Polarität der Spannung ausgewertet wird, kann erfindungsgemäß festgestellt werden, welcher der beiden Kontakte 105a, 105b fehlerhaft ist oder einen Leckstrom aufweist, da an diesen Kontakt die höhere Temperatur gemessen wird.The evaluation unit determines a temperature difference which corresponds to the voltage generated by the Peltier element 100 at the ends of the two connection cables 108a . 108b is issued. By evaluating the polarity of the voltage, it can be determined according to the invention which of the two contacts 105a . 105b is faulty or has a leakage current because the higher temperature is measured at this contact.

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.

2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektrischen Kontaktvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die elektrische Kontaktvorrichtung 202, die hier nur schematisch dargestellt ist, kann beispielsweise ein Dreiphasensteckverbinder sein, wie er für das Aufladen von Elektrofahrzeugen benötigt wird. Die elektrische Kontaktvorrichtung 202 weist entsprechend drei elektrisch leitfähige Kontaktstifte 105a, 105b, 105c auf. In 2 sind diese Kontaktstifte105a, 105b, 105c schematisch als in einer Reihe angeordnet gezeigt. Selbstverständlich können die Kontaktstifte105a, 105b, 105c beliebig angeordnet sein, um jedes benötigte Steckergesicht zu bilden. Weiterhin ist auch nicht erforderlich, dass die Kontaktstifte 105a, 105b, 105c identische Abmessungen haben. 2 shows a further advantageous embodiment of the electrical contact device according to the present invention. The electrical contact device 202 , which is shown here only schematically, may for example be a three-phase connector, as it is needed for charging electric vehicles. The electrical contact device 202 has correspondingly three electrically conductive contact pins 105a . 105b . 105c on. In 2 are these pins 105a . 105b . 105c shown schematically as arranged in a row. Of course, the contact pins 105a . 105b . 105c be arranged arbitrarily to form each required connector face. Furthermore, it is also not necessary that the contact pins 105a . 105b . 105c have identical dimensions.

Die elektrische Kontaktvorrichtung 202 weist ein erstes Peltierelement 100a und ein zweites Peltierelement 100b auf, welche mit einem thermisch leitfähigen Material 110 mit einem ersten Kontaktstift 105a, einem zweiten Kontaktstift 105b und einem dritten Kontaktstift 105c verbunden sind.The electrical contact device 202 has a first Peltier element 100a and a second Peltier element 100b on which with a thermally conductive material 110 with a first contact pin 105a , a second contact pin 105b and a third contact pin 105c are connected.

Über die Peltierelemente 100a, 100b können Temperaturdifferenzen zwischen dem ersten Kontaktstift 105a und dem zweiten Kontaktstift 105b, sowie zwischen dem zweiten Kontaktstift 105b und dem dritten Kontaktstift 105c gemessen werden. Dann lässt sich über die Polaritäten der Ausgangssignale derjenige Kontaktstift 105a, 105b, 105c identifizieren, der einen Leckstrom oder einen erhöhten Übergangswiderstand aufweist. Der Leckstrom oder der erhöhte Übergangswiderstand betreffen den Kontaktstift 105a, 105b, 105c, der die höchste Temperatur aufweist.About the Peltier elements 100a . 100b can show temperature differences between the first contact pin 105a and the second contact pin 105b , as well as between the second contact pin 105b and the third contact pin 105c be measured. Then the contact pin can be used via the polarities of the output signals 105a . 105b . 105c identify who has a leakage current or an increased contact resistance. The leakage current or the increased contact resistance affect the contact pin 105a . 105b . 105c which has the highest temperature.

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

Bezugsziffernumeral Beschreibungdescription 100, 100a, 100b100, 100a, 100b Temperaturdifferenzkonversionsmodul; thermoelektrischer Generator, PeltierelementTemperature difference conversion module; thermoelectric generator, Peltier element 102, 202102, 202 Elektrische KontaktvorrichtungElectrical contact device 104104 Erster Bismut-Tellurid-BlockFirst bismuth telluride block 105a, 105b, 105c105a, 105b, 105c Elektrisch leitfähiges KontaktelementElectrically conductive contact element 106106 Zweiter Bismut-Tellurid-BlockSecond bismuth telluride block 108a, 108b108a, 108b Anschlusskabelconnection cable 110110 thermisch leitfähiges Materialthermally conductive material 120120 Elektrisch leitfähige BrückeElectrically conductive bridge 130130 Galvanisch isolierte PlattenGalvanically insulated plates

Claims (12)

