DE102022100350A1

DE102022100350A1 - Steckverbinder mit Sensorelement zur Erfassung eines Kriechstroms, Anordnung mit zwei Steckverbindern und Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms in einem Steckverbinder

Info

Publication number: DE102022100350A1
Application number: DE102022100350.7A
Authority: DE
Inventors: Elmar Schaper; Christian Reinhold; Thomas Führer
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Steckverbinder (100, 200) zur Ausbildung einer Steckverbindung in einer Steckrichtung (X), um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, wobei der Steckverbinder (100, 200) ein Isolierstoffgehäuse (101, 201) mit einem Steckabschnitt (102, 202) aufweist, in welchem zur Bildung eines Steckgesichts (103, 203) zumindest ein erstes Kontaktelement (111, 211) und zumindest ein zweites Kontaktelement (112, 212) aufgenommen ist, wobei das zumindest eine erste Kontaktelement (111, 211) und das zumindest eine zweite Kontaktelement (112, 212) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) zumindest ein Sensorelement (121, 221) in dem Isolierstoffgehäuse (101, 201) derart angeordnet und konfiguriert ist, einen Kriechstrom (KS) zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) zu erfassen. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung (300) mit einem ersten Steckverbinder (100) als Ladestecker und mit einem zweiten Steckverbinder (200) als Ladesteckdose sowie ein Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms (KS) in einem Steckverbinder.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektromobilität und betrifft einen Steckverbinder, welcher als Ladesteckdose für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug und welcher als Ladestecker für eine Ladesäule zur Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale ausgebildet ist. Der Steckverbinder weist zumindest ein Sensorelement zur Erfassung eines Kriechstroms zwischen zumindest einem ersten Kontaktelement und zumindest einem zweiten Kontaktelement auf, um eine Überwachung der Isolationsfestigkeit des Steckverbinders gewährleisten und vor allem Isolationsfehler erkennen zu können. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung mit zwei Steckverbindern und ein Verfahren.
Im Bereich der Elektromobilität wird im Rahmen des Ladevorgangs von Akkumulatoren eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs) in der Regel ein standardisierter Steckverbinder in Form eines Ladesteckers zur Ausbildung einer Steckverbindung mit einem standardisierten Steckverbinder in Form einer Ladesteckdose verwendet. Die jeweiligen Steckverbinder können beispielsweise nach der Norm IEC 62196-3-1 spezifiziert sein, welche ferner Gleichstrom-Ladevorgänge für Elektrofahrzeuge mit einem Pilotkontaktelement und einem Kontrollkontaktelement betrifft. Um entsprechende Kompatibilität zur Ausbildung einer Steckverbindung zu gewährleisten, sind Anforderungen an die geometrischen Abmessungen der Steckverbinder, vor allem in Bezug auf das Steckgesicht, normiert und standardisiert. Zudem werden Umweltanforderungen, Luftstrecken, Kriechstrecken und Überspannungskategorien in Normen und Spezifikationen festgelegt.
Isolationsfestigkeiten an elektrischen Komponenten und Bauteilen aus Isolierstoffen werden bei geerdeten Netzen beispielsweise mit Hilfe von Überwachungseinrichtungen geprüft. Allerdings existieren beispielsweise bislang keine praktikablen Lösungen zur Erfassung von Isolationsfehlern zwischen den Potentialen am Minuspol und am Pluspol in Verbindung mit Gleichstrom-Ladesystemen für Elektrofahrzeuge, wohingegen ein Leitungsschutz gefordert wird und vom Hersteller des Ladesystems angegeben werden muss.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Erfassung von Isolationsfehlern und damit in Zusammenhang stehenden Kriechströmen bekannt.
Aus der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 2020/114593 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen des so genannten Leckstroms mit Hilfe von zwei Elektroden bekannt, wobei die Elektroden in einem Leckstrompfad angeordnet sind. Ein Energiespeicher in Form eines Kondensators ist mit den Elektroden elektrisch verbunden, sodass er durch den Leckstrom aufgeladen werden kann. Sobald ein vorbestimmter Spannungswert erreicht ist oder überschritten wird, sendet ein Funkmodul, welches wiederum mit dem Energiespeicher verbunden ist, ein entsprechendes Funksignal.
In der deutschen Offenlegungsschrift Nr. DE 10 2014 219 913 A1 wird eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion beschrieben, um einen Schädigungsgrad von Überspannungselementen zu überwachen. Die Schutzvorrichtung weist eine Parallelschaltung von zwei Stromzweigen auf. Der erste Stromzweig umfasst zwei in Reihe geschaltete Überspannungsschutzeinrichtungen in Form von Teilvaristoren eines Multikontaktvaristors. Der zweite Strom zwei umfasst ebenso zwei in Reihe geschaltete Überspannungsschutzeinrichtungen. Die Überspannungsschutzeinrichtungen weisen jeweils ein entsprechendes Potential auf. Ein erster Messabgriff und ein zweiter Messabgriff ist zur Erfassung einer Spannung zwischen den jeweiligen Überspannungsschutzvorrichtungen vorgesehen, um daraus ein Signal abzuleiten und eine Zustandsaussage in Bezug auf die Überspannungsschutzvorrichtungen bereitzustellen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Steckverbinder zur Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale, vorzugsweise für einen Ladevorgang eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs), bereitzustellen, bei welchem jeweils eine Überwachung der Isolationsfestigkeit und vor allem eine Erfassung von Isolationsfehlern, vorzugsweise zwischen Kontaktelementen zur Übertragung elektrischer Energie in Form von Gleichstrom, gewährleistet ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung mit zwei Steckverbindern und ein Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms in einem Steckverbinder bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 13 und 14 gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele und Anwendungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Die Erfindung betrifft nach einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt einen Steckverbinder zur Ausbildung einer Steckverbindung im Wesentlichen in einer Steckrichtung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, wobei der Steckverbinder ein Isolierstoffgehäuse mit einem Steckabschnitt aufweist, in welchem zur Bildung eines Steckgesichts zumindest ein erstes Kontaktelement und zumindest ein zweites Kontaktelement, aufgenommen ist, wobei das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine zweite Kontaktelement voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement zumindest ein Sensorelement in dem Isolierstoffgehäuse derart angeordnet und konfiguriert ist, einen Kriechstrom zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement zu erfassen.
Das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine zweite Kontaktelement ist vorzugsweise jeweils als ein Lastkontaktelement zur Übertragung elektrischer Energie ausgebildet.
Der Steckverbinder gemäß der vorliegenden Erfindung kann als Ladestecker und/oder als Ladesteckdose ausgebildet sein, welche zur Ausbildung einer Steckverbindung miteinander konfiguriert sind.
Mit der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise ein Steckverbinder bereitgestellt, bei welchem Schäden und vor allem Gefahren durch entstehende Kriechströme vermieden werden können. Ferner kann bei dem Steckverbinder gemäß der vorliegenden Erfindung ein Eintritt und/oder ein Vorhandensein eines Mediums, vorzugsweise eines elektrisch leitenden flüssigen Mediums, erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise die Einleitung einer Abschaltung des Ladevorgangs eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs).
