DE102021132398A1

DE102021132398A1 - Elektrische Steckverbindung und Fahrzeug damit

Info

Publication number: DE102021132398A1
Application number: DE102021132398.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Bierwirth; Joachim Froeschl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Elektrische Steckverbindung (10), aufweisend ein erstes Steckverbindungselement (101) mit einem Steckergehäuse (102), in dem mindestens ein Schwert (103) untergebracht ist, und ein zweites Steckverbindungselement (104) mit einem Buchsengehäuse (105), in dem mindestens eine Buchse in Form eines Lamellenpaars (106) untergebracht ist, welches Lamellenpaar (106) zur steckenden Aufnahme eines jeweiligen Schwerts (103) des ersten Steckverbindungselements (101) ausgebildet ist, wobei die Steckverbindung (10) mindestens ein bimetallisches Sicherungselement (11) aufweist. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar auf Steckverbindungen in Fahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Steckverbindung, aufweisend ein erstes Steckverbindungselement mit einem Steckergehäuse, in dem mindestens ein Schwert untergebracht ist, und ein zweites Steckverbindungselement mit einem Buchsengehäuse, in dem mindestens eine Buchse in Form mindestens eines Lamellenpaars untergebracht ist, welches mindestens eine Lamellenpaar zur steckenden Aufnahme eines jeweiligen Schwerts des ersten Steckverbindungselements ausgebildet ist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Steckverbindungen in Fahrzeugen, besonders in Energiebordnetzen von Fahrzeugen.
Elektrische Steckverbindungen bzw. Steckverbinder mit einem ersten Steckverbindungselement und einem zweiten Steckverbindungselement, bei denen das erste Steckverbindungselement und das zweite Steckverbindungselement im gesteckten bzw. verbundenen Zustand eine kraftschlüssige elektrische Kontaktverbindung bilden, sind allgemein bekannt. Bei einer bekannten Art von Steckverbindungselementen weist das erste Steckverbindungselement ein Gehäuse („Steckergehäuse“) auf, in dem mindestens ein metallisches Schwert untergebracht ist, während das zweite Steckverbindungselement ein Gehäuse („Buchsengehäuse“) aufweist, in dem mindestens eine metallische Buchse in Form eines Lamellenpaars untergebracht ist. Oftmals sind Lamellenpaare seitlich von einem typischerweise metallischen Käfig umgeben, wobei dann sogar auf ein Außengehäuse aus Kunststoff verzichtet werden kann, insbesondere, wenn der Käfig als abstützende Komponente des zweiten Steckverbindungselements verwendet wird.
Das Lamellenpaar ist zur steckenden Aufnahme eines jeweiligen Schwerts des Steckers ausgebildet. Beim Zusammenstecken der beiden Steckverbindungselemente wird das jeweilige metallische Schwert in das zugehörige, zum zuverlässigen Einführen des Schwerts typischerweise vorderseitig aufgebogene, metallische Lamellenpaar eingeführt und drückt dabei die gegenüberliegenden Lamellen des Lamellenpaars elastisch auseinander. Die beiden Lamellen drücken dann bei zwischen ihnen eingestecktem Stecker aufgrund ihrer elastischen Rückstellkraft von beiden Seiten auf das Schwert und stellen die kraftschlüssige - und damit wieder lösbare - elektrische Verbindung zum Schwert her.
Bedingt durch die Anforderung nach einer lösbaren Verbindung können an solchen Steckverbindungen degradationsinduzierte Effekte auftreten, welche zu einer Verschlechterung der elektrischen Verbindung zwischen Schwert und Lamellenpaar(en) durch einen erhöhten Übergangswiderstand oder einen sich lösenden Kontakt führen können. Solche Degradationseffekte können ein -z.B. durch eine Relativbewegung der beiden Steckverbindungselemente aufgrund äußerer mechanischer Beanspruchungen bewirktes - Verringern der Kontaktkraft zwischen Schwert und Lamellenpaar, eine Bildung isolierender Schichten (z.B. Oxidschichten) in der Kontaktzone, eine durch lokal hohe Stromflüsse in der Kontaktzone bewirkte Fehlerbildung, usw. umfassen. Diese Phänomene bewirken typischerweise einen erhöhten Übergangswiderstand, der wiederum zu einem thermischen Ereignis wie z.B. Lichtbögen, einem Verschweißen von Schwert und Lamellenpaar oder sogar zu einem Ab- oder Durchbrennen des Schwerts oder des Lamellenpaars oder sogar zur Zerstörung der ganzen Steckverbindung, z.B. durch Schmelzen der Gehäuse, führen kann.
Ein weiterer Nachteil von Steckverbindungen besteht darin, dass bei Steckverbindungen zusätzliche Anforderungen an die maximal zulässigen Steckkräfte hinzukommen, welche stärkere Kontaktkräfte verhindern, dadurch insbesondere die elektrischen Kontakteigenschaften limitieren und somit die Steckverbindungen besonders anfällig für degradationsinduzierte Ausfälle machen.
