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Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektromobilität und betrifft einen Steckverbinder, welcher vorzugsweise als Ladestecker für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug (Elektrofahrzeug) ausgebildet ist. Der Steckverbinder weist eine Einrichtung zur Detektion eines Kriechstroms zwischen zumindest einem ersten Kontaktelement und zumindest einem zweiten Kontaktelement auf, um eine Überwachung der Isolationsfestigkeit des Steckverbinders zu gewährleisten und vor allem Isolationsfehler erkennen zu können. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Ausbildung einer Steckverbindung und ein Verfahren zur Detektion eines Kriechstroms in einem Steckverbinder.
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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 Gegensteckverbinder 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.
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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.
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Erfassung von Isolationsfehlern und damit in Zusammenhang stehenden Kriechströmen (Leckströmen) bekannt.
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Aus der deutschen Patentschrift Nr.
DE 10 2006 037 043 B3 ist eine Photovoltaikanlage mit zwei Wechselrichtern bekannt, welche über Wechselstromleitungen mittels einer gemeinsamen selbsttätigen Netz-Freischalteinrichtung an ein Stromnetz angeschlossen sind. Die selbsttätige Netz-Freischalteinrichtung verfügt über eine Messschaltung zur Messung von Isolationswiderständen von angeschlossenen Solargeneratoren. Zur Messung der Isolationswiderstände der an die Wechselrichter angeschlossenen Solargeneratoren wirken Bypassleitungen als passive Elemente, in welchen hochohmige Widerstände angeordnet sind. Die Bypassleitungen überbrücken den Leistungsteil jedes Wechselrichters und ermöglichen die Isolationswiderstandsmessung der Solargeneratoren.
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Die deutsche Auslegeschrift Nr.
DE 29 11 517 betrifft eine Teilnehmeranschlussschaltung auf dem Gebiet der Telekommunikationstechnik mit Erdtasten und Isolationsfehlerindikation, wobei eine Bypass-Schaltung mit einem Schalter und einem hochohmigen Widerstand beschrieben wird. Der Widerstandswert ist dabei so bemessen, dass bei Überschreitung eines maximal zulässigen Werts für einen Leckstrom eine Auswerteschaltung aktiviert wird.
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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 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 zur Ausbildung einer Steckverbindung und ein Verfahren zur Detektion eines Kriechstroms in einem Steckverbinder bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 11 und 16 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.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nach einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt einen Steckverbinder zur Ausbildung einer Steckverbindung mit einem Gegensteckverbinder 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 eine Schaltungseinrichtung zumindest einem Kontaktelement, vorzugsweise einem einzigen Kontaktelement, des zumindest einen ersten Kontaktelements und des zumindest einen zweiten Kontaktelements zugeordnet ist, wobei die Schaltungseinrichtung zur Detektion eines Kriechstroms zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement derart konfiguriert ist, dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung an das zumindest eine erste Kontaktelement und an das zumindest eine zweite Kontaktelement ein Stromfluss an dem zumindest einen zugeordneten Kontaktelement begrenzt wird.
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Mit anderen Worten ist der Steckverbinder gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass ein einen Kriechstrom repräsentierender Stromflussbegrenzt wird. Die Detektion des Kriechstroms erfolgt vorzugsweise unter anderem durch Messen des begrenzten Stromflusses mittels eines Strommesselements der Schaltungseinrichtung, was nachfolgend noch näher beschrieben wird. Der Steckverbinder gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch beispielsweise durch ein erhöhtes und somit verbessertes Sicherheitskonzept gekennzeichnet. Somit können beispielsweise Schäden oder Gefahren für einen Anwender des Steckverbinders vermieden oder verhindert werden. Ferner können dadurch beispielsweise auch Schäden an einem aufzuladenden, elektrisch antreibbaren Fahrzeug (Elektrofahrzeug) vermieden werden. Durch die Funktion der Begrenzung des Stromflusses (Strombegrenzung) kann beispielswiese bei einer definierten Spannung nur eine definierte Leistung abgegeben werden.
