JP2021125466A - 高電圧用途のためのプラグインコネクタ要素およびプラグインコネクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】取り囲まれる差し込み接続部が動作時に安全でかつ信頼でき、それにも関わらず高い費用効果で製作できるプラグインコネクタを提供する。【解決手段】高電圧(HV)用途のための、相手側プラグインコネクタ要素と脱着可能に電気接触するためのプラグインコネクタ要素は、少なくとも1つの導電性コンタクト要素134と、1つのハウジング136と、1つのコンタクト保護要素116とを備える。コンタクト保護要素は、ハウジングとコンタクト保護要素の間で、規定された値を超える直径を有する物体が導電性コンタクト要素に到達するのを防止するように配設されている。プラグインコネクタ要素は、コンタクト保護要素内に少なくとも部分的に収容されており、導電性コンタクト要素の温度を検出するように動作させることができる、少なくとも1つの温度センサを有する。【選択図】図3

Description

本発明は、高電圧(HV)用途のためのプラグインコネクタ要素および関連するプラグインコネクタに関する。
エレクトロモビリティにおいては、推進のためおよびHVバッテリの充電のために、大きい導電断面を有するHVプラグインコネクタが必要とされる。充電時間を短くするために、HVシステムにおいて温度センサが使用される。HVプラグインコネクタにおいても、温度センサの必要が高まっている。プラグインコネクタにおける温度測定が正確であるほど、HVシステムによる充電パラメータの調整は良好になり、この結果充電時間が短縮される。従来のHVプラグインコネクタでは、温度センサを接点(以下では「ホットスポット」とも呼ぶ)の近傍に配置するのは困難である。多くの場合、選択肢としては、(ホットスポットから離れた)圧着領域にまたは電流レールに温度測定センサを設置することしか残されていない。
図14から図16は、公知のHVプラグインコネクタ構成を示す。図14は、差し込んだ状態のプラグインコネクタ200の概略断面図を示す。プラグインコネクタ200は、プラグインコネクタ要素202と相手側プラグインコネクタ要素204とを備える。示されているように、プラグインコネクタ要素202は、導電性のばね式コンタクト要素210を有するソケット要素であり、相手側プラグインコネクタ要素204は、導電性ブレードコンタクト206を有するプラグイン要素である。
図15はプラグインコネクタ要素202を斜視図で示す。図16は相手側プラグインコネクタ要素204を斜視図で示す。更に、図15および図16には、両方の接続要素202、204におけるコンタクト保護の機能性が示されており、導電性部分への接触が許されない試験プローブ214(試験指として知られている)が、いずれの場合も概略的に示されている。
プラグインコネクタ要素202と相手側プラグインコネクタ要素204の間の電気的接触は接触領域208において行われ、その場合、導電性のばね式コンタクト要素210がブレードコンタクト206上に押圧される。接触領域208の温度をモニタするためには、温度センサ212A、212Bを接触領域208のできる限り近くに取り付けるべきである。しかしながら、示されている公知の構成では、空間的条件に起因して、これが可能となるのは、ブレードコンタクト206の接続領域において(温度センサ212A)、および/または、ソケット要素の圧着領域において(温度センサ212B)のみである。しかしながらこの理由から、温度上昇の可能性のある実際の発生区域までの距離が大き過ぎるため、過熱に素早く反応することができない。その結果、例えば、より低い充電電流でより長時間にわたってバッテリを充電しなければならなくなる。
したがって、取り囲まれる差し込み接続部が動作時に安全でかつ信頼でき、それにも関わらず高い費用効果で製作できるような、公知の解決法の欠点を克服するプラグインコネクタ要素が必要とされている。
この目的は独立特許請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態が、従属特許請求項の主題である。
本発明は、HVプラグインコネクタにおけるハウジング要素にではなくコンタクト保護要素に、少なくとも1つの温度センサを埋め込む、またはこれをコンタクト保護要素の表面に配置する、という発想に基づいている。このようにして、プラグインコネクタ要素と相手側プラグインコネクタ要素の間の電気的接触区域内に温度センサを直接配置し、可能な最短距離で、過熱が生じる可能性のある領域と熱的に接続することができる。
