DE102022133021A1

DE102022133021A1 - Sensoreinrichtung zur temperaturüberwachung eines kontaktelements, anordnung mit einer sensoreinrichtung zur temperaturüberwachung und mit einem kontaktelement, sowie steckverbinder mit einer solchen sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102022133021A1
Application number: DE102022133021.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fischer
Original assignee: Phoenix Contact eMobility GmbH
Current assignee: Phoenix Contact eMobility GmbH
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2024-06-13
Also published as: WO2024126120A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung (1) zur Temperaturüberwachung eines Kontaktelements (100), vorzugsweise eines Leistungskontaktelements (100) zur Übertragung elektrischer Energie in einem Betriebszustand, mit einem Temperatursensor (200) zur Erfassung zumindest einer Temperatur und Generierung zumindest eines Temperaturmesswerts, und mit einer Tragstruktur (300) zum Tragen des Temperatursensors (200), wobei die Tragstruktur (300) einen Aufnahmeabschnitt (301) zur Anbindung des Kontaktelements (100) in einem Montagezustand umfasst, wobei der Temperatursensor (200) an der Tragstruktur (300) angeordnet und konfiguriert ist, in dem Montagezustand zumindest eine Temperatur räumlich unmittelbar an dem Kontaktelement (100) zu erfassen. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung mit einer Sensoreinrichtung (1) und mit einem Kontaktelement (100), sowie einen Steckverbinder mit zumindest einer Sensoreinrichtung (1) oder mit zumindest einer Anordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik, beispielsweise im Bereich der Elektromobilität, und betrifft eine Sensoreinrichtung zur Temperaturüberwachung eines Kontaktelements, vorzugsweise zumindest eines elektrischen Leistungskontaktelements zur Übertragung elektrischer Energie. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung mit einer Sensoreinrichtung zur Temperaturüberwachung und mit einem Kontaktelement sowie einen Steckverbinder mit einer Sensoreinrichtung zur Temperaturüberwachung oder mit einer Anordnung, welche eine Sensoreinrichtung zur Temperaturüberwachung und ein Kontaktelement umfasst.
Einrichtungen zur Überwachung einer Temperatur elektrischer/elektronischer Komponenten und/oder Baugruppen kommen in vielen Anlagen, beispielsweise in der Prozessindustrie, und Produkten zum Einsatz, um insbesondere Anforderungen an die Sicherheit und/oder Funktionalität in einem Betriebszustand zu gewährleisten und unter anderem Beschädigungen infolge thermischer Belastungen zu verhindern.
Beispielsweise kommen im Bereich der Elektromobilität zum Laden elektrisch antreibbarer Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge) Einrichtungen zur Überwachung elektrischer/elektronischer Komponenten in Form von Leistungskontaktelementen zur Übertragung elektrischer Energie zum Einsatz. Die Leistungskontaktelemente befinden sich hier in einem Steckverbinder zur Ausbildung einer Steckverbindung mit einem Gegensteckverbinder und speziell in einem Ladesteckverbinder, das heißt einem Ladestecker, welcher zur manuellen Bedienung einen Griffabschnitt umfasst. Der Ladesteckverbinder ist hierbei über ein Ladekabel mit einer Ladesäule oder mit einer Wallbox einer Ladestation verbunden.
Bei Ladeverfahren mittels Gleichstrom und insbesondere bei Schnellladeverfahren sind die Leistungskontaktelemente einer Stromspannung von bis zu 2000 Volt oder einer Stromstärke von bis zu 3000 Ampere in einem Ladebetriebszustand ausgesetzt. Damit einhergehend ist eine Erwärmung und somit ein Temperaturanstieg der Leistungskontaktelemente verbunden.
Obwohl beispielsweise aktive Kühlsysteme mittels flüssiger Medien zum Einsatz kommen, um entstandene Wärme von den Leistungskontaktelementen abzuleiten, ist es unabdingbar, die Temperatur der Leistungskontaktelemente zu überwachen, insbesondere in einem Betriebszustand und vor allem in einem Ladebetriebszustand im Zuge des Ladevorgangs eines Elektrofahrzeugs.
Elektronische Temperaturüberwachung der Leistungskontaktelemente bei Ladeeinrichtungen, das heißt bei Ladesteckverbindern und/oder Ladesteckdosen kann im Fehlerfall, das heißt bei Überhitzung, beispielsweise zum Abbruch oder zur Deaktivierung des Ladevorgangs führen, sodass keine Übertragung elektrischer Energie mehr stattfindet. Die hier eingesetzten elektronischen Temperatursensoren zur Temperaturerfassung, welche auf einem Niedervoltpotential betrieben werden, müssen hierbei thermisch an die Leistungskontaktelemente angebunden werden, jedoch elektrisch von deren Hochvoltpotential isoliert werden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden häufig Werkstoffe verwendet und zwischen den Leistungskontakten und den Sensoren platziert, welche wärmeleitend, aber zugleich elektrisch isolierend ist.