Die obigen Phänomene sind besonders kritisch bei der Versorgung von sicherheitsrelevanten Verbrauchern oder Funktionen über eine Steckverbindung, speziell bei Fahrzeugen. Um eine Verfügbarkeit von sicherheitsrelevanten Verbrauchern sicherzustellen, gibt es drei Möglichkeiten, die auch kombiniert werden können: die Steckverbindung wird besonders zuverlässig bzw. robust gestaltet, die Stromversorgungspfade für die sicherheitsrelevanten Verbraucher werden redundant ausgelegt und/oder es wird ein Diagnosekonzept zur Überwachung eines Gesundheitszustands des Stromversorgungspfads, der die Steckverbindung aufweist, bereitgestellt. Zur robusten Gestaltung einer Steckverbindung ist es derzeit in Fahrzeugen bekannt, diese entweder auf Kontaktebene mithilfe von Materialbeschichtungen oder auf Architekturebene mithilfe konstruktiver Ansätze (Clips, dämpfende Tüllen usw.) vor Degradation geschützt werden.
DE 10 2018 215 879 A1 offenbart eine Steckverbindung mit einer Steckbuchse und einem in diese lösbar gesteckten Stecker, mehreren elektrisch leitfähigen Kontaktauflagen und Federkontakten, wobei die Federkontakte in zumindest eine erste und zweite Gruppe unterteilt sind, wobei in einem ersten Zustand die Federkontakte der ersten Gruppe mit ihren zugeordneten Kontaktauflagen in Kontakt sind und die Federkontakte der zweiten Gruppen an zumindest einem Anschlag anliegen und mit ihren zugeordneten Kontaktauflagen nicht in Kontakt sind; Auslösemitteln, welche beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur bewirken, dass die Federkontakte der zweiten Gruppe den zumindest einen Anschlag überwinden und in einem zweiten Zustand mit ihren zugeordneten Kontaktauflagen in Kontakt kommen. Darüber hinaus ist ein Kraftfahrzeug mit solch einer Steckverbindung offenbart.
Ferner ist ein Bimetallelement als bewegliches Teil eines elektrischen Kontakts bekannt, wobei das Bimetallelement sich mit Erreichen einer Grenztemperatur so weit verbiegt, dass der elektrische Kontakt geöffnet wird. Mögliche Anwendungen davon sind Schutzunterbrechungen von Stromversorgungsleitungen und Thermosensoren.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Steckverbindung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Robustheit aufweist.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Steckverbindung, aufweisend ein erstes Steckverbindungselement mit einem Steckergehäuse, in dem mindestens ein Schwert untergebracht ist, und ein zweites Steckverbindungselement mit einem Buchsengehäuse, in dem mindestens eine Buchse in Form eines Lamellenpaars untergebracht ist, welches Lamellenpaar zur steckenden Aufnahme eines jeweiligen Schwerts des ersten Steckverbindungselements ausgebildet ist, wobei die Steckverbindung mindestens ein Bauelement („Sicherungselement“) in Form eines bimetallischen Sicherungselements aufweist.
Diese Steckverbindung weist den Vorteil auf, dass das Sicherungselement eine zusätzliche mechanische Funktion bereitstellen kann, welche die operative Zuverlässigkeit erhöht. Weil ein erhöhter Übergangswiderstand zwischen Schwert und Lamellenpaar bei Degradation des Kontakts mit einer erhöhten Temperatur einhergeht, verformt sich das bimetallische Sicherheitselement temperaturabhängig und kann so auf den Kontakt zwischen Schwert und Lamellenpaar derart einwirken, dass dieser wieder verbessert wird. Dadurch wiederum kann eine Zuverlässigkeit einer Stromleitung durch die Steckverbindung und damit einer Stromversorgung insbesondere von sicherheitsrelevanten Verbrauchern gesteigert werden. Unter Umständen kann sogar auf das Vorsehen redundanter Stromversorgungspfade und/oder aufwändiger Diagnosesysteme und Messtechniken verzichtet werden.
Unter einem bimetallischen Element kann insbesondere ein Metallstreifen verstanden werden, der aus zwei übereinander liegenden Schichten unterschiedlicher Metalle mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Die beiden Schichten sind miteinander z.B. stoffschlüssig oder durch formschlüssiges Material verbunden. Aufgrund der der verwendeten Metalle dehnt sich bei einer Temperaturänderung eine der Schichten stärker aus als die andere, wodurch sich der Metallstreifen biegt. Als Metalle können beispielsweise Zink, Messing, Eisen oder eine Legierung davon (z.B. Stahl oder Invar verwendet werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass das bimetallische Sicherungselement in Form eines länglichen Streifens vorliegt.
Es ist eine Weiterbildung, dass das bimetallische Sicherungselement während typischer Temperaturen bei einer Montage oder bei einem Service (z.B. in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 30 °C) oder während typischer Temperaturen im Betrieb des Fahrzeugs ohne Fehlerstelle (z.B. in einem Temperaturbereich zwischen -35 °C einerseits und 40 °C und 60 °C) eine Normal- oder Grundform annimmt, insbesondere dann weitgehend geradlinig ist oder eine bestimmte „normale“ Krümmung aufweist. Temperaturen in den obigen Temperaturbereichen können auch als „Normaltemperaturen“ bezeichnet werden. Es ist eine Weiterbildung, dass Temperaturen oberhalb von ca. 80°C in der Regel nicht mehr unter die Normaltemperaturen fallen, jedoch ist dies nicht zwingend, und es können z.B. in einem Motorraum auch Normaltemperaturen von bis zu 120 °C und mehr typischerweise eingenommen werden.
Ist in dem zweiten Steckverbindungselement kein Käfig vorhanden, wird unter dem „Buchsengehäuse“ insbesondere das typischerweise aus Kunststoff bestehende (Außen-)Gehäuse verstanden. Ist ein metallischer Käfig, aber kein Außengehäuse aus Kunststoff vorhanden, wird unter dem „Buchsengehäuse“ insbesondere der Käfig verstanden. Sind sowohl ein Außengehäuse aus Kunststoff als auch darin angeordnet ein Käfig vorhanden, kann unter dem „Buchsengehäuse“ sowohl das Außengehäuse als auch der Käfig verstanden werden.