特に、相手側プラグインコネクタ要素と脱着可能に電気接触するためのプラグインコネクタ要素は、少なくとも1つの導電性コンタクト要素と、1つのハウジングと、1つのコンタクト保護要素と、を備え、このコンタクト保護要素は、ハウジングとコンタクト保護要素の間で、規定された値を超える直径を有する物体が導電性コンタクト要素に到達するのを防止するように配設されている。コンタクト保護要素内に少なくとも部分的に収容されている、少なくとも1つの温度センサを、導電性コンタクト要素の温度を測定するように動作させることができる。
この構成は、温度センサを、ホットスポットの直接の近傍であっても、設置空間に関して中立的にかつ融通性をもって配置することができる、という利点を有する。センサは、コンタクト保護要素内で、コンタクトの配置に関して最適な位置に配置される。取り付け位置に応じて、差し込み工程によってまたはコンタクト保護部の組立て時に、測定表面に対するセンサの必要な接触圧力が生み出される。コンタクト保護要素内へのセンサの接続線の確実な設置および引き回しも可能になる。この解決法を用いれば、HVプラグインコネクタの温度測定がより正確になり、より融通性が高くなる。
ここで、当然ながら、コンタクト保護要素の中におよび/またはコンタクト保護要素に、ただ1つの単独の温度センサだけでなく、更に多数の温度センサを配置できることを指摘しておく。更に、2つ以上の感知領域を有する温度センサを配備してもよい。
可能な限りリアルタイムでの温度のモニタを可能とするために、有利な実施形態によれば、少なくとも1つの温度センサは、導電性コンタクト要素が相手側プラグインコネクタ要素の相手側導電性コンタクト要素を通して介して電気的な接触が可能な接触領域において、導電性コンタクト要素の温度を測定するように配置される。
有利な態様によれば、ハウジングは、導電性コンタクト要素が配設される本質的に円筒形の内面を有し、導電性コンタクト要素はコンタクト保護要素の周囲を少なくとも部分的に把持する。このようにして、特にコンパクトな構造を実現できる。
この場合、コンタクト保護要素は柱状の構造を有することができ、温度センサはコンタクト保護要素の外壁に配置される。そして、温度センサは接触領域と特に緊密な熱伝導性の接触を行い、導電性コンタクト要素はこの領域において、相手側プラグインコネクタ要素の相手側導電性コンタクト要素を通して電気的な接触が可能であり、温度上昇への達成可能な応答時間は特に短い。
別法としてまたは追加として、コンタクト保護要素が柱状の構造を有し、温度センサがコンタクト保護要素の内側に配置されることもまた、実現され得る。この場合、差し込み工程中の機械的応力から、温度センサが特に良好に保護される。
本発明の更なる有利な実施形態によれば、導電性コンタクト要素は、円筒形の本体と、相手側導電性コンタクト要素とばね式接触するためのばね要素(ばねコンタクトとも呼ばれる)と、を備える。この結果、プラグインコネクタと相手側プラグインコネクタを1つに接続するときに、電気コンタクト要素同士の間の互いへのおよび温度センサへの必要な接触圧力を、単純な様式で生み出すことができる。
特に、ばね要素は、本質的にリングのような形状を有することができ、両側締め付けの多数の可撓性舌部を有してもよく、これらの可撓性舌部は、それらの中央が相手側導電性コンタクト要素に接触するように半径方向内側に曲げられている。このことにより、振動および広い温度範囲が存在する場合であっても、確実な電気的および機械的接触を保証する、均一かつ確かな接触圧力が確保される。
特に接続線の保護のために、少なくとも1つの温度センサの電気接続線がコンタクト保護要素の中を引き回されることが実現され得る。
本発明の有利な更なる発展形態によれば、コンタクト保護要素は、導電性コンタクト要素に圧入されている、電気絶縁性の、電気絶縁性合成部品として実装される。このことにより、温度センサを例えば、そのハウジングが同時にコンタクト保護要素を形成するように、直接オーバーモールドすることができる。このことにより、製造コストが低減し、コンパクトな構造が確保される。
本発明は更に、本発明に係るプラグインコネクタ要素と、関連する相手側プラグインコネクタ要素と、を有する、プラグインコネクタに関する。