Allerdings werden mit der Platzierung dieser zusätzlichen Materialien zwischen den Leistungskontaktelementen und den Temperatursensoren Messungen stationärer oder quasistationärer Temperaturen als auch Messungen instationärer und somit zeitlich veränderlicher Temperaturen negativ beeinflusst. Zudem wirken sich beispielsweise vorhandene oder sich ergebende Luftspalte zwischen Leistungskontaktelementen oder den Temperatursensoren und dem Isolationswerkstoff negativ auf Messungen, das heißt Messergebnisse aus. Die Luftspalte können beispielsweise durch geringe Abweichungen in der Position eines Isolators entstehen.
Aus der Patentliteratur des Stands der Technik sind verschiedene Lösungen zur Temperaturmessung und Temperaturüberwachung elektrischer Kontaktelemente bekannt.
So betrifft beispielsweise die europäische Patentschrift Nr. EP 3 183 781 B1 ein Steckverbinderteil zum Verbinden mit einem Gegensteckverbinderteil mit mehreren elektrischen Kontaktelementen und mehreren Temperatursensoren, die als diskrete Bauelemente ausgebildet sind und in einer Reihenschaltung mit einer gemeinsamen Sensorleitung verbunden. Jeder der Temperatursensoren umfasst jeweils für sich eine elektrisch isolierende Umhüllung und ist an dem jeweils zugeordneten Kontaktelement angeordnet, um eine Temperaturänderung zu erfassen. Die an die Temperatursensoren angeschlossene gemeinsame Sensorleitung ist elektrisch (galvanisch) von den Kontaktelementen getrennt.
In der europäischen Patentschrift Nr. EP 3 286 804 B1 wird ein Steckverbinderteil mit elektrischen Kontaktelementen, mit einer flächigen Temperaturüberwachungseinrichtung und mit einer Sensoreinrichtung zum Detektieren einer Erwärmung an den Kontaktelementen beschrieben, wobei sich die Kontaktelemente durch Öffnungen des Trägerelements der Temperaturüberwachungseinrichtung hindurcherstrecken. Das Trägerelement ist als Leiterplatte ausgebildet, welche auf einem aus einem elektrisch isolierenden Material bestehenden Trägerkörper elektrische Leiterbahnen trägt. An jeder Öffnung ist eine metallische Kontaktfläche eines metallischen Kopplungsabschnitts angeordnet, sodass jedes Kontaktelement thermisch mit der Kontaktfläche gekoppelt ist, um eine Erwärmung zu detektieren. Die Sensoreinrichtung ist an einer Seite des Trägerelements angeordnet und von dem Kopplungsabschnitt elektrisch isoliert.
Die internationale Patentanmeldung Nr. WO 2022/073782 A1 betrifft eine Temperaturerfassungseinrichtung für ein Steckverbinderteil mit einem einstückig hergestellten Metallblech mit zwei Rastarmen als Rastelement, um dazwischen eine Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Kontaktelements auszubilden. Ein Temperatursensor ist in einem Sensorhalter eingebettet, welcher aus einem elektrisch isolierenden Material, das heißt aus Kunststoff besteht. Der Sensorhalter ist wiederum an dem Rastelement befestigt.
In der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 2021/004765 A1 wird eine elektrische Baugruppe mit einem plattenförmigen Trägerelement beschrieben, an welchem eine Temperaturüberwachungseinrichtung zum Überwachen eines elektrischen Kontaktelements angeordnet ist, wobei das Kontaktelement wiederum an dem Trägerelement angeordnet ist. Ein Temperatursensor ist als SMD-Bauteil an der Oberfläche des Trägerelements angeordnet und eine Wärmeleiteinrichtung ist in dem Trägerkörper eingebettet, welche sich zumindest abschnittsweise in dem Trägerelement erstreckt und thermisch über eine Durchkontaktierung mit einem Anlageelement verbunden ist, welches wiederum mit einer Kopplungsfläche des Kontaktelements thermisch gekoppelt ist. Die Durchkontaktierung ist mit einer thermisch leitfähigen Füllmasse, das heißt mit einem Lötmaterial, gefüllt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sensoreinrichtung zur Temperaturüberwachung eines Kontaktelements bereitzustellen, welche vor allem hinsichtlich der Erfassung von Temperaturmesswerten optimiert ist. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung mit einer solchen Sensoreinrichtung und mit einem Kontaktelement bereitzustellen, sowie einen Steckverbinder mit einer solchen Anordnung oder einer Sensoreinrichtung.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 und 11 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 vorliegende Erfindung betrifft nach einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt eine Sensoreinrichtung zur Temperaturüberwachung eines Kontaktelements, vorzugsweise zumindest eines Leistungskontaktelements zur Übertragung elektrischer Energie in einem Betriebszustand, mit einem Temperatursensor zur Erfassung zumindest einer Temperatur und Generierung zumindest eines Temperaturmesswerts, und mit einer Tragstruktur zum Tragen des Temperatursensors, wobei die Tragstruktur einen Aufnahmeabschnitt zur Anbindung, vorzugsweise mechanischen Anbindung, des Kontaktelements in einem Montagezustand umfasst, wobei der Temperatursensor an oder auf der Tragstruktur, vorzugsweise außerhalb der Tragstruktur, angeordnet und konfiguriert ist, in dem Montagezustand zumindest eine Temperatur räumlich unmittelbar oder räumlich direkt an dem Kontaktelement zu erfassen.
