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Die Erfindung betrifft einen Ladestecker gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, aufweisend mehrere Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung des Ladesteckers mit Kontaktelementen einer Ladebuchse. Die Erfindung betrifft ferner ein Ladestecker-Ladebuchsen-System, aufweisend einen solchen Ladestecker und eine Ladebuchse, in welche der Ladestecker zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen Kontaktelementen des Ladesteckers und Kontaktelementen der Ladebuchse formschlüssig einbringbar ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Ladestecker für elektrisch antreibbare Fahrzeuge bekannt, die zur Verbindung mit einer korrespondierenden Buchse ausgeformt sind. Derartige Stecker-Buchse-Verbindungen können auf verschiedene Arten ausgebildet sein und umfassen beispielsweise auch Einführhilfen, Verriegelungsmechanismen oder sonstige Zusatzmerkmale. Der elektrische Kontakt zwischen den Leitungen eines Ladekabels und einer entsprechenden Ladekomponente eines Fahrzeugs wird typischerweise durch mehrere Kontaktelemente hergestellt, wobei angestrebt wird, deren Form und Anordnung zu normieren. Auf diese Weise soll ein standardisiertes Steckersystem bereitgestellt werden. Es ist daher weit verbreitet, für einen elektrischen Kontakt zwischen Stecker und Buchse als Kontaktelemente mehrere Kontaktstifte zu verwenden, die in korrespondierende Kontaktöffnungen eingeschoben werden. Die Kontaktelemente sind dabei grundsätzlich so zu dimensionieren, dass sie hinreichend große Ladeströme übertragen können. Die Kontaktfläche eines Kontaktelementes muss dabei umso größer ausgebildet werden, je größer der zu übertragende Ladestrom ist.
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Um ein schnelles Laden eines Elektrofahrzeugs über eine solche Stecker-Buchse-Verbindung zu realisieren, müssen hohe Ladeströme eingesetzt werden. Eine Skalierung der Abmessungen der Kontaktstifte und Kontaktbuchsen kann jedoch nicht unbegrenzt vorgenommen werden, da dies zu einer nachteiligen Bauraumvergrößerung und somit zu größeren Steckern führt. Diese sind nicht nur schwer und unhandlich, sondern erhöhen auch die Kosten einer Ladestation. Es besteht daher der Bedarf, mit möglichst klein dimensionierten Stecker-Buchse-Systemen möglichst hohe Ladeströme zu übertragen.
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Beim Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs heizt sich ferner der als Leistungssteckkontakt ausgebildete Ladestecker auf. Das Aufheizen des Steckkontaktes ist auf eine bestimmte Temperaturerhöhung zu begrenzen. Um eine solche begrenzte Temperaturerhöhung einzuhalten, können jedoch bei den größtenteils genormten Steckverbindergeometrien nur Ladeströme in einer Höhe verwendet werden, die kein schnelles Laden eines Fahrzeugs ermöglichen. Zur Lösung dieses Problems ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 100 347 A1 ein Elektroanschlusskörper bekannt, der einen Kühlfluidkanal zur Kühlung des Anschlusskörpers mit einem Kühlfluid aufweist.
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Da die Akzeptanz und Verbreitung von Elektrofahrzeugen auch von der Ladezeit abhängt, besteht daher der Bedarf nach Ladesystemen, die ohne Erhöhung der genormten Abmessungen ein möglichst schnelles Laden ermöglichen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Ladestecker-Ladebuchse-System bereitzustellen, das auch bei geringen Steckerdimensionen erhöhte Ladeströme ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Ladestecker gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Ladesteckers ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-6. Die Aufgabe wird ferner durch ein zugehöriges Ladestecker-Ladebuchse-System gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Ladestecker-Ladebuchse-Systems ergeben sich aus den Unteransprüchen 8-10.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Der erfindungsgemäße Ladestecker kann zum Übertragen eines Ladestroms an ein elektrisch betreibbares Fahrzeug eingesetzt werden. Dabei kann der Ladestecker an dem Fahrzeug ausgebildet sein oder an einem Ladekabel, mit welchem das Fahrzeug beim Laden verbunden wird. Der Ladestecker weist mehrere Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung des Ladesteckers mit Kontaktelementen einer passenden Ladebuchse auf. Je nach Ausführung des Ladekabels und des Fahrzeugs ist diese Ladebuchse ebenfalls am Fahrzeug oder am Ladekabel ausgebildet.