例示的な実施形態によれば、相手側プラグインコネクタ要素は円筒形の接触領域を有する相手側導電性コンタクト要素を有し、プラグインコネクタの差し込まれた状態では、相手側導電性コンタクト要素の接触領域はコンタクト保護要素の周囲を把持する。そのような同心型の構造は、構造が特にコンパクトである、およびコネクタ要素を差し込んだときの力の分布が対称である、という利点を有する。
特に良好な熱伝達およびしたがって短い応答時間を達成するために、少なくとも1つの温度センサが、プラグインコネクタを差し込んだ状態の相手側導電性コンタクト要素上へと押圧されることが実現され得る。
両方のコネクタ要素がHV構成要素のコンタクト安全性の要件を満たすように、相手側プラグインコネクタ要素が第2のハウジングとコンタクト保護カバー材とを更に有し、コンタクト保護カバー材は、第2のハウジングとコンタクト保護カバー材の間で、規定された値を超える直径を有する物体が相手側導電性コンタクト要素に到達するのを防止するように配設されることが、実現され得る。例えば、コンタクト保護カバー材は本質的にリング形状の電気絶縁性合成部品によって形成されており、この合成部品は、相手側導電性コンタクト要素の前側端部領域上に配置されている。そのような合成部品は、高い費用効果で製造でき、金属性のコンタクト要素上に留められるかまたは射出成形される。
本発明のプラグインコネクタの有利な特性は、プラグインコネクタが電気自動車用の高電圧プラグインコネクタとして実装されるときに特に効果を発揮する。
本発明をよりよく理解するために、以下の図に示す実施形態によって本発明をより詳細に明らかにする。ここでは、同じ部分には同じ参照符号および同じ構成要素の呼称を付与する。更にまた、示され記載されている様々な実施形態からのいくつかの特徴または特徴の組合せは、別個の独立した、革新的な、または新規性を備えた解決法を表し得る。
本発明のある態様に係るコンタクト保護要素の概略斜視図である。 図1のコンタクト保護要素を有するプラグインコネクタ要素の概略斜視図である。 図2のプラグインコネクタ要素の概略断面図である。 差し込む前の、図2のプラグインコネクタ要素を有するプラグインコネクタの概略斜視図である。 図4のプラグインコネクタ要素の概略断面図である。 図5の詳細図である。 異なるコンタクト保護要素を有するプラグインコネクタの様々な例の断面図である。 異なるコンタクト保護要素を有するプラグインコネクタの様々な例の断面図である。 異なるコンタクト保護要素を有するプラグインコネクタの様々な例の断面図である。 異なるコンタクト保護要素を有するプラグインコネクタの様々な例の断面図である。 差し込んだ後の、図2のプラグインコネクタ要素を有するプラグインコネクタの概略斜視図である。 コンタクト保護機能性を説明するための、図2のプラグインコネクタの概略斜視図である。 コンタクト保護機能性を説明するための、図4の相手側プラグインコネクタの概略斜視図である。 公知のHVプラグインコネクタの概略断面図である。 図14のプラグインコネクタ要素の概略斜視図である。 図14の相手側プラグインコネクタ要素の概略斜視図である。
以下では、図を参照して、特にまず図1の斜視図を参照して、本発明をより詳細に明らかにする。全ての図において、サイズの関係、および特に層厚さの関係は、必ずしも正確な縮尺で再現されていないことに留意されたい。
図1は、(例えば直径12mmの)高電圧(HV)円形プラグで用途を見出せるコンタクト保護要素116を、概略斜視図の形態で示す。本発明の原理による温度検出を行う他のプラグインコネクタの幾何形状を、当然ながら同様に設計することができる。
本発明のある態様によれば、コンタクト保護要素116は、組み立てた状態で柱状の細長い形状を有する、電気絶縁性の本体118を有する。例えば、本体118は合成材料で製作できる。
本発明によれば、コンタクト保護要素116の本体118には、温度センサ112が埋め込まれている。温度センサ112は例えば、NTCサーミスタ、サーモエレメント、抵抗温度センサ(例えばPt)、または任意の他の好適な温度センサを表し得る。
NTCは「負温度係数(negative temperature coefficient)」を表す。NTCサーミスタは、温度測定にセラミック−金属複合材の抵抗特性を利用する温度センサである。NTCセンサは温度測定に多くの利点、例えば小サイズ、長期にわたる安定性、高い正確度、および精度を提供する。