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Vorzugsweise ist, wie oben bereits kurz beschrieben, die Schaltungseinrichtung zusätzlich konfiguriert, den begrenzten Stromfluss an dem zumindest einen ersten Kontaktelement und/oder an dem zumindest einen zweiten Kontaktelement zu messen.
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Das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine zweite Kontaktelement ist vorzugsweise jeweils ein Lastkontaktelement. Die Schaltungseinrichtung ist vorzugsweise zwischen einem elektrischen Leiter für das zumindest eine zugeordnete Kontaktelement und dem zumindest einen zugeordneten Kontaktelement angeordnet und weist ein Strombegrenzungselement auf. Das zumindest eine zugeordnete Kontaktelement kann vorzugsweise den Pluspol darstellen.
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Es ist möglich, dass das Strombegrenzungselement als ein Widerstandselement ausgebildet ist oder ein Widerstandselement aufweist, wobei das Widerstandselement durch einen Widerstandswert gekennzeichnet ist, welcher vorzugsweise zumindest kleiner als der Widerstandswert des Isolierstoffgehäuses ist, besonders bevorzugt kleiner als ein resultierender Widerstandswert einer Kriechstrecke des Stromflusses zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schaltungseinrichtung ein Strommesselement aufweist, wobei das Strommesselement konfiguriert ist, zumindest eine Stromstärke des begrenzten Stromflusses durch eine Spannungsmessung, vorzugsweise über ein Strombegrenzungselement, zu messen. Das Strommesselement kann somit dem zumindest einen ersten Kontaktelement zugeordnet sein. Es ist alternativ auch möglich, dass das Strommesselement dem zumindest einen zweiten Kontaktelement zugeordnet ist.
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Es ist möglich, dass das Strommesselement vorzugsweise als Hall-Sondenelement ausgebildet ist oder ein Hall-Sondenelement umfasst.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schaltungseinrichtung ein Schaltelement zur Deaktivierung der Begrenzung des Stromflusses, vorzugsweise zur Umgehung eines Strombegrenzungselements, aufweist, wobei das Schaltelement zur Übertragung der elektrischen Energie konfiguriert ist, vorzugweise im Zuge eines Ladevorgangs eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs).
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Vorzugsweise ist das Schaltelement parallel zu dem Strombegrenzungselement angeordnet und/der elektrisch angeschlossen. Dadurch kann nach einer Detektion, dass kein Kriechstrom vorliegt oder gegeben ist (unterbliebener ausgebildeter Stromfluss), beispielsweise ermöglicht werden, dass eine erhöhte oder vorbestimmte elektrische Energie in Form eines Ladestroms über den Steckverbinder bereitgestellt wird und keine unnötigen Verluste durch eine Strombegrenzung auftreten. Das Schaltelement ist mit anderen Worten vorzugsweise als Bypass-Schalter zu dem Strombegrenzungselement angeordnet und/oder elektrisch angeschlossen.
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Es ist möglich, das die Schaltungseinrichtung konfiguriert ist, in Abhängigkeit des begrenzten Stromflusses das Schaltelement zu deaktivieren, vorzugsweise nach Übertragung der elektrischen Energie (im Zuge eines Ladevorgangs).
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schaltungseinrichtung ein Vergleichselement umfasst, wobei das Vergleichselement konfiguriert ist, den begrenzten Stromfluss mit einem Referenzstrom, vorzugsweise mit einem vorbestimmten oder mit einem vordefinierten Referenzstrom, zu vergleichen und vorzugsweise eine Übertragung elektrischer Energie über den Steckverbinder zu verhindern falls ein signifikanter Kriechstrom ausgebildet ist oder detektiert wird.