Die räumlich unmittelbare Erfassung der zumindest einen Temperatur an dem Kontaktelement gewährleistet beispielsweise eine verbesserte Messgenauigkeit. Die zumindest eine Temperatur kann einen stationären, quasi-stationären oder instationären und somit einen zeitlich veränderlichen Temperaturverlauf umfassen. Der Temperatursensor kann vorzugsweise ein elektronischer Temperatursensor auf Halbleiterbasis sein. Durch die Konfiguration des Temperatursensors einerseits und die Anordnung des Temperatursensors an oder auf der Tragstruktur andererseits ist es möglich, die zumindest eine Temperatur im Wesentlichen unbeeinflusst durch den Temperatursensor zu erfassen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Temperatursensor selbst konfiguriert unmittelbar oder direkt mit dem Potential des Kontaktelements thermisch verbunden zu werden. Somit lassen sich beispielsweise weitere oder zusätzliche Komponenten, vor allem elektrische Isolationskomponenten, vermeiden.
Die Erfassung der zumindest einen Temperatur räumlich unmittelbar an dem Kontaktelement betrifft insbesondere die Erfassung der zumindest einen Temperatur in unmittelbarer Nähe zu dem Kontaktelement.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung einen Kontaktkörper, vorzugsweise einen einteiligen und/oder integral einstückig ausgebildeten Kontaktkörper, zur Kontaktierung des Kontaktelements umfasst, welcher an oder auf der Tragstruktur, vorzugsweise außerhalb der Tragstruktur oder an diese angrenzend, angeordnet und zur thermischen Koppelung des Temperatursensors mit dem Kontaktelement in dem Montagezustand konfiguriert ist. Der Kontaktkörper dient vorzugsweise als einziges thermisches Schnittstellenelement zwischen dem Kontaktelement und dem Temperatursensor. Weitere zusätzliche Elemente und Komponenten werden aufgrund der Konfiguration des Temperatursensors nicht benötigt.
Es ist möglich, dass der Kontaktkörper zumindest abschnittsweise innerhalb des Aufnahmeabschnitts und/oder zumindest abschnittsweise außerhalb des Aufnahmeabschnitts im Wesentlichen formschlüssig und/oder im Wesentlichen kraftschlüssig und/oder im Wesentlichen stoffschlüssig angeordnet ist, oder dass der Kontaktkörper zumindest abschnittsweise angrenzend an den Aufnahmeabschnitt angeordnet ist. Dadurch wird beispielsweise gewährleistet, dass an mehr oder weniger an demselben Ort oder Abschnitt, an welchem das Kontaktelement an die Tragstruktur angebunden ist, die Erfassung der zumindest einen Temperatur des Kontaktelements erfolgt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kontaktkörper zumindest abschnittsweise im Wesentlichen plattenförmig und/oder zumindest abschnittsweise im Wesentlichen ringförmig und/oder zumindest abschnittsweise im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist, und vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine Pressverbindung, eine Klebverbindung und/oder eine Rastverbindung mit dem zumindest einen Aufnahmeabschnitt ausbildet. Der Kontaktkörper kann beispielsweise als wärmeübertragende Kontakthülse oder als wärmeübertragender Kontaktring ausgebildet sein.
Es ist möglich, dass der Aufnahmeabschnitt und der Kontaktkörper jeweils eine Durchgangsöffnung für das Kontaktelement umfassen, welche jeweils vorzugsweise einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Durchgangsöffnung des Kontaktkörpers kleiner, im Wesentlichen gleich oder größer ausgebildet ist als die Durchgangsöffnung des Aufnahmequerschnitts.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Temperatursensor ein Sensorgehäuse zur Beherbergung oder zur Integration einer Temperaturmesseinheit, zumindest ein Signalkontaktelement zur Übertragung des zumindest einen Temperaturmesswerts, zumindest ein Versorgungskontaktelement zum Betrieb des Temperatursensors, und zumindest ein Thermokontaktelement zur Übertragung von Wärme zu der Temperaturmesseinheit umfasst, wobei der Temperatursensor als ein separates vormontiertes Einzelteil ausgebildet ist, und/oder wobei das Sensorgehäuse aus einem Isolierstoff zur thermischen und/oder elektrischen Isolierung der Temperaturmesseinheit ausgebildet ist. Demnach kann der Temperatursensor ein autark vormontiertes oder hergestelltes Einzelteil sein, welches darüber hinaus elektrisch und/oder thermisch isoliert ausgebildet ist. Das zumindest eine Thermokontaktelement ist mit anderen Worten zumindest ein Wärmeübertragungselement.
Es ist möglich, dass das zumindest eine Thermokontaktelement räumlich unmittelbar oder räumlich direkt an den Kontaktkörper thermisch gekoppelt ist, vorzugsweise im Wesentlichen stoffschlüssig thermisch gekoppelt ist, wobei das zumindest eine Thermokontaktelement und das zumindest eine Signalkontaktelement auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorgehäuses angeordnet sind, und/oder wobei das zumindest eine Thermokontaktelement und das zumindest eine Versorgungskontaktelement auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorgehäuses angeordnet sind. Dadurch können beispielsweise erforderliche Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Thermokontaktelement und/oder das zumindest eine Signalkontaktelement und/oder das zumindest eine Versorgungskontaktelement sich von dem Sensorgehäuse mit einem Abstand erstreckt/erstrecken, dass zwischen dem Sensorgehäuse und der Tragstruktur ein Hohlraum oder ein Spalt ausgebildet wird und das Sensorgehäuse zu der Tragstruktur beabstandet angeordnet ist.