サーモエレメントセンサは、一方の端部で互いに接続された、2つの同質ではない金属から成る。この分岐点において温度が測定される。2つの金属は小さい電圧を生成し、これが制御システムによって測定および評価される。同質ではない金属は個々に絶縁され、ジャケットを利用して緊密な2本巻きが維持される。サーモエレメントセンサは、動作温度範囲が広く、その範囲全体にわたって感度が概ね一定であり、好適な小型化されたサイズで利用可能である、という利点を有する。
RTD(抵抗温度検出器)として知られている抵抗センサは、温度測定に使用されるセンサであり、抵抗が温度に比例して変化する。RTD温度センサは、様々な公的な許可のもとで過酷なまたは有害な環境を伴う場所であっても機能する。
温度センサ112は、実際の温度の検出を行う感知領域120と、温度センサ112を必要な電力供給および測定信号取得(図には示されていない)と接続する、電気接続線122と、を有する。
本発明のある態様によれば、接続線122は本体118の中を引き回され、基部領域124のところで本体118から出て来る。このことにより、温度センサ112および接続線122は、機械的応力から最適に保護される。
続く図3から明らかになるように、コンタクト保護要素116は基部領域124に、半径方向に一周しているラッチ突出縁部126を有し、これが、プラグインコネクタ要素内でコンタクト保護要素116を固定するための、関連付けられたラッチ溝128と係合する。フランジ130は組み立てた状態において、コンタクト保護要素116の封止および機械的支持の役割を果たす。
温度センサ112を装着されたそのようなコンタクト保護要素116を、例えば温度センサ112のオーバーモールドによって別個の部品として製作し、最終組立てに使用できる状態に維持できるのが有利である。このことにより、プラグインコネクタ内への温度センサの取り付けを大きく簡略化できる。
図2は、電流レール132に取り付けられているHVプラグインコネクタ要素102を斜視図で示す。図3の断面図の概要から明らかなように、コンタクト保護要素116は、導電性ソケットコンタクト134の内側に配置されて、規定された試験プローブの直径よりも大きい物体が外部から導電性部分にアクセスできないようになっている。プラグインコネクタ要素102は、電気絶縁性のハウジング136を備え、これはソケットコンタクト134の半径方向の全周および挿入領域の前側を覆っている。
ソケットコンタクト134は導電性のコンタクト本体138を備え、これにより電流レール132への電気的接合が確立する。相手側プラグインコネクタ(図5および図6を参照)と電気接触するために、ソケットコンタクト134はばねコンタクト140を備える。ばねコンタクト140は、両側締め付けの多数の半径方向内側に湾曲した可撓性舌部142を備え、これらによって、相手側プラグインコネクタのコンタクト要素に接触圧力が及ぼされる。可撓性舌部142の内側に湾曲した領域は、プラグインコネクタの差し込まれた状態において実際の電気的接触領域144を形成するが、ここにおいて、望まれない熱の蓄積が最初に生じる。
過熱を迅速に検出するために、本発明の第1の有利な態様によれば、温度センサ112は、その感知領域120が接触領域144の直接の近傍に位置するように配置される。
図4から図6は、プラグインコネクタの要素102と相手側プラグインコネクタ要素104を1つに差し合わせて、プラグインコネクタ100の差し込まれた状態を形成する様子を明らかにしている。
示されている実施形態によれば、相手側プラグインコネクタ要素104は中空円筒形の相手側導電性コンタクト要素146を備え、これは148の方向に差し合わされるとコンタクト保護要素116の周囲を把持し、同時にばねコンタクト140を通して外側からコンタクト保護要素116に電気的に接触する。
電気絶縁のために、相手側プラグインコネクタ104は、電気絶縁性の第2のハウジング152と、電気絶縁性のコンタクト保護カバー材154と、を有する。コンタクト保護カバー材154は、第2のハウジングとコンタクト保護カバー材の間で、規定された値を超える直径を有する物体が相手側導電性コンタクト要素146に到達するのを防止するように形成されている。
温度センサ112が少なくとも感知領域120内でそこ以外は平滑なコンタクト保護要素116の外面から僅かに突出しているようにする場合、温度センサは差し込んだ状態において相手側導電性コンタクト要素146の内面へと押圧される。この結果特に緊密な熱的接触が確保され、温度センサ112は、点線でマークした重要領域(critical region)150における過熱に、特に迅速かつ確実に応答することができる。