Somit kann beispielsweise das Eindringen von Wasser durch einen Bruch oder Riss des Isolierstoffgehäuses des Steckverbinders erkannt werden. Ebenso kann dadurch beispielsweise auch ein Eindringen von Weichtieren und sonstigen Fremdkörpern erkannt werden.
Das zumindest eine Sensorelement kann derart angeordnet und ausgebildet sein, eine Kanalisierung und/oder eine Zentralisierung des Kriechstroms an einer Oberfläche des Isolierstoffgehäuses herbeizuführen. Vorzugsweise kann das zumindest eine Sensorelement in dem Isolierstoffgehäuse, vorzugsweise in dem Steckabschnitt, an oder auf der geometrisch kürzesten Strecke zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement angeordnet sein.
Dadurch kann ein Auftreten eines Kriechstroms an der Oberfläche des Isolierstoffs zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement optimal durch das zumindest eine Sensorelement erfasst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Sensorelement zumindest abschnittsweise in einem Wandabschnitt des Isolierstoffgehäuses, vorzugsweise zur Begrenzung des Steckabschnitts in der Steckrichtung und/oder vorzugsweise an einer Engstelle, zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement integriert ist, vorzugsweise im Wesentlichen stoffschlüssig und/oder im Wesentlichen kraftschlüssig integriert ist, wobei sich der Wandabschnitt zumindest abschnittsweise in der Steckrichtung und/oder senkrecht zu der Steckrichtung erstreckt.
Der Wandabschnitt kann ein Seitenwandabschnitt im Inneren des Steckabschnitts sein und ferner zum Halten oder zum Tragen des zumindest einen ersten Kontaktelements und des zumindest einen zweiten Kontaktelements ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass sich der Wandabschnitt im Wesentlichen in der Steckrichtung zumindest abschnittsweise erstreckt und zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement angeordnet ist.
Es ist möglich, dass das zumindest eine Sensorelement ausgebildet ist und derart in dem Wandabschnitt integriert ist, dass der Wandabschnitt und das zumindest eine Sensorelement zumindest eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche bilden, welche vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Steckrichtung ausgerichtet ist und/oder welche vorzugsweise den Steckabschnitt in der Steckrichtung begrenzt. Alternativ ist es möglich, dass das zumindest eine Sensorelement von einer Stirnfläche des Wandabschnitts abragt, vorzugsweise zumindest abschnittsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Sensorelement im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und/oder im Wesentlichen flach ausgebildet ist, und vorzugsweise zur Bildung einer im Wesentlichen ebenen Stirnfläche an einem Wandabschnitt des Isolierstoffgehäuses im Wesentlichen bündig anschließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Steckverbinder zumindest ein weiteres Sensorelement umfasst, welches konfiguriert ist, einen weiteren Kriechstrom zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement zu erfassen, wobei das zumindest eine weitere Sensorelement auf einer, vorzugsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung, dem Steckgesicht abgewandten Seite zumindest abschnittsweise in einem Wandabschnitt des Isolierstoffgehäuses zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement integriert ist, vorzugsweise in Steckrichtung dem zumindest einen Sensorelement gegenüberliegend integriert ist.
Es ist alternativ möglich, dass sich das zumindest eine Sensorelement, vorzugsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung, zumindest durch den Wandabschnitt hindurch erstreckt, und/oder sich vorzugsweise in den Steckabschnitt zumindest abschnittsweise erstreckt, und/oder dass das zumindest eine Sensorelement zumindest abschnittsweise im Wesentlichen zylinderförmig oder im Wesentlichen stiftförmig oder im Wesentlichen lanzenförmig ausgebildet ist.
Das zumindest eine Sensorelement und vorzugsweise zumindest ein weiteres Sensorelement kann jeweils eine Elektrode umfassen oder jeweils als eine Elektrode ausgebildet sein. Die Elektrode kann aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff, vorzugsweise einem metallischen Werkstoff, ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Elektrode eine sehr niedrige Impedanz und/oder einen sehr niedrigen Widerstandswert auf, zum Beispiel kleiner als 1 Ohm.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Sensorelement, und vorzugsweise zumindest ein weiteres Sensorelement, mit einer Überwachungseinheit verbunden ist, wobei die Überwachungseinheit konfiguriert ist, eine an dem zumindest einen Sensorelement, und vorzugsweise eine an dem zumindest einen weiteren Sensorelement, erfasste Spannung, die durch den Kriechstrom hervorgerufen oder beeinflusst wird, mit einer Referenzspannung zu vergleichen. Die Überwachungseinheit kann zumindest teilweise elektrische und/oder elektronische Komponenten und Elemente umfassen. Die Überwachungseinheit kann Bestandteil des Steckverbinders oder, alternativ, Bestandteil einer Ladesäule sein.
Die Überwachungseinheit kann zumindest ein erstes Widerstandselement, welches mit dem zumindest einen ersten Kontaktelement verbunden ist, und zumindest ein zweites Widerstandselement, welches mit dem zumindest einen zweiten Kontaktelement verbunden ist, aufweisen. Das zumindest eine erste Widerstandselement und das zumindest eine zweite Widerstandselement kann angeordnet und konfiguriert sein, die Referenzspannung aus der an dem zumindest einen ersten Kontaktelement anliegenden Spannung und/oder aus der an dem zumindest einen zweiten Kontaktelement anliegenden Spannung zu bilden, vorzugsweise durch Spannungsteilung. Das zumindest eine erste Widerstandselement kann sich hinsichtlich des Widerstandswerts von dem zumindest einen zweiten Widerstandselement unterscheiden. Beispielsweise kann das zumindest eine erste Widerstandselement einen Widerstandswert von 400 kOhm und das zumindest eine zweite Widerstandselement einen Widerstandswert von 600 kOhm aufweisen, um eine Spannungsteilung der an den Kontaktelementen anliegenden Spannung zu erzielen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Überwachungseinheit zumindest ein Komparatorelement oder zumindest einen Operationsverstärker aufweist und konfiguriert ist, die gebildete Referenzspannung mit der erfassten Spannung zu vergleichen, und/oder ein Schaltelement in Abhängigkeit der gebildeten Referenzspannung und der erfassten Spannung zu steuern. Das Schaltelement kann von der Überwachungseinheit beispielsweise derart gesteuert werden, dass bei einem erkannten Kriechstrom eine Abschaltung des Ladevorgangs eingeleitet wird.
Es ist möglich, dass das Isolierstoffgehäuse zur Trockenlegung des zumindest einen ersten Kontaktelements und des zumindest einen zweite Kontaktelements zumindest ein Ableitelement, vorzugsweise jeweils ein Ableitelement, aufweist, und das zumindest eine Ableitelement, vorzugsweise das jeweilige Ableitelement, derart in dem Isolierstoffgehäuse angeordnet und konfiguriert ist, ein im Steckabschnitt befindliches Medium, vorzugsweise fließbares oder gießbares Medium, aus dem Steckabschnitt abzuführen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn der Steckverbinder als Ladesteckdose ausgebildet und in entsprechender Position und Ausrichtung in ein Elektrofahrzeug montiert ist.