Es ist möglich, dass der Temperatursensor eine galvanische Trennung zwischen einem Hochvoltpotential und einem Niedervoltpotential aufweist, und vorzugsweise zumindest ein Versorgungskontaktelement zum Betrieb des Temperatursensors dem Niedervoltpotential und zumindest ein Thermokontaktelement zur Übertragung von Wärme dem Hochvoltpotential zugeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft nach einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt eine Anordnung mit einer Sensoreinrichtung wie hierin offenbart und mit einem Kontaktelement wie hierin offenbart, vorzugsweise einem Leistungskontaktelement zur Übertragung elektrischer Energie in einem Betriebszustand, wobei das Kontaktelement zur Anbindung an die Tragstruktur vorzugsweise zumindest eine Kontaktlamelle umfasst, wobei die zumindest eine Kontaktlamelle zumindest abschnittsweise federnd oder elastisch verformbar ausgebildet ist, um zumindest mit dem Aufnahmeabschnitt eine im Wesentlichen formschlüssige und/oder im Wesentlichen kraftschlüssige Verbindung auszubilden und vorzugsweise zusätzlich mit einem Kontaktkörper der Sensoreinrichtung eine wärmeübertragende Verbindung auszubilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft nach einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt einen Steckverbinder, vorzugsweise Ladesteckverbinder, mit zumindest einer Sensoreinrichtung wie hierin offenbart oder mit zumindest einer Anordnung wie hierin offenbart. Der Steckverbinder kann als Ladesteckverbinder beispielsweise Bestandteil einer Ladestation mit einer Ladesäule und mit einem Ladekabel sein.
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:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht in schematischer Darstellung, wobei das hinsichtlich Temperatur zu überwachende Kontaktelement ausgeblendet ist;
2 eine Anordnung mit der Sensoreinrichtung aus 1 in einer Seitenansicht (Schnittansicht A-A aus 1) und mit einem schematisch dargestellten, hinsichtlich Temperatur zu überwachenden Kontaktelement.

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.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht.
Die Sensoreinrichtung 1 ist zur Temperaturüberwachung, das heißt zur Überwachung der Temperatur eines Kontaktelements 100 über einen definierten Zeitraum konfiguriert. Zur besseren Übersichtlichkeit ist das Kontaktelement 100 in 1 ausgeblendet, wohingegen in 2 das Kontaktelement 100 mittels einer Strichpunklinie schematisch dargestellt ist.
Das Kontaktelement 100 ist eine elektrisch leitende Komponente oder ein elektrisch leitendes Bauteil. Vorzugsweise ist das Kontaktelement 100 Bestandteil eines Steckverbinders, vorzugsweise eines Ladesteckverbinders (Ladestecker), welcher zum Laden von Batterien elektrisch antreibbarer Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge) vorgesehen ist. Der Steckverbinder ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht dargestellt. Der Steckverbinder ist vorzugsweise nach der Norm IEC 62196-2 oder nach der Norm IEC 62196-3 spezifiziert oder basiert vorzugsweise zumindest teilweise auf den Anforderungen der Norm IEC 62196-2 oder IEC 62196-3. Mit anderen Worten kann der Steckverbinder nach dem Combined Charging System- (CCS-) Stecker-System-Standard als so genannter Combo-2-Ladesteckverbinder („Typ 2-Ladestecker“) ausgebildet und/oder spezifiziert sein. Der Steckverbinder kann auch als so genannter Combo-1-Ladesteckverbinder („Typ 1-Ladestecker“) nach US-amerikanischen Normen und/oder Vorgaben ausgebildet sein. Es ist alternativ auch möglich, dass Steckverbinder 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. Es versteht sich, dass für den Ladevorgang eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs weitere Komponenten und Elemente, wie beispielsweise eine Ladestation mit einer Ladesäule oder Wallbox und einem Ladekabel, notwendig sind.
Das Kontaktelement 100 kann beispielsweise zylinderförmig oder hohlzylinderförmig ausgebildet sein, beispielsweise als massiver Kontaktstift oder als Kontakthülse. Das Kontaktelement 100 ist aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, vorzugsweise auf Basis eines Metalls oder einer Metalllegierung, ausgebildet. Das Metall oder die Metalllegierung kann beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung sein. Alternativ sind auch andere elektrisch leitende Metalle oder Metalllegierungen zur Bildung des Kontaktelements 100 möglich.