図7から図10は、コンタクト保護要素116の様々な変更形態を使用して、プラグインコネクタ100の温度検出機能性をそれ以外は変更せずにどのように変更できるかを示す。
図7には、図1から図6を参照して明らかにした構成を、比較のために再び示す。
図8に示すように、温度センサは、電流レールの近傍の温度をモニタできるように、より近くのコンタクト保護要素116の基部領域124に配置することもできる。
更に、コンタクト保護要素116の中の中央を通るように温度センサを案内し、このようにして、一方で対称な温度検出を可能にすること、および他方で温度センサを機械的に保護することが実現され得る。
最後に、示されているコンタクト保護要素116の各々、好ましくは図8に示すものは、単純に温度センサ112なしでも使用できる。この変更形態が図10に示されている。
図7から図9に示す全ての変形形態は、2つ以上の温度センサ112、または2つ以上の感知領域120を有するセンサを使用することによって、互いに組み合せることも可能である。
図11は、差し込んだ状態の本発明のプラグインコネクタ100を斜視図で再び示す。
図12には、プラグインコネクタ要素102のコンタクト保護機能性が示されている。示されているように、試験プローブ114がコンタクト保護要素116とハウジング136の間の自由空間内へと通り抜け、導電性部分、すなわちソケットコンタクト134に触れることは不可能である。
同様に、図13に示すように、第2のハウジング152とコンタクト保護カバー材154の相互作用によって、試験プローブ114(およびこの理由により、試験プローブよりも大きい直径を有する全ての物体)が、相手側導電性コンタクト要素146に触れることが防止される。
要約すれば、本発明の例示的な態様によれば、例えば指保護部を有する12mmの円形コンタクトを用いる、コンタクトの部品の新しい構成によって、ホットスポットの直接の近傍であっても、設置空間に関して中立的にかつ融通性をもって、温度センサを配置することが可能になる。センサは、コンタクト保護要素内で、コンタクトの配置に関して最適な位置に配置される。取り付け位置に応じて、差し込み工程によってまたはコンタクト保護部の組立て時にのいずれかで、測定表面に対するセンサの必要な接触圧力が生成される。コンタクト保護要素内へのセンサの接続線の確実な設置および引き回しも可能になる。この解決法を用いれば、HVプラグインコネクタの温度測定がより正確になり、より融通性が高くなる。
上記の説明では例として常に円形コンタクトについて記載されているが、それにも関わらず、他のコンタクト断面をおよびまた複数のコンタクトを、本発明の原理に従って当然ながら同様に設計できることに、更に留意すべきである。
100、200 プラグインコネクタ
102、202 プラグインコネクタ要素
104、204 相手側プラグインコネクタ要素
206 ブレードコンタクト
108、208 接触領域
110、210 ばね式コンタクト要素
112、212A、212B 温度センサ
114、214 試験プローブ
116 コンタクト保護要素
118 コンタクト保護要素の本体
120 感知領域
122 接続線
124 基部領域
126 ラッチ突出縁部
128 ラッチ溝
130 フランジ
132 電流レール
134 ソケットコンタクト、コンタクト要素
136 (第1の)ハウジング
138 コンタクト本体
140 ばねコンタクト
142 可撓性舌部
144 接触領域
146 相手側コンタクト要素
148 差し込み方向
150 重要領域
152 相手側プラグインコネクタハウジング、第2のハウジング
154 コンタクト保護カバー材

Claims (15)

  1. 相手側プラグインコネクタ要素(104)と脱着可能に電気接触するためのプラグインコネクタ要素(102)であって、
    前記プラグインコネクタ要素(102)は、
    − 少なくとも1つの導電性コンタクト要素(134)と、
    − ハウジング(136)と、
    − 前記ハウジング(136)とコンタクト保護要素(116)の間で、規定された値を超える直径を有する物体が前記導電性コンタクト要素(134)に到達するのを防止するように配設されている、前記コンタクト保護要素(116)と、
    − 前記コンタクト保護要素(116)内に少なくとも部分的に収容されており、前記導電性コンタクト要素(134)の温度を測定するように動作させることができる、少なくとも1つの温度センサ(112)と、を備える、