Die Erfindung betrifft nach einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt eine Anordnung zur Ausbildung einer Steckverbindung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, umfassend einen ersten Steckverbinder wie hierin offenbart, wobei der erste Steckverbinder als Ladestecker ausgebildet ist, und einen zweiten Steckverbinder wie hierin offenbart, wobei der zweite Steckverbinder als Ladesteckdose ausgebildet ist, und vorzugsweise bei Ausbildung der Steckverbindung das zumindest eine Sensorelement (121) des ersten Steckverbinders das zumindest eine Sensorelement des zweiten Steckverbinders kontaktiert, vorzugsweise über ein Federelement.
Die Erfindung betrifft nach einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt ein Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms in einem Steckverbinder, wobei der Steckverbinder vorzugweise wie hierin offenbart konfiguriert ist, wobei eine Spannung, die durch den Kriechstrom hervorgerufen oder beeinflusst wird, durch zumindest ein Sensorelement erfasst wird; eine Referenzspannung aus einer an dem zumindest einen ersten Kontaktelement und/oder aus einer an dem zumindest einen zweiten Kontaktelement anliegenden Spannung mittels Spannungsteilung durch zumindest zwei Widerstandselemente gebildet wird; die gebildete Referenzspannung mit der erfassten Spannung verglichen wird, und ein Unterschreiten oder ein Überschreiten einer Spannungsdifferenz zwischen der gebildeten Referenzspannung und der erfassten Spannung erkannt wird. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise unter anderem mit der Überwachungseinheit ausgeführt werden, welche hierzu konfiguriert ist und entsprechende Komponenten und Elemente, wie hierin offenbart, aufweist.
Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein auf die Vorrichtung des erfindungsgemäßen Steckverbinders gerichtete und/oder damit in Zusammenhang offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein und umgekehrt.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere oder andere Einzelheiten und vorteilhafte Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1A ein Steckgesicht mit einem Steckabschnitt eines Ausführungsbeispiels des Steckverbinders gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladestecker in einer perspektivischen Ansicht;
1B den Steckverbinder aus 1A in einer schematischen Darstellung;
2A ein Steckgesicht mit einem Steckabschnitt eines Ausführungsbeispiels des Steckverbinders gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladesteckdose in einer Frontansicht;
2B den Steckverbinder aus 2A in einer schematischen Darstellung;
3 den Steckverbinder aus den 1A und 1B und den Steckverbinder aus den 2A und 2B bei zumindest teilweiser Ausbildung einer Steckverbindung in einer schematischen Darstellung;
4 ein Ersatzschaltbild des Steckverbinders aus den 1A und 1B mit einer modifizierten Überwachungseinheit.

Gleiche oder funktional äquivalente Komponenten oder Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Zu deren Erläuterung wird teilweise auch auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele und/oder Figuren verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Die folgende detaillierte Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dient zur näheren Veranschaulichung oder Verdeutlichung und soll den Umfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise beschränken.
1A zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Steckgesicht 103 mit einem Steckabschnitt 102 eines Ausführungsbeispiels eines Steckverbinders 100 gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladestecker. Der Steckverbinder 100 ist als Ladestecker zur Ausbildung einer Steckverbindung mit einem Steckverbinder 200 gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladesteckdose (siehe hierzu 2A bis 3) im Wesentlichen in der Steckrichtung X konfiguriert, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen. Der Steckverbinder 100, 200 ist somit in einem Ausführungsbeispiel als Ladestecker 100 konfiguriert und in einem weiteren Ausführungsbeispiel als Ladesteckdose 200 für ein Elektrofahrzeug oder als Ladesteckdose 200 eines Elektrofahrzeugs konfiguriert.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1A ein Griffelement des Steckverbinders 100 zur Handhabung sowie ein Anschlussabschnitt des Steckverbinders 100 für ein Ladekabel zur Verbindung mit einer Ladesäule einer Ladestation nicht gezeigt. Der Steckverbinder 100 ist vorzugsweise über ein Ladekabel mit einer Ladesäule einer Ladestation fest verbunden, wobei die Ladesäule elektrische Energie zum Laden von Akkumulatoren elektrisch antreibbarer Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge) bereitstellt.
Der Steckverbinder 100 in 1A ist vorzugsweise nach der Norm IEC 62196-3 spezifiziert oder basiert vorzugsweise zumindest teilweise auf den Anforderungen der Norm IEC 62196-3. Mit anderen Worten kann der Steckverbinder 100 nach dem Combined Charging System- (CCS-) Stecker-System-Standard als so genannter Combo-2-Ladesteckverbinder ausgebildet und/oder spezifiziert sein. Es ist alternativ möglich, dass der Steckverbinder 100 nach einem anderen Standard oder nach einer anderen Norm oder nach einer anderen Spezifikation, beispielsweise nach dem „CHAdeMO-Standard“ oder nach der „ChaoJi stacked-Spezifikation“, ausgebildet und/oder spezifiziert ist.
Der Steckverbinder 100 umfasst ein Isolierstoffgehäuse 101, das heißt ein Gehäuse aus einem isolierenden Werkstoff mit inhärenten elektrischen Isoliereigenschaften. Der Steckabschnitt 102 ist Bestandteil des Isolierstoffgehäuses 101. Eine Stirnseite des Steckabschnitts 102, vorzugsweise in der Steckrichtung X, dient zur Bildung des Steckgesichts 103 des Steckverbinders 100. Das Isolierstoffgehäuse 101 kann mehrteilig ausgebildet sein. Das Isolierstoffgehäuse 101 kann beispielsweise durch zumindest einen Gießvorgang und/oder durch zumindest einen Spritzvorgang mit einem Isolierstoff hergestellt sein.
Der Steckverbinder 100 dient vorzugsweise zum Laden von Akkumulatoren von Elektrofahrzeugen mittels Gleichstrom und umfasst hierzu ein erstes Kontaktelement 111 und ein zweites Kontaktelement 112. Eine an den Kontaktelementen 111 und 112 anliegende Ladespannung während eines Ladevorgangs kann beispielsweise in einem Bereich von 400 V bis 800 V liegen und ist daher relativ hoch.
Das erste Kontaktelement 111 und das zweite Kontaktelement 112 ist jeweils als Lastkontaktelement konfiguriert und zumindest abschnittsweise im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet, um jeweils ein komplementäres, das heißt ein entsprechend konfiguriertes und ausgebildetes Kontaktelement 211, 212 eines Steckverbinders 200 (siehe hierzu 2A bis 3) mechanisch zumindest formschlüssig und/oder zumindest teilweise kraftschlüssig bei Ausbildung einer Steckverbindung zwischen dem Steckverbinder 100 als Ladestecker und dem Steckverbinder 200 als Ladesteckdose im Wesentlichen in der Steckrichtung X aufzunehmen. Sowohl das erste Kontaktelement 111 als auch das zweite Kontaktelement 112 ist jeweils von einer Isolierstoffhülse 107 und 108 und somit einer Hülse aus isolierendem Werkstoff umgeben oder ummantelt. Das erste Kontaktelement 111 und das zweite Kontaktelement 112 sind in dem Steckabschnitt 102 aufgenommen und voneinander beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 ist in 1A mit dem Bezugszeichen D gekennzeichnet.
Wände und/oder Wandabschnitte des Steckabschnitts 102, vorzugsweise umfassend die Isolierstoffhülsen 107 und 108, sind vorzugsweise integral einstückig ausgebildet. Es ist allerdings beispielsweise alternativ möglich, dass die Isolierstoffhülsen 107 und 108 zum Schutz der Kontaktelemente 111 und 112 als Einzelteile, das heißt als einzeln hergestellte Komponenten oder Elemente, in entsprechende Wandabschnitte des Steckabschnitts 102 und somit des Isolierstoffgehäuses 101 beispielsweise geschraubt sind.