Dass in dem Buchsengehäuse mindestens eine Buchse in Form mindestens eines Lamellenpaars untergebracht ist, das zur steckenden Aufnahme eines jeweiligen Schwerts ausgebildet ist, kann sowohl umfassen, dass mindestens ein Schwert jeweils mehrere Lamellenpaare kontaktiert als auch, dass pro Schwert ein Lamellenpaar kontaktiert wird.
Es ist eine Weiterbildung, dass das erste Steckverbindungselement mindestens ein bimetallisches Sicherungselement aufweist.
Es ist eine alternative oder zusätzliche Weiterbildung, dass das zweite Steckverbindungselement mindestens ein bimetallisches Sicherungselement aufweist.
Es ist eine alternative oder zusätzliche Weiterbildung, dass das mindestens eine Sicherungselement ein eigenständiges Sicherungselement ist, das beim Stecken der beiden Steckverbindungselemente dazwischen einsetzbar ist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine bimetallische Sicherungselement bei Erwärmung seine Form so ändert bzw. sich so verformt, insbesondere verbiegt, dass sich dadurch ein Kontaktzustand zwischen dem Schwert und dem Lamellenpaar verändert. Dies ergibt den Vorteil, dass auf eine durch Degradation am Kontakt zwischen Schwert und Lamellenpaar bewirkte Wärmeentwicklung, die sich zumindest teilweise auf das Sicherungselement überträgt, durch eine Änderung des Kontaktzustands bzw. der Kontaktbedingungen reagiert werden kann, wodurch sich danach ein Kontakt ohne oder zumindest mit geringerer Degradation ergibt. Die Formänderung ist eine inhärente Eigenschaft des bimetallischen Sicherungselements, die durch seine körperliche Gestalt und seine Materialzusammensetzung festgelegt sind.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Kontaktzustand eine Lage des Schwerts in dem Lamellenpaar ist und das mindestens eine Sicherungselement bei Erwärmung seine Form so ändert, dass sich ein Abstand des ersten Steckverbindungselements zu dem zweiten Steckverbindungselement bzw. sich eine relative Position des Schwerts zu dem Lamellenpaar ändert. Dies ergibt den Vorteil, dass die Andrückkraft des Lamellenpaars nicht verändert zu werden braucht. Vielmehr wird die das Lamellenpaar kontaktierende Kontaktfläche des Schwerts relativ zu dem Lamellenpaar verschoben, so dass eine mögliche Beeinträchtigung des Übergangswiderstands aufgrund von Fehlern in der Kontaktfläche des Schwerts durch Nutzung einer „frischen“ Kontaktfläche am Schwert beseitigt werden können.
Es ist eine Ausgestaltung, dass mindestens ein bimetallisches Sicherungselement an dem Schwert und einer der Lamellen des Lamellenpaars formänderbar angeordnet ist. Dies umfasst insbesondere, dass das bimetallische Sicherungselement bei Erwärmung seine Form ändern kann, sich insbesondere biegen kann. Ferner ist insbesondere umfasst, dass das bimetallische Sicherungselement an zumindest einer Stelle an dem Schwert ortsfest angebracht ist (d.h., dass sich an zumindest dieser Stelle (auch als „Anlenkpunkt“ bezeichenbar") das bimetallische Sicherungselement bei Erwärmung nicht relativ zu dem Schwert verschiebt) und an zumindest einer Stelle zumindest einer Stelle der Lamellen angebracht ist (d.h., dass sich an zumindest dieser Stelle das bimetallische Sicherungselement bei Erwärmung nicht relativ zu dem der Lamelle verschiebt). Dies kann auch so ausgedrückt werden, dass sich das bimetallische Sicherungselement an dem Schwert und an der Lamelle abstützt. Diese Ausgestaltung ergibt den Vorteil, dass sich bei merklicher Erwärmung beispielsweise aus der Normaltemperatur heraus, z.B. bei Bildung einer Fehlerstelle, das bimetallische Sicherungselement entsprechend stark verbiegt und dadurch über die Anlenkpunkte eine Kraft entlang der Einsteckrichtung ausübt, welche das Schwert und die Lamelle relativ entlang der Einsteckrichtung verschiebt.
Unter einer Ausübung einer Kraft „entlang einer Einsteckrichtung“ kann eine Ausübung einer Kraft „gegen die Einsteckrichtung“ verstanden werden, welche das Schwert weiter aus den Lamellen herausdrückt bzw. die beiden Gehäuse weiter auseinanderbewegt. Unter einer Ausübung einer Kraft „entlang einer Einsteckrichtung“ kann aber auch eine Ausübung einer Kraft „in Einsteckrichtung“ verstanden werden, welche das Schwert weiter in die Lamelle(n) einführt bzw. die beiden Gehäuse weiter zusammenführt.
Die ortsfeste Anbringung kann durch Stoffschluss (z.B. Verschweißen), Formschluss (z.B. Vorsehen eines Anschlags oder Vernietung) und/oder Kraftschluss erreicht werden (z.B. durch Klemmen).