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Die Erfindung betrifft nach einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt ein Verfahren zur Detektion eines Kriechstroms zwischen zumindest einem ersten Kontaktelement und zumindest einem zweiten Kontaktelement in einem Steckverbinder zur Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale, wobei der Steckverbinder vorzugsweise wie hierin offenbart konfiguriert ist, wobei eine Schaltungseinrichtung zumindest einem Kontaktelement, vorzugweise einem einzigen Kontaktelement, des zumindest einen ersten Kontaktelements und des zumindest einen zweiten Kontaktelements zugeordnet ist, umfassend: Anlegen einer elektrischen Spannung, vorzugsweise einer rampenförmigen elektrischen Spannung, an das zumindest eine erste Kontaktelement und an das zumindest eine zweite Kontaktelement; Erfassen durch die Schaltungseinrichtung, ob sich an dem Strombegrenzungselement ein Stromfluss, welcher durch einen Kriechstrom zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement hervorgerufen wird, ausbildet oder ob ein Stromfluss unterbleibt; Initiieren eines Betriebssicherheitsmodus bei einem an dem Strombegrenzungselement erfassten ausgebildeten Stromfluss.
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Es ist möglich, dass Erfassen durch die Schaltungseinrichtung, ob sich ein Stromfluss ausbildet oder ob ein Stromfluss unterbleibt, umfasst: Begrenzen eines ausgebildeten Stromflusses an dem zumindest einen zugeordneten Kontaktelement; und/oder Messen eines ausgebildeten Stromflusses, vorzugsweise eines begrenzten ausgebildeten Stromflusses, an dem zumindest einen ersten Kontaktelement und/oder an dem zumindest einen zweiten Kontaktelement, wobei vorzugsweise zumindest eine Stromstärke des begrenzten ausgebildeten Stromflusses durch eine Spannungsmessung ermittelt wird.
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Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren umfassen: Betätigen eines Schaltelements der Schaltungseinrichtung zur Umgehung des Strombegrenzungselements, und/oder Initiieren eines Betriebsmodus bei einem an dem Strombegrenzungselement erfassten unterbliebenen Stromfluss.
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Initiieren eines Betriebsmodus kann umfassen: Ermitteln durch die Schaltungseinrichtung, ob der Steckverbinder mit einem Gegensteckverbinder eine Steckverbindung ausbildet; Erfassen durch die Schaltungseinrichtung nach einer ermittelten ausgebildeten Steckverbindung, ob sich an dem Strombegrenzungselement ein Stromfluss, welcher durch einen Kriechstrom zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement hervorgerufen wird, ausbildet oder ob ein Stromfluss unterbleibt; und/oder Übertragen der elektrischen Energie über das betätigte Schaltelement, vorzugsweise bei einem an dem Strombegrenzungselement erfassten unterbliebenen Stromfluss.
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Initiieren eines Betriebssicherheitsmodus kann umfassen: Erzeugen eines Warnsignals zur visuellen und/oder akustischen Ausgabe durch die Schaltungseinrichtung; und/oder Deaktivieren der Initialisierung der Übertragung elektrischer Energie oder Verhindern der Übertragung elektrischer Energie über den Steckverbinder.
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Die Erfindung betrifft nach einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt eine Anordnung zur Ausbildung einer Steckverbindung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, umfassend einen Steckverbinder wie hierin offenbart, wobei der Steckverbinder als Ladestecker ausgebildet ist, und einen Gegensteckverbinder, wobei der Gegensteckverbinder als Ladesteckdose und zur Ausbildung der Steckverbindung mit dem Steckverbinder in einer Steckrichtung ausgebildet ist, wobei vorzugsweise zumindest teilweise vor Ausbildung der Steckverbindung das Verfahren wie hierin offenbart ausgeführt wird.
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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.
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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.
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Es zeigen:
- 1 ein Steckgesicht mit einem Steckabschnitt eines Ausführungsbeispiels des Steckverbinders gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladestecker in einer perspektivischen Ansicht;
- 2 eine Anordnung des Steckverbinders aus 1 mit einem Gegensteckverbinder in einer schematischen Ansicht;
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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.