Der Steckverbinder 100 umfasst die weiteren Kontaktelemente 113 bis 115, welche in einem weiteren Bereich des Steckabschnitts 102 in entsprechenden Isolierstoffhülsen (in 1A nicht näher gekennzeichnet) aufgenommen oder angeordnet sind und nachfolgend nur kurz beschrieben werden. Das Kontaktelement 113 dient als Schutzkontaktelement (so genanntes PE-Kontaktelement). Die Kontaktelemente 114 und 115 dienen zur Übertragung elektrischer Signale zwischen einer Ladesäule und einem Elektrofahrzeug über den Steckverbinder im Zuge eines Ladevorgangs. Das Kontaktelement 114 stellt den so genannten Pilotkontakt (Control Pilot/CP) und das Kontaktelement 115 den so genannten Proximity-Schalter (Proximity Pilot/PP) dar und dienen mit anderen Worten zur Kommunikation zwischen der Ladesäule und dem Elektrofahrzeug im Zuge des Ladevorgangs.
Der Ladestecker 100 umfasst weitere Komponenten und Elemente, auf welche vor dem Hintergrund der vorliegenden Erfindung nachfolgend näher eingegangen wird.
1B zeigt den Steckverbinder 100 aus 1A in einer schematischen Darstellung. Die Darstellung in 1B fokussiert sich vorzugsweise auf die Kontaktelemente 111 und 112 des Steckverbinders 100, welche, wie bereits beschrieben, als Lastkontaktelemente elektrische Energie übertragen. Aus der Darstellung in 1B ergibt sich anschaulich, dass die Kontaktelemente 111 und 112 zumindest abschnittsweise in den Isolierstoffhülsen 107 und 108 aufgenommen oder angeordnet sind.
Aufgrund der auftretenden relativ hohen elektrischen Spannungen und der entsprechenden Anordnung der Kontaktelemente 111 und 112 in dem Isolierstoffgehäuse 101, genauer gesagt in dem Steckabschnitt 102 des Isolierstoffgehäuses 101, können beim Betrieb des Steckverbinders 100 entlang einer Strecke an Oberflächen des Isolierstoffs so genannte Kriechströme KS auftreten.
Eine solche Strecke wird auch als so genannte Kriechstrecke bezeichnet und stellt vorzugsweise die kürzeste Entfernung entlang von Oberflächen des Isolierstoffs zwischen leitenden Elementen, hier zwischen den Kontaktelementen 111 und 112, dar.
Derartige Kriechströme können sowohl für den Steckverbinder 100 als Ladestecker, den Steckverbinder 200 als Ladesteckdose und somit für ein Elektrofahrzeug im Zuge eines Ladevorgangs, als auch für einen Anwender des Steckverbinders 100 als Ladestecker im Zuge der Handhabung gefährlich sein. Um vor allem Anwender vor den Auswirkungen elektrischer Betriebsspannungen zu schützen, welche an den Kontaktelementen 111 und 112 anliegen, ist eine ausreichende Bemessung von Kriechstrecken und im Weiteren auch von so genannten Luftstrecken erforderlich. Eine Luftstrecke ist vorzugsweise die kürzeste Entfernung in Luft zwischen zwei leitenden Elementen, hier zwischen den Kontaktelementen 111 und 112.
Kriechströme KS resultieren vor allem durch eine Änderung der Isolationseigenschaften des Isolierstoffs. Derartige Änderungen werden häufig durch entsprechende Umgebungsbedingungen, bei welchen der Steckverbinder 100 betrieben wird, hervorgerufen. So begünstigt beispielsweise Feuchtigkeit, Staub und/oder Schmutz innerhalb des Steckabschnitts 102 die Bildung von Kriechströmen an Oberflächen des Isolierstoffs. An dem Isolierstoff treten sodann so genannte Isolationsfehler auf, die Isolationsfestigkeit wird somit herabgesetzt. Im Fall des Steckverbinders 100 geschieht dies vor allem zwischen den Ladeleitungen, das heißt den Kontaktelementen 111 und 112.
1B zeigt beispielhaft und schematisch den Verlauf, das heißt die Kriechstrecke, entlang welcher sich ein Kriechstrom KS mit einem entsprechenden elektrischen Spannungsabfall entlang der Kriechstrecke von dem ersten Kontaktelement 111 in Richtung des zweiten Kontaktelements 112 (oder umgekehrt, je nach elektrischer Polung oder Polarität der Kontaktelemente 111 und 112) ausbildet.
Um die Ausbildung eines derartigen, mitunter gefährlichen Zustands zu vermeiden umfasst der Steckverbinder 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ein erstes Sensorelement 121, welches in dem Isolierstoffgehäuse 101 derart angeordnet und konfiguriert ist, den Kriechstrom KS zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 zumindest zu erfassen. Das erste Sensorelement 121 ist vorzugsweise (räumlich) zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 angeordnet. Das erste Sensorelement 121 ist vorzugsweise als Elektrode ausgebildet oder umfasst zumindest eine Elektrode. Mit anderen Worten ist das erste Sensorelement 121 konfiguriert, eine auftretende, aus einem Kriechstrom resultierende Spannung zwischen den Kontaktelementen 111 und 112 zu erfassen oder zu detektieren, was bei einem Isolationsfehler und somit bei verminderten elektrischen Isoliereigenschaften des Isolierstoffs der Fall ist. Mit anderen Worten ist das erste Sensorelement 121 zwischen den als Hochvoltpotentialen wirkenden Kontaktelementen 111 und 112 angeordnet.
Das erste Sensorelement 121 ist derart angeordnet und ausgebildet, eine Kanalisierung des Kriechstroms KS an entsprechenden Oberflächen des Isolierstoffgehäuses 101, das heißt vorzugsweise an Oberflächen des Steckabschnitts 102, herbeizuführen. Wie sich aus 1B ergibt, wandert oder verläuft der Kriechstrom KS von den Kontaktelementen 111 und 112 ausgehend abschnittsweise entlang der äußeren Oberflächen der Isolierstoffhülsen 107 und 108 in Richtung eines Übergangsbereichs, welcher durch den Wandabschnitt 104 des Isolierstoffgehäuses 101 gebildet wird. Der Wandabschnitt 104 erstreckt sich im Wesentlichen in der Steckrichtung X zumindest teilweise und somit von dem Steckabschnitt 102 in das Innere des Isolierstoffgehäuses 101.