Es ist eine Weiterbildung, dass das bimetallische Sicherungselement in Form eines länglichen Streifens vorliegt, der mittig an dem Schwert ortsfest angebracht ist. Sein Anlenkpunkt mit dem Schwert befindet sich somit in der Mitte des Streifens. Dort kann das bimetallische Sicherungselement z.B. angeschweißt, angeklemmt oder angenietet sein. An der dieser Seite des Schwerts gegenüberliegenden bzw. der diese Seite kontaktierenden Lamelle liegt das bimetallische Sicherungselement in einer Weiterbildung locker auf, d.h., dass die Lamelle als (formschlüssiger) Anschlag dient, und sich das bimetallische Sicherungselement somit von der Lamelle abheben kann. So wird der Vorteil einer herstellungstechnisch einfachen Umsetzung sowie einer zuverlässigen und gut einstellbaren Kraftaufbringung, insbesondere auch bei merklicher Erwärmung über die Normaltemperatur hinaus, erreicht. Die Kraftaufbringung kommt im vorliegenden Fall dadurch zustande, dass sich das bimetallische Sicherungselement bei Erwärmung z.B. durch eine Fehlerstelle in Richtung der Lamelle biegt bzw. krümmt, so dass seine beiden Enden in Kontakt mit der Lamelle bleiben und sich bei der Verbiegung lediglich quer zu der Einsteckrichtung an der Lamelle verschieben, wenn überhaupt. Dadurch werden über die beiden Enden auf die Lamelle und über die Mitte auf das Schwert Kräfte in unterschiedlichen Richtungen aufgebracht, welche den Anlenkpunkt an dem Schwert von der Lamelle weg verschieben und damit auch die Fehlerstelle aus dem elektrischen Kontaktbereich zwischen Schwert und Lamelle. Sinkt z.B. aufgrund der Entfernung der Fehlerstelle aus dem elektrischen Kontaktbereich die Temperatur des bimetallischen Sicherungselements wieder, heben dessen Enden von der Lamelle ab, und das Schwert bleibt in seiner zu der Lamelle relativ verschobenen Position.
Es ist eine Weiterbildung, dass mindestens ein bimetallisches Sicherungselement an genau einer Seite des Schwerts angeordnet ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass jeweils mindestens ein bimetallisches Sicherungselement an beiden Seiten des Schwerts angeordnet ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass das mindestens eine bimetallische Sicherungselement bei Sicht in Einsteckrichtung vor der Lamelle angeordnet ist. Diese Weiterbildung ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders einfache Steckung, da das bimetallische Sicherungselement nicht durch die Lamelle durchgeschoben zu werden braucht. Bei dieser Weiterbildung werden bei Erwärmung des bimetallischen Sicherungselements die beiden zugehörigen Gehäuse auseinandergedrückt.
Es ist eine Weiterbildung, dass das mindestens eine bimetallische Sicherungselement bei Sicht in Einsteckrichtung hinter der Lamelle angeordnet ist. Diese Weiterbildung ermöglicht es, dass bei Erwärmung des bimetallischen Sicherungselements das Schwert weiter eingeschoben wird und damit die beiden zugehörigen Gehäuse weiter zusammengedrückt werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass das mindestens eine bimetallisches Sicherungselement zwischen dem Steckergehäuse und dem Buchsengehäuse angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, bei Erwärmung bzw. Temperaturerhöhung seine Form (insbesondere aus der Normalform heraus) so zu ändern, sich insbesondere so zu verbiegen, dass sich eine Krafterhöhung auf die Gehäuse entlang der Einsteckrichtung ergibt. So wird der Vorteil erreicht, dass sich das erste Steckverbindungselement und das zweite Steckverbindungselement gegeneinander entlang der Steckrichtung verschieben und dadurch auch das Schwert relativ zu dem Lamellenpaar verschoben wird.
Es ist eine Weiterbildung, dass mehrere Sicherungselemente zwischen dem Steckergehäuse und dem Buchsengehäuse angeordnet sind, was vorteilhafterweise eine besonders zuverlässige Relativbewegung der Gehäuse zueinander ermöglicht, insbesondere deren Verkantung zueinander vermeidet.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine Sicherungselement zwischen dem Steckergehäuse und dem Buchsengehäuse angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, bei Erwärmung seine Form so zu ändern, dass es eine Kraft auf die Gehäuse gegen die Einsteckrichtung ausübt. Dadurch werden die beiden Gehäuse zumindest teilweise auseinandergedrückt. Das Schwert wird dann entsprechend zumindest teilweise aus dem mindestens einen Lamellenpaar herausgezogen.