Das Kontaktelement 100 ist vorzugsweise ein Leistungskontaktelement 100 zur Übertragung elektrischer Energie in einem Betriebszustand, vorzugsweise in einem Ladebetriebszustand. Das Kontaktelement 100 ist vorzugsweise für Gleichstromladevorgänge, besonders bevorzugt für Schnellladevorgänge mit hoher Ladeleistung (so genanntes „High Power Charging“) konfiguriert. Die an dem Kontaktelement 100 in dem Betriebszustand anliegende Spannung, das heißt Ladespannung in Form einer Gleichspannung kann beispielsweise in einem Bereich von 400 Volt bis 800 Volt oder sogar bis 2000 Volt liegen, wodurch sich das Kontaktelement 100 einem so genannten Hochvoltpotential zuordnen lässt. Beispielsweise müssen für elektrisch antreibbare Nutzfahrzeuge aufgrund großer Batteriekapazitäten für kurze Ladezeiten sehr hohe Ladeleistungen zur Verfügung gestellt werden. Um diese Ladeleistungen realisieren zu können, werden auch sehr hohe Stromstärken von beispielsweise bis zu 3000 Ampere erzeugt.
Durch die Übertragung der elektrischen Energie im Zuge eines derartigen Ladevorgangs kommt es in dem Betriebszustand des Kontaktelements 100 zu einer Erwärmung des Kontaktelements 100 und somit zu einem Temperaturanstieg in dem Kontaktelement 100.
Aufgrund von Anforderungen durch Normvorgaben, wie beispielsweise DIN EN 62196 oder IEC 62196-3, sind Temperaturen innerhalb des Steckverbinders auf eine Differenz von 50 Kelvin und eine Höchsttemperatur auf maximal 90 Grad Celsius begrenzt. Somit es wünschenswert, dass für das Kontaktelement 100 eine Temperaturüberwachung gewährleistet ist, um in Abhängigkeit der erfassten Temperatur beispielsweise eine aktive Kühlung des Steckverbinders zu betreiben oder in einem Fehlerfall den Ladevorgang über das Kontaktelement 100 zu deaktivieren und somit abzubrechen.
Die Sensoreinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Überwachung einer Betriebstemperatur des Kontaktelements 100 für einen definierten Zeitraum konfiguriert. Die Sensoreinrichtung 1 weist einen Temperatursensor 200 zur Erfassung zumindest einer Temperatur und Generierung zumindest eines Temperaturmesswerts aus der erfassten zumindest einen Temperatur auf. Die zumindest eine Temperatur kann einen stationären und/oder einen instationären und somit einen zeitlich veränderlichen Temperaturverlauf umfassen. Der Einfachheit halber wird nachfolgend anstelle von „zumindest einer Temperatur“ der Begriff „Temperatur“ verwendet.
Der Temperatursensor 200 ist als elektrisches und/oder als elektronisches Bauelement konfiguriert und durch ein Sensorgehäuse 201 gekennzeichnet. Das Sensorgehäuse 201 ist im Wesentlichen flach und plattenförmig ausgebildet und beherbergt im Inneren eine Temperaturmesseinheit 202. Mit anderen Worten ist innerhalb des Sensorgehäuses 201 eine Temperaturmesseinheit 202 integriert. Die Temperaturmesseinheit 202 ist vorzugsweise als so genannte integrierte Halbleiter-Temperaturmesseinheit auf Basis von Halbleiterwerkstoffen ausgebildet. Mit anderen Worten stellt die Temperaturmesseinheit 202 einen Festkörperschaltkreis dar, welcher zur Erzeugung einer zur absoluten Temperatur proportionalen elektrischen Größe in Form von einer Spannung, eines Stroms und/oder zumindest eines Signals konfiguriert ist. Die elektrische Größe kann vorzugsweise digital dargestellt und von der Temperaturmesseinheit 202 übertragen werden.
Das Sensorgehäuse 201 ist aus einem Isolierstoff zur thermischen und/oder elektrischen Isolierung der Temperaturmesseinheit 202 ausgebildet. Mit anderen Worten ist das Sensorgehäuse 201 aus einem thermisch isolierenden und/oder aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet, beispielsweise auf Basis eines Kunststoffs. Dadurch wird vor allem der Einsatz von zusätzlichen Isolationselementen oder Isolationsbauteilen überflüssig, durch welche die vorliegende Erfindung beispielsweise gekennzeichnet ist.
Der Temperatursensor 200 umfasst ferner zwei Signalkontaktelemente 221 und 222 zur Übertragung des generierten zumindest eines Temperaturmesswerts in Form von zumindest einem Temperaturmesswertsignal. Das zumindest eine Temperaturmesswertsignal wird hierbei von der Temperaturmesseinheit 202 generiert.
Darüber hinaus umfasst der Temperatursensor 200 die Versorgungskontaktelemente 223 und 224 zum Betrieb des Temperatursensors 200, das heißt der Temperaturmesseinheit 202, wobei die Temperaturmesseinheit 202 konfiguriert ist, mit einer niedrigen Betriebsspannung, beispielsweise zwischen 3 Volt und 5 Volt, betrieben zu werden. Somit lassen sich die Signalkontaktelemente 221 und 222 und die Versorgungskontaktelemente 223 und 224 einem Niedervoltpotential zuordnen.