Das erste Sensorelement 121 ist zumindest abschnittsweise in dem Wandabschnitt 104 des Isolierstoffgehäuses 101 integriert. Vorzugsweise ist das erste Sensorelement 121 mit dem Isolierstoff des Wandabschnitts 104 stoffschlüssig und/oder zumindest kraftschlüssig verbunden oder darin zumindest abschnittsweise integriert. Mit anderen Worten kann das erste Sensorelement 121 in dem Wandabschnitt 104 durch zumindest einen Gießvorgang und/oder durch zumindest einen Spritzvorgang des Isolierstoffs integriert sein. Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, dass das erste Sensorelement 121 in den Wandabschnitt 104 gepresst ist, vorzugsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung X. Der Wandabschnitt 104 mit dem ersten Sensorelement 121 begrenzt unter anderem den Steckabschnitt 102 in der Steckrichtung X und stellt eine Engstelle in Bezug auf die Kriechstrecke des Kriechstroms KS dar. Wie sich aus 1B ergibt, ist das erste Sensorelement 121 ausgebildet und derart in dem Wandabschnitt 104 integriert, dass der Wandabschnitt 104 und das erste Sensorelement 121 zumindest eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche 105 bilden. Die im Wesentlichen ebene Stirnfläche 105 ist im Wesentlichen senkrecht zu der Steckrichtung X ausgerichtet und/oder angeordnet. Vorzugsweise begrenzt die im Wesentlichen ebene Stirnfläche 105 den Steckabschnitt 102 in der Steckrichtung X. Das erste Sensorelement 121 ist im Wesentlichen plattenförmig und/oder im Wesentlichen flach ausgebildet, und schließt zur Bildung der im Wesentlichen ebenen Stirnfläche 105 an dem Wandabschnitt 104 bündig an.
Der Steckverbinder 100 umfasst ein zweites Sensorelement 122, welches zu dem ersten Sensorelement 121 vorzugsweise im Wesentlichen identisch ausgebildet ist. Das zweite Sensorelement 122 ist konfiguriert, einen weiteren Kriechstrom KS zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 zu erfassen. Das zweite Sensorelement 122 ist auf einer, vorzugsweise in der Steckrichtung X, dem Steckgesicht 103 abgewandten Seite zumindest abschnittsweise in dem Wandabschnitt 104 des Isolierstoffgehäuses 101 zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 integriert, vorzugsweise in der Steckrichtung X dem ersten Sensorelement 121 gegenüberliegend integriert. Mit dem zweiten Sensorelement 122 ist es möglich, einen weiteren Kriechstrom KS im Inneren des Steckverbinders 100, das heißt innerhalb des Isolierstoffgehäuses 101 zu erfassen.
Es ist alternativ möglich, dass sich das erste Sensorelement 121, vorzugsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung X, zumindest durch den Wandabschnitt 104 hindurch erstreckt, und sich gegebenenfalls vorzugsweise in den Steckabschnitt 102 zumindest abschnittsweise erstreckt. Das erste Sensorelement 121 kann bei diesem Ausführungsbeispiel des Steckverbinders 100 zumindest abschnittsweise im Wesentlichen zylinderförmig oder im Wesentlichen stiftförmig oder im Wesentlichen lanzenförmig ausgebildet sein.
Das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 des Steckverbinders 100 sind mit einer Überwachungseinheit 130 verbunden. Die Überwachungseinheit 130 ist vorzugsweise Bestandteil des Steckverbinders 100 oder alternativ in einer Ladesäule angeordnet, welche über ein Ladekabel mit dem Steckverbinder 100 verbunden ist. Die Überwachungseinheit 130 ist konfiguriert, eine an dem ersten Sensorelement 121 und vorzugsweise auch eine an dem zweiten Sensorelement 122 anliegende und erfasste Spannung des Kriechstroms KS, das heißt eine elektrische Spannung, welche aus dem Kriechstrom KS resultiert, mit einer Referenzspannung zumindest zu vergleichen. Die Überwachungseinheit 130 umfasst entsprechende elektrische und/oder elektronische Komponenten und Elemente und kann vorzugsweise mit einem eigenen, das heißt separaten Gehäuse ausgestattet sein, um Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Feuchtigkeit, Schmutz und/oder Staub, und deren schädliche Auswirkungen zu vermeiden.
Zur Bildung einer Referenzspannung umfasst die Überwachungseinheit 130 ein erstes Widerstandselement 131 und ein zweites Widerstandselement 132. Das erste Widerstandselement 131 ist mit dem ersten Kontaktelement 111 oder zumindest mit einem elektrischen Leiter verbunden, welcher dem ersten Kontaktelement 111 zugeordnet ist. Das zweite Widerstandselement 132 ist mit dem zweiten Kontaktelement 112 oder zumindest mit einem elektrischen Leiter verbunden, welcher dem zweiten Kontaktelement 112 zugeordnet ist. Mit anderen Worten sind das erste Widerstandselement 131 und das zweite Widerstandselement 132 jeweils an den Pluspol und an den Minuspol angeschlossen. Die Widerstandselemente 131 und 132 sind vorzugsweise als spannungsfeste Widerstände ausgebildet, deren Widerstandswerte vorzugsweise mehrere 100 kOhm betragen. Die Widerstandselemente 131 und 132 sind demnach angeordnet und konfiguriert, eine Referenzspannung aus der an dem ersten Kontaktelement 111 anliegenden Spannung und aus der an dem zweiten Kontaktelement 112 anliegenden Spannung durch Spannungsteilung zu bilden. Mit anderen Worten bilden die Widerstandselemente 131 und 132 eine Spannungsdetektorschaltung in Form eines Spannungsteilers.
In der Anfangsphase der Minderung der Isoliereigenschaften des Isolierstoffs und somit der Beeinträchtigung der Isolationswirkung ist der Widerstand des Isolierstoffs erwartungsgemäß (noch) entsprechend groß und das Potential des ersten Sensorelements 121 und/oder des zweiten Sensorelements 122 wird durch den endlichen Widerstand als Eingangswiderstand der Spannungsdetektorschaltung mit den Widerstandselementen 131 und 132 auf dem Niveau der Referenzspannung gehalten. Mit zunehmender Minderung der Isoliereigenschaften, das heißt mit voranschreitender, zunehmender Isolationsschwächung nimmt der inhärente Widerstand des Isolierstoffs ab und es beginnt die Bildung eines Kriechstroms KS.
Die Überwachungseinheit 130 weist ferner einen Operationsverstärker 133 auf, wobei der Operationsverstärker 133 konfiguriert ist, die gebildete Referenzspannung mit der an dem ersten Sensorelement 121 und/oder an dem zweiten Sensorelement 122 erfassten Spannung zu vergleichen und in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs entsprechend vorzugsweise ein Schaltelement 134 der Überwachungseinheit 130 zu steuern und/oder das Ergebnis an eine Kommunikationseinheit 140 zur weiteren Übertragung an eine Ladesäule und/oder an ein Elektrofahrzeug zu übermitteln. Anstelle des Operationsverstärkers 133 kann alternativ auch ein Komparatorelement verwendet werden, welches konfiguriert ist, die gebildete Referenzspannung mit der erfassten Spannung zu vergleichen. Mit anderen Worten kann dadurch die Erkennung einer Verschiebung zwischen der erfassten Spannung an den Sensorelementen 121 und 122 und einer Referenzspannung, die durch den Spannungsteiler zwischen den Ladeleitungen gebildet wird, erfolgen.
Eine Unterschreitung oder eine Überschreitung einer Spannungsdifferenz zwischen der gebildeten Referenzspannung und der an dem ersten Sensorelement 121 und/oder an dem zweiten Sensorelement 122 erfassten Spannung wird somit durch die Überwachungseinheit 130 erkannt und über das Schaltelement 134 beispielsweise eine Abschaltung des Ladevorgangs bei erkanntem Kriechstrom KS eingeleitet.