Es ist eine Weiterbildung, dass das mindestens eine Sicherungselement dazu eingerichtet ist, bei Erwärmung auf seine Umwandlungstemperatur seine Form so weit zu ändern, dass das Schwert von dem Lamellenpaar getrennt wird. Dies ergibt den Vorteil, dass eine Zerstörung der Steckverbindung besonders zuverlässig verhinderbar ist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Kontaktzustand ein Anpressdruck (auch als Kontaktdruck bezeichenbar) zwischen dem Schwert und dem mindestens einen Lamellenpaar ist und das mindestens ein Sicherungselement dazu eingerichtet ist, bei Erwärmung seine Form (insbesondere ausgehend von der Normal- oder Grundform) so zu ändern, dass der Anpressdruck bzw. die zugehörige Anpresskraft senkrecht zur Kontaktfläche erhöht wird. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass ein durch Degradation bewirkter lockererer Kontakt oder eine durch Degradation bewirkte reduzierte Kontaktfläche durch den erhöhten Anpressdruck und damit die erhöhte Normalkraft zwischen den Lamelle(n) und dem Schwert zumindest teilweise wieder ausgeglichen werden kann.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Schwert ein gespaltenes Schwert ist, dessen beide Klingen im gesteckten Zustand eine jeweilige Lamelle des mindestens einen Lamellenpaars kontaktieren und zwischen beiden Klingen mindestens ein bimetallisches Sicherungselement angeordnet ist, das dazu eingerichtet ist, die Klingen mit steigender Temperatur (weiter) auseinanderzudrücken. Zusätzlich wird vorteilhafterweise der Kontaktpunkt aufgrund der gebogenen Lamellenform verändert. Dies ist besonders kompakt umsetzbar. Dabei ist es zweckmäßig, wenn sich die Klingen zumindest bei typischen Montagetemperaturen zwischen 20 °C und 30 °C zwischen die Lamellen des Lamellenpaars einbringen lassen. Dies kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Abstands zwischen den Klingen in Bezug zu einer aufgebogenen Form der Lamellen an ihrem vorderen Rand erreicht werden.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine Sicherungselement als Federelement ausgebildet ist. Dies ergibt unter anderem den Vorteil, dass die Funktion von Schwert und/oder Lamellenpaar nur geringfügig bis praktisch nicht beeinträchtigt wird.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Energiebordnetz für Fahrzeuge, das mindestens eine solche Steckverbindung aufweist. Das Energiebordnetz kann analog zu der Steckverbindung ausgebildet sein und weist die gleichen Vorteile auf.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Energiebordnetz einen elektrischen Stromversorgungspfad aufweist, der an zumindest einem Ende eine solche Steckverbindung aufweist. Dazu kann beispielsweise ein Kabel vorgesehen sein, das an zumindest einem Ende das erste oder das zweite Steckverbindungselement aufweist. Speziell kann der Stromversorgungspfad einen Stromverteiler mit einem elektrischen Verbraucher verbinden, insbesondere einen sicherheitsrelevanten elektrischen Verbraucher wie eine elektrisch angetriebene Servolenkung, ein elektrisches Bremssystem usw.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Fahrzeug mit einem solchen Energiebordnetz. Das Fahrzeug kann einen Verbrennungsmotor aufweisen, einen Hybridantrieb aufweisen oder kann ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug sein. Das Fahrzeug kann insbesondere ein autonom fahrendes Fahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein oder mehrere sog. „x-by-wire“-Systeme verwenden, z.B. ein Brake-by-wire-System, was eine sog. sichere bzw. redundante Energieversorgung mit sehr hoher Zuverlässigkeit benötigt. Jedoch ist die Steckverbindung nicht auf Fahrzeuge beschränkt, sondern kann für alle Arten von Energieversorgungssystemen verwendet werden, bei denen hochverfügbare Stromversorgungspfade wünschenswert sind, z.B. in den Bereichen Industrie, Schifffahrt, Raumfahrt, Medizintechnik, usw.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.

1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Steckverbindung nach dem Stand der Technik in ihrem gesteckten Zustand;
2 zeigt in Draufsicht eine Skizze eines Ausschnitts einer Steckverbindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im anfänglich gesteckten Zustand vor merklicher temperaturbedingter Biegung eines bimetallischen Sicherungselements;
3 zeigt in einer zu 2 analogen Ansicht die Steckverbindung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei merklicher temperaturbedingter Verformung des Sicherungselements;
4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze der Steckverbindung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in ihrem anfänglich gesteckten Zustand analog zu 2;
5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze der Steckverbindung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei merklicher temperaturbedingter Verformung des Sicherungselements analog zu 3;
6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Steckverbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in ihrem anfänglich gesteckten Zustand;
7 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze der Steckverbindung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bei merklicher temperaturbedingter Verformung des Sicherungselements;
8 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze der Steckverbindung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bei noch stärkerer temperaturbedingter Verformung des Sicherungselements;
9 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Steckverbindung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in ihrem anfänglich gesteckten Zustand;
10 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze der Steckverbindung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel bei merklicher temperaturbedingter Verformung des Sicherungselements.

1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Steckverbindung 100 nach dem Stand der Technik in ihrem gesteckten Zustand. Die Steckverbindung 100 weist ein erstes Steckverbindungselement 101 mit einem Steckergehäuse 102 auf, in dem ein metallisches Schwert 103 untergebracht ist. Die Steckverbindung 100 weist außerdem ein zweites Steckverbindungselement 104 mit einem Buchsengehäuse 105 auf, in dem eine Buchse in Form eines metallischen Lamellenpaars 106 untergebracht ist. Das Buchsengehäuse 105 ist hier rein beispielhaft als ein Außengehäuse aus Kunststoff skizziert, wobei das Lamellenpaar 106 alternativ oder zusätzlich von einem vorderseitig offenen metallischen Käfig 108 als dem Buchsengehäuse umgeben sein kann.
Im gesteckten Zustand steckt das Schwert 103 zwischen den beiden Lamellen 107 des Lamellenpaars 106. Die Lamellen 107 sind beim Einstecken des Schwerts 103 elastisch aufgebogen worden und über aufgrund der elastischen Rückfederung jeweils eine zueinander entgegengesetzte Federkraft auf das Schwert 103 auf, die zumindest ungefähr der Anpresskraft F auf das Schwert 103 in Normalenrichtung der Kontaktfläche entspricht.