Ferner umfasst der Temperatursensor 200 vier Thermokontaktelemente 211, 212, 213 und 214 zur Übertragung von Wärme zu der Temperaturmesseinheit 202 im inneren des Sensorgehäuses 201, um zumindest eine Temperatur zu erfassen. Mit anderen Worten ragen die vier Thermokontaktelemente 211, 212, 213 und 214 aus dem Sensorgehäuse 201 heraus und fungieren als Wärmeübertragungselemente, vorzugsweise als Wärmeleitelemente. Es versteht sich, dass die vier Thermokontaktelemente 211, 212, 213 und 214 jeweils aus einem Werkstoff ausgebildet sind, welcher durch eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet ist. Der Werkstoff der vier Thermokontaktelemente 211, 212, 213 und 214 kann beispielsweise im Wesentlichen Kupfer sein oder auf einer Kupferlegierung basieren. Mitunter durch die Thermokontaktelemente 211, 212, 213 und 214 ist der Temperatursensor 200 konfiguriert, mit dem Kontaktelement 100 räumlich unmittelbar oder direkt thermisch verbunden zu werden. Die Thermokontaktelemente 211, 212, 213 und 214 lassen sich somit einem Hochvoltpotential zuordnen.
Die Signalkontaktelemente 221 und 222 als auch die Versorgungskontaktelemente 223 und 224 und die Thermokontaktelemente 211, 212, 213 und 214 bilden mehr oder weniger Beine des Temperatursensors 200, welche von dem Sensorgehäuse 201 abragen und mit der Temperaturmesseinheit 202 entsprechend elektrisch und thermisch verbunden sind. Der Temperatursensor 200 ist vorzugsweise als ein separates, vormontiertes und somit autark vormontiertes Einzelteil ausgebildet.
Die Sensoreinrichtung 1 umfasst eine Tragstruktur 300 zum Tragen des Temperatursensors 200. Die Tragstruktur 300 ist vorzugsweise als Leiterplatte ausgebildet und im Wesentlichen flach und/oder plattenförmig. Innerhalb der Tragstruktur 300, das heißt an einer Oberfläche der Tragstruktur 300 sind den jeweiligen Signalkontaktelementen 221, 222 und den jeweiligen Versorgungskontaktelementen 223, 224 entsprechende Leiter 331, 332, 333, 334 zugeordnet. Die Leiter 331, 332, 333, 334 sind vorzugsweise oberflächenmontierte Bauelemente, welche beispielsweise mittels SMD-Technologie (englische Abkürzung für „Surface-mounted device“) hergestellt sind.
Die Tragstruktur 300 umfasst einen Aufnahmeabschnitt 301 zur Anbindung des Kontaktelements 100 in einem Montagezustand und um ferner den Temperatursensor 200 mit dem Kontaktelement 100 thermisch zu verbinden. Die Tragstruktur 300 ist über den Aufnahmeabschnitt 301 vorrangig zur mechanischen Anbindung des Kontaktelements 100 konfiguriert. Der Aufnahmeabschnitt 301 umfasst eine Durchgangsöffnung 302, welche einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Erfindungsgemäß ist der Temperatursensor 200 an der Tragstruktur 300 angeordnet und konfiguriert, in dem Montagezustand, das heißt bei angebundenem Kontaktelement 100 die zumindest eine Temperatur räumlich unmittelbar oder direkt an dem Kontaktelement 100 zu erfassen.
Die Sensoreinrichtung 1 umfasst einen Kontaktkörper 400, vorzugsweise einen einteiligen und/oder integral einstückig ausgebildeten Kontaktkörper 400, zur Kontaktierung, das heißt thermischen Kontaktierung des Kontaktelements 100. Der Kontaktkörper 400 ist an der Tragstruktur 300 angeordnet und ferner zur unmittelbaren oder direkten thermischen Koppelung des Temperatursensors 200, das heißt der Thermokontaktelemente 211, 212, 213, 214 mit dem Kontaktelement 100 in dem Montagezustand konfiguriert. Der Kontaktkörper 400 ist aus einem thermisch leitenden Werkstoff, vorzugsweise auf Basis eines Metalls oder einer Metalllegierung, ausgebildet. Das Metall oder die Metalllegierung kann beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung sein. Alternativ sind auch andere elektrisch leitende Metalle oder Metalllegierungen zur Bildung des Kontaktkörpers 400 möglich. Der Kontaktkörper 400 umfasst eine Durchgangsöffnung 401, welche einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Durchgangsöffnung 401 des Kontaktkörpers 400 kann kleiner, im Wesentlichen gleich oder größer als die Durchgangsöffnung 302 des Aufnahmequerschnitts 301 ausgebildet sein.
Wie sich aus den Darstellungen in den 1 und 2 ergibt, ist der Kontaktkörper 400 - analog zu der Tragstruktur 300 - zumindest abschnittsweise im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet. Mit anderen Worten ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Kontaktkörper 400 eine wärmeübertragende Kontaktplatte, welche zur unmittelbaren oder direkten thermischen Koppelung des Kontaktelements an die Thermokontaktelemente 211, 212, 213, 214 dient. Die Thermokontaktelemente 211, 212, 213, 214 sind vorzugsweise stoffschlüssig und unmittelbar mit dem Kontaktkörper 400 verbunden oder gekoppelt, beispielsweise mittels einer Lötverbindung und/oder einer Klebverbindung.
Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, dass der Kontaktkörper 400 zumindest abschnittsweise im Wesentlichen ringförmig und/oder zumindest abschnittsweise im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist und vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine Pressverbindung, eine Klebverbindung und/oder eine Rastverbindung mit dem Aufnahmeabschnitt 301 ausbildet. Mit anderen Worten kann der Kontaktkörper 400 als wärmeübertragender Kontaktring oder als wärmeübertragende Kontakthülse ausgebildet sein, um von dem Kontaktelement 100 in dem Betriebszustand entstehende Wärme direkt und ohne dazwischen angeordnete weitere Komponenten zu dem Temperatursensor 200 zu übertragen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Kontaktkörper 400 beispielsweise mittels einer Klebverbindung stoffschlüssig mit der Tragstruktur 300 verbunden sein. Alternativ kann der Kontaktkörper 400 beispielsweise mittels einer Schraubverbindung an der Tragstruktur 300 angeordnet sein. Der Kontaktkörper 400 kontaktiert einerseits wärmeübertragend das Kontaktelement 100 sowie andererseits die Thermokontaktelemente 211, 212, 213, 214 des Temperatursensors 200 und schafft somit eine unmittelbare oder direkte wärmeübertragende Verbindung zwischen dem Temperatursensor 200 und dem Kontaktelement 100. Somit werden die Thermokontaktelemente 211, 212, 213, 214, welche als Messfühler fungieren, direkt mit dem Hochvoltpotential des Kontaktelements 100 auf der Tragstruktur 300 thermisch verbunden.
Das Kontaktelement 100 kann zur Ausbildung einer hierin offenbarten Verbindung mit dem Kontaktkörper 400 beispielsweise zumindest eine federnde oder elastisch verformbare Lamelle, das heißt Kontaktlamelle 101 umfassen, welche insbesondere mit dem Kontaktkörper 400 entsprechend wärmeübertragend kontaktiert und darüber hinaus eine entsprechende, im Wesentlichen kraftschlüssige Verbindung ausbildet.
Die Thermokontaktelemente 211, 212, 213, 214 einerseits und die Signalkontaktelemente 221, 222 zusammen mit den Versorgungskontaktelementen 223, 224 andererseits sind auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorgehäuses 201 angeordnet. Dadurch werden beispielsweise notwendige Abstände zur Einhaltung von Luft- und Kriechstrecken zwischen dem Hochvoltpotential und dem Niedervoltpotential eingehalten.
2 zeigt eine Anordnung mit der Sensoreinrichtung 1 aus 1 in einer Seitenansicht (Schnittansicht A-A aus 1) und mit einem schematisch dargestellten, hinsichtlich Temperatur zu überwachenden Kontaktelement 100.
Wie sich ferner aus den Darstellungen in den 1 und 2 ergibt, erstrecken sich die Thermokontaktelemente 211, 212, 213, 214 und die Signalkontaktelemente 221, 222 sowie die Versorgungskontaktelemente 223, 224 von dem Sensorgehäuse 201 mit einem Abstand, dass zwischen dem Sensorgehäuse 201 und der Tragstruktur 300 ein hinreichender Hohlraum 500 oder ein hinreichender Spalt 500 ausgebildet wird und das Sensorgehäuse 201 zu der Tragstruktur 300 beabstandet angeordnet ist. Eine thermische Beeinflussung oder thermische Beeinträchtigung der Temperaturmesseinheit 202 des Temperatursensors 200 wird dadurch vermieden oder zumindest reduziert.
Die Anordnung der Sensoreinrichtung 1 mit dem Kontaktelement 100 kann, wie bereits hierin offenbart, Bestandteil eines Steckverbinders, vorzugsweise Bestandteil eines Ladesteckverbinders sein.
Es versteht sich, dass der Temperatursensor 200 und insbesondere die Temperaturmesseinheit 202 über die Signalkontaktelemente 221, 222 in einer Signalkommunikationsverbindung mit einer Auswerteeinrichtung steht, um die erfassten Temperaturmesswerte und somit die übertragenen Temperaturmesswertsignale auszuwerten und in Abhängigkeit davon das Kontaktelement 100 in einen jeweiligen Betriebszustand zu versetzen, insbesondere zu deaktivieren, sollte sich ein unzulässiger Temperaturanstieg an dem Kontaktelement 100 infolge der Übertragung elektrischer Energie einstellen.
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

1: Sensoreinrichtung
100: Kontaktelement
101: Kontaktlamelle
200: Temperatursensor
201: Sensorgehäuse
202: Temperaturmesseinheit
211: Thermokontaktelement
212: Thermokontaktelement
213: Thermokontaktelement
214: Thermokontaktelement
221: Signalkontaktelement
222: Signalkontaktelement
223: Versorgungskontaktelement
224: Versorgungskontaktelement
300: Tragstruktur
301: Aufnahmeabschnitt
302: Öffnung
331: Leiter
332: Leiter
333: Leiter
334: Leiter
400: Kontaktkörper
401: Öffnung
500: Hohlraum, Spalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3183781 B1 [0009]
EP 3286804 B1 [0010]
WO 2022073782 A1 [0011]
WO 2021004765 A1 [0012]

Claims

Sensoreinrichtung (1) zur Temperaturüberwachung eines Kontaktelements (100), vorzugsweise eines Leistungskontaktelements (100) zur Übertragung elektrischer Energie in einem Betriebszustand, mit einem Temperatursensor (200) zur Erfassung zumindest einer Temperatur und Generierung zumindest eines Temperaturmesswerts, und mit einer Tragstruktur (300) zum Tragen des Temperatursensors (200), wobei die Tragstruktur (300) einen Aufnahmeabschnitt (301) zur Anbindung des Kontaktelements (100) in einem Montagezustand umfasst, wobei der Temperatursensor (200) an der Tragstruktur (300) angeordnet und konfiguriert ist, in dem Montagezustand zumindest eine Temperatur räumlich unmittelbar an dem Kontaktelement (100) zu erfassen.
Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinrichtung (1) einen Kontaktkörper (400), vorzugsweise einen einteiligen und/oder integral einstückig ausgebildeten Kontaktkörper (400), zur Kontaktierung des Kontaktelements (100) umfasst, welcher an der Tragstruktur (300) angeordnet und zur thermischen Koppelung des Temperatursensors (200) mit dem Kontaktelement (100) in dem Montagezustand konfiguriert ist.
Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der Kontaktkörper (400) zumindest abschnittsweise innerhalb des Aufnahmeabschnitts (301) und/oder zumindest abschnittsweise außerhalb des Aufnahmeabschnitts (301) formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angeordnet ist, oder wobei der Kontaktkörper (400) zumindest abschnittsweise angrenzend an den Aufnahmeabschnitt (301) angeordnet ist.
Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Kontaktkörper (400) zumindest abschnittsweise plattenförmig und/oder zumindest abschnittsweise ringförmig und/oder zumindest abschnittsweise hülsenförmig ausgebildet ist, und vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine Pressverbindung, eine Klebverbindung und/oder eine Rastverbindung mit dem zumindest einen Aufnahmeabschnitt (301) ausbildet.
Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Aufnahmeabschnitt (301) und der Kontaktkörper (400) jeweils eine Durchgangsöffnung (302, 401) für das Kontaktelement (100) umfassen, welche jeweils vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Durchgangsöffnung (401) des Kontaktkörpers (400) kleiner, gleich oder größer ausgebildet ist als die Durchgangsöffnung (302) des Aufnahmequerschnitts (301).
Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (200) ein Sensorgehäuse (201) zur Beherbergung einer Temperaturmesseinheit (202), zumindest ein Signalkontaktelement (221, 222) zur Übertragung des zumindest einen Temperaturmesswerts, zumindest ein Versorgungskontaktelement (223, 224) zum Betrieb des Temperatursensors (200), und zumindest ein Thermokontaktelement (211, 212, 213, 214) zur Übertragung von Wärme zu der Temperaturmesseinheit (202) umfasst, wobei der Temperatursensor (200) als ein separates vormontiertes Einzelteil ausgebildet ist, und/oder wobei das Sensorgehäuse (201) aus einem Isolierstoff zur thermischen und/oder elektrischen Isolierung der Temperaturmesseinheit (202) ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das zumindest eine Thermokontaktelement (211, 212, 213, 214) räumlich unmittelbar an den Kontaktkörper (400) thermisch gekoppelt ist, vorzugsweise stoffschlüssig thermisch gekoppelt ist, wobei das zumindest eine Thermokontaktelement (211, 212, 213, 214) und das zumindest eine Signalkontaktelement (221, 222) auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorgehäuses (201) angeordnet sind, und/oder wobei das zumindest eine Thermokontaktelement (211, 212, 213, 214) und das zumindest eine Versorgungskontaktelement (223, 224) auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorgehäuses (201) angeordnet sind.
Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das zumindest eine Thermokontaktelement (211, 212, 213, 214) und/oder das zumindest eine Signalkontaktelement (221, 222) und/oder das zumindest eine Versorgungskontaktelement (223, 224) sich von dem Sensorgehäuse (201) mit einem Abstand erstreckt, dass zwischen dem Sensorgehäuse (201) und der Tragstruktur (300) ein Hohlraum (500) oder ein Spalt (500) ausgebildet wird und das Sensorgehäuse (201) zu der Tragstruktur (300) beabstandet angeordnet ist.
Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (200) eine galvanische Trennung zwischen einem Hochvoltpotential und einem Niedervoltpotential aufweist, und vorzugsweise zumindest ein Versorgungskontaktelement (223, 224) zum Betrieb des Temperatursensors (200) dem Niedervoltpotential und zumindest ein Thermokontaktelement (211, 212, 213, 214) zur Übertragung von Wärme dem Hochvoltpotential zugeordnet ist.
Anordnung mit einer Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Kontaktelement (100), vorzugsweise einem Leistungskontaktelement (100) zur Übertragung elektrischer Energie in einem Betriebszustand, wobei das Kontaktelement (100) zur Anbindung an die Tragstruktur (300) vorzugsweise zumindest eine Kontaktlamelle (101) umfasst, wobei die zumindest eine Kontaktlamelle (101) zumindest abschnittsweise federnd ausgebildet ist, um zumindest mit dem Aufnahmeabschnitt (301) eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung auszubilden und vorzugsweise mit einem Kontaktkörper (400) der Sensoreinrichtung (1) eine wärmeübertragende Verbindung auszubilden.
Steckverbinder, vorzugsweise Ladesteckverbinder, mit zumindest einer Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 oder mit zumindest einer Anordnung gemäß Anspruch 10.