2A zeigt in einer Frontansicht ein Steckgesicht 203 mit einem Steckabschnitt 202 eines Ausführungsbeispiels des Steckverbinders 200 gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladesteckdose.
Neben der Konfiguration und/oder Ausbildung als Ladestecker kann der Steckverbinder gemäß der vorliegenden Erfindung auch als Ladesteckdose 200 konfiguriert und/oder ausgebildet sein. Mit dem Steckverbinder 100 als Ladestecker und dem Steckverbinder 200 als Ladesteckdose kann eine Steckverbindung im Wesentlichen in der Steckrichtung X ausgebildet werden, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen. Dies ist anschaulich schematisch in 3 dargestellt.
Der Steckverbinder 200 weist als Ladesteckdose hinsichtlich der anhand der 1A und 1B oben beschriebenen Komponenten und Elemente des Steckverbinders 100 im Wesentlichen identische Komponenten und Elemente und/oder Komponenten und Elemente mit zumindest identischer Funktion auf. Mit anderen Worten bildet der Steckverbinder 200 einen Gegensteckverbinder zum Steckverbinder 100.
Demnach ist das Steckgesicht 203 mit dem Steckabschnitt 202 Bestandteil des Isolierstoffgehäuses 201 des Steckverbinders 200. Das Isolierstoffgehäuse 201 des Steckverbinders 200 kann beispielsweise nach dem identischen Verfahren hergestellt sein wie das Isolierstoffgehäuse 101 des Steckverbinders 100. Der Steckverbinder 200 ist als Ladesteckdose zu dem Steckverbinder 100 als Ladestecker hinsichtlich geometrischer Abmessungen mehr oder weniger komplementär ausgebildet und umfasst in dem Steckabschnitt 202 ein erstes Kontaktelement 211 und ein zweites Kontaktelement 212 zur Übertragung elektrischer Energie. Das erste Kontaktelement 211 und das zweite Kontaktelement 212 sind als Lastkontaktelemente voneinander beabstandet angeordnet und zur Bildung einer Steckverbindung mit den Kontaktelementen 111 und 112 des Steckverbinders 100 konfiguriert. Die Kontaktelemente 211 und 212 sind hierbei komplementär zu den Kontaktelementen 111 und 112 im Wesentlichen stiftförmig ausgebildet.
Ferner umfasst der Steckverbinder 200 das Kontaktelement 213 als Schutzkontaktelement (so genanntes PE-Kontaktelement), das Kontaktelement 214 als Pilotkontakt (Control Pilot/CP) und das Kontaktelement 215 als Proximity-Schalter (Proximity Pilot/PP). Die Kontaktelemente 213 bis 215 sind bei Ausbildung einer Steckverbindung zwischen dem Steckverbinder 100 als Ladestecker und dem Steckverbinder 200 als Ladesteckdose im Wesentlichen in der Steckrichtung X einander zugeordnet und kontaktieren miteinander, um die entsprechenden Kommunikationsfunktionen zwischen einer Ladesäule und einem Elektrofahrzeug im Zuge eines Ladevorgangs bereitzustellen.
Zwischen dem ersten Kontaktelement 211 und dem zweiten Kontaktelement 212 kann sich bei entsprechenden Umgebungsbedingungen, wie oben anhand des Steckverbinders 100 beispielhaft beschrieben, ein Kriechstrom KS einstellen, was nachfolgend anhand der 2B näher beschrieben wird.
2B zeigt den Steckverbinder 200 aus 2A in einer schematischen Darstellung.
Ein erstes Sensorelement 221 ist zwischen dem ersten Kontaktelement 211 und dem zweiten Kontaktelement 212 in einem Wandabschnitt 204 des Isolierstoffgehäuses 201, welcher vorzugsweise ein mittlerer oder zentraler Wandabschnitt des Steckabschnitts 202 ist, zumindest abschnittsweise integriert, und zwar derart, dass der Wandabschnitt 204 und das erste Sensorelement 221 eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche 205 bilden. Die im Wesentlichen ebene Stirnfläche 205 ist im Wesentlichen senkrecht zu der Steckrichtung X ausgerichtet und/oder angeordnet. Vorzugsweise begrenzt die im Wesentlichen ebene Stirnfläche 205 den Steckabschnitt 202 in der Steckrichtung X. Das erste Sensorelement 221 ist im Wesentlichen plattenförmig und/oder im Wesentlichen flach ausgebildet, und schließt zur Bildung der im Wesentlichen ebenen Stirnfläche 205 an dem Wandabschnitt 204 bündig an.
Der Steckverbinder 200 umfasst ein zweites Sensorelement 222, welches zu dem ersten Sensorelement 221 vorzugsweise im Wesentlichen identisch ausgebildet ist. Das zweite Sensorelement 222 ist konfiguriert, einen weiteren Kriechstrom KS zwischen dem ersten Kontaktelement 211 und dem zweiten Kontaktelement 212 zu erfassen. Das zweite Sensorelement 222 ist auf einer, vorzugsweise in der Steckrichtung X, dem Steckgesicht 203 abgewandten Seite zumindest abschnittsweise in dem Wandabschnitt 204 des Isolierstoffgehäuses 201 zwischen dem ersten Kontaktelement 211 und dem zweiten Kontaktelement 212 integriert, vorzugsweise in der Steckrichtung X dem ersten Sensorelement 221 gegenüberliegend integriert. Mit dem zweiten Sensorelement 222 ist es möglich, einen weiteren Kriechstrom KS im Inneren des Steckverbinders 200, das heißt innerhalb des Isolierstoffgehäuses 201 der Ladesteckdose zu erfassen. Die Erfassung und Auswertung geschieht analog zu dem Steckverbinder 100 mithilfe einer Überwachungseinheit 230. Die Überwachungseinheit 230 ist zu der Überwachungseinheit 130 in 1B vorzugsweise identisch konfiguriert und/oder ausgebildet, und umfasst entsprechende Widerstandselemente 231 und 232, einen Operationsverstärker 233, ein Schaltelement 234 sowie eine Kommunikationseinheit 240.
Ferner ergibt sich aus 2B, dass sich bei Vorhandensein eines elektrisch leitenden Mediums M, wie beispielsweise Wasser, im Steckabschnitt 202 (hier im Bereich des ersten Kontaktelements 211 dargestellt), ein entsprechender Kriechstrom KS einstellen und zumindest mit dem ersten Sensorelement 221 erfasst werden kann, welcher analog obiger Beschreibung ausgewertet und beispielsweise über die Kommunikationseinheit 240 in Form entsprechender Signale an eine Ladesäule und/oder an eine Elektrofahrzeug weitergegeben werden kann.
Es ist auch möglich, dass im Inneren des Isolierstoffgehäuses 101 des Steckverbinders 100 als Ladestecker und im Inneren des Isolierstoffgehäuses 201 des Steckverbinders 200 als Ladesteckdose mit den jeweiligen zweiten Sensorelementen 122 und 222 auch dort befindliches Medium M, welches häufig elektrisch leitendes Medium M ist, erfasst werden kann.
Um in dem Steckabschnitt 202 des als Ladesteckdose ausgebildeten Steckverbinders 200 befindliches Medium M, welches häufig ein elektrisch leitendes Medium M sein kann, aus dem Steckabschnitt 202 zu entfernen, kann der Steckverbinder 200 darüber hinaus ein erstes Ableitelement 251 und vorzugsweise ein zweites Ableitelement 252 aufweisen.