2 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Steckverbindung 10, die als Schnittdarstellung in Seitenansicht auch in 4 gezeigt ist. Bezug nehmend auf diese beiden Figuren weist die Steckverbindung 10 einen ähnlichen Grundaufbau wie die Steckverbindung 100 auf, wobei jedoch nun zusätzlich ein bimetallisches Sicherungselement in Form eines Bimetallstreifens 11 vorhanden ist.
Der Bimetallstreifen 11 weist hier zwei entlang seiner Längsrichtung ausgerichtete, übereinanderliegende Schichten 11 a und 11b auf, die aus unterschiedlichen Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, die miteinander stoffschlüssig oder durch formschlüssiges Material verbunden sind. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnt sich eine der Schichten 11a, 11b mit steigender Temperatur stärker aus als die andere, wodurch sich der Bimetallstreifen 11 biegt, wie in 3 und 5 angedeutet.
Der Bimetallstreifen 11 ist bei Sicht in Einsteckrichtung E vor der Lamelle 107 bzw. vor dem Kontaktbereich zwischen Lamelle 107 und Schwert 103 angeordnet. Der Bimetallstreifen 11 ist ferner bezüglich seiner Längserstreckung quer zu der Einsteckrichtung E angeordnet, und zwar so, dass er im Bereich seiner Mitte lokal über einen Anlenkpunkt 12 an dem Schwert 103 angebracht ist, insbesondere stoffschlüssig, z.B. durch Verschwei-ßen, insbesondere an einem Schweißpunkt, und/oder form- und/oder kraftschlüssig, z.B. durch Vernieten oder Klemmen. Dadurch ist der Bimetallstreifen 11 außerhalb des Anlenkpunkts 12 relativ zu dem Schwert 103 beweglich.
Ferner stützt sich der Bimetallstreifen 11 hier an einer der Lamellen 107 ab, die also als Anschlag dient und ggf. speziell dazu ausgestaltet sein kann, z.B. Vertiefungen, Rillen oder Taschen aufweisen kann. Bei Biegung des Bimetallstreifens 11 in Richtung der Lamelle 107 bleibt er mit seinen beiden Enden in Kontakt mit der Lamelle 107 und drückt damit gegen sie. Dadurch wiederum werden Schwert 103 und Lamelle 107 auseinandergedrückt, so dass der Bimetallstreifen 11 das Schwert 103 gegen die Einsteckrichtung E relativ zu den Lamellen 107 verschiebt. Das Schwert 103 wird somit entsprechend einer durch die Temperaturänderung ΔT vorgegebenen Strecke s (ΔT) aus den Lamellen 107 herausgezogen.
Wie in 2 und 3 angedeutet, wird dadurch eine Defekt- bzw. Fehlerstelle D an dem Schwert 103 um die gleiche Strecke s verschoben und aus dem Kontaktbereich zwischen Schwert 103 und Lamellen 107 entfernt. Dabei wird ausgenutzt, dass mit einem Stromfluss durch die im Kontaktbereich befindliche Fehlerstelle D typischerweise eine merkliche Temperaturerhöhung verbunden ist, und zwar auch am Ort des Bimetallstreifens 11. Dadurch biegt sich der Bimetallstreifen 11 so stark, dass die Fehlerstelle D durch Verschiebung des Schwerts 103 aus dem Kontaktbereich entfernt wird. Der elektrische Kontakt zwischen Schwert 103 und Lamellen 107 bleibt jedoch bestehen, da nun ein anderer Flächenbereich des Schwerts 103, der keine Fehlerstelle D aufweist, die zugehörige Kontaktfläche bildet.
Sinkt folgend die Temperatur im Kontaktbereich wieder, verringert sich auch die des Bimetallstreifens 11, wodurch dessen Biegung des Bimetallstreifens 11 geringer wird. Da der Bimetallstreifen 11 nicht fest an der Lamelle 107 angebracht ist, sondern dort nur locker aufgestützt ist bzw. aufliegt, hebt er dann von der Lamelle 107 ab, so dass das Schwert 103 in der zu der Lamelle 107 bzw. dem Lamellenpaar 106 relativ verschobenen Position verbleibt. Damit wird auch die Fehlerstelle D dauerhaft aus dem Kontaktbereich entfernt.
Mit der Verschiebung des Schwerts 103 relativ zu den Lamellen 107 werden auch das Steckergehäuse 102 und das Buchsengehäuse 105 auseinander gedrückt bzw. bewegt. Um die Verschiebung aufgrund des Vorhandenseins der Fehlerstelle D durch einfache optische Inspektion erkennen zu können, kann optional an dem Steckergehäuse 102 und/oder an dem Buchsengehäuse 105 eine optisch (z.B. farblich) auffällige Markierung 13 vorhanden sein. Gezeigt ist beispielhaft eine Variante, bei der die Markierung 13 an einem außenseitigen Randbereich des Steckergehäuses 102 vorhanden ist und dann, wenn sich der Bimetallstreifen 11 nicht merklich verbogen hat, durch das Buchsengehäuse 105 verdeckt ist, wie in 4 gezeigt. Hat sich der Bimetallstreifen 11 jedoch merklich verbogen, liegt die Markierung 13 zumindest teilweise frei, wie in 5 gezeigt, und kann einfach optisch erkannt werden.