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1 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 Gegensteckverbinder 200 (siehe hierzu 2) im Wesentlichen in der Steckrichtung X konfiguriert, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 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.
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Der Steckverbinder 100 in 1 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.
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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.
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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.
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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 Gegensteckverbinders 200 (siehe hierzu 2) mechanisch zumindest formschlüssig und/oder zumindest teilweise kraftschlüssig bei Ausbildung einer Steckverbindung zwischen dem Steckverbinder 100 als Ladestecker und dem Gegensteckverbinder 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 105 und 106 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 1 mit dem Bezugszeichen D gekennzeichnet.
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Wände und/oder Wandabschnitte des Steckabschnitts 102, vorzugsweise umfassend die Isolierstoffhülsen 105 und 106, sind vorzugsweise integral einstückig ausgebildet. Es ist allerdings beispielsweise alternativ möglich, dass die Isolierstoffhülsen 105 und 106 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.
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Der Steckverbinder 100 umfasst die weiteren Kontaktelemente 113 bis 115, welche in einem weiteren Bereich des Steckabschnitts 102 in entsprechenden Isolierstoffhülsen (in 1 nicht näher gekennzeichnet) aufgenommen oder angeordnet sind und nachfolgend 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 100 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.
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Der Steckverbinder 100 umfasst weitere Komponenten und Elemente, auf welche vor dem Hintergrund der vorliegenden Erfindung nachfolgend näher eingegangen wird.
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2 zeigt eine Anordnung 300 des Steckverbinders 1 aus 1 mit einem Gegensteckverbinder 200 in einer schematischen Ansicht. Die Darstellung in 2 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 2 ergibt sich anschaulich, dass die Kontaktelemente 111 und 112 zumindest abschnittsweise in den Isolierstoffhülsen 105 und 106 aufgenommen oder angeordnet sind.
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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.
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Derartige Kriechströme KS können sowohl für den Steckverbinder 100 als Ladestecker, den Gegensteckverbinder 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.
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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 131, 132, das heißt zwischen den Kontaktelementen 111 und 112.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch den Verlauf, das heißt die Kriechstrecke, entlang welcher ein Kriechstrom KS mit entsprechender elektrischer Spannung von dem ersten Kontaktelement 111 in Richtung des zweiten Kontaktelements 112 (oder umgekehrt, je nach elektrischer Polung oder Polarität der Kontaktelemente 111 und 112) wandert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Steckverbinders 100 befindet sich der Pluspol an dem elektrischen Leiter 131 und somit an dem ersten Kontaktelement 111 und der Minuspol an dem elektrischen Leiter 132 und somit an dem zweiten Kontaktelement 112.
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Um nun einen gefährlichen Zustand durch Ausbildung eines Kriechstroms KS infolge verminderter Isolationseigenschaften des Isolierstoffs zu detektieren, umfasst der Steckverbinder 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Schaltungseinrichtung 120. Die Schaltungseinrichtung 120 ist vorzugsweise eine elektrisch-elektronische Baueinheit. Die Schaltungseinrichtung 120 ist einem Kontaktelement 111 der beiden Kontaktelemente 111 und 112, das heißt dem ersten Kontaktelement 111 zugeordnet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steckverbinders 100 kann die Schaltungseinrichtung 120 auch dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 und somit beiden Kontaktelementen 111 und 112 zugeordnet sein.
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Die Schaltungseinrichtung 120 ist zur Detektion eines Kriechstroms KS, vorzugsweise eines sich ausbildenden Kriechstroms KS, zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 derart konfiguriert, dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung an das erste Kontaktelement 111 und an das zweite Kontaktelement 112 ein Stromfluss an dem zugeordneten Kontaktelement, das heißt dem ersten Kontaktelement 111 begrenzt wird, welcher aus einem sich bildenden Kriechstrom KS resultiert. Das Anlegen der elektrischen Spannung erfolgt über die elektrischen Leiter 131 und 132. Es ist bei einem alternativen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steckverbinders 100 möglich, dass ein sich durch einen Kriechstrom KS ausbildender Stromfluss an dem zweiten Kontaktelement 112 begrenzt wird.