Das erste Ableitelement 251 und das zweite Ableitelement 252 kann beispielsweise jeweils als Kanal oder jeweils als Schlauch ausgebildet sein. Das erste Ableitelement 251 ist dem ersten Kontaktelement 211 zugeordnet und das zweite Ableitelement 252 ist dem zweiten Kontaktelement 212 zugeordnet und dient zur Entleerung des Steckabschnitts 202 von entsprechenden Medium M.
3 zeigt eine Anordnung 300 zur Ausbildung einer Steckverbindung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen. Die Anordnung 300 umfasst hierzu den Steckverbinder 100 aus den 1A und 1B, welcher als Ladestecker ausgebildet ist, und den Steckverbinder 200 aus den 2A und 2B, welcher als Ladesteckdose ausgebildet ist. Der Steckverbinder 100 und der Steckverbinder 200 bilden als erster und zweiter Steckverbinder 100, 200 im Wesentlichen in der Steckrichtung X eine Steckverbindung aus. Bei Ausbildung der Steckverbindung kontaktiert das erste Sensorelement 121 des Steckverbinders 100 das erste Sensorelement 221 des Steckverbinders 200, vorzugsweise über ein Federelement 301. Das Federelement 301 kann beispielsweise mit dem ersten Sensorelement 121 des Steckverbinders 100 oder mit dem ersten Sensorelement 221 des Steckverbinders 200 verbunden sein. Dadurch kann beispielsweise eine Erfassung von Kriechströmen KS (in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) entweder durch den Steckverbinder 100 oder durch den Steckverbinder 200 und somit durch einen einzigen Steckverbinder 100, 200 erfolgen. Somit wird beispielsweise nur eine einzige Überwachungseinheit 130, 230 benötigt, welche sowohl den Steckverbinder 100 als auch den Steckverbinder 200 überwacht.
4 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Steckverbinders 100 aus den 1A und 1B mit einer modifizierten Überwachungseinheit 130, wobei der Steckverbinder 100 vorzugsweise unter anderem zur Erkennung des Eintritts eines elektrisch leitenden Mediums M in dem Steckabschnitt 102 über die Erfassung eines Kriechstroms (KS) konfiguriert ist.
Die modifizierte Überwachungseinheit 130 umfasst jeweils zwei erste Widerstandselemente 131 und jeweils zwei zweite Widerstandselemente 132, welches konfiguriert sind, eine Spannungsteilung der an den Kontaktelementen 111 und 112 anliegenden Spannung durchzuführen. Die ersten Widerstandselemente 131 können einen Widerstandswert von beispielsweise 400 kOhm und die zweiten Widerstandselemente 132 können einen Widerstandswert von beispielsweise 600 kOhm aufweist und somit die anliegende Spannung im Verhältnis 40% zu 60% teilen.
4 zeigt die Spannungsverhältnisse mit den Teilspannungen U1, U2 und U3 zwischen den beiden Kontaktelementen 111 und 112 entlang der Kriechstrecke des Kriechstroms KS, welche durch die Teilabstände D1 und D3 repräsentiert werden. D2 charakterisiert einen Teilabstand durch eine resultierende geometrische Abmessung des ersten Sensorelements 121, das heißt der ersten Elektrode 121 zur Erfassung des Kriechstroms KS. Die Teilspannungen U1, U2 und U3 ergeben in ihrer Summe die Gesamtspannung UG zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktelement 111, 112.
Der Widerstand des Isolierstoffs zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem ersten Sensorelement 121 und zwischen dem zweiten Kontaktelement 112 und dem ersten Sensorelement 121 wird jeweils durch einen Widerstand R_I symbolisiert. Je nachdem, welchen Bedingungen der Steckverbinder 100 ausgesetzt ist, verändert sich dieser Widerstand und wird beispielsweise geringer, was zu einer Zunahme der Spannung an dem ersten Sensorelement 121 führt. Sind die Isolationswiderstände R_I in einer ähnlichen Größenordnung oder kleiner als die Widerstandselemente 131 und 132 des Referenzspannungsteilers, verändert sich die Spannung an dem ersten Sensorelement 121.
Durch eine fortwährende Überwachung der Spannung an dem ersten Sensorelement 121, vor allem dann, wenn kein Ladevorgang stattfindet, das heißt wenn in der Initialisierungsphase noch kein Ladestrom fließt, jedoch eine Ladespannung anliegt, kann mit einer Änderung, das heißt Zunahme dieser Spannung ein sich langsam andeutender Isolationsfehler oder eine sich langsam andeutende Isolationsschwäche des Isolierstoffs erkannt werden, vorzugsweise durch die Überwachungseinheit 130.
Die ersten und zweiten Widerstandselemente 131 und 132 dienen einer konstanten Spannungswertzuordnung für den Operationsverstärker 133 oder, alternativ, für ein Komparatorelement, um durch entsprechende Spannungsteilung eine Referenzspannung zu bilden und mit der an dem ersten Sensorelement 121 erfassten Spannung zu vergleichen und eine Spannungsdifferenz zu ermitteln.
Die Überwachungseinheit 130 und vorzugsweise der Operationsverstärker 133 ist konfiguriert, ein Unterschreiten oder ein Überschreiten einer Spannungsdifferenz zwischen der gebildeten Referenzspannung und der erfassten Spannung zu erkennen, vorzugsweise in Abhängigkeit zumindest eines definierten oder vorbestimmten Kriteriums, vorzugsweise Spannungswerts.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Vorzugsweise beansprucht die vorliegende Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

100: Steckverbinder
101: Isolierstoffgehäuse
102: Steckabschnitt
103: Steckgesicht
104: Wandabschnitt
105: Stirnfläche
106: Stirnfläche
107: Isolierstoffhülse
108: Isolierstoffhülse
111: Kontaktelement (Lastkontaktelement)
112: Kontaktelement (Lastkontaktelement)
113: Kontaktelement
114: Kontaktelement
115: Kontaktelement
121: Sensorelement
122: Sensorelement
130: Überwachungseinheit
131: Widerstandselement
132: Widerstandselement
133: Komparatorelement, Operationsverstärkerelement
134: Schaltelement
140: Kommunikationseinheit
200: Steckverbinder
201: Isolierstoffgehäuse
202: Steckabschnitt
203: Steckgesicht
204: Wandabschnitt
205: Stirnfläche
206: Stirnfläche
211: Kontaktelement
212: Kontaktelement
213: Kontaktelement
214: Kontaktelement
215: Kontaktelement
230: Überwachungseinheit
231: Widerstandselement
232: Widerstandselement
233: Komparatorelement, Operationsverstärkerelement
234: Schaltelement
240: Kommunikationseinheit
251: Ableitelement
252: Ableitelement
300: Anordnung
301: Federelement
D: Abstand
D1: Teilabstand
D2: (resultierender) Teilabstand
D3: Teilabstand
KS: Kriechstrom
M: Medium
U1: Teilspannung
U2: Teilspannung
U3: Teilspannung
UG: Gesamtspannung
R_I: Widerstand
X: Steckrichtung

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

WO 2020/114593 A1 [0005]
DE 102014219913 A1 [0006]

Claims

Steckverbinder (100, 200) zur Ausbildung einer Steckverbindung in einer Steckrichtung (X), um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, wobei der Steckverbinder (100, 200) ein Isolierstoffgehäuse (101, 201) mit einem Steckabschnitt (102, 202) aufweist, in welchem zur Bildung eines Steckgesichts (103, 203) zumindest ein erstes Kontaktelement (111, 211) und zumindest ein zweites Kontaktelement (112, 212) aufgenommen ist, wobei das zumindest eine erste Kontaktelement (111, 211) und das zumindest eine zweite Kontaktelement (112, 212) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) zumindest ein Sensorelement (121, 221) in dem Isolierstoffgehäuse (101, 201) derart angeordnet und konfiguriert ist, einen Kriechstrom (KS) zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) zu erfassen.
Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Sensorelement (121, 221) derart angeordnet und ausgebildet ist, eine Kanalisierung des Kriechstroms (KS) an einer Oberfläche des Isolierstoffgehäuses (101, 201) herbeizuführen.
Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zumindest eine Sensorelement (121, 221) zumindest abschnittsweise in einem Wandabschnitt (104, 204) des Isolierstoffgehäuses (101, 201), vorzugsweise zur Begrenzung des Steckabschnitts (102, 202) in der Steckrichtung (X) und/oder vorzugsweise an einer Engstelle, zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (112, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) integriert ist, vorzugsweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig integriert ist, wobei sich der Wandabschnitt (104, 204) zumindest abschnittsweise in der Steckrichtung (X) und/oder senkrecht zu der Steckrichtung (X) erstreckt.
Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 3, wobei das zumindest eine Sensorelement (121, 221) ausgebildet ist und derart in dem Wandabschnitt (104, 204) integriert ist, dass der Wandabschnitt (104, 204) und das zumindest eine Sensorelement (121, 221) zumindest eine ebene Stirnfläche (105, 205) bilden, welche vorzugsweise senkrecht zu der Steckrichtung (X) ausgerichtet ist und/oder welche vorzugsweise den Steckabschnitt (102, 202) in der Steckrichtung (X) begrenzt.
Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Sensorelement (121, 221) plattenförmig ausgebildet ist und/oder flach ausgebildet ist, und vorzugsweise zur Bildung einer ebenen Stirnfläche (105, 205) an einem Wandabschnitt (104, 204) des Isolierstoffgehäuses (101, 201) bündig anschließt.
Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Steckverbinder (100, 200) zumindest ein weiteres Sensorelement (122, 222) umfasst, welches konfiguriert ist, einen weiteren Kriechstrom (KS) zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) zu erfassen, wobei das zumindest eine weitere Sensorelement (122, 222) auf einer, vorzugsweise in der Steckrichtung (X), dem Steckgesicht (103, 203) abgewandten Seite zumindest abschnittsweise in einem Wandabschnitt (104, 204) des Isolierstoffgehäuses (101, 201) zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) integriert ist, vorzugsweise in Steckrichtung (X) dem zumindest einen Sensorelement (121, 221) gegenüberliegend integriert ist.
Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei sich das zumindest eine Sensorelement (121, 221), vorzugsweise in der Steckrichtung (X), zumindest durch den Wandabschnitt (104, 204) hindurch erstreckt, und/oder sich vorzugsweise in den Steckabschnitt (102, 202) zumindest abschnittsweise erstreckt, und/oder wobei das zumindest eine Sensorelement (121, 221) zumindest abschnittsweise zylinderförmig oder stiftförmig oder lanzenförmig ausgebildet ist.
Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Sensorelement (121, 221) und vorzugsweise zumindest ein weiteres Sensorelement (122, 222) jeweils eine Elektrode umfasst oder jeweils als eine Elektrode ausgebildet ist.
Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Sensorelement (121, 221), und vorzugsweise zumindest ein weiteres Sensorelement (122, 222), mit einer Überwachungseinheit (130, 230) verbunden ist, wobei die Überwachungseinheit (130, 230) konfiguriert ist, eine an dem zumindest einen Sensorelement (121, 221), und vorzugsweise eine an dem zumindest einen weiteren Sensorelement (122, 222), erfasste Spannung, die durch den Kriechstrom (KS) hervorgerufen oder beeinflusst wird, mit einer Referenzspannung zu vergleichen.
Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 9, wobei die Überwachungseinheit (130, 230) zumindest ein erstes Widerstandselement (131, 231), welches mit dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) verbunden ist, und zumindest ein zweites Widerstandselement (132, 232), welches mit dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) verbunden ist, aufweist, wobei das zumindest eine erste Widerstandselement (131, 231) und das zumindest eine zweite Widerstandselement (132, 232) angeordnet und konfiguriert sind, die Referenzspannung aus der an dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) anliegenden Spannung und/oder aus der an dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) anliegenden Spannung zu bilden, vorzugsweise durch Spannungsteilung.
Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 10, wobei die Überwachungseinheit (130, 230) zumindest ein Komparatorelement (133, 233) oder zumindest einen Operationsverstärker (133, 233) aufweist und konfiguriert ist, die gebildete Referenzspannung mit der erfassten Spannung zu vergleichen, und/oder ein Schaltelement (134, 234) in Abhängigkeit der gebildeten Referenzspannung und der erfassten Spannung zu steuern.
Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolierstoffgehäuse (101, 201) zur Trockenlegung des zumindest einen ersten Kontaktelements (111, 211) und des zumindest einen zweiten Kontaktelements (112, 212) zumindest ein Ableitelement (251, 252), vorzugsweise jeweils ein Ableitelement (251, 252), aufweist, und das zumindest eine Ableitelement (251, 252), vorzugsweise das jeweilige Ableitelement (251, 252), derart in dem Isolierstoffgehäuse (101, 201) angeordnet und konfiguriert ist, ein im Steckabschnitt (102, 202) befindliches Medium (M), vorzugsweise fließbares oder gießbares Medium (M), aus dem Steckabschnitt (102, 202) abzuführen.
Anordnung (300) zur Ausbildung einer Steckverbindung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, umfassend einen ersten Steckverbinder (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Steckverbinder (100) als Ladestecker (100) ausgebildet ist, und einen zweiten Steckverbinder (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Steckverbinder (200) als Ladesteckdose (200) ausgebildet ist, und vorzugsweise bei Ausbildung der Steckverbindung das zumindest eine Sensorelement (121) des ersten Steckverbinders (100) das zumindest eine Sensorelement (221) des zweiten Steckverbinders (200) kontaktiert, vorzugsweise über ein Federelement (301).
Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms (KS) in einem Steckverbinder (100, 200), wobei der Steckverbinder (100, 200) vorzugweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 konfiguriert ist, wobei: • eine Spannung, die durch den Kriechstrom (KS) hervorgerufen oder beeinflusst wird, durch zumindest ein Sensorelement (121, 221) erfasst wird; • eine Referenzspannung aus einer an dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und/oder aus einer an dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) anliegenden Spannung mittels Spannungsteilung durch zumindest zwei Widerstandselemente (131, 132; 231, 232) gebildet wird; • die gebildete Referenzspannung mit der erfassten Spannung verglichen wird, und • ein Unterschreiten oder ein Überschreiten einer Spannungsdifferenz zwischen der gebildeten Referenzspannung und der erfassten Spannung erkannt wird.