Elektrische Kontaktvorrichtung mit mindestens einem ersten elektrisch leitfähigen Kontaktelement (105a) und einem zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktelement (105b), und mindestens einem Sensor (100a) 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.Electrical contact device with at least a first electrically conductive contact element (105a) and a second electrically conductive contact element (105b), and at least one sensor (100a) for measuring the differential temperature between the two electrically conductive contact elements (105a, 105b), the sensor comprising : a temperature difference conversion module (100), a thermally conductive material (110) which is arranged such that it connects the temperature difference conversion module (100) to the first electrical contact element (105a) and to 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). Elektrische Kontaktvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Temperaturdifferenzkonversionsmodul (100) ein Peltierelement umfasst.Electric contact device according to Claim 1 wherein the temperature difference conversion module (100) comprises a Peltier element. Elektrische Kontaktvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Peltierelement zwei galvanische isolierte keramische Platten (130) umfasst, die mit dem thermisch leitfähigen Material (110) verbunden sind.Electrical contact device according to Claim 2 , wherein the Peltier element comprises two galvanically insulated ceramic plates (130) which are connected to the thermally conductive material (110). Elektrische Kontaktvorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Temperaturdifferenzkonversionsmodul (100) so ausgebildet ist, dass es eine Ausgangsspannung liefert, die unabhängig von der absoluten Temperatur und linear abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Kontaktelementen (105a, 105b) ist. Electrical contact device according to one of the preceding claims, wherein the temperature difference conversion module (100) is designed such that it supplies 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). Elektrische Kontaktvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Peltierelement (100) eine Vielzahl von Bismut-Tellurid-Blöcken umfasst, die in Serie geschaltet sind.Electrical contact device according to one of the Claims 2 to 4 , wherein the Peltier element (100) comprises a plurality of bismuth telluride blocks which are connected in series. Elektrische Kontaktvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei jeder Bismut-Tellurid-Block so ausgebildet ist, dass er eine Ausgangsspannung von 0,4 mV/K erzeugt.Electric contact device according to Claim 5 Each bismuth telluride block is designed to produce an output voltage of 0.4 mV / K. Elektrische Kontaktvorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin umfassend eine Auswerteschaltung, die mit dem Temperaturdifferenzkonversionsmodul (100) verbunden ist.Electrical contact device according to one of the preceding claims, further comprising an evaluation circuit which is connected to the temperature difference conversion module (100). Elektrische Kontaktvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Auswerteschaltung so ausgebildet ist, dass sie aus dem Vorzeichen der Ausgangsspannung bestimmt, welcher Kontakt die höhere Temperatur hat.Electric contact device according to Claim 7 , wherein the evaluation circuit is designed such that it determines from the sign of the output voltage, which contact has the higher temperature. Elektrische Kontaktvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, weiterhin umfassend ein drittes Kontaktelement (105c), wobei die Energie zum Betreiben der Auswerteschaltung von dem Temperaturdifferenzkonversionsmodul (100) bereitgestellt wird. wobei ein zweiter Sensor (100b) konfiguriert ist, die Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten Kontaktelement (105b) und dem dritten Kontaktelement (105c) zu messen.Electrical contact device according to one of Claims 7 or 8th further comprising a third contact element (105c), wherein the energy for operating the evaluation circuit is provided by the temperature difference conversion module (100). wherein a second sensor (100b) is configured to measure the temperature difference between the second contact element (105b) and the third contact element (105c). Batterieladegerät, umfassend eine elektrische Kontaktvorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.A battery charger comprising an electrical contact device according to one of the preceding claims. Ladevorrichtung für ein Elektrofahrzeug, umfassend: ein Ladekabel, eine elektrische Kontaktvorrichtung (102, 202) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kontaktvorrichtung (102, 202) so konfiguriert ist, dass sie einen elektrischen Kontakt zwischen dem Ladekabel und dem Betriebsstromkreis des Elektrofahrzeugs herstellen kann.A charging device for an electric vehicle, comprising: a charging cable, an electrical contact device (102, 202) according to one of the Claims 1 to 9 wherein the contact device (102, 202) is configured to make electrical contact between the charging cable and the operating circuit of the electric vehicle. Verfahren zum Identifizieren eines schwachen Kontakts in einer elektrischen Kontaktvorrichtung (102, 202) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Kontaktelement (105a, 105b, 105c) gemessen wird und ein Kontaktelement (105a, 105b, 105c), das einen schwachen Kontakt, einen Fehlerstrom oder einen Leckstrom aufweist, aus der Polarität der gemessenen Temperaturdifferenz bei Vorhandensein eines Laststroms identifiziert wird.A method of identifying weak contact in an electrical contact device (102, 202) according to one of the Claims 1 to 9 , wherein a temperature difference between at least a first and a second contact element (105a, 105b, 105c) is measured and a contact element (105a, 105b, 105c), which has a weak contact, a fault current or a leakage current, from the polarity of the measured temperature difference is identified in the presence of a load current.
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