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Die Schaltungseinrichtung 120 ist zwischen dem elektrischen Leiter 131 für das erste Kontaktelement 111 und dem ersten Kontaktelement 111 angeordnet und weist zur Realisierung der Begrenzung des Stromflusses (Strombegrenzung) ein Strombegrenzungselement 121 auf. Das Strombegrenzungselement 121 ist vorzugsweise als ein Widerstandselement 121 ausgebildet oder weist ein Widerstandselement 121 auf. Das Widerstandselement 121 ist durch einen Widerstandswert gekennzeichnet, welcher vorzugsweise zumindest kleiner als der Widerstandswert des Isolierstoffgehäuses 101 ist. Vorzugsweise ist das Strombegrenzungselement 121 der Schaltungseinrichtung 120 elektrisch zwischen dem elektrischen Leiter 131 und dem ersten Kontaktelement 111 angeordnet. Somit kann das Vorhandensein eines Kriechstroms KS an dem Strombegrenzungselement 121 und/oder über das Strombegrenzungselement 121 erfasst werden. Durch das Strombegrenzungselement 121 kann beispielsweise gewährleistet werden, dass eine Beschädigung an dem Steckverbinder 100 und/oder davon ausgehende Gefahren vermieden werden, nachdem durch das Strombegrenzungselement 121 bei einer definierten Spannung nur eine definierte elektrische Leistung abgegeben wird.
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Die Schaltungseinrichtung 120 weist ein Strommesselement 122 auf. Das Strommesselement 122 ist konfiguriert, zumindest eine Stromstärke des erfassten und/oder begrenzten Stromflusses durch eine Spannungsmessung, vorzugsweise über das Strombegrenzungselement 121, zu messen. Das Stromesselement 122 kann vorzugsweise als Hall-Sondenelement ausgebildet oder vorzugsweise ein Hall-Sondenelement umfassen. Es ist bei einem alternativen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steckverbinders 100 möglich, dass die Schaltungseinrichtung 120 ein Strommesselement 122 aufweist, wobei das Strommesselement 122 konfiguriert, zumindest eine Stromstärke des begrenzten Stromflusses durch eine Spannungsmessung, vorzugsweise über den elektrischen Leiter 132 und/oder das zweite Kontaktelement 112, zu messen und somit nicht über das Strombegrenzungselement 121, so wie dies in 2 dargestellt ist.
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Die Schalteinrichtung 120 weist ein Schaltelement 123 zur Deaktivierung der Funktion der Strombegrenzung auf. Vorzugsweise oder mit anderen Worten ist das Schaltelement 123 zur Umgehung des Strombegrenzungselements 121 vorgesehen. Das Schaltelement 123 ist gemäß der vorliegenden Erfindung zur Übertragung der elektrischen Energie konfiguriert. Wie sich aus 2 ergibt, ist das Schaltelement 123 parallel zu den Strombegrenzungselement 121 angeordnet oder elektrisch angeschlossen. Mit anderen Worten ist das Schaltelement 123 in Bezug auf das Strombegrenzungselement 121 in Form des Widerstandselements 121 als Bypass-Schalter angeordnet und/oder konfiguriert. Das Schaltelement 123 kann als Relais mit entsprechendem Schaltvermögen ausgebildet sein.
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Das Schaltelement 123 ist dazu vorgesehen, die elektrische Energie im Zuge eines Ladevorgangs zu übertragen, wenn kein Kriechstrom KS an dem oder über das Strombegrenzungselement 121 detektiert wurde. Es kann somit vorzugsweise ein höherer Ladestrom bereitgestellt werden und es treten keine unnötigen Verluste auf.