    プラグインコネクタ要素。
  2. 前記少なくとも1つの温度センサ(112)は、前記導電性コンタクト要素(134)が前記相手側プラグインコネクタ要素(104)の相手側導電性コンタクト要素(146)を通して電気的な接触が可能な接触領域(144)において、前記導電性コンタクト要素(134)の前記温度を検出するように配置されている、
    請求項1に記載のプラグインコネクタ要素。
  3. 前記ハウジング(136)は、前記導電性コンタクト要素(134)が配設されている本質的に円筒形の内面を有し、前記導電性コンタクト要素(134)は前記コンタクト保護要素(116)を少なくとも部分的に包囲している、
    請求項1または2に記載のプラグインコネクタ要素。
  4. 前記コンタクト保護要素(116)は柱状の構造を有し、前記温度センサ(112)は前記コンタクト保護要素(116)の外壁に配置されている、
    請求項1から3のいずれか一項に記載のプラグインコネクタ要素。
  5. 前記コンタクト保護要素(116)は柱状の構造を有し、前記温度センサ(112)は前記コンタクト保護要素(116)の内側に配置されている、
    請求項1から4のいずれか一項に記載のプラグインコネクタ要素。
  6. 前記導電性コンタクト要素(134)は、円筒形の本体(138)と、前記相手側導電性コンタクト要素(146)とばね式接触するためのばねコンタクト(140)と、を備える、
    請求項1から5のいずれか一項に記載のプラグインコネクタ要素。
  7. 前記ばねコンタクト(140)は、本質的にリングのような形状を有し、両側締め付けの多数の可撓性舌部(142)を備え、前記可撓性舌部(142)は、それらの中央が前記相手側導電性コンタクト要素(146)に接触するように半径方向内側に曲げられている、
    請求項6に記載のプラグインコネクタ要素。
  8. 前記少なくとも1つの温度センサ(112)の電気接続線(122)は前記コンタクト保護要素(116)の中を引き回されている、
    請求項1から7のいずれか一項に記載のプラグインコネクタ要素。
  9. 前記コンタクト保護要素(116)は、前記導電性コンタクト要素(134)に圧入されている、電気絶縁性合成部品として実装されている、
    請求項1から8のいずれか一項に記載のプラグインコネクタ要素。
  10. - 請求項1から9のいずれか一項に記載のプラグインコネクタ要素(102)と、
    - 関連する相手側プラグインコネクタ要素(104)と、を備える、
    プラグインコネクタ。
  11. 前記相手側プラグインコネクタ要素(104)は、円筒形の接触領域を有する相手側導電性コンタクト要素(146)を有し、
    前記プラグインコネクタ(100)の差し込まれた状態では、前記相手側導電性コンタクト要素(146)の前記接触領域は前記コンタクト保護要素(116)を包囲している、
    請求項10に記載のプラグインコネクタ。
  12. 前記少なくとも1つの温度センサ(112)は、前記プラグインコネクタ(100)の差し込まれた状態では前記相手側導電性コンタクト要素(146)上へと押圧されている、
    請求項10または11に記載のプラグインコネクタ。
  13. 前記相手側プラグインコネクタ要素(104)は、第2のハウジング(152)とコンタクト保護カバー材(154)とを更に備え、
    前記コンタクト保護カバー材(154)は、前記第2のハウジング(152)と前記コンタクト保護カバー材(154)の間で、規定された値を超える直径を有する物体が前記相手側導電性コンタクト要素(146)に到達するのを防止するように配設されている、
    請求項10から12のいずれか一項に記載のプラグインコネクタ。
  14. 前記コンタクト保護カバー材(154)は、本質的にリング形状の電気絶縁性合成部品によって形成されており、
    前記合成部品は前記相手側導電性コンタクト要素(146)の前側端部領域上に配置されている、
    請求項11に従属する請求項13に記載のプラグインコネクタ。
  15. 前記プラグインコネクタ(100)は電気自動車用の高電圧プラグインコネクタとして実装されている、
    請求項10から14のいずれか一項に記載のプラグインコネクタ。
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