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Erfindungsgemäß weist der Ladestecker einen kegel- oder zylinderförmigen Steckkörper auf, auf dessen Außenseite in axialer Richtung verteilt mehrere konzentrisch um den Steckkörper verlaufende Kontaktbahnen ausgebildet sind. Die Kontaktbahnen liegen dabei wie Ringe um den Steckkörper. Über diese Kontaktbahnen können entsprechend ausgeformte Kontakte einer Ladebuchse elektrisch kontaktiert werden. Der Steckkörper des Ladesteckers kann dabei kegelförmig oder zylinderförmig ausgeformt sein. Eine Aufnahme an einer zugehörigen Ladebuchse ist an diese Form des Steckkörpers angepasst, damit der Steckkörper möglichst passgenau in diese Aufnahme eingeschoben werden kann. Die Ladebuchse weist ihrerseits innere Kontaktelemente oder Kontaktflächen auf, die bei einer Verbindung von Ladestecker und Ladebuchse die äußeren Kontaktbahnen des Steckkörpers elektrisch kontaktieren.
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Die Erfindung wendet sich somit ab von herkömmlichen Ladesteckern mit mehreren Kontaktstiften, die in Öffnungen einer Ladebuchse eingeschoben werden, um dort Kontakte der Ladebuchse zu kontaktieren. Um den übertragbaren Ladestrom für ein schnelles Laden zu erhöhen, müsste der Durchmesser solcher Kontaktstifte soweit erhöht werden, dass sich die Abmessungen des Ladesteckers nachteilig vergrößern würden. Die Erfindung verwendet stattdessen großflächige Kontaktbahnen auf der Außenseite eines Steckkörpers. Auf diese Weise lässt sich die Kontaktfläche zwischen Kontaktelementen von Stecker und Buchse bei gleicher Steckergröße vorteilhaft erhöhen, insbesondere sogar verdoppeln.
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Ferner hat die Anordnung von Kontaktbahnen auf der Außenseite eines Steckkörpers den Vorteil, dass das Innere des Steckkörpers für andere Funktionen genutzt werden kann. Der Steckkörper des Ladesteckers kann hierfür beispielsweise einen axial durch den Steckkörper verlaufenden Hohlraum aufweisen, der zur Unterbringung weiterer Funktionskomponenten genutzt werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung verläuft in einem solchen Hohlraum eine Kühleinrichtung zur Durchführung eines Kühlmediums durch den Ladestecker. Diese Kühleinrichtung kann neben Vor- und Rücklaufanschlüssen für das Kühlmedium auch ein oder mehrere Ventile umfassen. Beispielsweise kann für die Flussregelung des Kühlmediums ein Doppelkugelventil verwendet werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass solche Ventilmittel im Ladestecker lediglich der Rückführung des Kühlmediums aus einem Zulaufschlauch zurück in das Ladekabel dienen. Auf diese Weise kann die Erwärmung des Ladesteckers auch beim schnellen Laden in vorgeschriebenen Grenzen gehalten werden. In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass Kühlmedium bei Bedarf auch dem Elektrofahrzeug bereitgestellt werden kann, um innerhalb des Fahrzeugs Leitungen und insbesondere einen Energiespeicher zu kühlen. Die Ventilmittel im Ladestecker sind dann so ausgebildet, dass sie ein Kühlmedium wahlweise zurück in das Ladekabel oder zu einem Fahrzeug führen können. Zu einem Fahrzeug wird das Kühlmittel dann durch den Ladestecker und die Ladebuchse eines Fahrzeugs geführt. Nach Durchlauf der entsprechenden Komponenten des Fahrzeugs wird das erwärmte Kühlmedium zurück durch die Ladebuchse des Fahrzeugs in den Ladestecker und das Ladekabel geführt.
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Die Verbindung des Kühlkreislaufs des Ladekabels mit einem Fahrzeug ist insbesondere bei Schnellladung von Bedeutung. Doch auch wenn Fahrzeuge in der Sonne oder einer Tiefgarage stehen, kann der Einsatz der Fahrzeugkühlung vorteilhaft sein, da die Fahrzeuge in diesen Situationen zusätzliche Ladungswärme nicht nach außen abgeben können. Alternativ zu einer Kühlung des Fahrzeugs könnte die Ladesäule jedoch auch die Ladeleistung senken.