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Die Schaltungseinrichtung 120 ist ferner, das heißt zusätzlich konfiguriert, das Schaltelement 123 zu deaktivieren, vorzugsweise nach Übertragung der elektrischen Energie im Zuge eines Ladevorgangs. Mit anderen Worten kann das Schaltelement 123 nach einem Ladevorgang, das heißt nach Übertragung der elektrischen Energie wieder deaktiviert werden, nachdem beispielsweise während eines Ladevorgangs keine Detektion eines Kriechstroms KS in Form der Erfassung eines Stromflusses durch Begrenzen und Messen an dem oder über das Strombegrenzungselement 121 stattfinden kann, da die Strombegrenzungsfunktion des Strombegrenzungselements 121 deaktiviert ist. Somit steht bei dem Steckverbinder 100 das Strombegrenzungselement 121 zur Erfassung eines durch einen Kriechstrom KS hervorgerufenen Stromflusses wieder zur Verfügung oder wird reaktiviert.
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Ferner umfasst die Schaltungseinrichtung 120 ein Vergleichselement 124. Das Vergleichselement 124 ist konfiguriert, den erfassten und/oder begrenzten Stromfluss mit einem Referenzstrom, vorzugsweise mit einem vorbestimmten oder mit einem vordefinierten Referenzstrom, zu vergleichen und vorzugsweise eine Abschaltung der weiteren Initialisierung zur Übertragung elektrischer Energie über den Steckverbinder 100 zu initiieren, bevor der Steckverbinder 100 mit einem Gegensteckverbinder 200 eine Steckverbindung ausbildet, oder die Übertragung elektrischer Energie über den Steckverbinder 100 zu verhindern falls ein Kriechstrom KS ausgebildet ist.
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Nachfolgend wird mit Blick auf 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anhand von kennzeichnenden Abschnitten oder Phasen beschrieben. Es versteht sich, dass das Verfahren im Zuge der Detektion eines Kriechstroms KS und im Weiteren im Zuge eines Ladevorgangs eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs zur Übertragung elektrischer Energie weitere verfahrensgemäße Abschnitte oder Phasen aufweisen kann. Es ist ferner möglich, dass einzelne Abschnitte oder Phasen gleichzeitig, das heißt parallel, oder zeitlich hintereinander oder gegebenenfalls auch vertauscht stattfinden können.
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Auf die Beschreibung entsprechender Komponenten und Elemente des Steckverbinders 100, welche bereits anhand der 1 und 2 beschrieben wurden, wird nachfolgend zur Vermeidung von Wiederholungen teilweise verzichtet.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Detektion eines Kriechstroms KS zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 in dem Steckverbinder 100 sieht in einem ersten Abschnitt oder in einer ersten Phase S10 das Anlegen einer elektrischen Spannung, vorzugsweise einer rampenförmigen elektrischen Spannung, an das erste Kontaktelement 111 und das zweite Kontaktelement 112 vor. Das Anlegen der elektrischen Spannung erfolgt durch die Ladesäule über das Ladekabel und geschieht hierbei über die elektrischen Leiter 131 und 132, welche jeweils mit dem ersten und dem zweiten Kontaktelement 111 und 112 elektrisch verbunden sind.
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In Abschnitt oder in Phase S20 erfolgt ein Erfassen durch die Schaltungseinrichtung 120, ob sich an dem Strombegrenzungselement 121 ein Stromfluss, welcher durch einen Kriechstrom KS zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 im Falle verminderter Isolationseigenschaften des Isolierwerkstoffs hervorgerufen wird, ausbildet oder ob ein Stromfluss unterbleibt. Erfassen umfasst hierbei ein Begrenzen eines ausgebildeten Stromflusses an dem ersten Kontaktelement 111 und ein Messen des begrenzten ausgebildeten Stromflusses an dem ersten Kontaktelement 111, wobei vorzugsweise eine Stromstärke des erfassten und/oder begrenzten ausgebildeten Stromflusses durch eine Spannungsmessung, vorzugsweise über das Strombegrenzungselement 121, ermittelt wird.