Alternativ kann der Bimetallstreifen 11 bei Sicht in Einsteckrichtung E hinter der Lamelle 107 bzw. hinter dem Kontaktbereich zwischen Lamelle 107 und Schwert 103 angeordnet sein (o. Abb.). In diesem Fall wird das Schwert 103 bei Erwärmung in Einsteckrichtung E weiter in das Lamellenpaar 106 eingeschoben. Auch dadurch können durch Degradation erzeugte Fehlerstellen D im Schwert 107 an der ursprünglichen Kontaktfläche aus dem Kontaktbereich mit den Lamellen 107 entfernt werden. Mit einer solchen Verschiebung des Schwerts 103 relativ zu den Lamellen 107 bzw. dem Lamellenpaar 106 werden das Steckergehäuse 102 und das Buchsengehäuse 105 zusammengedrückt bzw. weiter aufeinander zubewegt.
6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Steckverbindung 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in ihrem gesteckten Zustand mit mindestens einem schematisch dargestellten bimetallischen Sicherungselement 21 bei üblichen Normaltemperaturen ohne Durchleitung eines elektrischen Stroms. Das optional als Federelement ausgebildete mindestens eine Sicherungselement 21 ist nun zwischen dem Steckergehäuse 102 des ersten Steckverbindungselements 101 und dem Buchsengehäuse 105 des zweiten Steckverbindungselements 104 angeordnet, und zwar so dass es sich an beiden Gehäusen 102, 105 abstützen. Das Sicherungselement 21 kann beispielsweise federförmige ausgestaltet sein, z.B. zylinderförmig oder vergleichbar einem Federring.
Das mindestens eine Sicherungselemente 21 kann in das Steckergehäuse 102 integriert sein, in das Buchsengehäuse 105 integriert sein oder als eigenständiges Bauteil vorliegen.
Vorliegend weist das Schwert 103 eine im Kontakt mit mindestens einer der Lamellen 107 stehende Fehlerstelle D auf.
7 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze der Steckverbindung 20 bei merklicher temperaturbedingter Verformung des mindestens einen bimetallischen Sicherungselements 21. Diese merkliche temperaturbedingte Verformung ist hier durch eine Temperaturerhöhung an der Fehlerstelle D bei Stromfluss durch Schwert 103 und Lamellenpaar 106 erzeugt worden.
Mit der Erhöhung der Temperatur hat sich das mindestens eine Sicherungselement 51 entlang der Einsteckrichtung E gebogen, so dass es die Gehäuse102, 105 auseinanderdrückt. Folglich wird das Schwert 103 aus dem Lamellenpaar 106 herausgezogen, verbleibt aber noch in Kontakt damit, jedoch so, dass die Fehlerstelle D nun außerhalb des Kontaktbereichs liegt. Die neue Kontaktfläche des Schwerts 103 am Kontaktbereich weist vorteilhafterweise weniger oder ggf. sogar keine Fehlerstellen D auf.
8 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze der Steckverbindung 20, die ggf. eine Variante der in 6 und 7 gezeigten Steckverbindung 20 darstellen kann. Hierbei ist mindestens ein bimetallisches Sicherungselement 21 so eingerichtet, dass es sich bei einer ausreichend großen Temperaturerhöhung so stark biegt, dass das Schwert 103 ganz aus dem mindestens einen zugehörigen Lamellenpaar 106 ausgleitet und dadurch der Kontakt dazwischen unterbrochen wird. Vorteil davon ist, dass das der Temperaturerhöhung zugrundeliegende thermische Ereignis unterbunden wird. Noch ein Vorteil besteht darin, dass die so abgesteckte Verbindung optisch einfach zu erkennen ist.
9 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Steckverbindung 30, die einen zu der Steckverbindung 100 ähnlichen Grundaufbau aufweist.
Im Gegensatz zu dem ersten Steckverbindungselement 101 weist die Steckverbindung 30 ein erstes Steckverbindungselement 31 auf, das in seinem Steckergehäuse 102 ein gespaltenes Schwert 32 aufweist, zwischen dessen beiden auseinanderlaufenden Klingen 33 ein insbesondere als Federelement ausgeführtes bimetallisches Sicherungselement 34 angeordnet ist. Das Lamellenpaar 106 ist so dimensioniert, dass sich das Schwert 32 problemlos einstecken lässt. Im eingesteckten Zustand drücken die Klingen 34 auf die Innenseiten jeweilig kontaktierter Lamellen 107.
Selbstverständlich können anstelle des einen Sicherungselements 34 auch mehrere Sicherungselemente 34 in Reihe und/oder nebeneinander zwischen den Klingen 33 angeordnet sein.
Das Sicherungselement 34 kann hier beispielsweise als ein Bimetallstreifen ausgebildet sein, der quer (alternativ: längs) zu der Einsteckrichtung E zwischen den beiden Klingen 33 angeordnet ist, an einer der Klingen 23 befestigt (z.B. angeschweißt) ist und sich bei Erwärmung in Richtung der jeweils anderen Klinge 33 umbiegt.
10 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze der Steckverbindung 30 mit dem bimetallischen Sicherungselement 34 in einem im Vergleich zu 9 thermisch stärker gebogenen Zustand. Durch die thermisch bedingte stärkere Biegung hat sich das Sicherungselement 34 in Richtung zwischen den Klingen 34 ausgedehnt, so dass es die Klingen 34 nun (stärker) auseinanderdrückt in 9 gezeigt. Dadurch wird die Kontaktkraft zwischen den Klingen 34 und den jeweiligen Lamellen 107 erhöht. Zusätzlich wird vorteilhafterweise der Kontaktbereich aufgrund der gebogenen Lamellenform verändert.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So können die verschiedenen Ausführungsformen auch kombiniert werden. Beispielsweise kann das Sicherungselement 61 auch in den Steckverbindungen 10, 20, 30, 40 und 50 verwendet werden. Ferner kann z.B. das Schwert 33 der Steckverbindung 30 zusammen mit den Steckverbindungen 10, 20 und 40 verwendet werden, usw.