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Ob das Fahrzeug beim Laden über das Ladekabel mit einem Kühlmedium versorgt werden soll, entscheidet vorzugsweise eine Steuereinheit des Fahrzeugs. Weist das Fahrzeug beispielsweise keine Einrichtungen zur Kühlung von Energiespeichern auf, würden die Ventilmittel des Ladesteckers das Kühlmedium standardmäßig nur durch den Ladestecker und zurück durch das Ladekabel führen. Hat ein Fahrzeug hingegen die Möglichkeit zu einer Kühlung, kann es diese bei Bedarf anfordern. Dies erfolgt über eine Steuereinheit des Fahrzeugs. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Ventilmittel des Ladesteckers beispielsweise über eine Kommunikationsverbindung von einer Steuereinheit des Fahrzeugs ansteuerbar. Insbesondere sind die Ventilmittel des Ladesteckers dabei über eine Schubstange ansteuerbar.
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Die Anordnung von Kontaktbahnen auf der Außenseite des Steckkörpers eines Ladesteckers hat somit verschiedene Vorteile. Neben der möglichen Vergrößerung der Kontaktfläche für elektrische Kontakte ermöglicht die Erfindung auch die vorteilhafte Unterbringung von Komponenten eines Kühlsystems innerhalb des Ladesteckers. Die Frontseite des Ladesteckers kann dabei gegebenenfalls vollständig für die Funktion des Kühlsystems genutzt werden. An der Frontseite können aber auch einzelne Kontakte für Steuerleitungen mit niedriger Spannung vorgesehen werden, da diese keine vergrößerten Kontaktflächen benötigen. Auf der Außenseite des Steckkörpers liegen dann nur die Stromkontakte für die Ladung.
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Um die äußeren Kontaktbahnen am Ladestecker gegen Beschädigung und/oder Verschmutzung zu schützen und um Personen vor einer Berührung mit den Kontakten zu schützen, ist vorzugsweise eine Schutzvorrichtung vorgesehen. Beispielsweise weist der Ladestecker eine Abdeckung auf, welche die Kontaktbahnen von außen abdeckt, wobei die Abdeckung gegenüber dem Steckkörper beweglich ausgeführt ist. Die Abdeckung kann so eine Stellung „offen“ einnehmen, in welcher die Kontaktbahnen freiliegen, und eine Stellung „geschlossen“, in welcher die Kontaktbahnen schützend abgedeckt sind. In einer einfachen Form der Erfindung kann die Abdeckung vor dem Einstecken des Ladesteckers in eine Ladebuchse abgenommen und nach dem Laden wieder an dem Ladestecker angebracht werden. Es handelt sich somit um eine Art Deckel oder Schutzhülse. Dies ist jedoch mit erheblichen manuellen Aufwand verbunden und es besteht das Risiko des Verlusts der Abdeckung.
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Als vorteilhafter haben sich daher Ausführungsformen erwiesen, bei denen eine Abdeckung verschieblich an dem Ladestecker angebracht ist, so dass die Abdeckung für einen Laden aus dem Bereich der Kontaktbahnen geschoben werden kann. Nach dem Laden wird die Abdeckung zurück in ihre Schutzlage geschoben. Beispielsweise kann bei einem Ladestecker mit zylinderförmigem Steckkörper eine Abdeckung durch ein hohlzylindrisches Schutzrohr gebildet werden, das im Bereich der Kontaktbahnen koaxial beweglich auf dem Steckkörper angebracht ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist ein solches Schutzrohr auf seiner Innenseite ein Innengewinde auf, welches in Eingriff mit einem Außengewinde am Steckkörper steht. Über die so gebildete Gewindeverbindung ist das Schutzrohr gegenüber dem Steckkörper drehbar angebracht. Das Schutzrohr kann manuell oder motorisch angetrieben auf dem Außengewinde des Steckkörpers gedreht und so axial bewegt werden. Ein motorischer Antrieb ist am Ladestecker selbst oder an einer zugehörigen Ladebuchse vorgesehen.
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Von der Erfindung umfasst ist auch ein Ladestecker-Ladebuchsen-System, aufweisend einen Ladestecker gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und eine Ladebuchse, in welche der Ladestecker zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen Kontaktelementen des Ladesteckers und Kontaktelementen der Ladebuchse formschlüssig einbringbar ist. Dabei weist die Ladebuchse einen hohlen Buchsenkörper auf, in den der Steckkörper des Ladesteckers einbringbar ist, wobei auf der Innenseite des Buchsenkörpers konzentrisch in dem Buchsenkörper verlaufende Kontaktflächen ausgebildet sind. Bei diesen Kontaktflächen kann es sich ebenfalls um ringförmige Kontaktbahnen handeln. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden Spannkontakte verwendet, die über einen Stellmotor Kontaktflächen nach dem Kniehebelprinzip in Kontakt mit den äußeren Kontaktbahnen des Ladesteckers bringen. Die Kontaktbahnen des Ladesteckers werden dann von den Kontaktbahnen der Ladebuchse umspannt, wobei je eine Kontaktbahn der Ladebuchse eine Kontaktbahn des Ladesteckers umspannt.