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Das Vergleichselement 124 der Schaltungseinrichtung 120 ist konfiguriert, ein Überschreiten eines gemessenen Stroms, vorzugsweise einer durch das Strommesselement 122 gemessenen Stromstärke an dem Widerstandselement 121 zu erkennen. Hierbei kann somit in Abschnitt oder in Phase S30 ein Vergleichen des erfassten und/oder begrenzten ausgebildeten Stromflusses mit einem vorbestimmten oder einen vordefinierten Referenzstrom stattfinden.
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Wird ein ausgebildeter Stromfluss, das heißt ein begrenzter ausgebildeter Stromfluss erfasst und als solcher erkannt, so findet in Abschnitt oder in Phase S40 ein Initiieren eines Betriebssicherheitsmodus statt. Initiieren eines Betriebssicherheitsmodus kann vorzugsweise zumindest ein Erzeugen eines Warnsignals zur visuellen und/oder akustischen Ausgabe durch die Schaltungseinrichtung 120 umfassen. Das erzeugte Warnsignal kann beispielsweise an der Ladesäule, welche mit dem Steckverbinder 100 verbunden ist, in entsprechender Form ausgegeben werden.
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Vorzugsweise umfasst Initiieren eines Betriebssicherheitsmodus zumindest ein Deaktivieren der Initialisierung der Übertragung elektrischer Energie oder besonders bevorzugt ein Verhindern der Übertragung elektrischer Energie über den Steckverbinder 100 (falls ein signifikanter Kriechstrom KS ausgebildet ist).
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Für den Fall, dass in Abschnitt oder in Phase S30 ein Unterbleiben eines Stromflusses erfasst wird, kann in Abschnitt oder in Phase S50 ein Initiieren eines Betriebsmodus stattfinden.
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Initiieren eines Betriebsmodus kann ein Ermitteln durch die Schaltungseinrichtung 120, ob der Steckverbinder 100 mit einem Gegensteckverbinder 200 eine Steckverbindung ausgebildet, umfassen.
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In Abschnitt oder in Phase S60 findet ein Betätigen des Schaltelements 123 der Schaltungseinrichtung 120 zur Umgehung des Strombegrenzungselements 121 statt. Das Schaltelement 123 wird als Bypass-Schalter zu dem Strombegrenzungselement 121 aktiviert und die Funktion der Strombegrenzung durch das Strombegrenzungselement 121 wird somit deaktiviert.
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In Abschnitt oder in Phase S70 kann sodann ein Übertragen der elektrischen Energie über das betätigte Schaltelement 123 zum Laden von Akkumulatoren eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs im Zuge eines Ladevorgangs stattfinden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Steckverbinder
- 101
- Isolierstoffgehäuse
- 102
- Steckabschnitt
- 103
- Steckgesicht
- 104
- Wandabschnitt
- 105
- Isolierstoffhülse
- 106
- Isolierstoffhülse
- 111
- Kontaktelement (Lastkontaktelement)
- 112
- Kontaktelement (Lastkontaktelement)
- 113
- Kontaktelement
- 114
- Kontaktelement
- 115
- Kontaktelement
- 120
- Schaltungseinrichtung
- 121
- Strombegrenzungselement
- 122
- Strommesselement
- 123
- Schaltelement
- 124
- Vergleichselement
- 131
- elektrischer Leiter
- 132
- elektrischer Leiter
- 200
- Steckverbinder
- 211
- Kontaktelement (Lastkontaktelement)
- 212
- Kontaktelement (Lastkontaktelement)
- 300
- Anordnung
- D
- Abstand
- KS
- Kriechstrom
- X
- Steckrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006037043 B3 [0005]
- DE 2911517 [0006]