Auch kann in 2 bis 15 anstelle des Außengehäuses 105 oder zusätzlich dazu ein Käfig 108 funktional gleichwertig zu dem Außengehäuse 105 verwendet werden.
Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

10: Steckverbindung
11: Bimetallisches Sicherungselement
11 a: Schicht des bimetallischen Sicherungselements
11 b: Schicht des bimetallischen Sicherungselements
12: Anlenkpunkt
13: Markierung
20: Steckverbindung
21: Bimetallisches Sicherungselement
30: Steckverbindung
31: Erstes Steckverbindungselement
32: Schwert
33: Klinge
34: Bimetallisches Sicherungselement
100: Steckverbindung
101: Erstes Steckverbindungselement
102: Steckergehäuse
103: Schwert
104: Zweites Steckverbindungselement
105: Buchsengehäuse
106: Lamellenpaar
107: Lamelle
108: Käfig
D: Fehlerstelle
E: Einsteckrichtung
F: Anpresskraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018215879 A1 [0007]

Claims

Elektrische Steckverbindung (10; 20; 30), aufweisend ein erstes Steckverbindungselement (31; 101) mit einem Steckergehäuse (102), in dem mindestens ein Schwert (32; 103) untergebracht ist, und ein zweites Steckverbindungselement (104) mit einem Buchsengehäuse (105), in dem mindestens eine Buchse in Form mindestens eines Lamellenpaars (106) untergebracht ist, welches mindestens eine Lamellenpaar (106) zur steckenden Aufnahme eines jeweiligen Schwerts (32; 103) des ersten Steckverbindungselements (31; 101) ausgebildet ist, wobei die Steckverbindung (10; 20; 30) mindestens ein bimetallisches Sicherungselement (11; 21; 34) aufweist.
Elektrische Steckverbindung (10; 20; 30) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Sicherungselement (11; 21; 34) bei Erwärmung seine Form so ändert, dass sich dadurch ein Kontaktzustand zwischen dem Schwert (32; 103) und dem Lamellenpaar (106) verändert.
Elektrische Steckverbindung (10; 20) nach Anspruch 2, wobei der Kontaktzustand eine Lage des Schwerts (103) in dem Lamellenpaar (106) ist und das mindestens eine Sicherungselement (11; 21) bei Erwärmung seine Form so ändert, dass sich ein Abstand des ersten Steckverbindungselements (102) zu dem zweiten Steckverbindungselement (105) ändert.
Elektrische Steckverbindung (10) nach Anspruch 3, wobei mindestens ein bimetallisches Sicherungselement (11) an dem Schwert (103) und einer der Lamellen (107) formänderbar angeordnet ist und sich an dem Schwert (103) und dieser Lamelle (107) abstützt.
Elektrische Steckverbindung (10) nach Anspruch 4, wobei das bimetallische Sicherungselement (11) - in Form eines länglichen Streifens (11a, 11b) vorliegt, der quer zu einer Einsteckrichtung (E) ausgerichtet ist, - mittig an dem Schwert (103) ortsfest angebracht ist, - an der Lamelle (107) locker aufliegt und - sich bei Erwärmung in Richtung der Lamelle (107) biegt.
Elektrische Steckverbindung (10) nach Anspruch 4, wobei das bimetallische Sicherungselement (11) bei Blick in Einsteckrichtung (E) vor oder hinter einem Kontaktbereich zwischen dem Schwert (103) und der Lamelle (107) angeordnet ist.
Elektrische Steckverbindung (20) nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Sicherungselement (21) zwischen dem Steckergehäuse (102) und dem Buchsengehäuse (105) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, bei Erwärmung entlang der Einsteckrichtung (E) seine Form so zu ändern, dass es die Gehäuse (102, 104) auseinanderdrückt.
Elektrische Steckverbindung (30) nach Anspruch 2, wobei der Kontaktzustand ein Anpressdruck zwischen dem Schwert (32) und dem Lamellenpaar (106) ist und das mindestens eine Sicherungselement (34) dazu eingerichtet ist, bei Erwärmungseine Form so zu ändern, dass der Anpressdruck erhöht wird.
Elektrische Steckverbindung (30) nach Anspruch 8, wobei das Schwert (32) ein gespaltenes Schwert (32) ist, dessen beiden Klingen (33) im gesteckten Zustand eine jeweilige Lamelle (107) des Lamellenpaars (106) kontaktieren und zwischen beiden Klingen (33) mindestens ein bimetallisches Sicherungselement (34) angeordnet ist, das dazu eingerichtet ist, die Klingen (34) bei Erwärmung auseinanderzudrücken.
Elektrische Steckverbindung (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sicherungselement (11; 21; 34) als ein bimetallischer Streifen ausgebildet ist.
Elektrische Steckverbindung (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sicherungselement (11; 21; 34) als ein bimetallischer Streifen ausgebildet ist.
Energiebordnetz für Fahrzeuge, das mindestens eine elektrische Steckverbindung (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Fahrzeug, aufweisend ein Energiebordnetz nach Anspruch 12.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei das Fahrzeug ein vollelektrisch angetriebenes, autonom fahrendes Fahrzeug ist.