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Um die beschriebene Abdeckung des Ladesteckers zu bewegen, welche die Kontaktbahnen des Ladesteckers von außen abdeckt, umfasst das Ladestecker-Ladebuchsen-System in einer Ausführungsform Antriebsmittel zur Bewegung dieser Abdeckung. Beispielsweise weist die Ladebuchse einen Stellmotor zur Bewegung einer Abdeckung des Ladesteckers auf. Der Stellmotor treibt einen Greifer an, mit welchem die Abdeckung gegriffen und bewegt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein solcher Stellmotor nicht nur zur Bewegung der Abdeckung verwendet, sondern auch zum Ziehen des Ladesteckers in die Ladebuchse. Die Antriebsmittel greifen dann so an der Abdeckung an, dass sie bei einer Bewegung der Abdeckung von der Ladebuchse weg den Ladestecker in die Ladebuchse ziehen. Bei dieser Bewegung der Abdeckung werden nicht nur die Kontaktbahnen des Steckkörpers freigegeben, sondern auch gleichsam der Ladestecker in die Ladebuchse gezogen. Dies hat den Vorteil, dass Ladestecker und Ladebuchse sicher miteinander verbunden werden.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Von den Abbildungen zeigt:
- 1 eine schematische Frontansicht der Anschlussseite eines Ladesteckers aus dem Stand der Technik;
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen Ladestecker gemäß 1;
- 3 eine schematische Frontansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladesteckers;
- 4 eine schematische Seitenansicht eines Ladesteckers gemäß 3 mit geschlossener Abdeckung;
- 5 eine schematische Seitenansicht einer Ladebuchse;
- 6 eine schematische Seitenansicht eines Ladesteckers gemäß 3 mit offener Abdeckung; und
- 7 ein verbundenes Ladestecker-Ladebuchsen-System.
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Der erfindungsgemäße Ladestecker ist vorzugsweise Teil eines Ladekabels, welches an einer Ladestation für elektrisch betreibbare Fahrzeuge angebracht ist. Die Ladestation steht in Verbindung mit einer Energiequelle, von der über das Ladekabel Strom an ein Fahrzeug übertragbar ist. Hierzu wird das Ladekabel temporär an das Fahrzeug angeschlossen, was über eine entsprechende Stecker-Buchse-Verbindung erfolgt. Hierfür werden üblicherweise Stecker-Buchse-Verbindungen verwendet, wie sie in den 1 und 2 beispielhaft dargestellt sind. 1 zeigt eine Frontansicht Ladesteckers 60, auf dessen Anschlussseite Kontakte für verschiedene Einzelleitungen ausgebildet sind. Der zu verbindende Anschlusskörper des Fahrzeugs weist korrespondierende Kontakte auf, die bei Verbindung der beiden Komponenten in elektrischen Kontakt gebracht werden. In der Ausführungsform der 1 sind beispielsweise mehrere Leistungsleitungen für den Ladestrom L1, L2, L3, eine Neutralleitung N und eine Schutzleitung PE vorgesehen. Ferner sind in dem Ladekabel eine Pilotsignalleitung CP (control pilot) zur Übertragung von Pilotsignalen und eine sogenannte Plug-Present-Leitung (PP) vorhanden sein, mit deren Hilfe ein Elektrofahrzeug eine Ladestation anzeigen kann, ob ein Ladekabel mit einem Stecker eingesteckt ist oder nicht.
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Um diese Leitungen L1, L2, L3, N, PE, CP und PP zu kontaktieren, sind an einer zugehörigen Ladebuchse 70 (2) mehrere Kontaktstifte 71, 72, 73 vorgesehen. Kontaktstifte 71 für die Steuerleitungen CP und PP haben dabei einen kleineren Durchmesser als Kontaktstifte 72, 73 für die anderen Leitungen L1, L2, L3, N und PE. Diese Kontaktstifte 71, 72, 73 des Ladesteckers 70 werden in entsprechende Öffnungen in der Ladebuchse 60 geschoben, um dort einen elektrischen Kontakt herzustellen.
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Die Erfindung wendet sich ab von solchen bekannten Stecker-Buchse-Systemen mit den bekannten Problemen und stellt stattdessen einen Ladestecker bereit, wie er in den 3 und 4 gezeigt ist. Grundsätzlich zeigen die Figuren dabei nur schematisch die für die Erfindung relevanten Merkmale. Dem Fachmann ist klar, dass diese durch bekannte Merkmale wie Gehäuse, Führungen, Verriegelungsmechanismen, etc. ergänzt werden können. 3 zeigt dabei eine Aufsicht von oben auf den Ladestecker 10 der 4. Der Ladestecker 10 weist einen zylinderförmigen Steckkörper 11 auf, der vorzugsweise als Hohlzylinder ausgeformt ist und somit einen Hohlraum 14 aufweist. In diesem Hohlraum 14 können Komponenten eines Kühlsystems untergebracht sein (nicht dargestellt).
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Auf der Außenseite des Steckkörpers 11 sind mehrere konzentrisch verlaufende Kontaktbahnen 30, 31, 32, 33 und 34 vorgesehen, die in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Diese Kontaktbahnen sind in der 4 lediglich schematisch dargestellt und gegeneinander isoliert. Die Kontaktbahnen sind ferner mit Leitungen eines Ladekabels verbunden, bei denen es sich wie bei bekannten Ladesteckern um Leitungen L1, L2, L3, N, PE, CP und PP handeln kann. In der Ausführungsform der 4 sind auf der Außenseite des Steckkörpers 11 lediglich fünf Kontaktbahnen für die Leitungen L1, L2, L3, N und PE ausgebildet. Kreisförmige Kontaktbahnen für die Steuerleitungen CP und PP sind hingegen auf der Frontseite des Steckkörpers 11 ausgebildet. Diese sind in 3 durch konzentrische schwarze Kreise größerer Dicke dargestellt.
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In einem Bereich des Steckkörpers 11 ist ferner ein Außengewinde 41 ausgebildet. Auf dieses Außengewinde 41 ist ein Schutzrohr 12 mit einem entsprechenden Innengewinde 40 aufgeschraubt. 4 zeigt das Schutzrohr 12 in der geschlossenen Stellung, in welcher es die Kontaktbahnen 30, 31, 32, 33 und 34 verdeckt und so gegen einen Kontakt von außen abschirmt. Gewinde 41 und der Steckkörper 11 sind teilweise in einem Gehäuse 13 untergebracht, aus welchem der Steckkörper 11 mit den Kontaktbahnen 30, 31, 32, 33 und 34 herausragt.
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Das Schutzrohr 12 kann durch einen nicht dargestellten Stellmotor in eine offene Stellung gedreht bzw. geschoben werden. 6 gibt diesen Vorgang durch zwei Pfeile in Richtung Gehäuse 13 wieder. Der Stellmotor dreht das Stützrohr 12 auf dem Außengewinde 41, so dass es in Richtung Gehäuse 13 verschoben wird und so die Kontaktbahnen 30, 31, 32, 33 und 34 freigibt. Eine Ladebuchse 20, wie sie der schematischen Darstellung der 5 zu entnehmen ist, kann nun über den Steckkörper 11 des Ladesteckers 10 geschoben werden. Hierzu weist die Ladebuchse 20 im Wesentlichen einen hohlzylindrischen Buchsenkörper 21 auf, auf dessen Innenseite mehrere Kontakte angeordnet sind. Diese Kontakte sind in der 5 vereinfacht als ringförmige Kontaktbahnen 50, 51, 52, 53 dargestellt. Vorzugsweise werden Spannkontakte verwendet, die über einen Stellmotor Kontaktflächen nach dem Kniehebelprinzip in Kontakt mit den äußeren Kontaktbahnen des Ladesteckers 10 bringen können. Die Kontaktbahnen 30, 31, 32, 33 des Ladesteckers 10 werden dann von den Kontaktbahnen 50, 51, 52, 53 der Ladebuchse 20 umspannt, wobei je eine Kontaktbahn der Ladebuchse eine Kontaktbahn des Ladesteckers umspannt. 7 zeigt eine Ladebuchse 20 nach dem Aufschieben auf den Ladestecker 10.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladestecker
- 11
- Steckkörper
- 12
- Abdeckung, Schutzrohr
- 13
- Gehäuse
- 14
- Hohlraum
- 20
- Ladebuchse
- 21
- Buchsenkörper
- 30,31,32,33,34
- Kontaktbahn
- 40
- Innengewinde
- 41
- Außengewinde
- 50,51,52,53,54
- Kontaktfläche
- 60
- Ladebuchse Stand der Technik
- 70
- Ladestecker Stand der Technik
- 71,72,73
- Kontaktstift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015100347 A1 [0004]
